Која максимална дозвољена концентрација органских киселина (сирћетне/мравље) на температури од 100 степени спречава општу корозију омотача грејача од нерђајућег челика 316 у отпадним водама из прехрамбене индустрије

Праг корозије органске киселине за примену у храни и биопроцесу

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%. За мешовите системе органских киселина (нпр. ферментационе бујоне које садрже две киселине), брзина корозије може бити два до пет пута већа него за појединачне киселине. Овај чланак израчунава граничне вредности концентрације органске киселине за пасивни-прелаз у активни од 316 на 100 степени.

316 Механизам корозије органске киселине од нерђајућег челика

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 степени) дисоцијација органских киселина расте, а такође и брзина дифузије непријатељских врста на површину метала. Кисеоник (аерирани услови) обично подстиче пасивност, док деаерирани (анаеробни) услови подстичу активну корозију. Низак ниво кисеоника у отпадним водама прераде хране обично је узрокован биолошком потражњом за кисеоником.

Квантификоване границе за општу корозију на 100 степени

Опште стопе корозије за нерђајући челик 316 су утврђене из контролисаних тестова урањања у газиране и деаерисане растворе органске киселине на 100 степени током 1.000 х.

Концентрација органске киселине (теж.%) пХ (приближно на 100 степени) Брзина корозије раствореним кисеоником (мм/годишње) Препоручено за 100 степени сервисно време до 0,2 мм Губитак метала (сат)
Ацетиц<5 >4.0 Аератед<0.02 >10.000 Да
Сирћетна 5-10 3.5-4.0 Газирана 0.02-0.05 4, 000-10 000 Да
Сирћетна 10-15 3.0-3.5 Газирана 0.05-0.10 2, 000-4 000 Прихватљиво
Ацетиц 15-20 2.8-3.0 Газирано 0.10-0.20 1,000-2,000 Маргинал
Сирћетна 20-25 2.6-2.8 Газирана 0.20-0.35 600-1, 000Не препоручује се
Acetic >25 <2.6 Aerated >0.35 <600 Unacceptable
Аератед<0.02 >10.000 Да Формић<0.5 >3.5
Формиц 0.5-1.0 3.0-3.5 Газирано 0.03-0.08 2, 500-7.000 Прихватљиво
Мравља 2.7-3.0 1.0-2.0 газирана 1,000-2,500 0.08-0.20 маргинална
Мравља 2.0-3.0 2.5-2.7 газирана 0.20-0.40 500-1, 000Не препоручује се
Formic >3.0 <2.5 Aerated >0.40 <500 Unacceptable
Сирћетна (10%) + Мравља (0,5%) Мешовита 2,8-3,2 Газирана 0.15-0.30 700-1,300 Не препоручује се (синергија)
Било који облик органске киселине Било који<2.5 Aerated >0.30 <700 Not acceptable
Било која органска киселина Било која Деаерисана (<0.5 ppm O₂) 2-5× aerated rate 2-5× quicker Unacceptable for most
Синергистички ефекат мешаних органских киселина

Прави отпад од прераде хране и ферментације ретко укључује једну органску киселину. Синергијски утицај сирћетне и мравље киселине је узрокован променом пХ и стварањем мешаних комплекса.

Мравља киселина (в%) Сирћетна киселина (в%) Еквивалент појединачне-концентрације киселине Стопа корозије (мм/годишње, газирано) пХ (100 степени) Комбинована концентрација Препоручени следећи корак
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% сирћетна Не препоручује се
10 0.1 10.1 3.2 0.10 12% ацетиц Маргинално 10 0.5 10.5 2.9 0.30 Неприхватљиво Не 10 1.0 11.0 2.7 0.60 Неприхватљиво Не
Практичне водохемијске спецификације за отпадне воде прераде хране

Следећа ограничења органске киселине се саветују за 316 обложених грејача у преради хране или загревању ефлуента биопроцеса на 100 степени.

Примена Уобичајене пронађене органске киселине Макс. Укупна органска киселина (теж.%) Максимална појединачна мравља киселина % вт Предложени пХ (на 100 степени) Пројектовани животни век грејача (године)
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 до 10
Vinegar and WinemakingAcetic 15 N/A >3.0 3-6 (погледај)
Food waste digestate Mixed (acetic + formic) 5 0.3 >3.5 5-8
High-formic effluents Formic 2 2 >3.0 2-4 (гранична линија)
Идентификација поља корозије органске киселине

Грејач 316 у ефлуенту прераде хране је отказао због корозије органске киселине, што је резултирало хомогеним, општим нагризањем површине без дискретних удубљења. Површина може изгледати досадно, сиво или смрзнуто, а дебљина зида ће се стално смањивати. Производи корозије су често растворљиви и не формирају видљиву скалу. Хемија ефлуента ће бити типизована укупним концентрацијама органске киселине изнад критеријума и пХ испод 3,0-3,5. За мрављу киселину уобичајени начин квара је широко разређивање без рупица, али за сирћетну киселину то је разређивање плус неки локализовани напад на границама зрна. Лек је да се смањи концентрација органских киселина (разблаживањем или неутрализацијом), повећа пХ (додатком натријум хидроксида или натријум бикарбоната да се пХ подигне изнад 4,0-4,5) или надоградња на легуру отпорнију на корозију као што је легура 20 или легура 825.

Контрола процеса и стратегије неутрализације

Ако смањење концентрације органске киселине не може бити економично постигнуто, следеће технике ублажавања могу продужити живот грејача:

Подешавање пХ вредности: Подесите пХ на 4,5-5,5 помоћу натријум хидроксида или натријум карбоната. Стопа корозије се смањује за приближно 50% за 0,5 пХ јединице преко 3,5.

Аерација: Одржавајте ДО на 2-3 ппм или више. Аерација доводи до пасивизације, док одзрачивање повећава стопу активне корозије за 2-5 пута.

Нижа температура: Рад на 80Ц уместо на 100Ц смањује стопу корозије за 60-80% (енергија активације ~50 кЈ/мол).

Надоградња легуре: Легура 825 (42Ни - 21Цр - 3Мо) или легура 20 (32Ни - 20Цр - 2Мо - Цу) имају 5-10 пута већу отпорност на органске киселине од 316.

Закључак: Границе органске киселине на 100 степени 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. Мравља киселина је 3-5× агресивнија, максимално 1-2% за задовољавајућу услугу. Синергистичка корозија од мешаних органских киселина. Укупна органска киселина > 5-6% (укључујући > 0,3-0,5% мравље) узрокује маргиналне перформансе. 316 омотача за рад са органским киселинама захтевају од инжењера да добије комплетну анализу киселине (тип и концентрација) и пХ на радној температури када се специфицира. Ако концентрације премашују критеријуме, неопходно је подешавање пХ вредности, аерација или побољшање легуре. Методологија која је овде развијена повезује садржај органске киселине са мерљивим општим стопама корозије на 100 степени и пружа купцима могућност да специфицирају 316 омотача или замене алтернативне легуре за апликације у преради хране и биопроцесу.