A quina combinació específica de concentració d'àcid orgànic i temperatura de la superfície de la coberta fa la transició d'una funda d'acer inoxidable 316 d'1,6 mil·límetres de corrosió passiva a activa en servei d'àcid acètic per a reactors farmacèutics?

Els enginyers de processos que desenvolupen escalfadors d'immersió elèctrics per a reactors farmacèutics i recipients de processament d'aliments sovint utilitzen l'àcid acètic com a dissolvent i medi de reacció. Els àcids orgànics (p. ex. acètic) presenten un comportament de corrosió complicat a l'acer inoxidable 316, en contrast amb els àcids minerals, amb regions passives a concentracions baixes i corrosió activa a concentracions intermèdies. La transició passiva-activa es pot canviar considerablement per la presència de traces de clorurs o oxigen. El servei farmacèutic típic seria un gruix de paret d'1,6 mm per permetre la resistència a la corrosió i la neteja. Aquest article informa de la combinació de la concentració d'àcid acètic i la temperatura de la superfície de la funda a la qual una funda 316 d'1,6 mm canvia de corrosió passiva a activa en el servei d'un reactor farmacèutic.

Corrosió de 316 en àcid acètic
La corrosió de l'acer inoxidable 316 per àcid acètic té un patró particular. En líquids diluïts a concentracions < 10% i temperatures < 80 graus, 316 es manté passiu amb taxes de corrosió < 0,05 mm per any. En el rang de concentració del 10% al 50%, la pel·lícula passiva és inestable i les taxes de corrosió poden ser de 0,5 a 2,0 mm/any, depenent de la temperatura i el contingut d'oxigen. Per sobre del 50% la concentració d'àcid acètic s'està reduint i 316 es torna a passiva amb taxes inferiors a 0,1 mm/any. La presència d'oxigen o aire al sistema fa que la transició a majors concentracions es mantingui en condicions d'oxidació. Les concentracions d'àcid acètic als reactors farmacèutics van des de solucions de rentat diluïdes fins a un medi de reacció concentrat. La temperatura de la superfície de la funda determina si l'escalfador es troba en règim passiu o actiu. A causa de la densitat de watts, aquesta temperatura és normalment 10-25 graus superior a la temperatura de l'àcid a granel.

Límits crítics de transició de la funda de 1,6 mil·límetres per a
Les següents combinacions de concentració i temperatura de la superfície de la coberta provoquen la transició passiva a activa de les proves d'immersió de 316 mostres en àcid acètic amb contingut d'oxigen regulat (típic dels reactors farmacèutics amb espai d'aire).

Concentració d'àcid acètic (% en pes) Temperatura de transició de passiu a actiu (a l'aire)Passiu desaireat-a-Temperatura de transició activa Temperatura de la superfície de la coberta màxima admissible per al funcionament passiu Taxa de corrosió esperada en règim actiu
< 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 graus 65 – 75 graus 75 graus 0,8 – 1,5 mm/any 15 – 20 % 70 – 80 graus 55 – 65 graus 65 graus 1,0 – 2,0 mm/any 20 – 30 – 30 % – 50 % graus 55 % grau 1,5 – 2,5 mm/any
30-40% 50-60 graus 35-45 graus 45 graus 1,5-2,5 mm/any 40-50% 45-55 graus 30-40 graus 40 graus 1,0-2,0 mm/any
50 – 60% 55 – 65 graus 40 – 50 graus 50 graus 0,5 – 1,0 mm/any
Per sobre del 60% Per sobre de 80 graus Per sobre de 65 graus 75 graus 0,2 – 0,5 mm/any
Per a un reactor farmacèutic amb un 15% d'àcid acètic a una temperatura a granel de 60 graus amb una funda d'1,6 mm a 8 W/cm2 (augment de 20 graus), la temperatura de la superfície de la funda és de 80 graus. Això supera el límit admissible de 75 graus per al 15% d'àcid i l'escalfador estaria en règim de corrosió actiu amb taxes previstes de 1 - 2 mm per any. "1-2 anys per perforar la funda d'1,6 mm". Reduir la densitat de watts a 4 W/cm 2 (augment de 10 graus) manté la superfície de la funda a 70 graus, per sota del llindar de 75 graus, i torna al funcionament passiu, proporcionant 10+ anys de vida.

Sobre de funcionament segur per a funda d'1,6 mm en servei d'àcid acètic
La taula següent mostra la temperatura màxima segura d'àcid acètic a granel per a una funda 316 d'1,6 mm en un rang de densitats de watts per a circumstàncies airejades típiques dels reactors farmacèutics amb espai d'aire.

Concentració d'àcid acètic Densitat de watts 4 W/cm² (augment de 10 graus) Densitat de watts 6 W/cm² (augment de 15 graus) Densitat de watts 8 W/cm² (augment de 20 graus) Densitat de watts 10 W/cm² (augment de 25 graus)
<5% Safe to 85°C Safe to 80°C Safe to 75°C Safe to 70°C
5 – 10% segur fins a 80 graus segur fins a 75 graus segur fins a 70 graus segur fins a 65 graus
10 – 15% Segur fins a 75 graus Segur fins a 70 graus Segur fins a 65 graus Segur fins a 60 graus 15 – 20% segur fins a 65 graus Segur fins a 60 graus Segur fins a 55 graus Segur fins a 50 graus 20 – 30% segur fins a 55 graus Segur fins a 45 graus Segur fins a 40 graus 30 – 40% Segur fins a 45 graus Segur fins a 40 graus Segur fins a 35 graus Segur fins a 30 graus 40 – 50% Segur fins a 40 graus Segur fins a 35 graus Segur fins a 30 graus Segur fins a 25 graus
50 – 60% Segur a 50 graus Segur a 45 graus Segur a 40 graus Segur a 35 graus
>60% segur fins a 70 graus segur fins a 65 graus segur fins a 60 graus segur fins a 55 graus
Una funda d'1,6 mm a 6 W/cm² (superfície 70 graus) supera el límit permès de 55 graus per a un reactor farmacèutic amb un 20% d'àcid acètic a una temperatura de 55 graus a granel. L'escalfador s'ha de reduir a 4 W/cm2 (superfície 65 graus C) o menys. Fins i tot un 10% d'àcid acètic a 60oC a granel dóna lloc a una temperatura superficial de 85oC a 10 W/cm2, que supera el límit segur de 70oC per a aquesta concentració.

Millores de disseny per a un funcionament passiu continuat
Per a les condicions del procés d'àcid acètic, les concentracions i les temperatures són properes al límit passiu-actiu i es proposen tres ajustos de disseny per mantenir el funcionament passiu sense modificar el material de la funda. El primer és assegurar-se que hi ha prou aireació. L'oxigen de l'aire o de l'arrossegament mou la transició passiva-activa a temperatures més altes en 10-15 graus . Un reactor amb coberta de nitrogen (desairejat) tindrà molta menys resistència a la corrosió que un reactor amb espai d'aire. El segon ajust és disminuir la densitat de watts, ja sigui ampliant la longitud escalfada o utilitzant diversos escalfadors. Una reducció del 20% de la densitat de watts podria conduir a una reducció de la temperatura de la superfície de la coberta de 8-12 graus, d'actiu a passiu. La tercera alteració és afegir un inhibidor de corrosió. Petites quantitats (50-200 ppm) de substàncies químiques oxidants, com ara peròxid d'hidrogen o àcid nítric, poden estabilitzar la pel·lícula passiva en àcid acètic, augmentant la temperatura de transició entre 10 i 20 graus . 316 és una selecció mitjana per als reactors farmacèutics que requereixen concentracions d'àcid acètic superiors al 30% a temperatures independents de 50 watts. En aquestes condicions, els enginyers haurien de canviar a un aliatge superior, com ara l'aliatge 20 o l'aliatge 825, que mantingui el comportament passiu de l'àcid acètic a temperatures d'ebullició a totes les concentracions. La diferència de costos sol ser un 30-50% més que 316, però la vida útil augmenta d'1-2 anys a 10-15 anys. Especifiqueu la concentració exacta, la temperatura a granel, les condicions d'aireació i la densitat de watts prevista en demanar escalfadors per al servei d'àcid acètic i proporcioneu aquesta informació al proveïdor. Un fabricant que suggereix 316 per àcid acètic al 25% a 65 graus sense tenir en compte la transició passiva-activa no està donant informació completa d'enginyeria. El canvi de corrosió passiva a activa en l'àcid acètic depèn de la concentració i sobtada. Una tirada de 316 funda d'1,6 mm just per sota del llindar pot durar 10 anys, mentre que una tirada una mica per sobre del llindar pot perforar-se en 18 mesos. Per a una especificació fiable, es requereix un càlcul precís de la temperatura de la superfície de la funda a partir de la densitat de watts i les condicions a granel.