Ποια η μέγιστη επιτρεπόμενη συγκέντρωση οργανικών οξέων (οξικό/μυρμηκικό) στους 100 βαθμούς θερμοκρασίας όγκου αποτρέπει τη γενική διάβρωση των θηκών θερμαντήρα 316 από ανοξείδωτο χάλυβα σε λύματα επεξεργασίας τροφίμων

Όριο διάβρωσης οργανικού οξέος για εφαρμογές τροφίμων και βιοεπεξεργασιών

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%. Για συστήματα μικτών οργανικών οξέων (π.χ. ζωμοί ζύμωσης που περιέχουν δύο οξέα), ο ρυθμός διάβρωσης μπορεί να είναι δύο έως πέντε φορές υψηλότερος από ό,τι για τα μεμονωμένα οξέα. Αυτό το άρθρο υπολογίζει τα κατώφλια των συγκεντρώσεων οργανικού οξέος για παθητική-μετάβαση σε ενεργό 316 στις 100 μοίρες .

316 Μηχανισμός διάβρωσης από ανοξείδωτο χάλυβα οργανικού οξέος

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 μοίρες ) αυξάνεται η διάσταση των οργανικών οξέων και επίσης ο ρυθμός διάχυσης εχθρικών ειδών στην μεταλλική επιφάνεια. Το οξυγόνο (συνθήκες αερισμού) συνήθως προάγει την παθητικότητα, ενώ οι απαερωμένες (αναερόβιες) συνθήκες ενθαρρύνουν την ενεργή διάβρωση. Τα χαμηλά επίπεδα οξυγόνου στα λύματα επεξεργασίας τροφίμων προκαλούνται συνήθως από τη βιολογική ζήτηση οξυγόνου.

Ποσοτικοποιημένα όρια για γενική διάβρωση στους 100 βαθμούς

Οι γενικοί ρυθμοί διάβρωσης για τον ανοξείδωτο χάλυβα 316 έχουν καθοριστεί από ελεγχόμενες δοκιμές εμβάπτισης σε διαλύματα αεριούχου και απαερωμένου οργανικού οξέος στους 100 βαθμούς για 1.000 ώρες.

Συγκέντρωση οργανικού οξέος (wt%) pH (περίπου στους 100 βαθμούς) Ταχύτητα διάβρωσης από διαλυμένο οξυγόνο (mm/έτος) Συνιστάται για Χρόνος συντήρησης 100 μοιρών έως 0,2 mm Απώλεια μετάλλων (ώρα)
Οξικός<5 >4.0 Αεριζόμενο<0.02 >10.000 Ναι
Οξικό 5-10 3.5-4.0 αεριζόμενο 0.02-0.05 4.000-10.000 Ναι
Οξικό 10-15 3.0-3.5 αεριζόμενο 0.05-0.10 2.000-4.000 Αποδεκτό
Οξικό 15-20 2.8-3.0 αεριζόμενο 0.10-0.20 1.000-2.000 οριακό
Οξικό 20-25 2.6-2.8 Αερισμένο 0.20-0.35 600-1,000Δεν συνιστάται
Acetic >25 <2.6 Aerated >0.35 <600 Unacceptable
Αερισμένο<0.02 >10.000 Ναι Μορμικό<0.5 >3.5
Formic 0.5-1.0 3.0-3.5 Aerated 0.03-0.08 2,500-7.000 Αποδεκτό
Μορμικό 2.7-3.0 1.0-2.0 αεριζόμενο 1.000-2,500 0.08-0.20 οριακό
Formic 2.0-3.0 2.5-2.7 Aerated 0.20-0.40 500-1,000Δεν συνιστάται
Formic >3.0 <2.5 Aerated >0.40 <500 Unacceptable
Οξικό (10%) + Μυρμηκικό (0,5%) Μικτό 2,8-3,2 Αερισμένο 0.15-0.30 700-1,300 Δεν συνιστάται (συνέργεια)
Οποιαδήποτε μορφή οργανικού οξέος<2.5 Aerated >0.30 <700 Not acceptable
Οποιοδήποτε οργανικό οξύ Οποιοδήποτε Απαερωμένο (<0.5 ppm O₂) 2-5× aerated rate 2-5× quicker Unacceptable for most
Συνεργική επίδραση μικτών οργανικών οξέων

Τα πραγματικά λύματα επεξεργασίας και ζύμωσης τροφίμων σπάνια περιλαμβάνουν ένα μόνο οργανικό οξύ. Η συνεργική επίδραση του οξικού και του μυρμηκικού οξέος προκαλείται από την αλλαγή του pH και την παραγωγή των μικτών συμπλεγμάτων.

Μυρμηκικό οξύ (w%) Οξικό οξύ (w%) Ισοδύναμο απλό-Συγκέντρωση οξέος Ρυθμός διάβρωσης (mm/έτος, αεριζόμενος) pH (100 μοίρες ) Συνδυασμένη συγκέντρωσηΣυνιστάται επόμενο βήμα
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% οξικό Δεν συνιστάται
10 0.1 10.1 3.2 0.10 12% οξικό οριακό 10 0.5 10.5 2.9 0.30 ΑπαράδεκτοΌχι 10 1.0 11.0 2.7 0.60 Μη αποδεκτό Όχι
Πρακτικές προδιαγραφές χημείας νερού για λύματα επεξεργασίας τροφίμων

Οι ακόλουθοι περιορισμοί οργανικού οξέος συνιστώνται για θερμαντήρες 316 με επένδυση στην επεξεργασία τροφίμων ή στη θέρμανση των λυμάτων βιοδιεργασίας στους 100 βαθμούς.

Εφαρμογή Κοινά οργανικά οξέα που βρέθηκαν Μέγ. Ολικό οργανικό οξύ (wt%)Μέγιστο μεμονωμένο μυρμηκικό οξύ % wtΠροτεινόμενο pH (στους 100 βαθμούς) Προβλεπόμενη διάρκεια ζωής θερμαντήρα (Έτη)
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 έως 10
Vinegar and WinemakingAcetic 15 N/A >3.0 3-6 (παρατήρηση)
Food waste digestate Mixed (acetic + formic) 5 0.3 >3.5 5-8
High-formic effluents Formic 2 2 >3.0 2-4 (οριακή γραμμή)
Αναγνώριση πεδίου διάβρωσης οργανικού οξέος

Ένας θερμαντήρας 316 στα λύματα επεξεργασίας τροφίμων απέτυχε λόγω της διάβρωσης του οργανικού οξέος, με αποτέλεσμα την ομοιογενή, γενική χάραξη της επιφάνειας χωρίς διακριτά λάκκους. Η επιφάνεια μπορεί να φαίνεται θαμπή, γκρίζα ή παγωμένη και το πάχος του τοίχου θα μειώνεται σταθερά. Τα προϊόντα διάβρωσης είναι συχνά διαλυτά και δεν σχηματίζουν ορατή κλίμακα. Η χημεία των εκροών θα χαρακτηρίζεται από ολικές συγκεντρώσεις οργανικού οξέος πάνω από τα κριτήρια και pH κάτω από 3,0-3,5. Για το μυρμηκικό οξύ, ο συνήθης τρόπος αστοχίας είναι η ευρεία αραίωση χωρίς διάτρηση, αλλά για το οξικό οξύ είναι η αραίωση συν κάποια τοπική προσβολή στα όρια των κόκκων. Η λύση είναι η μείωση της συγκέντρωσης των οργανικών οξέων (με αραίωση ή εξουδετέρωση), η αύξηση του pH (με προσθήκη υδροξειδίου του νατρίου ή διττανθρακικού νατρίου για την αύξηση του pH πάνω από 4,0-4,5) ή η αναβάθμιση σε ένα πιο ανθεκτικό στη διάβρωση κράμα όπως το κράμα 20 ή το κράμα 825.

Στρατηγικές Ελέγχου Διαδικασιών και Εξουδετέρωσης

Εάν η μείωση των συγκεντρώσεων οργανικού οξέος δεν μπορεί να επιτευχθεί οικονομικά, οι ακόλουθες τεχνικές μετριασμού μπορούν να παρατείνουν τη διάρκεια ζωής του θερμαντήρα:

Ρύθμιση pH: Ρυθμίστε το pH στο 4,5-5,5 με υδροξείδιο του νατρίου ή ανθρακικό νάτριο. Ο ρυθμός διάβρωσης μειώνεται κατά περίπου 50% για μονάδα pH 0,5 έναντι 3,5.

Αερισμός: Διατηρήστε το DO στα 2-3 ppm ή υψηλότερα. Ο αερισμός οδηγεί σε παθητικοποίηση, ενώ η απαέρωση αυξάνει τον ρυθμό ενεργητικής διάβρωσης κατά 2-5 φορές.

Χαμηλότερη θερμοκρασία: Η λειτουργία στους 80 C αντί στους 100 C μειώνει το ποσοστό διάβρωσης κατά 60-80% (ενέργεια ενεργοποίησης ~50 kJ/mol).

Αναβάθμιση κράματος: Το κράμα 825 (42Ni - 21Cr - 3Mo) ή το κράμα 20 (32Ni - 20Cr - 2Mo - Cu) έχουν 5-10x μεγαλύτερη αντίσταση στα οργανικά οξέα από το 316.

Συμπέρασμα: Όρια οργανικού οξέος στους 100 βαθμούς 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. Το μυρμηκικό οξύ είναι 3-5× πιο επιθετικό, μέγιστο 1-2% για ικανοποιητική εξυπηρέτηση. Συνεργική διάβρωση από μικτά οργανικά οξέα. Ολικό οργανικό οξύ > 5-6% (συμπεριλαμβανομένου > 0,3-0,5% μυρμηκικού) προκαλεί οριακή απόδοση. 316 Οι θήκες για λειτουργία με οργανικά οξέα απαιτούν από τον μηχανικό να λάβει πλήρη ανάλυση οξέος (τύπος και συγκέντρωση) και pH σε θερμοκρασία λειτουργίας κατά τον καθορισμό. Εάν οι συγκεντρώσεις υπερβαίνουν τα κριτήρια, είναι απαραίτητη η ρύθμιση του pH, ο αερισμός ή η βελτίωση του κράματος. Η μεθοδολογία που αναπτύχθηκε εδώ συσχετίζει την περιεκτικότητα σε οργανικό οξύ με μετρήσιμους γενικούς ρυθμούς διάβρωσης στους 100 βαθμούς και παρέχει στους αγοραστές τη δυνατότητα να καθορίσουν 316 περιβλήματα ή να αντικαταστήσουν εναλλακτικά κράματα για εφαρμογές επεξεργασίας τροφίμων και θέρμανσης βιοδιεργασιών.