Em que combinação específica de concentração de ácido orgânico e temperatura da superfície da bainha uma bainha de aço inoxidável 316 de 1,6 milímetros faz a transição da corrosão passiva para a ativa em serviços de ácido acético para reatores farmacêuticos?

Os engenheiros de processo que desenvolvem aquecedores elétricos de imersão para reatores farmacêuticos e recipientes de processamento de alimentos geralmente utilizam ácido acético como solvente e meio de reação. Os ácidos orgânicos (por exemplo, acético) apresentam um comportamento de corrosão complicado no aço inoxidável 316, em contraste com os ácidos minerais, com regiões passivas em baixas concentrações e corrosão ativa em concentrações intermediárias. A transição passiva-ativa pode ser consideravelmente alterada pela presença de vestígios de cloretos ou oxigênio. O serviço farmacêutico típico teria uma espessura de parede de 1,6 mm para permitir tolerância à corrosão e facilidade de limpeza. Este artigo relata a combinação da concentração de ácido acético e da temperatura da superfície da bainha na qual uma bainha 316 de 1,6 mm muda de corrosão passiva para ativa em serviço de reator farmacêutico.

Corrosão de 316 em ácido acético
A corrosão do aço inoxidável 316 por ácido acético tem um padrão particular. Em líquidos diluídos em concentrações <10% e temperaturas <80 graus, o 316 permanece passivo com taxas de corrosão <0,05 mm por ano. Na faixa de concentração de 10% a 50%, o filme passivo é instável e as taxas de corrosão podem ser de 0,5 a 2,0 mm/ano, dependendo da temperatura e do teor de oxigênio. Acima da concentração de 50% o ácido acético é redutor e 316 passiva novamente com taxas abaixo de 0,1 mm/ano. A presença de oxigênio ou ar no sistema move a transição para concentrações maiores, mantendo as condições oxidantes. As concentrações de ácido acético em reatores farmacêuticos variam de soluções de lavagem diluídas a meios de reação concentrados. A temperatura da superfície da bainha determina se o aquecedor está no regime passivo ou ativo. Devido à densidade de watts, esta temperatura é normalmente 10-25 graus mais alta que a temperatura do ácido a granel.

Limites críticos de transição da bainha de 1,6 milímetros para
As seguintes combinações de concentração e temperatura da superfície da bainha causam a transição passiva para ativa do teste de imersão de 316 amostras em ácido acético com teor de oxigênio regulado (típico de reatores farmacêuticos com espaço livre de ar).

Concentração de ácido acético (% em peso) Temperatura de transição de passivo para ativo (no ar)Desaerado Passivo-para-Temperatura de transição ativaTemperatura máxima permitida da superfície da bainha para operação passiva Taxa de corrosão esperada em regime ativo
< 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/ano 15 - 20% 70 - 80 graus 55 - 65 graus 65 graus 1,0 - 2,0 mm/ano 20 - 30% 60 - 70 graus 45 - 55 graus 55 graus 1,5 - 2,5 mm/ano
30-40% 50-60 graus 35-45 graus 45 graus 1,5-2,5 mm/ano 40-50% 45-55 graus 30-40 graus 40 graus 1,0-2,0 mm/ano
50 – 60% 55 – 65 graus 40 – 50 graus 50 graus 0,5 – 1,0 mm/ano
Acima de 60% Acima de 80 graus Acima de 65 graus 75 graus 0,2 – 0,5 mm/ano
Para um reactor farmacêutico com ácido acético a 15% a uma temperatura aparente de 60 graus com um invólucro de 1,6 mm a 8 W/cm2 (aumento de 20 graus) a temperatura da superfície do invólucro é de 80 graus. Isto está acima do limite permitido de 75 graus para 15% de ácido e o aquecedor estaria no regime de corrosão ativa com taxas previstas de 1 - 2 mm por ano. "1-2 anos para perfurar bainha de 1,6 mm." A redução da densidade de watts para 4 W/cm 2 (aumento de 10 graus) mantém a superfície do revestimento em 70 graus, abaixo do limite de 75 graus, e retorna à operação passiva, proporcionando 10+ anos de vida útil.

Envelope de operação segura para bainha de 1,6 mm em serviço de ácido acético
A tabela abaixo mostra a temperatura máxima segura de ácido acético a granel para uma bainha 316 de 1,6 mm em uma faixa de densidades de watts para circunstâncias aeradas típicas de reatores farmacêuticos com espaço livre de ar.

Concentração de ácido acético Densidade de Watt 4W/cm² (aumento de 10 graus) Densidade de Watt 6W/cm² (aumento de 15 graus) Densidade de Watt 8W/cm² (aumento de 20 graus) Densidade de Watt 10W/cm² (aumento de 25 graus)
<5% Safe to 85°C Safe to 80°C Safe to 75°C Safe to 70°C
5 – 10% Seguro até 80 graus Seguro até 75 graus Seguro até 70 graus Seguro até 65 graus
10 – 15% Seguro até 75 graus Seguro até 70 graus Seguro até 65 graus Seguro até 60 graus 15 – 20% Seguro até 65 graus Seguro até 60 graus Seguro até 55 graus Seguro até 50 graus 20 – 30% Seguro até 55 graus Seguro até 50 graus Seguro até 45 graus Seguro até 40 graus 30 – 40% Seguro até 45 graus Seguro até 40 graus Seguro até 35 graus Seguro até 30 graus 40 – 50% Seguro até 40 graus Seguro até 35 graus Seguro até 30 graus Seguro até 25 graus
50 – 60% Seguro até 50 graus Seguro até 45 graus Seguro até 40 graus Seguro até 35 graus
>60% Seguro até 70 graus Seguro até 65 graus Seguro até 60 graus Seguro até 55 graus
Uma bainha de 1,6 mm a 6 W/cm² (superfície de 70 graus) está acima do limite permitido de 55 graus para um reator farmacêutico com 20% de ácido acético a 55 graus de temperatura aparente. O aquecedor deve ser reduzido para 4 W/cm2 (superfície 65 graus C) ou menos. Mesmo ácido acético a 10% a 60oC resulta em uma temperatura superficial de 85oC a 10 W/cm2, o que está além do limite seguro de 70oC para essa concentração.

Melhorias de design para operação passiva contínua
Para condições de processo de ácido acético, as concentrações e temperaturas estão próximas do limite passivo-ativo, e três ajustes de projeto são propostos para manter a operação passiva sem modificar o material do revestimento. A primeira é garantir que haja aeração suficiente. O oxigênio do ar ou da pulverização move a transição passiva-ativa para temperaturas mais altas em 10-15 graus. Um reator sob cobertura de nitrogênio (desarejado) terá muito menos resistência à corrosão do que um reator com espaço livre de ar. O segundo ajuste é diminuir a densidade de watts, seja expandindo o comprimento aquecido ou usando vários aquecedores. Uma redução de 20% na densidade de watts poderia levar a uma redução de 8 a 12 graus na temperatura da superfície da bainha, de ativa para passiva. A terceira alteração é adicionar um inibidor de corrosão. Pequenas quantidades (50-200 ppm) de produtos químicos oxidantes, como peróxido de hidrogênio ou ácido nítrico, podem estabilizar o filme passivo em ácido acético, aumentando a temperatura de transição em 10-20 graus . 316 é uma seleção média para reatores farmacêuticos que requerem concentrações de ácido acético acima de 30% em temperaturas acima de 50 graus, independentemente da densidade de watts. Sob estas condições, os engenheiros devem mudar para uma liga superior, como a Liga 20 ou a Liga 825, que mantém o comportamento passivo no ácido acético em temperaturas de ebulição em todas as concentrações. A diferença de custo é geralmente 30-50% maior que 316, mas a vida útil aumenta de 1-2 anos para 10-15 anos. Especifique a concentração exata, a temperatura aparente, as condições de aeração e a densidade de watts prevista ao solicitar aquecedores para serviço de ácido acético e forneça essas informações ao fornecedor. Um fabricante que sugere 316 para ácido acético a 25% a 65 graus sem considerar a transição passivo-ativo não está fornecendo informações completas de engenharia. A mudança da corrosão passiva para ativa no ácido acético depende da concentração e é repentina. Uma bainha 316 de 1,6 mm colocada logo abaixo do limite pode durar 10 anos, enquanto uma passagem logo acima do limite pode perfurar em 18 meses. Para uma especificação confiável, é necessário um cálculo preciso da temperatura da superfície da bainha a partir da densidade de watts e das condições de volume.