Quelle concentration maximale autorisée d'acides organiques (acétiques/formiques) à une température globale de 100 degrés empêche la corrosion générale des gaines chauffantes en acier inoxydable 316 dans les effluents de transformation des aliments

Seuil de corrosion des acides organiques pour les applications alimentaires et de bioprocédés

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 %. Pour les systèmes d'acides organiques mixtes (par exemple les bouillons de fermentation contenant deux acides), le taux de corrosion peut être de deux à cinq fois plus élevé que pour les acides individuels. Cet article calcule les seuils de concentrations d'acides organiques pour une transition passive-à active de 316 à 100 degrés.

Mécanisme de corrosion de l'acide organique en acier inoxydable 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 degrés) la dissociation des acides organiques augmente ainsi que le taux de diffusion des espèces hostiles à la surface métallique. L'oxygène (conditions aérées) favorise généralement la passivité, tandis que les conditions désaérées (anaérobie) favorisent la corrosion active. Les faibles niveaux d’oxygène dans les effluents de transformation des aliments sont généralement causés par la demande biologique en oxygène.

Limites quantifiées pour la corrosion générale à 100 degrés

Les taux de corrosion généraux de l'acier inoxydable 316 ont été établis à partir d'essais d'immersion contrôlés dans des solutions d'acides organiques aérées et désaérées à 100 degrés pendant 1 000 h.

Concentration d'acide organique (% en poids) pH (environ à 100 degrés) Taux de corrosion par l'oxygène dissous (mm/an) Recommandé pour une température de 100 degrés Durée de service jusqu'à 0,2 mm de perte de métal (heure)
Acétique<5 >4.0 Aéré<0.02 >10 000 Oui
Acétique 5-10 3.5-4.0 Aéré 0.02-0.05 4,000-10,000 Oui
Acétique 10-15 3.0-3.5 Aéré 0.05-0.10 2 000-4 000 Acceptable
Acétique 15-20 2.8-3.0 Aéré 0.10-0.20 1, 000-2 000 Marginal
Acétique 20-25 2.6-2.8 Aéré 0.20-0.35 600-1,000Non recommandé
Acetic >25 <2.6 Aerated >0.35 <600 Unacceptable
Aéré<0.02 >10 000 Oui Formique<0.5 >3.5
Formique 0.5-1.0 3.0-3.5 Aéré 0.03-0.08 2, 500-7 000 Acceptable
Formique 2.7-3.0 1.0-2.0 aéré 1 000-2,500 0.08-0.20 marginal
Formique 2.0-3.0 2.5-2.7 Aéré 0.20-0.40 500-1,000Non conseillé
Formic >3.0 <2.5 Aerated >0.40 <500 Unacceptable
Acétique (10%) + Formique (0,5%) Mixte 2,8-3,2 Aéré 0.15-0.30 700-1,300 Déconseillé (synergie)
Toute forme d'acide organique<2.5 Aerated >0.30 <700 Not acceptable
Tout acide organique Tout Tout Désaéré (<0.5 ppm O₂) 2-5× aerated rate 2-5× quicker Unacceptable for most
Effet synergique des acides organiques mélangés

Les véritables effluents de transformation des aliments et de fermentation contiennent rarement un seul acide organique. L'effet synergique des acides acétique et formique est provoqué par un changement de pH et la production de complexes mixtes.

Acide formique (% en poids) Acide acétique (% en poids) Équivalent à une seule concentration d'acide - Taux de corrosion (mm/an, aéré) pH (100 degrés) Concentration combinée Étape suivante recommandée
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% acétique Non recommandé
10 0.1 10.1 3.2 0.10 12% acétique Marginal 10 0.5 10.5 2.9 0.30 InacceptableNon 10 1.0 11.0 2.7 0.60 Inacceptable Non
Spécifications pratiques de la chimie de l’eau pour les eaux usées de la transformation des aliments

Les limitations suivantes en matière d'acide organique sont conseillées pour les éléments chauffants à gaine 316 utilisés dans la transformation des aliments ou le chauffage des effluents de bioprocédés à 100 degrés.

Application Acides organiques courants trouvés Max. Acide organique total (% en poids) Acide formique individuel maximum % en poids pH suggéré (à 100 degrés) Durée de vie projetée du radiateur (années)
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 à 10
Vinegar and WinemakingAcetic 15 N/A >3.0 3-6 (observer)
Food waste digestate Mixed (acetic + formic) 5 0.3 >3.5 5-8
High-formic effluents Formic 2 2 >3.0 2-4 (limite)
Identification des champs de corrosion par les acides organiques

Un réchauffeur 316 dans les effluents de transformation des aliments est tombé en panne en raison de la corrosion par les acides organiques, ce qui a entraîné une gravure de surface générale et homogène, sans piqûres discrètes. La surface peut paraître terne, grise ou givrée et l’épaisseur de la paroi sera systématiquement réduite. Les produits de corrosion sont souvent solubles et ne forment pas de tartre visible. La chimie de l'effluent sera caractérisée par des concentrations d'acides organiques totaux supérieures aux critères et un pH inférieur à 3,0-3,5. Pour l'acide formique, le mode habituel de rupture est un amincissement généralisé sans piqûres, mais pour l'acide acétique, il s'agit d'un amincissement accompagné d'une certaine attaque localisée aux joints de grains. Le remède consiste à réduire la concentration d'acides organiques (par dilution ou neutralisation), à augmenter le pH (en ajoutant de l'hydroxyde de sodium ou du bicarbonate de sodium pour élever le pH au-dessus de 4,0 à 4,5) ou à passer à un alliage plus résistant à la corrosion tel que l'alliage 20 ou l'alliage 825.

Stratégies de contrôle et de neutralisation des processus

Si la réduction des concentrations d’acides organiques ne peut être réalisée de manière économique, les techniques d’atténuation suivantes peuvent prolonger la durée de vie du réchauffeur :

Ajustement du pH : Ajustez le pH à 4,5-5,5 avec de l'hydroxyde de sodium ou du carbonate de sodium. Le taux de corrosion diminue d'environ 50 % pour une unité de pH de 0,5 au-dessus de 3,5.

Aération : Maintenir l'OD à 2-3 ppm ou plus. L'aération conduit à la passivation, tandis que la désaération augmente le taux de corrosion active de 2 à 5 fois.

Température plus basse : un fonctionnement à 80 C au lieu de 100 C réduit le taux de corrosion de 60 à 80 % (énergie d'activation ~ 50 kJ/mol).

Amélioration de l'alliage : l'alliage 825 (42Ni - 21Cr - 3Mo) ou l'alliage 20 (32Ni - 20Cr - 2Mo - Cu) ont une résistance aux acides organiques 5 à 10 fois supérieure à celle du 316.

Conclusion : Limites d'acide organique à 100 degrés 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. L'acide formique est 3 à 5 fois plus agressif, maximum 1 à 2 % pour un service satisfaisant. Corrosion synergique à partir d’acides organiques mélangés. L'acide organique total > 5 à 6 % (dont > 0,3 à 0,5 % de formique) entraîne des performances marginales.. 316 les gaines pour un fonctionnement avec des acides organiques nécessitent que l'ingénieur reçoive une analyse complète de l'acide (type et concentration) et du pH à la température de fonctionnement lors de la spécification. Si les concentrations dépassent les critères, un ajustement du pH, une aération ou une amélioration de l'alliage sont nécessaires. La méthodologie développée ici relie la teneur en acide organique aux taux de corrosion généraux mesurables à 100 degrés et offre aux acheteurs la possibilité de spécifier 316 gaines ou de remplacer des alliages alternatifs pour les applications de transformation des aliments et de chauffage des bioprocédés.