Un réchauffeur PFA peut-il être utilisé dans une cuve d’extraction de CO₂ supercritique sans panne prématurée ?

Les cuves d'extraction au CO₂ supercritique (scCO₂) fonctionnent à des pressions comprises entre 100 et 500 bars et des températures comprises entre 40 et 100 degrés. Ce service ne fonctionne pas pour PFA. Le mode de défaillance prédominant n'est pas l'attaque chimique, le scCO2 est généralement inoffensif pour les fluoropolymères, mais l'effondrement et le fluage induits par la pression-. Le PFA a une faible résistance mécanique. À 100 bars (10 MPa), la contrainte circonférentielle sur un tube PFA de 25 mm de diamètre extérieur et de paroi de 2 mm est de σ=P × D / (2 × t)=10 × 25 / 4=62.5 MPa. La résistance à la traction du PFA est de 25-30 MPa à 40 degrés. Le stress est deux fois plus grand que la force. contrainte=31 MPa-au-dessus du rendement même à 50 bars. Les réchauffeurs PFA ne sont pas capables de résister aux pressions requises pour l’extraction du scCO₂. Des récipients de 20 bars en PFA peuvent convenir, mais l'extraction de scCO2 nécessite > 80 bars pour obtenir un pouvoir solvatant. Les récipients ScCO₂ peuvent également être chauffés par des enveloppes extérieures, des radiateurs métalliques internes (acier inoxydable, Inconel) ou des cartouches chauffantes dans des puits thermométriques. Le PFA n’est pas conseillé.

Pressions nominales PFA pour le service CO₂
Le tube PFA a une pression de service maximale admissible (MAWP) de : P_max=2 x σ_max xt / D Pour max=12 MPa (contrainte de conception avec facteur de sécurité à 40 degrés) t=2 mm D=25 mm P max=2 12 2 / 25=48 / 25=1.92 MPa (19,2 bar). Il s'agit du maximum absolu pour une utilisation de courte durée. Pour un service continu, déclasser de 50 % P_max_continuous=0.5 x 1.9=0.95 MPa (9,5 bar), l'extraction de scCO2 à 80-500 bar (8-50 MPa) est 8 à 50 fois meilleure que le PFA.

Théoriquement, le tube PFA pourrait supporter la force, mais les joints d'extrémité (là où le chauffage pénètre dans le récipient) fuiraient. Les brides et raccords à compression PFA sont évalués jusqu'à un maximum de 5 à 10 bars. Aucun raccord PFA n'est actuellement disponible pour un service CO₂ de 100 bars.

Modes de défaillance dans scCO₂
Pressure (bar) Hoop Stress at 25×2 mm (MPa)PFA Strength (MPa) Failure mode Time to failure 10 6.3 25 None (safe) >10 000 heures
Marginal (fluage) 1 000 à 5 000 heures 12.5 20 25
30 18.8 25 Rupture par fluage 100-500 h
50 31.3 25 Rendement immédiat Heures 80 50 25 Minutes en rafale 100 62.5 25 Panne instantanée Secondes
À 80 bars, le tube PFA va gonfler et éclater. La défaillance est dramatique et soudaine : la gaine PFA se rompt et du scCO₂ s'échappe à travers le noyau chauffant (s'il est creux) ou le noyau est exposé. Le navire est scellé. Si le radiateur explose, il crée un trou permettant au gaz de s'échapper, mais le récipient est toujours intact. Cependant, le processus d'extraction est détruit et le chauffage doit être remplacé.

Perméation et gonflement du scCO2
À des pressions supérieures à 80 bars, le scCO2 diffuse à travers le PFA à des taux substantiels. En raison de la plastification, le coefficient de perméabilité au CO₂ du PFA à 40 degrés et 100 bars est environ 10 à 50 fois plus élevé qu'à 10 bars. Les molécules de CO2 se diffusent dans les zones amorphes du polymère, l'étendant jusqu'à 2 à 5 %. Le gonflement affecte également la résistance mécanique (20 à 30 % de moins). Le PFA gonflé se ramollit et le fluage s'accélère. Même s'il était possible de construire un réchauffeur de PFA résistant à 100 bars, la pénétration mettrait sous pression l'anneau interne avec du CO 2. Une fois dépressurisé, le CO2 contenu se dilaterait, brûlant ou délaminant le PFA (voir article n° 93). Ce cycle de pressurisation/dépressurisation (typique des extractions discontinues) est extrêmement néfaste.

Techniques de chauffage alternatives pour le scCO₂
Les réchauffeurs PFA ne constituent pas un choix réalisable pour l’extraction du scCO2. Ces approches comprennent :

Méthode de chauffage Pression nominale standard Avantages Inconvénients
Cuve externe gainéeCuve complète (300 bar)Pas de pénétration, chaleur homogèneRéponse lente. Cher.
Chauffage métallique interne (Inconel 625) Tarif de fret complet du navireCompact, réponse rapideLes réactions peuvent être catalysées par le métal.
Cartouche chauffante à puits thermométrique (métal) Capacité nominale du récipient complet Remplaçable sans ouvrir le récipient Efficacité de transfert de chaleur inférieure
Bandes chauffantes (navire à l'extérieur) Évaluation complète du navire Simple, aucun changement de navire nécessaire Pour les petites embarcations uniquement
Boucle de recirculation avec échangeur de chaleur externeClassement complet du navireBon contrôle ; Évolutif Nécessite une pompe ; compliqué.
Pour les récipients nécessitant un chauffage par immersion interne (pour éviter les zones mortes, par exemple), utilisez un réchauffeur métallique (Inconel 625 ou Hastelloy C-276) conçu pour toute la pression du récipient. Ces alliages résistent au scCO₂ et à tous les co-solvants (éthanol, méthanol) utilisés dans les extractions. L'élément chauffant est généralement un câble à isolation minérale (MgO) dans une gaine métallique. La charge de pression est supportée par la gaine métallique et non par l’isolation.

Conclusion : les appareils de chauffage PFA doivent être évités lors de l'extraction de scCO2
Les réchauffeurs PFA ne peuvent pas être utilisés pour l’extraction de CO₂ supercritique (80-500 bar). Le gonflement, la rupture, l'éclatement ou le fluage rapide se produisent parce que la contrainte circonférentielle est 2 à 50 fois supérieure à la résistance à la traction du PFA. Même à des pressions aussi basses que 20 à 30 bars, le PFA est médiocre et échouera en quelques centaines d'heures par fluage. Des réchauffeurs métalliques (Inconel, Hastelloy) ou un chauffage à enveloppe externe doivent être spécifiés pour chaque récipient scCO2 fonctionnant au-dessus de 10 bars. Les réchauffeurs PFA ne sont pas approuvés pour des performances ScCO2 inférieures à leur pression nominale (généralement 5 à 10 bars). Le matériau n'est pas destiné à cela, les raccords ne sont pas dimensionnés pour cela et les risques de défaillance (perturbation du processus, contamination de la cuve, risque pour la sécurité) ne valent pas la peine d'être essayés. Le PFA est destiné à être utilisé dans les services chimiques atmosphériques ou à basse pression. scCO₂ est une usine de traitement à haute pression. Faites correspondre les choses à la pression. Le PFA et le scCO₂ ne sont pas miscibles. Pas de PFA, de chaleur externe, de métal Le bateau gagnera. Le chauffage va perdre. Mérite-le.