Свръхкритичният CO₂ предизвикателство
Суперкритичният въглероден диоксид (scCO₂) се използва като зелен разтворител при екстракция, почистване и химически синтез. При условия над критичната точка (31 градуса, 74 бара), scCO₂ има плътността на течност и коефициента на дифузия на газ. Той прониква в полимерите много по-бързо от газообразния CO₂ при атмосферно налягане. Тръбите на топлообменника в услугата scCO₂ трябва да издържат на това проникване, за да се предотврати загуба на технологична течност и замърсяване на нагревателната среда.
PTFE и PFA са напълно флуорирани полимери с отлична химическа устойчивост. Тяхната устойчивост на проникване на scCO₂ се различава поради разликите в кристалността, свободния обем и молекулната структура.
Механизмът на проникване
Проникването през полимер се осъществява в три стъпки: абсорбция на газа в полимерната повърхност, дифузия през полимерната матрица и десорбция от противоположната повърхност. Стъпката на-ограничаване на скоростта обикновено е дифузия. Скоростта на дифузия зависи от размера на проникващата молекула, свободния обем в полимера и кристалността.
Кристалните региони в полимера са по същество непропускливи-веригите са опаковани твърде плътно, за да преминат газовите молекули. Проникването става само през аморфните области. Колкото по-висока е кристалността, толкова по-ниска е аморфната фракция и толкова по-ниска е скоростта на проникване.
PTFE има кристалност от 50-70%, в зависимост от степента и обработката. PFA има кристалност 30-45%. По-високата кристалност на PTFE му дава значително предимство в устойчивостта на проникване. При същата температура и налягане пропускането на scCO₂ през PFA е 2-4 пъти по-високо, отколкото през PTFE.
| Параметър на проникване | PTFE | PFA |
|---|---|---|
| Кристалност (%) | 50-70 | 30-45 |
| Аморфна фракция (%) | 30-50 | 55-70 |
| Относителна скорост на проникване на scCO₂ при 80 градуса, 100 бара | 1.0 (базова линия) | 2.0-4.0 |
| Ефект от повишаване на температурата от 60 градуса до 100 градуса | Проникването се увеличава ~3 пъти | Проникването се увеличава ~3 пъти |
| Ефект от повишаване на налягането от 80 до 150 бара | Проникването се увеличава ~2 пъти | Проникването се увеличава ~2 пъти |
Зависимост от температура и налягане
Скоростта на проникване се увеличава с температурата (по-висока подвижност на веригата, повече свободен обем) и с налягане (по-висока движеща сила за дифузия). Както за PTFE, така и за PFA скоростта на проникване се удвоява приблизително за всяко повишаване на температурата с 20 градуса над критичната точка и приблизително се удвоява за всяко повишаване на налягането с 50 бара.
Съотношението на пропускливостта на PFA към PTFE остава приблизително постоянно в диапазона на температурата и налягането-PFA винаги е 2-4 пъти по-пропусклив. Абсолютните стойности определят приемливата дебелина на стената за даден експлоатационен живот и допустимата загуба на проникване.
Импликацията на дизайна
За услугата scCO₂ PTFE тръбите могат да бъдат проектирани с по-тънки стени от PFA тръбите за същата допустима загуба на проникване. По-тънките стени подобряват преноса на топлина и намаляват разходите за материали. Като алтернатива, при същата дебелина на стената, PTFE осигурява по-ниска загуба на проникване и по-дълъг експлоатационен живот.
Ако топлообменникът се използва за нагряване на scCO₂ с пара, посоката на проникване е от страната на процеса (високо налягане scCO₂) към страната на парата (по-ниско налягане). CO₂, проникващ в парното пространство, образува въглеродна киселина в кондензата, която може да корозира металните компоненти надолу по веригата. По-ниската степен на проникване на PTFE намалява този риск от корозия.
Резюме
PTFE топлообменните тръби осигуряват 2-4 пъти по-ниско проникване на суперкритичен CO₂ от PFA тръбите поради по-високата кристалност на PTFE (50-70% спрямо . 30-45%). По-ниската степен на проникване позволява по-тънки стени на тръбите, по-добър топлопренос или по-дълъг експлоатационен живот. PTFE е предпочитаният флуорополимер за scCO₂ обслужване. PFA може да се използва, когато неговата заваряемост или други предимства на производството надвишават наказанието за проникване.
Инженерна поддръжка за избор на материал PTFE срещу PFA в приложения със свръхкритични флуиди е достъпна при подаване на работно налягане и температура, условия на CO₂ фаза и допустими граници на проникване.
