Ce concentrație maximă permisă de acizi organici (acetic/formic) la o temperatură în vrac de 100 de grade previne coroziunea generală a tecilor de încălzire din oțel inoxidabil 316 din efluenții de prelucrare a alimentelor

Pragul de coroziune a acidului organic pentru aplicații alimentare și bioprocese

The maximum permissible concentration for the general corrosion resistance for 316 stainless steel sheathed electric heating tubes used in food processing, beverage production or bioprocess effluent heating – where organic acids such as acetic acid (CH 3 COOH) and formic acid (HCOOH) are present from fermentation, cleaning in place (CIP) solutions or food degradation products – is not a single value but depends strongly on temperature, pH and the presence of oxygen. 316 stainless steel is passive in concentrations of acetic acid up to around 10-15% at neutral pH and up to 20-25% at pH >5 at 100°C (boiling water temperature). However, formic acid is more aggressive. Active corrosion at rates of 0.1-0.5 mm/year is possible at 100°C at concentrations >1-2%. Pentru sistemele de acizi organici amestecați (de exemplu, bulion de fermentație care conțin doi acizi), viteza de coroziune poate fi de două până la cinci ori mai mare decât pentru acizii individuali. Acest articol calculează pragurile concentrațiilor de acid organic pentru tranziția pasivă-la activă de 316 la 100 de grade .

Mecanismul de coroziune din oțel inoxidabil 316 al acidului organic

Organic acids are weak acids that do not entirely dissociate like mineral acids (e.g. HCl, H 2 SO 4 ). Their corrosiveness to 316 is a function of the undissociated molecule form which penetrates the passive film more readily than the dissociated anion. Acetic acid (pKa=4.76) is weakly corrosive below 10-15% concentration as the passive film remains stable. Formic acid is more aggressive as it is lower pKa (more dissociated) and the formate ion can form soluble complexes with chromium, pKa = 3.75. At higher temperatures (>80 de grade) crește disociarea acizilor organici și, de asemenea, viteza de difuzie a speciilor ostile la suprafața metalului. Oxigenul (condițiile aerate) promovează de obicei pasivitatea, în timp ce condițiile dezaerate (anaerobe) încurajează coroziunea activă. Nivelurile scăzute de oxigen din efluenții din procesarea alimentelor sunt cauzate de obicei de cererea biologică de oxigen.

Limite cuantificate pentru coroziune generală la 100 de grade

Ratele generale de coroziune pentru oțelul inoxidabil 316 au fost stabilite din teste de imersie controlată în soluții de acid organic aerat și dezaerat la 100 de grade timp de 1.000 de ore.

Concentrație de acid organic (% în greutate) pH (aprox. la 100 de grade) Viteza de coroziune cu oxigen dizolvat (mm/an) Recomandat pentru 100 de grade Timp de funcționare până la 0,2 mm Pierdere de metal (oră)
Acetic<5 >4.0 aerat<0.02 >10.000 Da
Acetic 5-10 3.5-4.0 Aerat 0.02-0.05 4,000-10.000 Da
Acetic 10-15 3.0-3.5 Aerat 0.05-0.10 2, 000-4.000 Acceptabil
Acetic 15-20 2.8-3.0 Aerat 0.10-0.20 1, 000-2.000 Marginal
Acetic 20-25 2.6-2.8 Aerat 0.20-0.35 600-1,000Nerecomandat
Acetic >25 <2.6 Aerated >0.35 <600 Unacceptable
Aerat<0.02 >10.000 Da Formic<0.5 >3.5
Formic 0.5-1.0 3.0-3.5 Aerat 0.03-0.08 2,500-7.000 Acceptabil
Formic 2.7-3.0 1.0-2.0 aerat 1.000-2,500 0.08-0.20 marginal
Formic 2.0-3.0 2.5-2.7 Aerat 0.20-0.40 500-1, 000 Nereconizat
Formic >3.0 <2.5 Aerated >0.40 <500 Unacceptable
Acetic (10%) + Formic (0,5%) Mixt 2,8-3,2 Aerat 0.15-0.30 700-1,300 Nerecomandat (sinergie)
Orice formă de acid organicOrice<2.5 Aerated >0.30 <700 Not acceptable
Orice acid organic Orice Orice Dezaerat (<0.5 ppm O₂) 2-5× aerated rate 2-5× quicker Unacceptable for most
Efectul sinergic al acizilor organici amestecați

Efluenții reale de procesare a alimentelor și de fermentație includ rareori un singur acid organic. Impactul sinergic al acizilor acetic și formic este cauzat de modificarea pH-ului și producerea de complexe mixte.

Acid formic (g%) Acid acetic (g%) Concentrație echivalentă unic-acid Viteza de coroziune (mm/an, aerat) pH (100 grade) Concentrație combinată Pasul următor recomandat
5 0.1 5.1 3.5 0.05 8% acetic Acceptable 5 0.5 5.5 3.2 0.12 15% acetic Marginal 5 1.0 6.0 3.0 0.25 >20% acetic Nerecomandat
10 0.1 10.1 3.2 0.10 12% acetic Marginal 10 0.5 10.5 2.9 0.30 InacceptabilNu 10 1.0 11.0 2.7 0.60 Inacceptabil Nu
Specificații practice de chimie a apei pentru apele uzate de prelucrare a alimentelor

Următoarele limitări ale acidului organic sunt recomandate pentru încălzitoarele cu manta 316 în procesarea alimentelor sau încălzirea efluenților de bioproces la 100 de grade.

Aplicație Acizi organici obișnuiți găsiți Max. Acid organic total (% în greutate) Acid formic individual maxim % în greutate pH sugerat (la 100 de grade) Durata de viață proiectată a încălzitorului (ani)
Lactic acid (dairy waste)Lactic (not covered) 5 N/A >4.5 >10
Concentrated fruit juice (citric/malic acid)Citric, malic 8 N/A >4.0 8-12 Acetic fermentation brothAcetic 10 N/A >3.5 5 până la 10
Vinegar and WinemakingAcetic 15 N/A >3.0 3-6 (observați)
Food waste digestate Mixed (acetic + formic) 5 0.3 >3.5 5-8
High-formic effluents Formic 2 2 >3.0 2-4 (limită)
Identificarea câmpului de coroziune a acidului organic

Un încălzitor 316 din efluentul de prelucrare a alimentelor s-a defectat din cauza coroziunii acidului organic, rezultând o gravare omogenă, generală a suprafeței, fără gropi discrete. Suprafața poate părea plictisitoare, gri sau geroasă, iar grosimea peretelui va fi constant redusă. Produsele de coroziune sunt adesea solubile și nu formează o scară vizibilă. Chimia efluentului va fi caracterizată prin concentrațiile totale de acid organic peste criterii și un pH sub 3,0-3,5. Pentru acidul formic, modul obișnuit de eșec este subțierea amplă fără sâmburi, dar pentru acidul acetic este subțierea plus un atac localizat la limitele granulelor. Remediul este reducerea concentrației de acizi organici (prin diluare sau neutralizare), creșterea pH-ului (prin adăugarea de hidroxid de sodiu sau bicarbonat de sodiu pentru a ridica pH-ul peste 4,0-4,5) sau trecerea la un aliaj mai rezistent la coroziune, cum ar fi Alloy 20 sau Alloy 825.

Controlul proceselor și strategiile de neutralizare

Dacă reducerea concentrațiilor de acid organic nu poate fi realizată economic, următoarele tehnici de atenuare pot prelungi durata de viață a încălzitorului:

Ajustare pH: Ajustați pH-ul la 4,5-5,5 cu hidroxid de sodiu sau carbonat de sodiu. Rata de coroziune scade cu aproximativ 50% pentru 0,5 unități de pH peste 3,5.

Aerarea: Mențineți OD la 2-3 ppm sau mai mult. Aerarea duce la pasivare, în timp ce dezaerarea crește viteza de coroziune activă de 2-5 ori.

Temperatură mai scăzută: funcționarea la 80C în loc de 100C reduce rata de coroziune cu 60-80% (energia de activare ~50 kJ/mol).

Îmbunătățirea aliajului: aliajul 825 (42Ni - 21Cr - 3Mo) sau aliajul 20 (32Ni - 20Cr - 2Mo - Cu) au o rezistență de 5-10 ori mai mare la acizii organici decât 316.

Concluzie: Limitele de acid organic la 100 de grade 316

For 316 stainless steel encased heaters in food processing effluents at 100°C, the maximum permitted acetic acid concentration for >5 year life is 10-15% at aerated conditions and pH>3.5. Acidul formic este de 3-5 ori mai agresiv, maxim 1-2% pentru un serviciu satisfăcător. Coroziunea sinergică din acizi organici amestecați. Acidul organic total > 5-6% (inclusiv > 0,3-0,5% formic) cauzează performanțe marginale. 316 Învelișurile pentru funcționarea cu acizi organici necesită ca inginerul să primească o analiză completă a acidului (tip și concentrație) și pH-ul la temperatura de funcționare atunci când specifică. Dacă concentrațiile depășesc criteriile, este necesară ajustarea pH-ului, aerarea sau îmbunătățirea aliajului. Metodologia dezvoltată aici raportează conținutul de acid organic cu ratele generale de coroziune măsurabile la 100 de grade și oferă cumpărătorilor opțiunea de a specifica 316 teci sau de a înlocui aliaje alternative pentru aplicațiile de procesare a alimentelor și de încălzire prin bioprocese.