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 >सॉल्वेटिंग पावर के लिए 80 बार। ScCO₂ जहाजों के लिए वैकल्पिक हीटिंग विधियों में बाहरी जैकेट, आंतरिक धातु हीटर (स्टेनलेस स्टील, इनकोनेल), या थर्मोवेल्स में कारतूस हीटर शामिल हैं। पीएफए की अनुशंसा नहीं की जाती है.
CO₂ सेवा में PFA की दबाव सीमाएँ
पीएफए ट्यूब के लिए अधिकतम स्वीकार्य कामकाजी दबाव (MAWP) P_max=2 × σ_max × t / D है। σ_max=12 MPa (40 डिग्री पर सुरक्षा कारक के साथ डिजाइन तनाव) के लिए, t= 2 मिमी, D=25 मिमी, P_max=2 × 12 × 2 / 25=48 / 25=1.92 MPa (19.2 बार)। यह अल्पावधि परिचालन के लिए पूर्ण अधिकतम सीमा है। निरंतर सेवा के लिए, 50% घटाएँ: P_max_continous=0.5 × 1.9=0.95 MPa (9.5 बार)। 80-500 बार (8-50 एमपीए) पर एससीओ₂ निष्कर्षण पीएफए की क्षमता से 8× से 50× तक अधिक है।
भले ही पीएफए ट्यूब सैद्धांतिक रूप से तनाव का सामना कर सकती है, अंत सील (जहां हीटर पोत में प्रवेश करती है) लीक हो जाएगी। पीएफए फ्लैंज और संपीड़न फिटिंग को अधिकतम 5-10 बार के लिए रेट किया गया है। 100 बार CO₂ सेवा के लिए किसी भी व्यावसायिक रूप से उपलब्ध PFA फिटिंग को रेट नहीं किया गया है।
ScCO₂ में विफलता मोड
| दबाव (बार) | 25×2 मिमी (एमपीए) पर घेरा तनाव | पीएफए ताकत (एमपीए) | विफलता मोड | असफलता का समय |
|---|---|---|---|---|
| 10 | 6.3 | 25 | कोई नहीं (सुरक्षित) | >10,000 घंटे |
| 20 | 12.5 | 25 | सीमांत (रेंगना) | 1,000-5,000 घंटे |
| 30 | 18.8 | 25 | रेंगना टूटना | 100-500 घंटे |
| 50 | 31.3 | 25 | तत्काल उपज | घंटे |
| 80 | 50 | 25 | फोड़ना | मिनट |
| 100 | 62.5 | 25 | तात्कालिक विफलता | सेकंड |
80 बार पर, पीएफए ट्यूब फूल जाएगी और फट जाएगी। विफलता अचानक और विनाशकारी है: पीएफए शीथ टूट जाता है, एससीसीओ हीटर कोर (यदि खोखला है) के माध्यम से निकल जाता है या कोर उजागर हो जाता है। एक सीलबंद बर्तन में, एक फटा हुआ हीटर गैस निकलने का रास्ता बनाता है, लेकिन बर्तन स्वयं बरकरार रहता है। हालाँकि, निष्कर्षण प्रक्रिया बर्बाद हो गई है, और हीटर को बदला जाना चाहिए।
ScCO₂ में प्रवेश और सूजन
80 बार से ऊपर के दबाव पर, scCO₂ महत्वपूर्ण दरों पर पीएफए के माध्यम से प्रवेश करता है। 40 डिग्री और 100 बार पर पीएफए में CO₂ के लिए पारगम्यता गुणांक प्लास्टिककरण के कारण 10 बार की तुलना में लगभग 10-50× अधिक है। CO₂ अणु अनाकार क्षेत्रों में फैल जाते हैं, जिससे बहुलक 2-5% तक फूल जाता है। सूजन से यांत्रिक शक्ति और भी कम हो जाती है (20-30%)। सूजा हुआ पीएफए नरम हो जाता है, और रेंगना तेज हो जाता है। यहां तक कि अगर एक पीएफए हीटर को 100 बार का सामना करने के लिए बनाया जा सकता है, तो पारगम्यता के कारण आंतरिक कुंडलाकार स्थान पर CO₂ का दबाव पड़ेगा। दबाव कम करने पर, फंसा हुआ CO₂ फैल जाएगा, पीएफए को फफोला देगा या नष्ट कर देगा (अनुच्छेद #93 देखें)। दबाव/अवसादन का चक्र (बैच निष्कर्षण में विशिष्ट) विशेष रूप से हानिकारक है।
ScCO₂ के लिए वैकल्पिक तापन विधियाँ
चूंकि पीएफए हीटर एससीओ₂ निष्कर्षण के लिए व्यवहार्य नहीं हैं, इसलिए इन विधियों में से एक का उपयोग करें:
| तापन विधि | विशिष्ट दबाव रेटिंग | लाभ | नुकसान |
|---|---|---|---|
| बाहरी जैकेटयुक्त पोत | पूर्ण पोत रेटिंग (300 बार) | कोई प्रवेश नहीं; एकसमान तापन | धीमी प्रतिक्रिया; अधिक लागत |
| आंतरिक धातु हीटर (इनकोनेल 625) | पूर्ण पोत रेटिंग | तीव्र प्रतिक्रिया; कॉम्पैक्ट | धातु प्रतिक्रियाओं को उत्प्रेरित कर सकती है |
| थर्मोवेल में कार्ट्रिज हीटर (धातु) | पूर्ण पोत रेटिंग | बर्तन को खोले बिना बदला जा सकता है | कम गर्मी हस्तांतरण दक्षता |
| जहाज के बाहरी हिस्से पर बैंड हीटर | पूर्ण पोत रेटिंग | सरल; कोई पोत संशोधन नहीं | केवल छोटे जहाजों के लिए |
| बाहरी हीट एक्सचेंजर के साथ रीसर्क्युलेशन लूप | पूर्ण पोत रेटिंग | उत्कृष्ट नियंत्रण; स्केलेबल | पंप की आवश्यकता है; जटिल |
आंतरिक विसर्जन हीटिंग की आवश्यकता वाले जहाजों के लिए (उदाहरण के लिए, मृत क्षेत्रों से बचने के लिए), पूर्ण पोत दबाव के लिए रेटेड धातु हीटर (इनकोनेल 625 या हास्टेलॉय सी - 276) का उपयोग करें। ये मिश्रधातुएँ scCO₂ और निष्कर्षण में प्रयुक्त किसी भी सह-विलायक (इथेनॉल, मेथनॉल) के प्रति प्रतिरोधी हैं। हीटर तत्व आमतौर पर धातु आवरण के अंदर एक खनिज-अछूता (एमजीओ) केबल होता है। धातु आवरण दबाव भार वहन करता है, इन्सुलेशन नहीं।
निष्कर्ष: एससीओ₂ एक्सट्रैक्शन में पीएफए हीटर का उपयोग न करें
पीएफए हीटर सुपरक्रिटिकल CO₂ निष्कर्षण (80-500 बार) के लिए आवश्यक दबाव का सामना नहीं कर सकते। घेरा तनाव पीएफए की तन्य शक्ति से 2-50× अधिक है, जिससे तेजी से रेंगना, गुब्बारा बनना, टूटना या फटना होता है। 20-30 बार जैसे कम दबाव पर भी, पीएफए सीमांत है और रेंगने के कारण सैकड़ों घंटों के भीतर विफल हो जाएगा। 10 बार से ऊपर चलने वाले किसी भी एससीसीओ₂ पोत के लिए, मेटल हीटर (इन्कोनेल, हास्टेलॉय) या बाहरी जैकेट हीटिंग निर्दिष्ट करें। पीएफए हीटरों को उनके रेटेड दबाव (आमतौर पर 5-10 बार) से नीचे उपयोग करने का प्रयास न करें और एससीओ₂ प्रदर्शन की अपेक्षा न करें। सामग्री इसके लिए डिज़ाइन नहीं की गई है, फिटिंग को इसके लिए रेट नहीं किया गया है, और विफलता के परिणाम (प्रक्रिया में रुकावट, पोत संदूषण, सुरक्षा जोखिम) प्रयास के लायक नहीं हैं। पीएफए वायुमंडलीय या कम दबाव वाले रासायनिक प्रतिरोध के लिए है। scCO₂ उच्च दबाव प्रक्रिया उपकरण है। दबाव के अनुसार सामग्री का मिलान करें। पीएफए और एससीओ₂ मिश्रित नहीं होते हैं। धातु का उपयोग करें, बाहरी ताप का उपयोग करें, लेकिन पीएफए का उपयोग न करें। जहाज़ जीतेगा. हीटर खो देगा. बुद्धिमानी से चुनें.
