آیا می توان از بخاری PFA در یک مخزن استخراج CO2 فوق بحرانی بدون خرابی زودرس استفاده کرد؟

مخازن استخراج CO2 فوق بحرانی (scCO2) در فشارهای بین 100 تا 500 بار و دمای بین 40 تا 100 درجه کار می کنند. این سرویس برای PFA کار نمی کند. حالت شکست غالب حمله شیمیایی نیست، scCO2 عموماً برای فلوروپلیمرها خوش خیم است، اما فروپاشی و خزش ناشی از فشار-. PFA از نظر استحکام مکانیکی ضعیف است. در 100 بار (10 مگاپاسکال) تنش حلقه روی لوله PFA 25 میلی‌متری OD، دیواره 2 میلی‌متری σ=P × D / (2 × t)=10 × 25 / 4=62.5 مگاپاسکال است. استحکام کششی PFA 25{25}}30 مگاپاسکال در 40 درجه است. استرس دو برابر قدرت است. تنش=31 عملکرد مگاپاسکال بالاتر از 50 بار. هیترهای PFA قادر به مقاومت در برابر فشارهای مورد نیاز برای استخراج scCO2 نیستند. مخازن 20 بار PFA ممکن است مناسب باشند، اما استخراج scCO2 بیش از 80 بار برای دستیابی به قدرت حل شوندگی مورد نیاز است. مخازن ScCO2 همچنین می توانند توسط ژاکت های بیرونی، بخاری های فلزی داخلی (فولاد ضد زنگ، Inconel) یا بخاری های کارتریجی در ترموول ها گرم شوند. PFA توصیه نمی شود.

رتبه بندی فشار PFA برای خدمات CO₂
لوله PFA حداکثر فشار کاری مجاز (MAWP) دارد: P_max=2 x σ_max xt / D برای حداکثر=12 MPa (تنش طراحی با ضریب ایمنی در 40 درجه ) t=2 mm D=25 mm P max=2 12 2 / 25=48 / {{9}. این حداکثر مطلق برای استفاده کوتاه مدت است. برای کاهش سرویس پیوسته 50٪ P_max_continuous=0.5 x 1.9=0.95 مگاپاسکال (9.5 بار) استخراج scCO2 در 80-500 بار (8-50 MPa) 8 تا 50 برابر بهتر از PFA است.

از نظر تئوری، لوله PFA می تواند نیرو را تحمل کند، اما مهر و موم انتهایی (جایی که بخاری در ظرف نفوذ می کند) نشت می کند. فلنج های PFA و اتصالات فشاری حداکثر تا 5 تا 10 بار درجه بندی می شوند. هیچ اتصالات PFA در حال حاضر موجود نیست که برای کارکرد 100 بار CO2 درجه بندی شده باشد.

حالت های شکست در scCO2
Pressure (bar) Hoop Stress at 25×2 mm (MPa)PFA Strength (MPa) Failure mode Time to failure 10 6.3 25 None (safe) >10000 ساعت
حاشیه (خزش) 1000–5000 ساعت 12.5 20 25
30 18.8 25 پارگی خزش 100-500 ساعت
50 31.3 25 ساعت بازدهی فوری 80 50 25 دقیقه انفجاری 100 62.5 25 ثانیه شکست آنی
در 80 بار لوله PFA نفخ کرده و می ترکد. شکست چشمگیر و ناگهانی است: غلاف PFA پاره می شود و scCO2 از هسته گرمکن نشت می کند (اگر توخالی باشد) یا هسته در معرض دید قرار می گیرد. کشتی مهر و موم شده است. اگر بخاری منفجر شود، سوراخی برای خروج گاز ایجاد می کند، اما ظرف هنوز سالم است. با این حال فرآیند استخراج از بین می رود و بخاری باید تعویض شود.

نفوذ و تورم scCO2
در فشارهای بیش از 80 بار، scCO2 با سرعت قابل توجهی از طریق PFA پخش می شود. به دلیل پلاستیک سازی، ضریب نفوذپذیری CO2 در PFA در 40 درجه و 100 بار در حدود 10-50 × بیشتر از 10 بار است. مولکول‌های CO2 در نواحی آمورف پلیمر پخش می‌شوند و آن را تا 2 تا 5 درصد منبسط می‌کنند. تورم همچنین بر استحکام مکانیکی تأثیر می گذارد (20-30٪ کمتر). PFA متورم نرم می شود و خزش تسریع می یابد. حتی اگر امکان ساخت یک بخاری PFA برای مقاومت در برابر 100 بار وجود داشته باشد، نفوذ آنولوس داخلی را با CO 2 تحت فشار قرار می دهد. هنگامی که فشار کاهش می یابد CO2 موجود منبسط می شود، PFA را می سوزاند یا لایه لایه می کند (به ماده 93 مراجعه کنید). این چرخه فشار / کاهش فشار (معمولاً استخراج دسته ای) بسیار مضر است.

تکنیک های گرمایش جایگزین برای scCO2
هیترهای PFA برای استخراج scCO2 گزینه مناسبی نیستند. این رویکردها عبارتند از:

روش گرمایش رتبه بندی فشار استاندارد مزایا معایب
ظرف خارجی پوشش دار رتبه بندی کامل ظرف (300 بار) بدون نفوذ، گرمای همگن پاسخ آهسته. گران است.
بخاری فلزی داخلی (Inconel 625) نرخ حمل کامل کشتی فشرده و سریع واکنش ها را می توان توسط فلز کاتالیز کرد.
بخاری کارتریج ترموول (فلزی) درجه ظرف کامل قابل تعویض بدون باز کردن ظرف راندمان انتقال حرارت کمتر
بخاری های نواری (خارج از کشتی) رتبه بندی کامل ظرف ساده، بدون نیاز به تغییر ظرف فقط برای صنایع دستی کوچک
حلقه چرخش با مبدل حرارتی خارجی امتیاز کامل کشتی کنترل خوب. مقیاس پذیر به پمپ نیاز دارد. پیچیده
برای کشتی‌هایی که نیاز به گرمایش غوطه‌وری داخلی دارند (مثلاً برای جلوگیری از ایجاد مناطق مرده) از بخاری فلزی (Inconel 625 یا Hastelloy C{3}}276) که برای کل فشار مخزن درجه بندی شده است، استفاده کنید. این آلیاژها در برابر scCO2 و هر حلال کمکی (اتانول، متانول) به کار رفته در استخراج مقاوم هستند. المنت بخاری معمولاً یک کابل عایق معدنی (MgO) در یک ژاکت فلزی است. بار فشار توسط غلاف فلزی حمل می شود، نه عایق.

نتیجه گیری: در استخراج scCO2 باید از هیترهای PFA اجتناب شود
بخاری های PFA را نمی توان برای استخراج CO2 فوق بحرانی (80-500 بار) استفاده کرد. بالون شدن، پارگی، ترکیدن یا خزش سریع به این دلیل رخ می دهد که تنش حلقه 2 تا 50 برابر بیشتر از استحکام کششی PFA است. حتی در فشارهای کمتر از 20 تا 30 بار، PFA متوسط ​​است و در طی صدها ساعت با خزش از بین می‌رود. بخاری های فلزی (Inconel، Hastelloy) یا گرمایش ژاکت خارجی باید برای هر مخزن scCO2 که بیش از 10 بار کار می کند مشخص شود. هیترهای PFA برای عملکرد ScCO2 زیر فشار نامی خود (معمولاً 5-10 بار) تأیید نمی شوند. مواد برای آن در نظر گرفته نشده است، اتصالات برای آن رتبه بندی نشده اند و خطرات شکست (اختلال در فرآیند، آلودگی کشتی، خطر ایمنی) ارزش امتحان کردن را ندارند. PFA برای استفاده در خدمات شیمیایی اتمسفر یا فشار کم است. scCO2 یک کارخانه فرآیند با فشار بالا است. مواد را با فشار مطابقت دهید. PFA و scCO2 غیر قابل اختلاط هستند. بدون PFA، حرارت خارجی، فلز قایق برنده خواهد شد. بخاری داره از دست میره سزاوار آن است.