100도 벌크 온도에서 유기산(아세트산/포름산)의 최대 허용 농도는 식품 가공 폐수에서 316 스테인리스강 히터 덮개의 일반적인 부식을 방지합니다.

식품 및 생물공정 응용 분야에 대한 유기산 부식 임계값

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%. 혼합 유기산 시스템(예: 두 가지 산을 함유한 발효액)의 경우 부식 속도는 개별 산보다 2~5배 더 높을 수 있습니다. 이 문서에서는 100도에서 316의 수동--활성 전환에 대한 유기산 농도의 임계값을 계산합니다.

316 스테인레스강 유기산의 부식 메커니즘

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 (>80도) 유기산의 해리가 증가하고 적대적인 종의 금속 표면으로의 확산 속도도 증가합니다. 산소(폭기 조건)는 일반적으로 수동성을 촉진하는 반면, 탈기(혐기성) 조건은 활성 부식을 촉진합니다. 식품 가공 폐수의 낮은 산소 수준은 일반적으로 생물학적 산소 요구량으로 인해 발생합니다.

100도에서의 일반 부식에 대한 정량화된 한계

316 스테인리스 강의 일반적인 부식 속도는 100도에서 1,000시간 동안 폭기 및 탈기된 유기산 용액에 침지 테스트를 통해 설정되었습니다.

유기산 농도(wt%) pH(100도 기준) 용존 산소에 의한 부식률(mm/년) 100도 사용 권장 시간 ~ 0.2mm 금속 손실(hr)
초의<5 >4.0 폭기<0.02 >10,000 예
아세트산 5-10 3.5-4.0 기포화 0.02-0.05 4,000-10,000 예
아세트산 10-15 3.0-3.5 기포화 0.05-0.10 2,000-4,000 허용됨
아세트산 15-20 2.8-3.0 기포화 0.10-0.20 1,000-2,000 한계
아세트산 20-25 2.6-2.8 기포화 0.20-0.35 600-1,000권장하지 않음
Acetic >25 <2.6 Aerated >0.35 <600 Unacceptable
폭기<0.02 >10,000 예<0.5 >3.5
포믹 0.5-1.0 3.0-3.5 기포식 0.03-0.08 2,500-7,000 허용됨
포믹 2.7-3.0 1.0-2.0 1,000-2,500 0.08-0.20 한계 공기 공급
포믹 2.0-3.0 2.5-2.7 기포식 0.20-0.40 500-1,000권고되지 않음
Formic >3.0 <2.5 Aerated >0.40 <500 Unacceptable
아세트산(10%) + 포름산(0.5%) 혼합 2.8-3.2 기포화 0.15-0.30 700-1,300 권장되지 않음(시너지)
모든 형태의 유기산 모두<2.5 Aerated >0.30 <700 Not acceptable
모든 유기산 모두 모든 탈기(<0.5 ppm O₂) 2-5× aerated rate 2-5× quicker Unacceptable for most
혼합 유기산의 시너지 효과

실제 식품 가공 및 발효 폐수에는 단일 유기산이 포함되는 경우가 거의 없습니다. 아세트산과 포름산의 시너지 효과는 pH 변화와 혼합 복합체 생성으로 인해 발생합니다.

포름산(w%) 아세트산(w%)등가 단일-산 농도 부식률(mm/년, 기포) pH(100도) 복합 농도권장 다음 단계
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% 아세트산 권장하지 않음
10 0.1 10.1 3.2 0.10 12% 아세트산 한계 10 0.5 10.5 2.9 0.30 허용되지 않음아니요 10 1.0 11.0 2.7 0.60 허용되지 않음 아니요
식품 가공 폐수에 대한 실제 물 화학 사양

100도에서 식품 가공 또는 생물 공정 폐수 가열 시 316개의 외장 히터에 대해 다음과 같은 유기산 제한이 권장됩니다.

응용 분야 일반 유기산 발견 최대. 총 유기산(wt%)최대 개별 개미산 %wt 권장 pH(100도에서) 예상 히터 수명(년)
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 (관찰)
Food waste digestate Mixed (acetic + formic) 5 0.3 >3.5 5-8
High-formic effluents Formic 2 2 >3.0 2-4(경계선)
유기산 부식 현장 식별

식품 가공 폐수에 있는 316 히터가 유기산 부식으로 인해 고장이 나고, 이로 인해 개별 구멍 없이 균일하고 일반적인 표면 에칭이 발생했습니다. 표면은 흐릿하거나 회색 또는 서리가 내린 것처럼 보일 수 있으며 벽 두께는 지속적으로 낮아집니다. 부식 생성물은 용해되는 경우가 많으며 눈에 보이는 스케일을 형성하지 않습니다. 유출수의 화학적 성질은 기준에 따른 총 유기산 농도와 3.0-3.5 미만의 pH로 대표됩니다. 포름산의 경우 일반적인 실패 모드는 구멍이 없는 넓은 엷어짐이지만, 아세트산의 경우 엷어지고 결정립 경계에 일부 국부적인 공격이 발생합니다. 해결 방법은 희석 또는 중화를 통해 유기산의 농도를 낮추거나, pH를 높이거나(수산화나트륨 또는 중탄산나트륨을 첨가하여 pH를 4.0~4.5 이상으로 높임) 합금 20 또는 합금 825와 같은 내식성이 더 높은 합금으로 업그레이드하는 것입니다.

공정 제어 및 중화 전략

유기산 농도 감소를 경제적으로 달성할 수 없는 경우 다음 완화 기술을 사용하여 히터 수명을 연장할 수 있습니다.

pH 조정: 수산화나트륨 또는 탄산나트륨을 사용하여 pH를 4.5~5.5로 조정합니다. pH 3.5 이상에서 pH 0.5 단위로 부식률이 약 50% 감소합니다.

통기: DO를 2~3ppm 이상으로 유지합니다. 통기는 부동태화로 이어지는 반면, 탈기는 활성 부식 속도를 2~5배 증가시킵니다.

낮은 온도: 100C 대신 80C에서 작동하면 부식 속도가 60-80% 감소합니다(활성화 에너지 ~50kJ/mol).

합금 업그레이드: 합금 825(42Ni - 21Cr - 3Mo) 또는 합금 20(32Ni - 20Cr - 2Mo - Cu)은 316보다 유기산에 대한 내성이 5~10배 더 높습니다.

결론: 100도에서의 유기산 한계 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. 포름산은 3-5배 더 공격적이며 만족스러운 서비스를 위해 최대 1-2%입니다. 혼합 유기산으로 인한 시너지 부식. 총 유기산 > 5~6%(> 0.3~0.5% 개미산 포함)는 한계 성능을 유발합니다.{7}} 유기산 작업 시 엔지니어는 지정 시 작동 온도에서 완전한 산 분석(유형 및 농도) 및 pH를 받아야 합니다. 농도가 기준을 초과하는 경우 pH 조정, 통기 또는 합금 개선이 필요합니다. 여기서 개발된 방법론은 유기산 함량을 100도에서 측정 가능한 일반 부식 속도와 연관시키고 구매자에게 식품 가공 및 생물 공정 가열 응용 분야를 위한 316 피복 또는 대체 대체 합금을 지정할 수 있는 옵션을 제공합니다.