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 pro rozpouštěcí sílu. Alternativní způsoby ohřevu nádob scCO₂ zahrnují vnější pláště, vnitřní kovové ohřívače (nerezová ocel, Inconel) nebo kazetové ohřívače v teploměrných jímkách. PFA se nedoporučuje.
Limity tlaku PFA v provozu CO₂
Maximální přípustný pracovní tlak (MAWP) pro trubku PFA je P_max=2 × σ_max × t / D. Pro σ_max=12 MPa (návrhové napětí s bezpečnostním faktorem při 40 stupních), t=2 mm, D=25 mm, P_max=2 × {2} MP (12 × 19} /2} /12} /19. bar). To je absolutní maximum pro krátkodobý-provoz. Pro nepřetržitý provoz snížení o 50 %: P_max_continuous=0.5 × 1.9=0.95 MPa (9,5 baru). Extrakce scCO₂ při 80–500 barech (8–50 MPa) převyšuje schopnost PFA 8× až 50×.
I kdyby trubice PFA teoreticky vydržela namáhání, koncová těsnění (kde ohřívač proniká do nádoby) by netěsnila. Příruby PFA a svěrné šroubení jsou dimenzovány na maximální tlak 5–10 bar. Žádná komerčně dostupná armatura PFA není dimenzována na provoz 100 barů CO₂.
Režimy selhání v scCO₂
| Tlak (bar) | Obručové napětí při 25×2 mm (MPa) | Síla PFA (MPa) | Režim selhání | Čas na selhání |
|---|---|---|---|---|
| 10 | 6.3 | 25 | Žádné (bezpečné) | >10 000 hodin |
| 20 | 12.5 | 25 | Marginální (tečení) | 1 000–5 000 hodin |
| 30 | 18.8 | 25 | Creep ruptura | 100–500 hodin |
| 50 | 31.3 | 25 | Okamžitý výnos | hodiny |
| 80 | 50 | 25 | Prasknout | Zápis |
| 100 | 62.5 | 25 | Okamžité selhání | Sekundy |
Při tlaku 80 bar se trubice PFA nafoukne a praskne. Porucha je náhlá a katastrofální: PFA plášť praskne, scCO₂ uniká jádrem ohřívače (je-li duté) nebo je jádro obnaženo. V utěsněné nádobě vytváří prasklý ohřívač cestu pro uvolnění plynu, ale samotná nádoba zůstává nedotčena. Proces extrakce je však zničen a ohřívač musí být vyměněn.
Permeace a bobtnání v scCO₂
Při tlacích nad 80 barů proniká scCO₂ přes PFA významnou rychlostí. Koeficient propustnosti pro CO₂ v PFA při 40 stupních a 100 bar je přibližně 10–50× vyšší než při 10 bar v důsledku plastifikace. Molekuly CO₂ difundují do amorfních oblastí a nabobtnají polymer o 2–5 %. Bobtnání dále snižuje mechanickou pevnost (o 20–30 %). Nabobtnalý PFA se stává měkčím a tečení se zrychluje. I kdyby ohřívač PFA mohl být postaven tak, aby vydržel 100 barů, pronikání by způsobilo natlakování vnitřního prstencového prostoru CO₂. Po odtlakování by zachycený CO₂ expandoval, puchýřoval nebo delaminoval PFA (viz článek #93). Cyklus natlakování/odtlakování (typický pro dávkové extrakce) je zvláště škodlivý.
Alternativní způsoby vytápění pro scCO₂
Protože ohřívače PFA nejsou vhodné pro extrakci scCO₂, použijte jednu z těchto metod:
| Způsob vytápění | Typické hodnocení tlaku | Výhody | Nevýhody |
|---|---|---|---|
| Vnější opláštěná nádoba | Plné hodnocení nádoby (300 bar) | Žádná penetrace; rovnoměrné vytápění | Pomalá odezva; vyšší náklady |
| Vnitřní kovový ohřívač (Inconel 625) | Plné hodnocení plavidla | Rychlá odezva; kompaktní | Kov může katalyzovat reakce |
| Ohřívač kartuše v jímce (kov) | Plné hodnocení plavidla | Vyměnitelné bez otvoru nádoby | Nižší účinnost přenosu tepla |
| Pásové ohřívače na vnější straně nádoby | Plné hodnocení plavidla | Jednoduchý; žádná úprava plavidla | Pouze pro malá plavidla |
| Recirkulační smyčka s externím výměníkem tepla | Plné hodnocení plavidla | Vynikající ovládání; škálovatelné | Vyžaduje čerpadlo; komplex |
Pro nádoby vyžadující vnitřní ponorný ohřev (např. abyste se vyhnuli mrtvým zónám) použijte kovový ohřívač (Inconel 625 nebo Hastelloy C-276) dimenzovaný na plný tlak nádoby. Tyto slitiny jsou odolné vůči scCO₂ a jakýmkoli ko{7}}rozpouštědlům (etanol, metanol) používaným při extrakcích. Topné těleso je typicky minerální izolovaný (MgO) kabel uvnitř kovového pláště. Kovový plášť nese tlakové zatížení, nikoli izolace.
Závěr: Nepoužívejte ohřívače PFA při extrakci scCO₂
Ohřívače PFA nemohou odolat tlakům potřebným pro superkritickou extrakci CO₂ (80–500 bar). Obručové napětí převyšuje pevnost v tahu PFA 2–50×, což vede k rychlému tečení, nafouknutí, prasknutí nebo prasknutí. Dokonce i při tlacích tak nízkých, jako je 20–30 bar, je PFA marginální a během stovek hodin selže kvůli tečení. Pro jakoukoli nádobu scCO₂ pracující nad 10 bar specifikujte kovové ohřívače (Inconel, Hastelloy) nebo vnější vyhřívání pláště. Nepokoušejte se používat ohřívače PFA pod jejich jmenovitý tlak (obvykle 5–10 barů) a očekávejte výkon scCO₂. Materiál pro to není určen, armatury na to nejsou dimenzovány a následky selhání (přerušení procesu, kontaminace nádoby, bezpečnostní riziko) nestojí za pokus. PFA je chemická odolnost proti atmosférickému-tlaku nebo nízkému tlaku. scCO₂ je vysokotlaké{17}}procesní zařízení. Přizpůsobte materiál tlaku. PFA a scCO₂ se nemíchají. Použijte kov, použijte externí teplo, ale nepoužívejte PFA. Plavidlo vyhraje. Ohřívač ztratí. Volit moudře.
