Ar PFA šildytuvą galima naudoti superkritiniame CO₂ ištraukimo inde be priešlaikinio gedimo?

Superkritiniai CO₂ (scCO₂) ekstrahavimo indai veikia esant 100–500 barų slėgiui ir 40–100 laipsnių temperatūrai. Ši paslauga neveikia PFA. Vyraujantis gedimo būdas nėra cheminis ataka, scCO2 paprastai yra nekenksmingas fluoropolimerams, bet slėgio -sukeltas žlugimas ir šliaužimas. PFA yra silpno mechaninio stiprumo. Esant 100 barų (10 MPa), lanko įtempis ant 25 mm OD, 2 mm sienelės PFA vamzdžio yra σ=P × D / (2 × t)=10 × 25 / 4=62.5 MPa. PFA tempiamasis stipris yra 25-30 MPa esant 40 laipsnių kampui. Stresas yra du kartus didesnis už jėgą. įtempis=31 MPa didesnis išeiga net esant 50 barų. PFA šildytuvai neatlaiko slėgių, reikalingų scCO₂ ekstrahavimui. Indai 20 barų PFA gali būti tinkami, bet norint pasiekti tirpinimo galią, scCO2 ekstrahuoti reikia > 80 barų. ScCO₂ indus taip pat galima šildyti išorinėmis striukėmis, vidiniais metaliniais šildytuvais (nerūdijančio plieno, Inconel) arba kasetiniais šildytuvais termošuoliuose. PFA nerekomenduojama.

CO₂ aptarnavimo PFA slėgio normos
PFA vamzdžio didžiausias leistinas darbinis slėgis (MAWP): P_max=2 x σ_max xt / D Maksimalus=12 MPa (projektinis įtempis su saugos koeficientu 40 laipsnių kampu) t=2 mm D=25 mm P max=2 12 2 / 25=48 / {{9}.2 MPa). Tai yra didžiausias absoliutus trumpalaikis naudojimas. Nepertraukiamai eksploatuojant sumažinimas 50 % P_max_continuous=0.5 x 1.9=0.95 MPa (9,5 baro) scCO2 ištraukimas esant 80–500 barų (8–50 MPa) yra 8–50 kartų geresnis nei PFA.

Teoriškai PFA vamzdis galėtų atlaikyti jėgą, tačiau galiniai sandarikliai (kur šildytuvas prasiskverbia į indą) nutekėtų. PFA flanšai ir suspaudimo jungiamosios detalės yra maksimaliai 5–10 barų. Šiuo metu nėra PFA jungiamųjų detalių, kurios būtų pritaikytos 100 barų CO₂ apkrovai.

ScCO₂ gedimo būdai
Pressure (bar) Hoop Stress at 25×2 mm (MPa)PFA Strength (MPa) Failure mode Time to failure 10 6.3 25 None (safe) >10 000 valandų
Ribinis (šliaužimas) 1 000–5 000 valandų 12.5 20 25
30 18.8 25 Valkšnumo plyšimas 100-500 val
50 31.3 25 Greitas išeiga Valandos 80 50 25 Serija minutės 100 62.5 25 Momentinis gedimas sekundės
Esant 80 barų slėgiui, PFA vamzdis išsipūs ir sprogs. Gedimas dramatiškas ir staigus: PFA apvalkalas plyšta ir scCO₂ nuteka per šildytuvo šerdį (jei tuščiavidurė) arba šerdis yra atvira. Indas užplombuotas. Jei šildytuvas sprogsta, susidaro skylė dujoms išeiti, tačiau indas vis dar nepažeistas. Tačiau ištraukimo procesas sunaikinamas ir šildytuvą reikia pakeisti.

scCO2 prasiskverbimas ir patinimas
Esant slėgiui, viršijančiam 80 barų, scCO2 dideliu greičiu pasklinda per PFA. Dėl plastifikacijos CO₂ pralaidumo koeficientas PFA esant 40 laipsnių ir 100 barų yra maždaug 10–50 kartų didesnis nei esant 10 barų. CO2 molekulės difunduoja į amorfines polimero sritis, išplėsdamos jį iki 2-5%. Patinimas turi įtakos ir mechaniniam stiprumui (20–30 % mažiau). Išbrinkęs PFA suminkštėja, o šliaužimas pagreitėja. Net jei būtų galima sukonstruoti PFA šildytuvą, kuris atlaikytų 100 barų, prasiskverbimas sukeltų slėgį į vidinį žiedą su CO 2. Kai slėgis būtų sumažintas, esantis CO2 išsiplės, apdegindamas arba suskaidydamas PFA (žr. #93 straipsnį). Šis slėgio didinimo / slėgio mažinimo ciklas (būdingas partijos ekstrahavimui) yra labai žalingas.

Alternatyvūs scCO₂ šildymo būdai
PFA šildytuvai nėra tinkamas pasirinkimas scCO2 ekstrahavimui. Šie metodai apima:

Šildymo būdas Standartinis slėgio įvertinimas Privalumai Trūkumai
Išorinis indas su apvalkalu Viso indo įvertinimas (300 barų) Nėra prasiskverbimo, vienalytė šiluma Lėtas atsakymas. Brangus.
Vidinis metalinis šildytuvas (Inconel 625) Visas laivo gabenimo tarifas Kompaktiškas, greitai reaguojantis Reakcijas gali katalizuoti metalas.
Thermowell (metalinis) kasetinis šildytuvasViso indo įvertinimas Keičiamas neatidarant indo Mažesnis šilumos perdavimo efektyvumas
Juostos šildytuvai (indo išorėje)Visas laivo įvertinimas Paprasta, indo keisti nereikia Tik mažiems laivams
Recirkuliacinė kilpa su išoriniu šilumokaičiu Pilnas laivo įvertinimas Geras valdymas; ScalableReikalingas siurblys; sudėtingas.
Indams, kuriems reikalingas vidinis panardinamasis šildymas (pvz., siekiant išvengti negyvų zonų), naudokite metalinį šildytuvą (Inconel 625 arba Hastelloy C-276), skirtą visam indo slėgiui. Šie lydiniai yra atsparūs scCO₂ ir bet kokiems ekstrahuojant naudojamiems pagalbiniams tirpikliams (etanoliui, metanoliui). Šildymo elementas dažniausiai yra mineralinės izoliacijos (MgO) kabelis metaliniame apvalkale. Slėgio apkrovą neša metalinis apvalkalas, o ne izoliacija.

Išvada: ScCO2 ekstrahavimo metu reikia vengti PFA šildytuvų
PFA šildytuvai negali būti naudojami superkritiniam CO₂ ekstrahavimui (80–500 barų). Balionas, plyšimas, sprogimas arba greitas šliaužimas atsiranda, nes lanko įtempis yra 2–50 kartų didesnis nei PFA tempiamasis stipris. Net esant 20–30 barų slėgiui, PFA yra vidutiniškas ir suges per šimtus valandų. Kiekvienam scCO2 indui, veikiančiam virš 10 barų, turi būti nurodyti metaliniai šildytuvai (Inconel, Hastelloy) arba išorinis apvalkalo šildymas. PFA šildytuvai nepatvirtinti, kad ScCO2 našumas būtų mažesnis nei vardinis slėgis (paprastai 5–10 barų). Medžiaga jai neskirta, jungiamosios detalės nėra jai skirtos, o gedimo rizikos (proceso sutrikimas, indo užterštumas, saugumo rizika) bandyti neverta. PFA skirtas naudoti atmosferos arba žemo slėgio chemijos tarnyboje. scCO₂ yra aukšto slėgio gamybos įmonė. Suderinkite medžiagą su slėgiu. PFA ir scCO₂ nesimaišo. Nėra PFA, išorinė šiluma, metalas Laimės valtis. Šildytuvas praras. Nusipelnė.