Per gli ingegneri della manutenzione responsabili dei sistemi clean-in-nel settore della lavorazione delle bevande, dei prodotti lattiero-caseari e della produzione alimentare, l'acido citrico è ampiamente utilizzato come agente disincrostante e detergente. Le soluzioni CIP tipiche utilizzano acido citrico all'1–3% a temperature di 70–85°C. Per questi riscaldatori è comune una guaina in acciaio inossidabile 316 da 1,2 mm a causa dei requisiti di risposta termica rapida e dei vincoli di spazio negli skid CIP. Tuttavia, in specifiche combinazioni di concentrazione di acido citrico e temperatura superficiale della guaina elevata rispetto alla densità di watt, la corrosione generale accelerata può ridurre la durata di servizio a nove mesi o meno. Questo articolo identifica le soglie precise alle quali una guaina 316 da 1,2 mm richiede la sostituzione ogni nove mesi nel servizio CIP con acido citrico.
Comportamento alla corrosione del 316 nell'acido citrico a temperature elevate
L'acido citrico è un acido organico debole che è meno aggressivo degli acidi minerali, ma a temperature elevate può comunque causare una corrosione significativa dell'acciaio inossidabile 316. A differenza dell'acido solforico o cloridrico, l'acido citrico non provoca vaiolatura ma piuttosto una corrosione generale uniforme. A concentrazioni inferiori al 5% a temperature inferiori a 70°C, 316 mostra tassi di corrosione inferiori a 0,05 mm all'anno. All’aumentare della temperatura, la velocità di corrosione segue una relazione di Arrhenius. A 80°C, la quantità di acido citrico al 2% è di circa 0,1–0,2 mm all'anno. A 90°C raggiunge 0,3–0,6 mm all’anno. A 100°C, i tassi superano 1 mm all'anno. Per una guaina da 1,2 mm, lo spessore strutturale minimo per il contenimento della pressione è di circa 0,5 mm. Una penetrazione della corrosione di 0,7 mm (da 1,2 mm a 0,5 mm) avviene in 9 mesi con una velocità di corrosione di 0,93 mm all'anno. La soglia di sostituzione di nove-mesi viene raggiunta quando la combinazione della concentrazione di acido citrico e della temperatura superficiale della guaina produce un tasso di corrosione di circa 0,8–1,2 mm all'anno.
Soglie critiche per una durata di servizio di nove-mesi
In base ai test di immersione di 316 campioni in soluzioni di acido citrico a temperature rilevanti per il servizio CIP delle bevande, le seguenti combinazioni di concentrazione di acido e temperatura superficiale della guaina producono una durata di servizio massima di nove-mesi per una parete di 1,2 mm.
| Concentrazione di acido citrico (%) | Temperatura della soluzione sfusa | Temperatura superficiale della guaina a 8 W/cm² (aumento di 20°C) | Tasso di corrosione previsto a temperatura superficiale | È ora di ridurre da 1,2 mm a 0,5 mm | Durata utile fino alla sostituzione |
|---|---|---|---|---|---|
| 1% | 75°C | 95°C | 0,20 – 0,35 mm/anno | 2,0 – 3,5 anni | 2,5 – 4 anni |
| 1% | 80°C | 100°C | 0,35 – 0,60 mm/anno | 1,2 – 2,0 anni | 1,5 – 2,5 anni |
| 1% | 85°C | 105°C | 0,60 – 1,00 mm/anno | 0,7 – 1,2 anni | 0,9 – 1,5 anni |
| 2% | 70°C | 90°C | 0,20 – 0,35 mm/anno | 2,0 – 3,5 anni | 2,5 – 4 anni |
| 2% | 75°C | 95°C | 0,35 – 0,60 mm/anno | 1,2 – 2,0 anni | 1,5 – 2,5 anni |
| 2% | 80°C | 100°C | 0,60 – 1,00 mm/anno | 0,7 – 1,2 anni | 0,9 – 1,5 anni |
| 2% | 85°C | 105°C | 1,00 – 1,50 mm/anno | 0,5 – 0,7 anni | 0,6 – 0,9 anni |
| 3% | 65°C | 85°C | 0,20 – 0,35 mm/anno | 2,0 – 3,5 anni | 2,5 – 4 anni |
| 3% | 70°C | 90°C | 0,35 – 0,60 mm/anno | 1,2 – 2,0 anni | 1,5 – 2,5 anni |
| 3% | 75°C | 95°C | 0,60 – 1,00 mm/anno | 0,7 – 1,2 anni | 0,9 – 1,5 anni |
| 3% | 80°C | 100°C | 1,00 – 1,50 mm/anno | 0,5 – 0,7 anni | 0,6 – 0,9 anni |
| 4% | 60°C | 80°C | 0,25 – 0,40 mm/anno | 1,8 – 2,8 anni | 2 – 3,5 anni |
| 4% | 65°C | 85°C | 0,40 – 0,70 mm/anno | 1,0 – 1,8 anni | 1,2 – 2 anni |
| 4% | 70°C | 90°C | 0,70 – 1,20 mm/anno | 0,6 – 1,0 anni | 0,8 – 1,2 anni |
| 4% | 75°C | 95°C | 1,20 – 2,00 mm/anno | 0,4 – 0,6 anni | 0,5 – 0,7 anni |
Per un sistema CIP per bevande che utilizza acido citrico al 2% a una temperatura di massa di 80°C con una guaina da 1,2 mm a 8 W/cm², la superficie della guaina raggiunge circa 100°C. Il tasso di corrosione previsto è di 0,6–1,0 mm all’anno, riducendo la parete da 1,2 mm a 0,5 mm in 0,7–1,2 anni. È opportuna la sostituzione di nove-mesi. Riducendo la temperatura complessiva a 75°C si abbassa la temperatura superficiale a 95°C, riducendo il tasso di corrosione a 0,35–0,60 mm all'anno e prolungando la durata a 1,5–2,5 anni.
Pacchetto operativo sicuro per un programma di sostituzione di nove-mesi
La seguente tabella fornisce la temperatura massima sicura dell'acido citrico sfuso per una guaina 316 da 1,2 mm a varie densità di watt per raggiungere almeno nove mesi di durata di servizio prima che la riduzione della parete a 0,5 mm richieda la sostituzione.
| Densità di Watt (aumento di temperatura) | Temperatura massima di massa per acido citrico all'1%. | Temperatura massima di massa per acido citrico al 2%. | Temperatura massima di massa per acido citrico al 3%. | Temperatura massima di massa per acido citrico al 4%. |
|---|---|---|---|---|
| 4 W/cm² (aumento di 10°C) | 88°C | 83°C | 78°C | 73°C |
| 6 W/cm² (aumento di 15°C) | 83°C | 78°C | 73°C | 68°C |
| 8 W/cm² (aumento di 20°C) | 78°C | 73°C | 68°C | 63°C |
| 10 W/cm² (aumento di 25°C) | 73°C | 68°C | 63°C | 58°C |
| 12 W/cm² (aumento di 30°C) | 68°C | 63°C | 58°C | 53°C |
Per un tipico sistema CIP per bevande che utilizza acido citrico al 2% a una temperatura di massa di 80°C con 8 W/cm² (aumento di 20°C, superficie di 100°C), il limite di massa di sicurezza è 73°C. A 80°C, il riscaldatore supera il limite di sicurezza e la durata di servizio di nove-mesi non è garantita. Riducendo la densità di watt a 4 W/cm² (aumento di 10°C, superficie a 90°C) si ottiene un limite di massa sicuro di 83°C, rendendo 80°C accettabile per la sostituzione di nove-mesi.
Modifiche progettuali per prolungare la vita oltre i nove mesi
Quando le condizioni CIP delle bevande richiedono una guaina 316 da 1,2 mm e la durata di nove-mesi non è sufficiente, tre modifiche possono prolungare la durata. Il primo è ridurre la densità di watt utilizzando un riscaldatore più lungo. La riduzione da 8 W/cm² a 4 W/cm² riduce l'aumento della temperatura superficiale da 20°C a 10°C, passando dal regime di 9-mesi al regime di 1,5–2,5 anni. La seconda modifica consiste nel limitare il tempo di esposizione all'acido citrico utilizzando il riscaldatore solo durante le fasi di riscaldamento e non durante il ricircolo. Un riscaldatore che funziona 2 ore al giorno anziché 24 ore al giorno durerà 12 volte di più in termini di calendario. La terza modifica consiste nell'aggiungere un inibitore della corrosione. Gli inibitori commerciali dell'acido citrico possono ridurre i tassi di corrosione del 40–60%. Per i sistemi CIP che richiedono il 3–4% di acido citrico a 80–85°C con funzionamento continuo, gli ingegneri dovrebbero passare a una lega superiore come la lega 825 o il titanio. Questi materiali mantengono tassi di corrosione inferiori a 0,05 mm all'anno nell'acido citrico a temperature fino a 100°C. Quando si specificano i riscaldatori per il servizio CIP delle bevande, fornire sempre l'esatta concentrazione di acido citrico, la temperatura complessiva, il ciclo di lavoro previsto e l'intervallo di sostituzione desiderato. Un produttore che consiglia 316 per acido citrico al 3% a 85°C senza discutere la durata di servizio prevista non fornisce indicazioni responsabili. La soglia di sostituzione di nove mesi per una guaina 316 da 1,2 mm nel servizio CIP di acido citrico è una funzione prevedibile della concentrazione, della temperatura di massa e della densità di watt, consentendo una previsione accurata della durata del riscaldatore e la pianificazione della manutenzione nelle operazioni di lavorazione delle bevande.
