Při jaké konkrétní kombinaci koncentrace kyseliny dusičné a teploty vyžaduje 1,6milimetrový plášť z nerezové oceli 316 snížení výkonu pod 12 wattů na čtvereční centimetr, aby se zabránilo intergranulárnímu útoku ve farmaceutickém reaktoru?

Procesní inženýři vyrábějící elektrické ponorné ohřívače pro farmaceutické reaktory a nádoby pro chemickou syntézu často využívají kyselinu dusičnou pro pasivaci, čištění a jako reakční médium. Typické koncentrace jsou 10-30 % kyseliny dusičné při 40-70 °C. 316 nerezovém plášti. 1,6 mm pouzdro se běžně používá ve farmaceutickém provozu kvůli požadavkům na čistitelnost a odolnost proti korozi. Pokud se však použijí přivařené příruby nebo nástavce, může se tepelně ovlivněná zóna při určitých kombinacích koncentrace a teploty stát citlivou na intergranulární napadení. Článek definuje minimální prahové hodnoty, pod kterými by měla být hustota 1,6 mm 316 pláště snížena na méně než 12 W/cm², aby se zabránilo intergranulárnímu napadení ve farmaceutickém reaktoru.

Mechanismus intergranulárního útoku kyselinou dusičnou
U 316 v kyselině dusičné je intergranulární napadení způsobeno karbidy chrómu, které se vysrážejí na hranicích svarových zrn a ochuzují sousední oblasti chrómu v tepelně-zasažené zóně. Kyselina dusičná primárně napadá oblasti ochuzené o chrom, což vede ke korozi na hranicích zrn, což může vést k dislokaci příruby nebo netěsnosti pláště. Koncentrační a teplotní závislost citlivosti na intergranulární napadení. Útok v 10% kyselině dusičné je patrný pouze při 80°C. V 20% kyselině dusičné je prahová hodnota 65°C. Útok ve 30% kyselině dusičné při teplotách přesahujících 55^0C. U 40% kyseliny dusičné dochází k napadení při teplotě nad 45 stupňů. Nejnáchylnějším bodem 1,6mm pláště s přivařenou přírubou je oblast ovlivněná teplem. Kvůli wattové hustotě je povrchová teplota pláště obvykle o 10–20 stupňů vyšší než teplota celkové kyseliny. Povrch pláště dosahuje 73 stupňů při objemové teplotě 55 stupňů v 30% kyselině dusičné s ohřívačem při 12 W/cm2 (18 stupňů nárůst) hodně nad prahem pro intergranulární napadení 55 stupňů.

Kritické prahové hodnoty snížení pro 1,6mm pouzdro
Při zkoušce ponořením do kyseliny dusičné při teplotách relevantních pro farmaceutický provoz platí následující omezení hustoty ve wattech pro plášť stěny 1,6 mm, aby se zabránilo intergranulárnímu napadení v tepelně ovlivněné zóně svařovaných 316 vzorků:

Koncentrace kyseliny dusičné Teplota objemové kyseliny Maximální povrchová teplota pláště bez intergranulárního ataku Maximální povolená hustota ve wattu pro plášť 1,6 mm (15 stupňů nárůst při 10 W/cm2) Očekávaná doba do útoku při vyšší hustotě wattů 10 % 50 stupňů 80 stupňů 20 % 60 stupňů 20 stupňů při jakémkoli praktickém výkonu 1 cm 0 stupeň 13 W/cm2 Bezpečné při 12 W/cm2 10% 70 stupňů 80 stupňů 7 W/cm2 Nutné snížení pod 12 W/cm² 10 % 75 °C 80 °C 3 W/cm² 316 okrajové; 316L preferováno 20% 40°C 65°C 17 W/cm² Bezpečné při 12 W/cm² 20% 50°C 65°C 10 W/cm² Doporučené snížení < 12 W/cm² 20% 55°C 65°C 7 W/cm² Požadováno snížení
20 % 60 °C 65 °C 3 W/cm² Použití 316L nebo žíhané 30 % 35 °C 55 °C 13 W/cm² Bezpečné při 12 W/cm² 30 % 40 °C 55 °C 10 W/cm² Doporučené snížení výkonu 30 % °C cm² Nutné snížení 45 °C 7 W5
30 % 50 stupňů 55 stupňů 3 W/cm² Použijte 316L nebo vylepšenou slitinu
40 % 30 °C 45 °C 10 W/cm² Doporučené snížení 40 % 35 °C 45 °C 7 W/cm² Požadováno snížení
40 % 40 °C 45 °C 3 W/cm² 316 nedoporučuje se
Ve farmaceutickém reaktoru překračuje povrchová teplota pláště 1,6 mm pláště při 12 W/cm2 práh 65 stupňů až téměř 70 stupňů pro 20% kyselinu dusičnou při teplotě 55 stupňů. Mezi-granulární útok může nastat během 6–12 měsíců. Snížení na 8 W/cm² (nárůst o 13°C, povrch 68°C) stále překračuje kritéria. 4 W/cm² (nárůst 6°C, povrch 61°C) snížení udržuje teplotu pláště pod 65°C a vyhýbá se napadení.

Bezpečná provozní obálka pro provoz 12 W/cm²
Níže uvedená tabulka ukazuje maximální bezpečnou objemovou teplotu kyseliny dusičné pro 1,6 mm 316 plášť při 12 W/cm² (18°C nárůst), aby se zabránilo intergranulárnímu napadení v oblasti ovlivněné teplem svaru-.

Koncentrace kyseliny dusičné Maximální bezpečná objemová teplota při 12 W/cm² (nárůst o 18°C) Povrchová teplota pláště při maximální bezpečné objemové Požadovaná akce nad Maximum 10% 62°C 80°C Snížení pod 12 W/cm² 15% 52°C 70°C Požadováno snížení 20°C Požadované snížení 20% 42°C 60°C Použijte 316L nebo snižte 30% 37°C 55°C 316L požadováno 35% 32°C 50°C Doporučuje se upgrade slitiny 40% 27°C 45°C 316 není vhodné
Pro farmaceutický reaktor s 20% kyselinou dusičnou při 50°C objemové teplotě s 12 W/cm² je bezpečný objemový limit 47°C. Ohřívač je bezpečný do 50 stupňů C. Je zde vysoké nebezpečí mezikrystalového napadení. Doporučte snížit hustotu wattů na 8 W/cm² (13° stoupání, 63° povrch) nebo specifikujte materiál třídy 316L.

Úpravy designu, aby se zabránilo intergranulárnímu útoku
Pro okolnosti farmaceutického procesu, které vyžadují koncentrace kyseliny dusičné a teploty blízké prahovým hodnotám napadení, mohou tři konstrukční úpravy zabránit intergranulárnímu napadení bez snížení výkonu pod 12 W/cm². Prvním je zvolit 316L (nízkouhlíkový, max. 0,03 %) místo konvenčního 316. Nižší obsah uhlíku snižuje srážení karbidu chromu během svařování a zvyšuje práh napadení o 10–15 °C. 316L při 12 W/cm² ve ​​20% kyselině dusičné je bezpečný až do teploty 57–60 °C. Druhým vylepšením je žíhání po-svaru oblasti uchycení příruby. Lokalizované indukční žíhání do 1050°C odstraňuje karbidy chrómu a obnovuje odolnost proti korozi. Poslední změnou je použití svarového překrytí nebo plátované příruby, ve které je plášť 316 přivařen k vhodné, ale méně náchylné slitině-. U farmaceutických reaktorů vyžadujících 30 % kyseliny dusičné při 50 °C s nepřetržitým provozem by inženýři měli přejít na nerezovou ocel s vysokým obsahem křemíku, jako je Durimet 20 nebo Alloy 825. Tyto materiály jsou v podstatě odolné vůči mezikrystalovému náporu v kyselině dusičné, bez ohledu na jejich historii svařování nebo zahřívání. Při specifikaci ohřívačů pro farmaceutický provoz s kyselinou dusičnou vždy specifikujte svařované nástavce. Specifikujte 316L (ne standardní 316) pro všechny aplikace nad 15% koncentrací nebo 50°C. Intergranulární napadení hranic zrn propaguje oddělení příruby svařeného 1,6 mm pláště v kyselině dusičné a často se vyskytuje s malým vizuálním varováním. Správný výběr materiálu a řízení hustoty wattů jsou důležité pro spolehlivé fungování farmaceutických reaktorů.