Hvilken maksimalt tillatt konsentrasjon av organiske syrer (eddiksyre/maursyre) ved 100 graders bulktemperatur forhindrer generell korrosjon av 316 varmekapper i rustfritt stål i avløpsvann fra matforedling

Organisk syrekorrosjonsterskel for mat- og bioprosessapplikasjoner

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 %. For blandede organiske syresystemer (f.eks. fermenteringsbuljonger som inneholder to syrer) kan korrosjonshastigheten være to til fem ganger høyere enn for de enkelte syrene. Denne artikkelen beregner terskelene for organiske syrekonsentrasjoner for passiv -til-aktiv overgang på 316 ved 100 grader.

316 rustfritt stål korrosjonsmekanisme av organisk syre

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 grader) øker dissosiasjonen av organiske syrer og også diffusjonshastigheten av fiendtlige arter til metalloverflaten. Oksygen (luftede forhold) fremmer vanligvis passivitet, mens avluftede (anaerobe) forhold oppmuntrer til aktiv korrosjon. Lave oksygennivåer i avløp fra matforedling er ofte forårsaket av biologisk oksygenbehov.

Kvantifiserte grenser for generell korrosjon ved 100 grader

De generelle korrosjonshastighetene for 316 rustfritt stål er fastslått fra kontrollerte nedsenkingstester i luftede og avluftede organiske syreløsninger ved 100 grader i 1000 timer.

Organisk syrekonsentrasjon (vekt%) pH (ca. ved 100 grader) Korrosjonshastighet av oppløst oksygen (mm/år) Anbefalt for 100 graders servicetid til 0,2 mm metalltap (time)
Eddiksyre<5 >4.0 Luftet<0.02 >10 000 Ja
Eddiksyre 5-10 3.5-4.0 luftet 0.02-0.05 4 000-10 000 Ja
Eddiksyre 10-15 3.0-3.5 luftet 0.05-0.10 2000-4000 akseptabelt
Eddiksyre 15-20 2.8-3.0 luftet 0.10-0.20 1 000-2 000 Marginal
Eddiksyre 20-25 2.6-2.8 luftet 0.20-0.35 600-1,000Anbefales ikke
Acetic >25 <2.6 Aerated >0.35 <600 Unacceptable
Luftet<0.02 >10 000 Ja Formic<0.5 >3.5
Formisk 0.5-1.0 3.0-3.5 luftet 0.03-0.08 2,500-7000 akseptabelt
Formic 2.7-3.0 1.0-2.0 luftet 1000-2,500 0.08-0.20 marginal
Formisk 2.0-3.0 2.5-2.7 luftet 0.20-0.40 500-1,000Anbefales ikke
Formic >3.0 <2.5 Aerated >0.40 <500 Unacceptable
Eddiksyre (10 %) + maursyre (0,5 %) Blandet 2,8-3,2 luftet 0.15-0.30 700-1,300 Ikke anbefalt (synergi)
Enhver form for organisk syreEnhver<2.5 Aerated >0.30 <700 Not acceptable
Enhver organisk syre Enhver Enhver Avluftet (<0.5 ppm O₂) 2-5× aerated rate 2-5× quicker Unacceptable for most
Synergistisk effekt av blandede organiske syrer

Ekte matforedlings- og gjæringsavløp inkluderer sjelden en enkelt organisk syre. Den synergiske virkningen av eddiksyre og maursyre er forårsaket av en endring i pH og produksjon av de blandede kompleksene.

Maursyre (w%) Eddiksyre (w%)Ekvivalent Enkel-Syrekonsentrasjon Korrosjonshastighet (mm/år, luftet) pH (100 grader) Kombinert konsentrasjonAnbefalt neste trinn
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% eddik Ikke anbefalt
10 0.1 10.1 3.2 0.10 12% acetic Marginal 10 0.5 10.5 2.9 0.30 Uakseptabel Nei 10 1.0 11.0 2.7 0.60 Uakseptabel Nei
Praktiske vannkjemispesifikasjoner for matbehandlingsavløpsvann

Følgende organiske syrebegrensninger anbefales for 316 mantelvarmere i matvarebehandling eller bioprosessavløpsoppvarming ved 100 grader.

Bruk Vanlige organiske syrer funnet Maks. Total organisk syre (vekt%) Maksimal individuell maursyre% vekt Foreslått pH (ved 100 grader) Prosjektert varmelevetid (år)
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 til 10
Vinegar and WinemakingAcetic 15 N/A >3.0 3-6 (observer)
Food waste digestate Mixed (acetic + formic) 5 0.3 >3.5 5-8
High-formic effluents Formic 2 2 >3.0 2-4 (grenselinje)
Identifikasjon av organisk syrekorrosjonsfelt

En 316-varmer i avløp fra matforedling sviktet på grunn av organisk syrekorrosjon, noe som resulterte i homogen, generell overflateetsing uten diskrete groper. Overflaten kan se matt, grå eller frostig ut, og veggtykkelsen vil bli konsekvent senket. Korrosjonsprodukter er ofte løselige og danner ikke en synlig avleiring. Avløpskjemien vil karakteriseres ved totale organiske syrekonsentrasjoner over kriteriene, og en pH under 3,0-3,5. For maursyre er den vanlige metoden for svikt bred tynning uten gropdannelse, men for eddiksyre er den tynning pluss noen lokaliserte angrep ved korngrensene. Midlet er å redusere konsentrasjonen av organiske syrer (ved fortynning eller nøytralisering), øke pH (ved å tilsette natriumhydroksid eller natriumbikarbonat for å heve pH over 4,0-4,5), eller oppgradere til en mer korrosjonsbestandig legering som Alloy 20 eller Alloy 825.

Prosesskontroll og nøytraliseringsstrategier

Hvis reduksjon av organiske syrekonsentrasjoner ikke kan oppnås økonomisk, kan følgende avbøtende teknikker forlenge varmerens levetid:

pH-justering: Juster pH til 4,5-5,5 med natriumhydroksid eller natriumkarbonat. Korrosjonshastigheten reduseres med omtrent 50 % for 0,5 pH-enhet over 3,5.

Lufting: Hold DO på 2-3 ppm eller høyere. Lufting fører til passivering, mens avlufting øker hastigheten på aktiv korrosjon med 2-5 ganger.

Lavere temperatur: Kjøring ved 80C i stedet for 100C reduserer korrosjonshastigheten med 60-80 % (aktiveringsenergi ~50 kJ/mol).

Legeringsoppgradering: Alloy 825 (42Ni - 21Cr - 3Mo) eller Alloy 20 (32Ni - 20Cr - 2Mo - Cu) har 5-10× større motstand mot organiske syrer enn 316.

Konklusjon: Organiske syregrenser ved 100 grader 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. Maursyre er 3-5× mer aggressiv, maks 1-2% for tilfredsstillende service. Synergistisk korrosjon fra blandede organiske syrer. Total organisk syre > 5-6 % (inkludert > 0,3-0,5 % maursyre) forårsaker marginal ytelse. 316 kapper for drift med organiske syrer krever at ingeniøren mottar en fullstendig syreanalyse (type og konsentrasjon) og pH ved driftstemperatur når den spesifiseres. Hvis konsentrasjonene overstiger kriteriene, er pH-justering, lufting eller legeringsforbedring nødvendig. Metoden som er utviklet her, relaterer innhold av organisk syre til målbare generelle korrosjonshastigheter ved 100 grader og gir kjøpere muligheten til å spesifisere 316 kapper eller erstatte alternative legeringer for matforedling og bioprosessoppvarming.