Berapa Konsentrasi Maksimum Asam Organik (Asetat/Formik) yang Diijinkan pada Suhu Curah 100 derajat yang Mencegah Korosi Umum pada Selubung Pemanas Baja Tahan Karat 316 dalam Limbah Pengolahan Makanan

Ambang Batas Korosi Asam 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 asam organik campuran (misalnya kaldu fermentasi yang mengandung dua asam), laju korosi mungkin dua sampai lima kali lebih tinggi dibandingkan asam individual. Artikel ini menghitung ambang batas konsentrasi asam organik untuk transisi pasif-ke aktif sebesar 316 pada 100 derajat .

Mekanisme Korosi Baja Tahan Karat 316 Asam 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 derajat ) disosiasi asam organik meningkat dan laju difusi spesies bermusuhan ke permukaan logam meningkat. Oksigen (kondisi aerasi) biasanya meningkatkan kepasifan, sedangkan kondisi deaerasi (anaerob) mendorong korosi aktif. Tingkat oksigen yang rendah dalam limbah pengolahan makanan umumnya disebabkan oleh kebutuhan oksigen biologis.

Batas terukur untuk korosi umum pada 100 derajat

Laju korosi umum untuk baja tahan karat 316 telah ditentukan dari uji perendaman terkontrol dalam larutan asam organik aerasi dan deaerasi pada suhu 100 derajat selama 1.000 jam.

Konsentrasi Asam Organik (%) pH (kira-kira pada 100 derajat )Laju korosi akibat oksigen terlarut (mm/tahun)Direkomendasikan untuk Waktu Servis 100 derajat hingga Kehilangan Logam 0,2 mm (jam)
asetat<5 >4.0 Diangin-anginkan<0.02 >10.000 Ya
Asetat 5-10 3.5-4.0 Aerasi 0.02-0.05 4,000-10,000 Ya
Asetat 10-15 3.0-3.5 Aerasi 0.05-0.10 2,000-4,000 Dapat diterima
Asetat 15-20 2.8-3.0 Aerasi 0.10-0.20 1,000-2,000 Marginal
Asetat 20-25 2.6-2.8 Aerasi 0.20-0.35 600-1,000Tidak direkomendasikan
Acetic >25 <2.6 Aerated >0.35 <600 Unacceptable
diangin-anginkan<0.02 >10.000 Ya Formik<0.5 >3.5
Formik 0.5-1.0 3.0-3.5 Aerasi 0.03-0.08 2,500-7,000 Dapat diterima
Formik 2.7-3.0 1.0-2.0 diangin-anginkan 1.000-2,500 0.08-0.20 marginal
Formik 2.0-3.0 2.5-2.7 Aerasi 0.20-0.40 500-1,000Tidak disarankan
Formic >3.0 <2.5 Aerated >0.40 <500 Unacceptable
Asetat (10%) + Formik (0.5%) Campuran 2.8-3.2 Aerasi 0.15-0.30 700-1,300 Tidak disarankan (sinergi)
Segala bentuk asam organikApa pun<2.5 Aerated >0.30 <700 Not acceptable
Asam organik apa pun Apa pun Deaerasi (<0.5 ppm O₂) 2-5× aerated rate 2-5× quicker Unacceptable for most
Efek Sinergis Campuran Asam Organik

Limbah pengolahan dan fermentasi makanan sebenarnya jarang mengandung asam organik tunggal. Dampak sinergis asam asetat dan asam format disebabkan oleh perubahan pH dan produksi kompleks campuran.

Asam Format (w%) Asam Asetat (w%) Setara Tunggal-Konsentrasi Asam Laju Korosi (mm/tahun, diangin-anginkan) pH (100 derajat ) Konsentrasi Gabungan Direkomendasikan langkah selanjutnya
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% asetat Tidak direkomendasikan
10 0.1 10.1 3.2 0.10 12% asetat Marginal 10 0.5 10.5 2.9 0.30 Tidak Dapat Diterima 10 1.0 11.0 2.7 0.60 Tidak Dapat Diterima Tidak
Spesifikasi Kimia Air Praktis untuk Air Limbah Pengolahan Makanan

Batasan asam organik berikut disarankan untuk 316 pemanas berselubung dalam pengolahan makanan atau pemanasan limbah bioproses pada 100 derajat.

Aplikasi Asam Organik Umum Ditemukan Maks. Total Asam Organik (berat%) Asam Format Individu Maksimum % berat pH yang disarankan (pada 100 derajat ) Proyeksi Masa Pakai 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 sampai 10
Vinegar and WinemakingAcetic 15 N/A >3.0 3-6 (mengamati)
Food waste digestate Mixed (acetic + formic) 5 0.3 >3.5 5-8
High-formic effluents Formic 2 2 >3.0 2-4 (batas)
Identifikasi Lapangan Korosi Asam Organik

Pemanas 316 dalam limbah pengolahan makanan rusak karena korosi asam organik, menghasilkan etsa permukaan umum yang homogen tanpa lubang terpisah. Permukaan mungkin terlihat kusam, abu-abu, atau beku dan ketebalan dinding akan terus menurun. Produk korosi seringkali larut dan tidak membentuk kerak yang terlihat. Kimia limbah akan ditandai dengan konsentrasi total asam organik di atas kriteria, dan pH di bawah 3,0-3,5. Untuk asam format, modus kegagalan yang biasa terjadi adalah penipisan luas tanpa lubang, namun untuk asam asetat, modus kegagalannya adalah penipisan ditambah beberapa serangan lokal pada batas butir. Solusinya adalah dengan mengurangi konsentrasi asam organik (melalui pengenceran atau netralisasi), meningkatkan pH (dengan menambahkan natrium hidroksida atau natrium bikarbonat untuk meningkatkan pH di atas 4,0-4,5), atau meningkatkan ke paduan yang lebih tahan korosi seperti Paduan 20 atau Paduan 825.

Pengendalian Proses dan Strategi Netralisasi

Jika pengurangan konsentrasi asam organik tidak dapat dicapai secara ekonomis, teknik mitigasi berikut dapat memperpanjang umur pemanas:

Penyesuaian pH: Sesuaikan pH menjadi 4,5-5,5 dengan natrium hidroksida atau natrium karbonat. Laju korosi berkurang sekitar 50% untuk unit pH 0,5 di atas 3,5.

Aerasi: Pertahankan DO pada 2-3 ppm atau lebih tinggi. Aerasi menyebabkan pasivasi, sedangkan deaerasi meningkatkan laju korosi aktif sebanyak 2-5 kali lipat.

Temperatur yang lebih rendah: Menjalankan pada suhu 80C, bukan 100C, mengurangi laju korosi sebesar 60-80% (energi aktivasi ~50 kJ/mol).

Peningkatan paduan: Paduan 825 (42Ni - 21Cr - 3Mo) atau Paduan 20 (32Ni - 20Cr - 2Mo - Cu) memiliki ketahanan 5-10× lebih besar terhadap asam organik dibandingkan 316.

Kesimpulan: Batas Asam Organik pada 100 derajat 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. Asam format 3-5× lebih agresif, maks 1-2% untuk pelayanan yang memuaskan. Korosi sinergis dari campuran asam organik. Total asam organik > 5-6% (termasuk > 0,3-0,5% format) menyebabkan kinerja marjinal. 316 selubung untuk pengoperasian dengan asam organik mengharuskan insinyur untuk menerima analisis asam lengkap (jenis dan konsentrasi) dan pH pada suhu pengoperasian saat menentukan. Jika konsentrasi melampaui kriteria, penyesuaian pH, aerasi, atau perbaikan paduan diperlukan. Metodologi yang dikembangkan di sini menghubungkan kandungan asam organik dengan laju korosi umum yang dapat diukur pada 100 derajat dan memberikan pembeli opsi untuk menentukan 316 selubung atau mengganti paduan alternatif untuk aplikasi pemrosesan makanan dan pemanasan bioproses.