ความเข้มข้นสูงสุดที่ยอมให้ของกรดอินทรีย์ (อะซิติก/ฟอร์มิก) ที่อุณหภูมิรวม 100 องศา ช่วยป้องกันการกัดกร่อนทั่วไปของปลอกฮีตเตอร์สแตนเลส 316 ในน้ำทิ้งจากกระบวนการแปรรูปอาหาร

เกณฑ์การกัดกร่อนของกรดอินทรีย์สำหรับการใช้งานด้านอาหารและกระบวนการทางชีวภาพ

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% สำหรับระบบกรดอินทรีย์ผสม (เช่น น้ำซุปหมักที่มีกรด 2 ตัว) อัตราการกัดกร่อนอาจสูงกว่ากรดแต่ละชนิดถึง 2 ถึง 5 เท่า บทความนี้จะคำนวณเกณฑ์ของความเข้มข้นของกรดอินทรีย์สำหรับการเปลี่ยนแปลงเชิงรับ-เป็นเชิงแอ็กทีฟของ 316 ที่ 100 องศา

กลไกการกัดกร่อนของกรดอินทรีย์สแตนเลส 316

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 องศา ) การแยกตัวของกรดอินทรีย์จะเพิ่มขึ้นและอัตราการแพร่ของสายพันธุ์ที่ไม่เป็นมิตรไปยังพื้นผิวโลหะ ออกซิเจน (สภาวะที่มีอากาศถ่ายเท) มักจะส่งเสริมสภาวะเฉื่อย ในขณะที่สภาวะที่ไม่มีออกซิเจน (ไร้อากาศ) จะกระตุ้นให้เกิดการกัดกร่อน ระดับออกซิเจนต่ำในน้ำทิ้งจากกระบวนการผลิตอาหารมักมีสาเหตุจากความต้องการออกซิเจนทางชีวภาพ

ขีดจำกัดเชิงปริมาณสำหรับการกัดกร่อนทั่วไปที่ 100 องศา

อัตราการกัดกร่อนโดยทั่วไปสำหรับเหล็กกล้าไร้สนิม 316 กำหนดขึ้นจากการทดสอบการแช่แบบควบคุมในสารละลายกรดอินทรีย์แบบเติมอากาศและแบบกำจัดอากาศที่อุณหภูมิ 100 องศา เป็นเวลา 1,000 ชั่วโมง

ความเข้มข้นของกรดอินทรีย์ (wt%) pH (ประมาณ ที่ 100 องศา )อัตราการกัดกร่อนโดยออกซิเจนที่ละลายน้ำ (มม./ปี) แนะนำให้ใช้เวลาใช้งาน 100 องศา ถึงการสูญเสียโลหะ 0.2 มม. (ชม.)
อะซิติก<5 >4.0 เติมอากาศ<0.02 >10,000 ใช่
อะซิติก 5-10 3.5-4.0 เติมอากาศ 0.02-0.05 4,000-10,000 ใช่
อะซิติก 10-15 3.0-3.5 เติมอากาศ 0.05-0.10 2,000-4,000 ยอมรับได้
อะซิติก 15-20 2.8-3.0 เติมอากาศ 0.10-0.20 1,000-2,000 ส่วนเพิ่ม
อะซิติก 20-25 2.6-2.8 เติมอากาศ 0.20-0.35 600-1,000ไม่แนะนำ
Acetic >25 <2.6 Aerated >0.35 <600 Unacceptable
เติมอากาศ<0.02 >10,000 ใช่<0.5 >3.5
แบบฟอร์ม 0.5-1.0 3.0-3.5 เติมอากาศ 0.03-0.08 2,500-7,000 ยอมรับได้
แบบฟอร์ม 2.7-3.0 1.0-2.0 เติมอากาศ 1,000-2,500 0.08-0.20 ส่วนขอบ
รูปแบบ 2.0-3.0 2.5-2.7 เติมอากาศ 0.20-0.40 500-1,000ไม่แนะนำ
Formic >3.0 <2.5 Aerated >0.40 <500 Unacceptable
อะซิติก (10%) + ฟอร์มิก (0.5%) ผสม 2.8-3.2 เติมอากาศ 0.15-0.30 700-1,300 ไม่แนะนำ (เสริมฤทธิ์กัน)
กรดอินทรีย์รูปแบบใดก็ได้<2.5 Aerated >0.30 <700 Not acceptable
กรดอินทรีย์ใดๆ ใดๆ ใดๆ ที่มีการกำจัดอากาศ (<0.5 ppm O₂) 2-5× aerated rate 2-5× quicker Unacceptable for most
ผลเสริมฤทธิ์กันของกรดอินทรีย์ผสม

น้ำทิ้งจากการแปรรูปและการหมักอาหารที่แท้จริงแทบจะไม่มีกรดอินทรีย์เพียงตัวเดียว ผลกระทบร่วมกันของกรดอะซิติกและกรดฟอร์มิกเกิดจากการเปลี่ยนแปลงของ pH และการผลิตสารเชิงซ้อนผสม

กรดฟอร์มิก (w%) กรดอะซิติก (w%) เทียบเท่าค่าเดียว-ความเข้มข้นของกรด อัตราการกัดกร่อน (มม./ปี เติมอากาศ) pH (100 องศา ) ความเข้มข้นรวมแนะนำขั้นตอนต่อไป
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 >อะซิติก 20% ไม่แนะนำ
10 0.1 10.1 3.2 0.10 12% ส่วนเพิ่มของอะซิติก 10 0.5 10.5 2.9 0.30 ยอมรับไม่ได้ไม่มี 10 1.0 11.0 2.7 0.60 ยอมรับไม่ได้ ไม่
ข้อมูลจำเพาะทางเคมีของน้ำเชิงปฏิบัติสำหรับน้ำเสียจากการแปรรูปอาหาร

ขอแนะนำให้ใช้ข้อจำกัดของกรดอินทรีย์ต่อไปนี้สำหรับเครื่องทำความร้อนแบบมีเปลือก 316 เครื่องในการแปรรูปอาหารหรือการให้ความร้อนน้ำทิ้งจากกระบวนการทางชีวภาพที่ 100 องศา

การใช้งาน พบกรดอินทรีย์ทั่วไป สูงสุด กรดอินทรีย์ทั้งหมด (น้ำหนัก%) กรดฟอร์มิกส่วนบุคคลสูงสุด % โดยน้ำหนัก pH ที่แนะนำ (ที่ 100 องศา ) อายุการใช้งานเครื่องทำความร้อนที่คาดการณ์ไว้ (ปี)
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 ถึง 10
Vinegar and WinemakingAcetic 15 N/A >3.0 3-6 (สังเกต)
Food waste digestate Mixed (acetic + formic) 5 0.3 >3.5 5-8
High-formic effluents Formic 2 2 >3.0 2-4 (เส้นขอบ)
การระบุสนามการกัดกร่อนของกรดอินทรีย์

เครื่องทำความร้อน 316 ในน้ำทิ้งจากกระบวนการผลิตอาหารล้มเหลวเนื่องจากการกัดกร่อนของกรดอินทรีย์ ส่งผลให้เกิดการกัดผิวทั่วไปที่เป็นเนื้อเดียวกันโดยไม่มีหลุมแยก พื้นผิวอาจดูหมองคล้ำ เป็นสีเทา หรือเป็นน้ำแข็ง และความหนาของผนังจะลดลงอย่างสม่ำเสมอ ผลิตภัณฑ์ที่มีฤทธิ์กัดกร่อนมักจะละลายได้และไม่ก่อให้เกิดเกล็ดที่มองเห็นได้ เคมีของน้ำทิ้งจะถูกระบุโดยความเข้มข้นของกรดอินทรีย์ทั้งหมดที่อยู่เหนือเกณฑ์ และค่า pH ต่ำกว่า 3.0-3.5 สำหรับกรดฟอร์มิก ความล้มเหลวตามปกติคือการทำให้ผอมบางในวงกว้างโดยไม่มีการเกิดรูพรุน แต่สำหรับกรดอะซิติก จะเกิดการผอมบางบวกกับการโจมตีเฉพาะจุดที่ขอบเขตของเกรน วิธีแก้ไขคือการลดความเข้มข้นของกรดอินทรีย์ (โดยการเจือจางหรือการทำให้เป็นกลาง) เพิ่ม pH (โดยการเติมโซเดียมไฮดรอกไซด์หรือโซเดียมไบคาร์บอเนตเพื่อเพิ่ม pH ให้สูงกว่า 4.0-4.5) หรืออัพเกรดเป็นโลหะผสมที่ทนต่อการกัดกร่อนมากขึ้น เช่น อัลลอย 20 หรืออัลลอย 825

กลยุทธ์การควบคุมกระบวนการและการวางตัวเป็นกลาง

หากการลดความเข้มข้นของกรดอินทรีย์ไม่สามารถทำได้ในเชิงเศรษฐกิจ เทคนิคการลดผลกระทบต่อไปนี้สามารถยืดอายุเครื่องทำความร้อนได้:

การปรับ pH: ปรับ pH เป็น 4.5-5.5 ด้วยโซเดียมไฮดรอกไซด์หรือโซเดียมคาร์บอเนต อัตราการกัดกร่อนลดลงประมาณ 50% สำหรับหน่วย pH 0.5 ที่มากกว่า 3.5

การเติมอากาศ: รักษา DO ไว้ที่ 2-3 ppm หรือสูงกว่า การเติมอากาศนำไปสู่การสร้างฟิล์ม ในขณะที่การเติมอากาศจะเพิ่มอัตราการกัดกร่อนที่ใช้งานอยู่ 2-5 เท่า

อุณหภูมิที่ต่ำกว่า: การทำงานที่ 80C แทน 100C ช่วยลดอัตราการกัดกร่อนลง 60-80% (พลังงานกระตุ้น ~50 kJ/mol)

การอัพเกรดโลหะผสม: ล้อแม็ก 825 (42Ni - 21Cr - 3Mo) หรือล้อแม็ก 20 (32Ni - 20Cr - 2Mo - Cu) มีความต้านทานต่อกรดอินทรีย์มากกว่า 316 ถึง 5-10 เท่า

สรุป: ขีดจำกัดกรดอินทรีย์ที่ 100 องศา 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. กรดฟอร์มิกมีความลุกลามมากขึ้น 3-5 เท่า สูงสุด 1-2% เพื่อการบริการที่น่าพึงพอใจ ฤทธิ์กัดกร่อนจากกรดอินทรีย์ผสม กรดอินทรีย์ทั้งหมด > 5-6% (รวมถึง > 0.3-0.5% ฟอร์มิก) ทำให้เกิดประสิทธิภาพเล็กน้อย. 316 เปลือกสำหรับการทำงานกับกรดอินทรีย์ต้องการให้วิศวกรได้รับการวิเคราะห์กรดที่สมบูรณ์ (ชนิดและความเข้มข้น) และค่า pH ที่อุณหภูมิการทำงานเมื่อระบุ หากความเข้มข้นเกินเกณฑ์ จำเป็นต้องมีการปรับ pH การเติมอากาศ หรือการปรับปรุงโลหะผสม วิธีการที่พัฒนาขึ้นที่นี่เกี่ยวข้องกับปริมาณกรดอินทรีย์กับอัตราการกัดกร่อนทั่วไปที่วัดได้ที่ 100 องศา และให้ผู้ซื้อมีตัวเลือกในการระบุปลอก 316 เปลือกหรือทดแทนโลหะผสมทางเลือกสำหรับการแปรรูปอาหารและการใช้ความร้อนในกระบวนการทางชีวภาพ