100 derece Toplu Sıcaklıkta İzin Verilen Maksimum Organik Asit Konsantrasyonu (Asetik/Formik), Gıda İşleme Atık Sularındaki 316 Paslanmaz Çelik Isıtıcı Kılıflarının Genel Korozyonunu Önler

Gıda ve Biyoproses Uygulamaları için Organik Asit Korozyon Eşiği

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. Karışık organik asit sistemleri için (örneğin, iki asit içeren fermantasyon besiyerleri), korozyon hızı, tek tek asitlere göre iki ila beş kat daha yüksek olabilir. Bu makale, 100 derecede 316'nın pasif-aktife geçişi için organik asit konsantrasyonlarının eşiklerini hesaplamaktadır.

Organik Asitin 316 Paslanmaz Çelik Korozyon Mekanizması

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 derece) organik asitlerin ayrışması artar ve aynı zamanda düşman türlerin metal yüzeye yayılma hızı da artar. Oksijen (havalandırmalı koşullar) genellikle pasifliği teşvik ederken, havası alınmış (anaerobik) koşullar aktif korozyonu teşvik eder. Gıda işleme atıklarındaki düşük oksijen seviyeleri genellikle biyolojik oksijen talebinden kaynaklanır.

100 derecede genel korozyon için belirlenmiş sınırlar

316 paslanmaz çeliğin genel korozyon oranları, havalandırılmış ve havası alınmış organik asit çözeltilerine 100 derecede 1000 saat boyunca kontrollü daldırma testleriyle belirlenmiştir.

Organik Asit Konsantrasyonu (ağırlıkça %) pH (yaklaşık 100 derecede)Çözünmüş oksijenle korozyon hızı (mm/yıl)100 derece için önerilir0,2 mm'ye kadar Servis Süresi Metal Kaybı (saat)
Asetik<5 >4.0 Havalandırmalı<0.02 >10.000 Evet
Asetik 5-10 3.5-4.0 Gazlı 0.02-0.05 4,000-10,000 Evet
Asetik 10-15 3.0-3.5 Gazlı 0.05-0.10 2,000-4,000 Kabul Edilebilir
Asetik 15-20 2.8-3.0 Gazlı 0.10-0.20 1,000-2,000 Marjinal
Asetik 20-25 2.6-2.8 Gazlı 0.20-0.35 600-1,000Önerilmez
Acetic >25 <2.6 Aerated >0.35 <600 Unacceptable
Havalandırmalı<0.02 >10.000 Evet Formik<0.5 >3.5
Formik 0.5-1.0 3.0-3.5 Havalandırmalı 0.03-0.08 2,500-7,000 Kabul Edilebilir
Formik 2.7-3.0 1.0-2.0 havalandırılmış 1.000-2,500 0.08-0.20 marjinal
Formik 2.0-3.0 2.5-2.7 Havalandırmalı 0.20-0.40 500-1,000Tavsiye edilmez
Formic >3.0 <2.5 Aerated >0.40 <500 Unacceptable
Asetik (%10) + Formik (%0,5) Karışık 2,8-3,2 Gazlı 0.15-0.30 700-1,300 Tavsiye edilmez (sinerji)
Herhangi bir organik asit formu<2.5 Aerated >0.30 <700 Not acceptable
Herhangi bir organik asit Herhangi biri Herhangi biri Gazı alınmış (<0.5 ppm O₂) 2-5× aerated rate 2-5× quicker Unacceptable for most
Karışık Organik Asitlerin Sinerjistik Etkisi

Gerçek gıda işleme ve fermantasyon atık suları nadiren tek bir organik asit içerir. Asetik ve formik asitlerin sinerjik etkisi, pH değişiminden ve karışık komplekslerin üretiminden kaynaklanır.

Formik Asit (w%) Asetik Asit (w%) Eşdeğer Tek-Asit Konsantrasyonu Korozyon Hızı (mm/yıl, havalandırmalı) pH (100 derece) Birleşik KonsantrasyonÖnerilen sonraki adım
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 asetik Tavsiye edilmez
10 0.1 10.1 3.2 0.10 12% asetik Marjinal 10 0.5 10.5 2.9 0.30 Kabul EdilemezHayır 10 1.0 11.0 2.7 0.60 Kabul Edilemez Hayır
Gıda İşleme Atıksuları için Pratik Su Kimyası Özellikleri

Gıda işlemede veya biyoproses atık sularının 100 derecede ısıtılmasında kullanılan 316 kılıflı ısıtıcılar için aşağıdaki organik asit sınırlamaları tavsiye edilir.

Uygulama Yaygın Olarak Bulunan Organik Asitler Max. Toplam Organik Asit (%ağırlıkça) Maksimum Bireysel Formik Asit Ağırlıkça %'siÖnerilen pH (100 derecede) Öngörülen Isıtıcı Ömrü (Yıl)
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 - 10
Vinegar and WinemakingAcetic 15 N/A >3.0 3-6 (gözlemle)
Food waste digestate Mixed (acetic + formic) 5 0.3 >3.5 5-8
High-formic effluents Formic 2 2 >3.0 2-4 (sınır çizgisi)
Organik Asit Korozyon Sahasının Belirlenmesi

Gıda işleme atık suyundaki 316 ısıtıcı, organik asit korozyonu nedeniyle arızalandı ve bu durum, ayrı çukurlar olmaksızın homojen, genel yüzey aşındırmayla sonuçlandı. Yüzey donuk, gri veya donuk görünebilir ve duvar kalınlığı sürekli olarak azalacaktır. Korozyon ürünleri çoğunlukla çözünürdür ve görünür bir ölçek oluşturmazlar. Atık kimyası, kriterlerin üzerindeki toplam organik asit konsantrasyonları ve 3,0-3,5'in altındaki bir pH ile belirlenecektir. Formik asit için genel başarısızlık şekli, çukurlaşma olmadan geniş bir incelmedir, ancak asetik asit için inceltme artı tane sınırlarında bir miktar lokalize saldırıdır. Çözüm, organik asitlerin konsantrasyonunu azaltmak (seyreltme veya nötrleştirme yoluyla), pH'ı arttırmak (pH'ı 4,0-4,5'in üzerine çıkarmak için sodyum hidroksit veya sodyum bikarbonat ekleyerek) veya Alloy 20 veya Alloy 825 gibi korozyona daha dayanıklı bir alaşıma yükseltmektir.

Proses Kontrol ve Nötralizasyon Stratejileri

Organik asit konsantrasyonlarının azaltılması ekonomik olarak sağlanamıyorsa, aşağıdaki azaltma teknikleri ısıtıcı ömrünü uzatabilir:

pH ayarı: Sodyum hidroksit veya sodyum karbonat ile pH'ı 4,5-5,5'e ayarlayın. 3,5'un üzerindeki 0,5 pH ünitesi için korozyon oranı yaklaşık %50 azalır.

Havalandırma: DO'yu 2-3 ppm veya daha yüksek bir seviyede tutun. Havalandırma pasivasyona neden olurken, havanın alınması aktif korozyon oranını 2-5 kat artırır.

Daha düşük sıcaklık: 100C yerine 80C'de çalıştırmak korozyon oranını %60-80 azaltır (aktivasyon enerjisi ~50 kJ/mol).

Alaşım yükseltmesi: Alaşım 825 (42Ni - 21Cr - 3Mo) veya Alaşım 20 (32Ni - 20Cr - 2Mo - Cu), organik asitlere karşı 316'ya göre 5-10 kat daha fazla dirence sahiptir.

Sonuç: 100 Derecede Organik Asit Limitleri 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. Formik asit 3-5 kat daha agresiftir, tatmin edici bir hizmet için maksimum %1-2'dir. Karışık organik asitlerden kaynaklanan sinerjistik korozyon. Toplam organik asit > %5-6 (> %0,3-0,5 formik dahil) marjinal performansa neden olur. 316 Organik asitlerle çalışmaya yönelik kılıflar, mühendisin belirtirken çalışma sıcaklığında tam bir asit analizi (tür ve konsantrasyon) ve pH almasını gerektirir. Konsantrasyonlar kriterleri aşarsa pH ayarlaması, havalandırma veya alaşım iyileştirmesi gereklidir. Burada geliştirilen metodoloji, organik asit içeriğini 100 derecede ölçülebilir genel korozyon oranlarıyla ilişkilendirir ve alıcılara gıda işleme ve biyoproses ısıtma uygulamaları için 316 kılıf belirleme veya alternatif alaşımları değiştirme seçeneği sunar.