Supercritical CO₂ (scCO₂) extraction vessels operate at pressures of 100–500 bar and temperatures of 40–100°C. PFA is not suitable for this service. The primary failure mechanism is not chemical attack-scCO₂ is relatively benign to fluoropolymers-but pressure-induced collapse and creep. PFA has low mechanical strength: at 100 bar (10 MPa), the hoop stress on a 25 mm OD, 2 mm wall PFA tube is σ = P × D / (2 × t) = 10 × 25 / 4 = 62.5 MPa. The tensile strength of PFA at 40°C is 25–30 MPa. The stress exceeds the strength by a factor of 2. Even at 50 bar, stress = 31 MPa-above yield. PFA heaters cannot withstand the pressures required for scCO₂ extraction. For vessels operating below 20 bar, PFA may be acceptable, but scCO₂ extraction typically requires >80 bar untuk kuasa pelarut. Kaedah pemanasan alternatif untuk bekas scCO₂ termasuk jaket luaran, pemanas logam dalaman (keluli tahan karat, Inconel), atau pemanas kartrij dalam termowell. PFA tidak disyorkan.
Had Tekanan PFA dalam Perkhidmatan CO₂
Tekanan kerja maksimum yang dibenarkan (MAWP) untuk tiub PFA ialah P_maks=2 × σ_maks × t / D. Untuk σ_maks=12 MPa (tegasan reka bentuk dengan faktor keselamatan pada 40 darjah ), t=2 mm, D=25 mm, P_maks=2 × 12 × 2}} / {{13.}} / {{13} bar. Ini ialah maksimum mutlak untuk-operasi jangka pendek. Untuk perkhidmatan berterusan, susut sebanyak 50%: P_max_continuous=0.5 × 1.9=0.95 MPa (9.5 bar). Pengekstrakan scCO₂ pada 80–500 bar (8–50 MPa) melebihi keupayaan PFA sebanyak 8× hingga 50×.
Walaupun tiub PFA secara teorinya boleh menahan tekanan, pengedap hujung (di mana pemanas menembusi kapal) akan bocor. Bebibir PFA dan kelengkapan mampatan dinilai untuk maksimum 5–10 bar. Tiada pemasangan PFA yang tersedia secara komersial dinilai untuk perkhidmatan CO₂ 100 bar.
Mod Kegagalan dalam scCO₂
| Tekanan (bar) | Tegasan Gelung pada 25×2 mm (MPa) | Kekuatan PFA (MPa) | Mod Kegagalan | Masa untuk Kegagalan |
|---|---|---|---|---|
| 10 | 6.3 | 25 | Tiada (selamat) | >10,000 jam |
| 20 | 12.5 | 25 | Marginal (rayap) | 1,000–5,000 jam |
| 30 | 18.8 | 25 | Merayap pecah | 100–500 jam |
| 50 | 31.3 | 25 | Hasil segera | jam |
| 80 | 50 | 25 | pecah | minit |
| 100 | 62.5 | 25 | Kegagalan serta merta | Detik |
Pada 80 bar, tiub PFA akan belon dan pecah. Kegagalan adalah secara tiba-tiba dan malapetaka: sarung PFA pecah, scCO₂ terlepas melalui teras pemanas (jika berongga) atau teras terdedah. Dalam bekas tertutup, pemanas pecah mencipta laluan untuk pembebasan gas, tetapi kapal itu sendiri kekal utuh. Walau bagaimanapun, proses pengekstrakan rosak, dan pemanas mesti diganti.
Peresapan dan Bengkak dalam scCO₂
Pada tekanan melebihi 80 bar, scCO₂ meresap melalui PFA pada kadar yang ketara. Pekali kebolehtelapan untuk CO₂ dalam PFA pada 40 darjah dan 100 bar adalah lebih kurang 10–50× lebih tinggi daripada pada 10 bar disebabkan oleh pemplastikan. Molekul CO₂ meresap ke kawasan amorfus, membengkak polimer sebanyak 2-5%. Bengkak mengurangkan lagi kekuatan mekanikal (sebanyak 20–30%). PFA yang bengkak menjadi lebih lembut, dan rayapan semakin laju. Walaupun pemanas PFA boleh dibina untuk menahan 100 bar, resapan akan menyebabkan ruang anulus dalaman bertekanan dengan CO₂. Selepas penyahtekanan, CO₂ yang terperangkap akan mengembang, melepuh atau melepuh PFA (lihat Artikel #93). Kitaran tekanan/penyahtekanan (biasa dalam pengekstrakan kelompok) amat merosakkan.
Kaedah Pemanasan Alternatif untuk scCO₂
Memandangkan pemanas PFA tidak berdaya maju untuk pengekstrakan scCO₂, gunakan salah satu kaedah ini:
| Kaedah Pemanasan | Penilaian Tekanan Biasa | Kelebihan | Keburukan |
|---|---|---|---|
| Kapal berjaket luar | Penarafan kapal penuh (300 bar) | Tiada penembusan; pemanasan seragam | Tindak balas perlahan; kos yang lebih tinggi |
| Pemanas logam dalaman (Inconel 625) | Penarafan kapal penuh | Respon cepat; padat | Logam boleh memangkinkan tindak balas |
| Pemanas katrij dalam termowell (logam) | Penarafan kapal penuh | Boleh diganti tanpa pembukaan kapal | Kecekapan pemindahan haba yang lebih rendah |
| Pemanas jalur pada bahagian luar kapal | Penarafan kapal penuh | Mudah; tiada pengubahsuaian kapal | Hanya untuk kapal kecil |
| Gelung peredaran semula dengan penukar haba luaran | Penarafan kapal penuh | Kawalan yang sangat baik; boleh skala | Memerlukan pam; kompleks |
Untuk vesel yang memerlukan pemanasan rendaman dalaman (cth, untuk mengelakkan zon mati), gunakan pemanas logam (Inconel 625 atau Hastelloy C-276) yang dinilai untuk tekanan vesel penuh. Aloi ini tahan kepada scCO₂ dan sebarang pelarut ko-(etanol, metanol) yang digunakan dalam pengekstrakan. Elemen pemanas lazimnya ialah kabel berpenebat mineral (MgO) di dalam sarung logam. Sarung logam membawa beban tekanan, bukan penebat.
Kesimpulan: Jangan Gunakan Pemanas PFA dalam Pengekstrakan scCO₂
Pemanas PFA tidak dapat menahan tekanan yang diperlukan untuk pengekstrakan CO₂ superkritikal (80–500 bar). Tegasan gelung melebihi kekuatan tegangan PFA sebanyak 2–50×, membawa kepada rayapan, belon, pecah atau pecah dengan pantas. Walaupun pada tekanan serendah 20–30 bar, PFA adalah kecil dan akan gagal dalam masa beratus-ratus jam disebabkan oleh rayapan. Untuk mana-mana vesel scCO₂ yang beroperasi melebihi 10 bar, nyatakan pemanas logam (Inconel, Hastelloy) atau pemanasan jaket luaran. Jangan cuba menggunakan pemanas PFA di bawah tekanan terkadarnya (biasanya 5–10 bar) dan jangkakan prestasi scCO₂. Bahan tidak direka untuknya, kelengkapan tidak dinilai untuknya, dan akibat kegagalan (gangguan proses, pencemaran kapal, risiko keselamatan) tidak berbaloi untuk dicuba. PFA adalah untuk rintangan kimia tekanan{15}atmosfera atau rendah. scCO₂ ialah peralatan proses{17}tekanan tinggi. Padankan bahan dengan tekanan. PFA dan scCO₂ tidak bercampur. Gunakan logam, gunakan haba luaran, tetapi jangan gunakan PFA. Kapal itu akan menang. Pemanas akan hilang. Pilih dengan bijak.
