Przy jakiej konkretnej kombinacji stężenia kwasu organicznego i temperatury powierzchni osłony następuje przejście osłony ze stali nierdzewnej 316 o grubości 1,6 milimetra z korozji pasywnej do aktywnej w środowisku kwasu octowego w reaktorach farmaceutycznych?

Inżynierowie procesu opracowujący elektryczne grzałki zanurzeniowe do reaktorów farmaceutycznych i zbiorników do przetwarzania żywności często wykorzystują kwas octowy jako rozpuszczalnik i medium reakcyjne. Kwasy organiczne (np. octowy) wykazują skomplikowane zachowanie korozyjne na stali nierdzewnej 316, w przeciwieństwie do kwasów mineralnych, z obszarami pasywnymi w niskich stężeniach i aktywną korozją w średnich stężeniach. Przejście pasywne-aktywne może zostać znacznie przesunięte w wyniku obecności śladowych ilości chlorków lub tlenu. Typowa usługa farmaceutyczna ma grubość ścianki 1,6 mm, aby uwzględnić naddatek na korozję i łatwość czyszczenia. W artykule opisano kombinację stężenia kwasu octowego i temperatury powierzchni płaszcza, przy której płaszcz 316 o grubości 1,6 mm zmienia się z korozji pasywnej w aktywną w reaktorze farmaceutycznym.

Korozja 316 w kwasie octowym
Korozja stali nierdzewnej 316 pod wpływem kwasu octowego ma szczególny wzór. W rozcieńczonych cieczach w stężeniach < 10% i temperaturach < 80 stopni, 316 pozostaje pasywny z szybkością korozji < 0,05 mm rocznie. W zakresie stężeń 10–50% warstwa pasywna jest niestabilna, a szybkość korozji może wynosić 0,5–2,0 mm/rok, w zależności od temperatury i zawartości tlenu. Powyżej 50% stężenia kwas octowy ulega redukcji i 316 ponownie pasywuje z szybkością poniżej 0,1 mm/rok. Obecność tlenu lub powietrza w układzie powoduje przejście do większych stężeń poprzez utrzymanie warunków utleniających. Stężenia kwasu octowego w reaktorach farmaceutycznych wahają się od rozcieńczonych roztworów płuczących do stężonego środowiska reakcyjnego. Temperatura powierzchni osłony określa, czy grzejnik znajduje się w trybie pasywnym, czy aktywnym. Ze względu na gęstość watów temperatura ta jest zwykle o 10-25 stopni wyższa niż temperatura kwasu w masie.

Krytyczne limity przejścia dla osłony 1,6 milimetra
Poniższe kombinacje stężeń i temperatur powierzchni osłony powodują przejście pasywne w aktywne z badania zanurzeniowego 316 próbek w kwasie octowym o regulowanej zawartości tlenu (typowe dla reaktorów farmaceutycznych z wolną przestrzenią powietrzną).

Stężenie kwasu octowego (% wag.) Temperatura przejścia z pasywnego w aktywny (w powietrzu) ​​Odpowietrzony pasywny-w-aktywny Temperatura przejścia Maksymalna dopuszczalna temperatura powierzchni płaszcza dla pracy pasywnej Oczekiwana szybkość korozji w trybie aktywnym
< 5% > 100°C > 90°C 95°C .3 -.6 mm/year 5 - 10% 90 - 100°C 80 - 90°C 85°C .5 - 1.0 mm/year
10 – 15% 80 – 90 stopni 65 – 75 stopni 75 stopni 0,8 – 1,5 mm/rok 15 – 20% 70 – 80 stopni 55 – 65 stopni 65 stopni 1,0 – 2,0 mm/rok 20 – 30% 60 – 70 stopni 45 – 55 stopni 55 stopni 1,5 – 2,5 mm/rok
30-40% 50-60 stopni 35-45 stopni 45 stopni 1,5-2,5 mm/rok 40-50% 45-55 stopni 30-40 stopni 40 stopni 1,0-2,0 mm/rok
50 – 60% 55 – 65 stopni 40 – 50 stopni 50 stopni 0,5 – 1,0 mm/rok
Powyżej 60% Powyżej 80 stopni Powyżej 65 stopni 75 stopni 0,2 – 0,5 mm/rok
W przypadku reaktora farmaceutycznego z 15% kwasem octowym przy temperaturze objętościowej 60 stopni i osłonie 1,6 mm przy 8 W/cm2 (wzrost o 20 stopni) temperatura powierzchni osłony wynosi 80 stopni. Temperatura ta przekracza dopuszczalną granicę 75 stopni dla 15% kwasu, a grzejnik będzie w trybie aktywnej korozji z przewidywanym tempem korozji wynoszącym 1 - 2 mm rocznie. „1-2 lata na przebicie osłony o średnicy 1,6 mm.” Obniżenie gęstości watów do 4 W/cm 2 (wzrost o 10 stopni) powoduje utrzymanie powierzchni powłoki na poziomie 70 stopni, poniżej progu 75 stopni i powrót do pracy pasywnej, zapewniając żywotność wynoszącą 10+ lat.

Bezpieczna koperta robocza dla osłony o grubości 1,6 mm w środowisku kwasu octowego
Poniższa tabela przedstawia maksymalną bezpieczną temperaturę kwasu octowego w masie dla osłony 316 o średnicy 1,6 mm w zakresie gęstości watów w warunkach napowietrzonych, typowych dla reaktorów farmaceutycznych z wolną przestrzenią nad powietrzem.

Stężenie kwasu octowego Gęstość w watach 4 W/cm² (wzrost o 10 stopni) Gęstość w watach 6 W/cm² (wzrost o 15 stopni) Gęstość w watach 8 W/cm² (wzrost o 20 stopni) Gęstość watów 10 W/cm² (wzrost o 25 stopni)
<5% Safe to 85°C Safe to 80°C Safe to 75°C Safe to 70°C
5 – 10% Bezpieczny do 80 stopni Bezpieczny do 75 stopni Bezpieczny do 70 stopni Bezpieczny do 65 stopni
10 – 15% Bezpiecznie do 75 stopni Bezpiecznie do 70 stopni Bezpiecznie do 65 stopni Bezpiecznie do 60 stopni 15 – 20% Bezpiecznie do 65 stopni Bezpiecznie do 60 stopni Bezpiecznie do 55 stopni Bezpiecznie do 50 stopni 20 – 30% Bezpiecznie do 55 stopni Bezpiecznie do 50 stopni Bezpiecznie do 45 stopni Bezpiecznie do 40 stopni 30 – 40% Bezpiecznie do 45 stopni Bezpiecznie do 40 stopni Bezpiecznie do 35 stopni Bezpiecznie do 30 stopni 40 – 50% Bezpiecznie do 40 stopni Bezpiecznie do 35 stopni Bezpiecznie do 30 stopni Bezpiecznie do 25 stopni
50 – 60 % Bezpieczne do 50 stopni Bezpieczne do 45 stopni Bezpieczne do 40 stopni Bezpieczne do 35 stopni
>60% Bezpieczne do 70 stopni Bezpieczne do 65 stopni Bezpieczne do 60 stopni Bezpieczne do 55 stopni
Płaszcz o grubości 1,6 mm przy 6 W/cm² (powierzchnia 70 stopni) przekracza dopuszczalną granicę 55 stopni dla reaktora farmaceutycznego z 20% kwasem octowym w temperaturze objętościowej wynoszącej 55 stopni. Moc grzejnika należy obniżyć do 4 W/cm2 (powierzchnia 65 stopni C) lub mniej. Nawet 10% kwas octowy w temperaturze 60oC w masie powoduje, że temperatura powierzchni wynosi 85oC przy 10 W/cm2, co przekracza bezpieczną granicę 70oC dla tego stężenia.

Udoskonalenia konstrukcyjne umożliwiające ciągłą pracę pasywną
W przypadku warunków procesu z kwasem octowym stężenia i temperatury są zbliżone do granicy pasywnej-aktywnej i zaproponowano trzy zmiany konstrukcyjne, aby zachować pasywne działanie bez modyfikowania materiału osłony. Pierwszym z nich jest zapewnienie wystarczającego napowietrzenia. Tlen z powietrza lub z barbotowania przesuwa pasywne-aktywne przejście do wyższych temperatur o 10-15 stopni. Reaktor w osłonie azotu (odpowietrzony) będzie miał znacznie mniejszą odporność na korozję niż reaktor z wolną przestrzenią powietrzną. Druga regulacja polega na zmniejszeniu gęstości watów poprzez zwiększenie ogrzewanej długości lub użycie kilku grzejników. Zmniejszenie gęstości mocy o 20% może prowadzić do obniżenia temperatury powierzchni osłony o 8–12 stopni, z aktywnego do pasywnego. Trzecia zmiana polega na dodaniu inhibitora korozji. Niewielkie ilości (50–200 ppm) utleniających substancji chemicznych, takich jak nadtlenek wodoru lub kwas azotowy, mogą stabilizować warstwę pasywną w kwasie octowym, zwiększenie temperatury przejścia o 10–20 stopni . 316 to średni wybór w przypadku reaktorów farmaceutycznych wymagających stężenia kwasu octowego powyżej 30% w temperaturach powyżej 50 stopni niezależnie od gęstości watów. W tych warunkach inżynierowie powinni przejść na wyższy stop, taki jak Alloy 20 lub Alloy 825, który zachowuje pasywne zachowanie w kwasie octowym w temperaturach wrzenia we wszystkich stężeniach. Różnica w kosztach wynosi zwykle 30-50% więcej niż 316, ale żywotność wzrasta z 1-2 lat do 10-15 lat. Zamawiając grzejniki do obsługi kwasu octowego, należy podać dokładne stężenie, temperaturę objętościową, warunki napowietrzania i przewidywaną gęstość watów i dostarczyć te informacje dostawcy. Producent sugerujący 316 na 25% kwas octowy w temperaturze 65 stopni bez uwzględnienia przejścia pasywno-aktywnego nie podaje pełnych informacji technicznych. Przejście z korozji pasywnej do aktywnej w kwasie octowym jest zależne od stężenia i nagłe. Koszulka 316 o grubości 1,6 mm tuż poniżej progu może wytrzymać 10 lat, natomiast jedna warstwa nieco powyżej progu może spowodować perforację w ciągu 18 miesięcy. Aby uzyskać wiarygodną specyfikację, wymagane jest dokładne obliczenie temperatury powierzchni osłony na podstawie gęstości watowej i warunków objętościowych.