Pri akej špecifickej kombinácii koncentrácie organických kyselín a teploty povrchu plášťa prechádza 1,6 milimetrový plášť z nehrdzavejúcej ocele 316 z pasívnej na aktívnu koróziu v prevádzke s kyselinou octovou pre farmaceutické reaktory?

Procesní inžinieri vyvíjajúci elektrické ponorné ohrievače pre farmaceutické reaktory a nádoby na spracovanie potravín často využívajú kyselinu octovú ako rozpúšťadlo a reakčné médium. Organické kyseliny (napr. octová) vykazujú komplikované korózne správanie na nehrdzavejúcej oceli 316, na rozdiel od minerálnych kyselín, s pasívnymi oblasťami pri nízkych koncentráciách a aktívnou koróziou pri stredných koncentráciách. Pasívny-aktívny prechod môže byť značne posunutý prítomnosťou stopových chloridov alebo kyslíka. Typická farmaceutická služba by mala mať hrúbku steny 1,6 mm, aby sa umožnila korózia a čistiteľnosť. Tento dokument uvádza kombináciu koncentrácie kyseliny octovej a teploty povrchu plášťa, pri ktorej sa plášť 1,6 mm 316 mení z pasívnej na aktívnu koróziu vo farmaceutickom reaktore.

Korózia 316 v kyseline octovej
Korózia nehrdzavejúcej ocele 316 kyselinou octovou má osobitný vzor. V zriedených kvapalinách pri koncentráciách < 10 % a teplotách < 80 stupňov zostáva 316 pasívny s rýchlosťou korózie < 0,05 mm za rok. V koncentračnom rozsahu 10 % – 50 % je pasívny film nestabilný a rýchlosť korózie môže byť 0,5 – 2,0 mm/rok, v závislosti od teploty a obsahu kyslíka. Nad 50 % koncentrácia kyseliny octovej sa znižuje a 316 pasivátov opäť s rýchlosťou pod 0,1 mm/rok. Prítomnosť kyslíka alebo vzduchu v systéme posúva prechod do vyšších koncentrácií udržiavaním oxidačných podmienok. Koncentrácie kyseliny octovej vo farmaceutických reaktoroch siahajú od zriedených premývacích roztokov po koncentrované reakčné médium. Teplota povrchu plášťa určuje, či je ohrievač v pasívnom alebo aktívnom režime. Vzhľadom na hustotu wattov je táto teplota normálne o 10-25 stupňov vyššia ako teplota objemovej kyseliny.

Kritické prechodové limity plášťa 1,6 mm pre
Nasledujúce kombinácie koncentrácie a povrchovej teploty plášťa spôsobujú pasívny prechod na aktívny prechod z ponorného testovania 316 vzoriek v kyseline octovej s regulovaným obsahom kyslíka (typické pre farmaceutické reaktory s priestorom nad vzduchom).

Koncentrácia kyseliny octovej (hmot. %) Teplota prechodu z pasívnej na aktívnu (na vzduchu) Odvzdušnené pasívne-na{1}}Aktívna prechodová teplota Najvyššia prípustná teplota povrchu plášťa pre pasívnu prevádzku Očakávaná rýchlosť korózie v aktívnom režime
< 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 stupňov 65 – 75 stupňov 75 stupňov 0,8 – 1,5 mm/rok 15 – 20 % 70 – 80 stupňov 55 – 65 stupňov 65 stupňov 1,0 – 2,0 mm/rok 20 – 30 % 60 – 5 – 70 stupňov 5,4 mm/rok
30-40% 50-60 stupňov 35-45 stupňov 45 stupňov 1,5-2,5 mm/rok 40-50% 45-55 stupňov 30-40 stupňov 40 stupňov 1,0-2,0 mm/rok
50 – 60 % 55 – 65 stupňov 40 – 50 stupňov 50 stupňov 0,5 – 1,0 mm/rok
Nad 60 % Nad 80 stupňov Nad 65 stupňov 75 stupňov 0,2 – 0,5 mm/rok
Pre farmaceutický reaktor s 15 % kyselinou octovou pri objemovej teplote 60 stupňov s 1,6 mm plášťom pri 8 W/cm2 (20 stupňové zvýšenie) je povrchová teplota plášťa 80 stupňov. To je viac ako povolený limit 75 stupňov pre 15 % kyselinu a ohrievač by bol v režime aktívnej korózie s predpokladanou rýchlosťou 1 - 2 mm za rok. "1-2 roky na perforáciu 1,6 mm puzdra." Zníženie wattovej hustoty na 4 W/cm 2 (10 stupňové zvýšenie) udržuje povrch plášťa na 70 stupňoch , pod prahom 75 stupňov, a vracia sa do pasívnej prevádzky, čím poskytuje 10+ rokov životnosti.

Bezpečná prevádzková obálka pre 1,6 mm puzdro v kyseline octovej
Nižšie uvedená tabuľka ukazuje maximálnu bezpečnú objemovú teplotu kyseliny octovej pre 1,6 mm 316 plášť v rozsahu hustôt vo wattoch pre prevzdušňovacie podmienky typické pre farmaceutické reaktory so vzduchom.

Koncentrácia kyseliny octovej Hustota 4 W/cm² (10 stupňov nárast) Hustota 6 W/cm² (15 stupňový nárast) W hustota 8 W/cm² (20 stupňový nárast) W hustota 10 W/cm² (25 stupňový nárast)
<5% Safe to 85°C Safe to 80°C Safe to 75°C Safe to 70°C
5 – 10 % Bezpečné do 80 stupňov Bezpečné do 75 stupňov Bezpečné do 70 stupňov Bezpečné do 65 stupňov
10 – 15 % Bezpečný do 75 stupňov Bezpečný do 70 stupňov Bezpečný do 65 stupňov Bezpečný do 60 stupňov 15 – 20 % Bezpečný do 65 stupňov Bezpečný do 60 stupňov Bezpečný do 55 stupňov Bezpečný do 50 stupňov 20 – 30 % Bezpečný do 5 stupňov do 55 stupňov Bezpečný do 0 40 stupňov 30 – 40 % Bezpečné do 45 stupňov Bezpečné do 40 stupňov Bezpečné do 35 stupňov Bezpečné do 30 stupňov 40 – 50 % Bezpečné do 40 stupňov Bezpečné do 35 stupňov Bezpečné do 30 stupňov Bezpečné do 25 stupňov
50 – 60 % Bezpečný do 50 stupňov Bezpečný do 45 stupňov Bezpečný do 40 stupňov Bezpečný do 35 stupňov
>60% bezpečné do 70 stupňov Bezpečné do 65 stupňov Bezpečné do 60 stupňov Bezpečné do 55 stupňov
Plášť s hrúbkou 1,6 mm pri 6 W/cm² (povrch 70 stupňov) presahuje povolenú hranicu 55 stupňov pre farmaceutický reaktor s 20 % kyselinou octovou pri teplote 55 stupňov. Ohrievač musí byť znížený na 4 W/cm2 (povrchová teplota 65 stupňov C) alebo menej. Dokonca aj 10% kyselina octová pri 60 °C má za následok povrchovú teplotu 85 °C pri 10 W/cm2, čo je za bezpečnou hranicou 70 °C pre túto koncentráciu.

Vylepšenia dizajnu pre nepretržitú pasívnu prevádzku
Pre podmienky spracovania kyseliny octovej sú koncentrácie a teploty blízke pasívnej{0}}aktívnej hranici a navrhujú sa tri úpravy návrhu na udržanie pasívnej prevádzky bez úpravy materiálu plášťa. Prvým je zabezpečiť dostatočné vetranie. Kyslík zo vzduchu alebo z prebublávania posúva pasívny-aktívny prechod k vyšším teplotám o 10-15 stupňov . Reaktor zakrytý dusíkom (odvzdušnený) bude mať oveľa menšiu odolnosť proti korózii ako reaktor so vzduchovým priestorom. Druhou úpravou je zníženie hustoty wattov, a to buď rozšírením ohrievanej dĺžky alebo použitím niekoľkých ohrievačov. 20% zníženie wattovej hustoty by mohlo viesť k zníženiu povrchovej teploty plášťa o 8-12 stupňov, z aktívneho na pasívny. Treťou zmenou je pridanie inhibítora korózie. Malé množstvá (50 – 200 ppm) oxidačných chemikálií, ako je peroxid vodíka alebo kyselina dusičná, môžu stabilizovať pasívny film v kyseline octovej, pričom zvýšenie teploty prechodu o 10 – 20 stupňov . 316 je priemerná voľba pre farmaceutické reaktory vyžadujúce koncentrácie kyseliny octovej nad 30 % pri teplotách nad 50 stupňov nezávisle od hustoty wattov. Za týchto podmienok by inžinieri mali prejsť na vyššiu zliatinu, ako je Alloy 20 alebo Alloy 825, ktorá si zachováva pasívne správanie v kyseline octovej pri teplotách varu pri všetkých koncentráciách. Rozdiel v nákladoch je zvyčajne o 30-50% vyšší ako 316, ale životnosť sa zvyšuje z 1-2 rokov na 10-15 rokov. Pri objednávaní ohrievačov na použitie s kyselinou octovou uveďte presnú koncentráciu, objemovú teplotu, podmienky prevzdušňovania a predpokladanú hustotu wattov a poskytnite tieto informácie dodávateľovi. Výrobca, ktorý navrhuje 316 pre 25% kyselinu octovú pri 65 stupňoch bez zohľadnenia pasívno-aktívneho prechodu, neposkytuje úplné technické informácie. Posun od pasívnej k aktívnej korózii v kyseline octovej je závislý od koncentrácie a je náhly. Nábeh 316 s hrúbkou 1,6 mm tesne pod prahom môže vydržať 10 rokov, zatiaľ čo jeden výbeh tesne nad prahom môže perforovať za 18 mesiacov. Pre spoľahlivú špecifikáciu je potrebný presný výpočet povrchovej teploty plášťa z wattovej hustoty a objemových podmienok.