Berapakah Kepekatan Maksimum Asid Organik (Asetik/Formik) pada Suhu Pukal 100 darjah Menghalang Kakisan Umum 316 Sarung Pemanas Keluli Tahan Karat dalam Efluen Pemprosesan Makanan

Ambang Kakisan Asid Organik untuk Aplikasi Makanan dan Bioproses

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%. Untuk sistem asid organik campuran (cth sup penapaian yang mengandungi dua asid), kadar kakisan mungkin dua hingga lima kali lebih tinggi daripada asid individu. Artikel ini mengira ambang kepekatan asid organik untuk peralihan pasif-kepada aktif 316 pada 100 darjah .

316 Mekanisme Kakisan Keluli Tahan Karat Asid Organik

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 darjah ) penceraian asid organik meningkat dan juga kadar resapan spesies bermusuhan ke permukaan logam. Oksigen (keadaan berudara) biasanya menggalakkan kepasifan, manakala keadaan deaerated (anaerobik) menggalakkan kakisan aktif. Tahap oksigen yang rendah dalam efluen pemprosesan makanan biasanya disebabkan oleh permintaan oksigen biologi.

Had kuantitatif untuk kakisan am pada 100 darjah

Kadar kakisan am untuk keluli tahan karat 316 telah ditetapkan daripada ujian rendaman terkawal dalam larutan asid organik berudara dan ternyah udara pada 100 darjah selama 1,000 jam.

Kepekatan Asid Organik (berat%) pH (lebih kurang 100 darjah )Kadar kakisan oleh oksigen terlarut (mm/tahun) Disyorkan untuk 100 darjah Masa Servis hingga 0.2 mm Kehilangan Logam (jam)
Acetic<5 >4.0 Berudara<0.02 >10,000 Ya
Asetik 5-10 3.5-4.0 Berudara 0.02-0.05 4,000-10,000 Ya
Asetik 10-15 3.0-3.5 Berudara 0.05-0.10 2,000-4,000 Boleh Diterima
Asetik 15-20 2.8-3.0 Berudara 0.10-0.20 1,000-2,000 Marginal
Asetik 20-25 2.6-2.8 Berudara 0.20-0.35 600-1,000Tidak disyorkan
Acetic >25 <2.6 Aerated >0.35 <600 Unacceptable
Berudara<0.02 >10,000 Ya Formik<0.5 >3.5
Formik 0.5-1.0 3.0-3.5 Berudara 0.03-0.08 2,500-7,000 Boleh Diterima
Formik 2.7-3.0 1.0-2.0 berudara 1,000-2,500 0.08-0.20 marginal
Formik 2.0-3.0 2.5-2.7 Berudara 0.20-0.40 500-1,000Tidak dinasihatkan
Formic >3.0 <2.5 Aerated >0.40 <500 Unacceptable
Asetik (10%) + Formik (0.5%) Campuran 2.8-3.2 Berudara 0.15-0.30 700-1,300 Tidak dinasihatkan (sinergi)
Sebarang bentuk asid organikAny<2.5 Aerated >0.30 <700 Not acceptable
Mana-mana asid organik Mana-mana Deaerated (<0.5 ppm O₂) 2-5× aerated rate 2-5× quicker Unacceptable for most
Kesan Sinergis Asid Organik Campuran

Efluen pemprosesan dan penapaian makanan sebenar jarang termasuk asid organik tunggal. Kesan sinergik asid asetik dan formik disebabkan oleh perubahan pH dan pengeluaran kompleks campuran.

Asid Formik (w%) Asid Asetik (w%) Setara Tunggal-Kadar Kakisan Kepekatan Asid (mm/tahun, berudara) pH (100 darjah ) Kepekatan Gabungan Disyorkan langkah seterusnya
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 Tidak disyorkan
10 0.1 10.1 3.2 0.10 12% Marginal asetik 10 0.5 10.5 2.9 0.30 Tidak Boleh Diterima 10 1.0 11.0 2.7 0.60 Tidak Boleh Diterima
Spesifikasi Kimia Air Praktikal untuk Air Sisa Pemprosesan Makanan

Had asid organik berikut dinasihatkan untuk 316 pemanas bersarung dalam pemprosesan makanan atau pemanasan efluen bioproses pada 100 darjah.

Permohonan Asid Organik Biasa Ditemui Maks. Jumlah Asid Organik (berat%)Asid Formik Individu Maksimum % berat pH yang dicadangkan (pada 100 darjah ) Unjuran Jangka Hayat Pemanas (Tahun)
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 hingga 10
Vinegar and WinemakingAcetic 15 N/A >3.0 3-6 (perhatikan)
Food waste digestate Mixed (acetic + formic) 5 0.3 >3.5 5-8
High-formic effluents Formic 2 2 >3.0 2-4 (garis sempadan)
Pengenalpastian Medan Kakisan Asid Organik

Pemanas 316 dalam efluen pemprosesan makanan gagal disebabkan oleh kakisan asid organik, mengakibatkan goresan permukaan umum yang homogen tanpa lubang diskret. Permukaan mungkin kelihatan kusam, kelabu atau beku dan ketebalan dinding akan diturunkan secara konsisten. Produk kakisan selalunya larut dan tidak membentuk skala yang boleh dilihat. Kimia efluen akan dicirikan oleh jumlah kepekatan asid organik melebihi kriteria, dan pH di bawah 3.0-3.5. Untuk asid formik, mod kegagalan yang biasa ialah penipisan luas tanpa pitting, tetapi untuk asid asetik ia penipisan ditambah beberapa serangan setempat pada sempadan bijian. Ubatnya adalah untuk mengurangkan kepekatan asid organik (dengan pencairan atau peneutralan), meningkatkan pH (dengan menambahkan natrium hidroksida atau natrium bikarbonat untuk meningkatkan pH melebihi 4.0-4.5), atau menaik taraf kepada aloi yang lebih tahan kakisan seperti Aloi 20 atau Aloi 825.

Kawalan Proses dan Strategi Peneutralan

Jika pengurangan kepekatan asid organik tidak dapat dicapai secara ekonomi, teknik mitigasi berikut boleh memanjangkan hayat pemanas:

Pelarasan pH: Laraskan pH kepada 4.5-5.5 dengan natrium hidroksida atau natrium karbonat. Kadar kakisan berkurangan kira-kira 50% untuk unit pH 0.5 melebihi 3.5.

Pengudaraan: Kekalkan DO pada 2-3 ppm atau lebih tinggi. Pengudaraan membawa kepada pempasifan, manakala penyahudaraan meningkatkan kadar kakisan aktif sebanyak 2-5 kali ganda.

Suhu yang lebih rendah: Berjalan pada 80C dan bukannya 100C mengurangkan kadar kakisan sebanyak 60-80% (tenaga pengaktifan ~50 kJ/mol).

Peningkatan aloi: Aloi 825 (42Ni - 21Cr - 3Mo) atau Aloi 20 (32Ni - 20Cr - 2Mo - Cu) mempunyai rintangan 5-10× lebih besar kepada asid organik daripada 316.

Kesimpulan: Had Asid Organik pada 100 darjah 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. Asid formik adalah 3-5× lebih agresif, maks 1-2% untuk perkhidmatan yang memuaskan. Kakisan sinergistik daripada asid organik campuran. Jumlah asid organik > 5-6% (termasuk > 0.3-0.5% formik) menyebabkan prestasi marginal. 316 sarung untuk operasi dengan asid organik memerlukan jurutera menerima analisis asid lengkap (jenis dan kepekatan) dan pH pada suhu operasi apabila menyatakan. Jika kepekatan melebihi kriteria, pelarasan pH, pengudaraan, atau penambahbaikan aloi adalah perlu. Metodologi yang dibangunkan di sini mengaitkan kandungan asid organik dengan kadar kakisan am yang boleh diukur pada 100 darjah dan memberikan pembeli pilihan untuk menentukan 316 sarung atau menggantikan aloi alternatif untuk pemprosesan makanan dan aplikasi pemanasan bioproses.