كيفية محاكاة عمليات إزالة التجليد وتحسينها

في عملية حرق السيراميك والتلبيد المعدني، تعتمد جودة المنتج على شكل درجة الحرارة، وخاصة معدل التسخين. في المرحلة الأولى من عملية التسخين، تتم إزالة مادة البوليمر الرابطة بعناية عن طريق التحلل الحراري. ولكن لا ينبغي أن يكون تطور الغاز مكثفًا للغاية لمنع تكوين التشققات الدقيقة وضمان عدم تدمير بنية المادة الأصلية. ولذلك، من أجل الحصول على أفضل جودة للمنتج، يجب ألا تتم مرحلة التسخين هذه لتحقيق تحلل البوليمر بسرعة كبيرة. ومن ناحية أخرى، يؤدي التسخين البطيء للغاية إلى زيادة وقت العملية، مما قد يكون مكلفًا للغاية وغير صديق للبيئة بالإضافة إلى زيادة تكاليف الإنتاج. والهدف الرئيسي هو إنشاء ملف تعريف درجة حرارة مثالي له تسخين متوازن لضمان أفضل جودة للمواد في أقصر وقت. ولتحقيق ذلك، من الضروري معرفة ما يحدث للمادة في الفرن أثناء الحرق. يوصى باستخدام طريقة المحاكاة لمعدل إزالة التجليد لملف درجة الحرارة المحدد للفرن. بيانات التحليل تفقد مجلدات البوليمر كتلتها أثناء التحلل الحراري، والتي يمكن قياسها بسهولة عن طريق قياس الثقل الحراري. ومع ذلك، فإن التفاعلات الكيميائية هي عمليات حركية لا تعتمد فقط على درجة الحرارة ولكن أيضًا على الوقت. لذا، عند درجة حرارة ثابتة، سيستمر التفاعل وتتغير الكتلة، ومع ذلك يمكن أن تحدث نفس الكتلة عند درجات حرارة مختلفة. والعناصر الوحيدة المستقلة عن ملف درجة الحرارة هي الخواص الكيميائية للتفاعل، مثل المعاملات التكافئية ورتب التفاعل وطاقات التنشيط. مع وجود مادة رابطة، غالبًا ما تتحلل مكونات خليط البوليمر بشكل مستقل عن بعضها البعض. في هذه الحالة، عادةً ما تكون التراكيب الأولية والنهائية للمادة مستقلة عن ملف درجة الحرارة أيضًا. من أجل العثور على تلك المعلمات الخاصة بالتفاعلات الكيميائية المستقلة عن ملف درجة الحرارة، من الضروري إجراء العديد من القياسات المختبرية للوزن الثيرموغرافي، في ظل ظروف درجات حرارة مختلفة، أي تحت معدلات تسخين مختلفة. يُظهر الشكل النموذجي لمنحنيات قياس الثقل الحراري للتحلل اعتماد درجة الحرارة على الكتلة المقاسة لمعدلات التسخين المختلفة. أُجريت القياسات المعروضة هنا على جهاز NETZSCH TG 209 F1 . التحليل الحركي في رابط البوليمر، عادةً ما تتحلل البوليمرات بشكل مستقل عن بعضها البعض، ويعرض فقدان الكتلة المقاسة تحلل الخليط. يمكن أن يتحلل كل مكون في الخليط في عدة خطوات تحلل فردية، وبالتالي، يمكن أن تتعلق الخطوات الفردية في هذه العملية بالبوليمرات المختلفة أو بنفس البوليمر. يسمح التحليل الحركي بإيجاد البارامترات الحركية للعملية المرصودة، والتي تكون مستقلة عن ملف درجة الحرارة. هذه البارامترات هي طاقة التنشيط وترتيب التفاعل لكل خطوة تحلل مرئية، بالإضافة إلى مساهمة كل خطوة من خطوات التفاعل في عملية التحلل الكلية. هناك طريقتان مختلفتان للتحليل الحركي للبيانات المقاسة - الأولى تعتمد على النموذج وفقًا للكيمياء الحقيقية للعملية وتعتبر العملية الكلية كمجموع عمليات التحلل المستقلة للبوليمرات المختلفة. ويعتبر تحلل كل بوليمر كسلسلة من خطوات التفاعل الفردية المتتالية. وهنا يكون لكل خطوة تفاعل هنا قياس التكافؤ وطاقة التنشيط الخاصة بها، وكلاهما يحافظ على قيم ثابتة من بداية خطوة التفاعل إلى نهايتها. ويصف هذا النهج عملية إزالة التنشيط بشكل صريح وبطريقة قريبة جدًا من الواقع، لكنه يتطلب وقتًا للتحليل وبناء النموذج الحركي من خطوات التفاعل المتوازية والمتتالية. يُطلق على النهج الثاني الأكثر تقريبًا اسم النهج الخالي من النموذج، حيث يتم اعتبار العملية بأكملها كتفاعل من خطوة واحدة تتغير فيه طاقة التنشيط والعوامل الأسية المسبقة مع تقدم التفاعل. هذا النوع سريع جدًا بالنسبة لعملية ذات خطوات متتالية، ولكن له أيضًا بعض القيود، على سبيل المثال، لا يمكنه وصف تفكك خليط مع تفاعلات متوازية أو مع تفاعلات ذات تداخل كبير. يخدم برنامج NETZSCH Kinetics Neo كلتا طريقتين للتحليل، وهي ميزة على برامج الطريقة الواحدة. استُخدم برنامج NETZSCH Kinetics Neo للتحليل الموضح هنا لبيانات قياس الثقل الحراري بالطريقة القائمة على النموذج، حيث تُظهر النتيجة نموذجًا حركيًا يصور ثلاث خطوات تفاعل متتالية مع بارامتراتها الحركية. وهذا الأمر مستقل عن برنامج درجة الحرارة، ويمكن استخدامه لمحاكاة عمليات التحلل لبرامج درجات الحرارة الأخرى التي يحددها المستخدم. إذا تم إجراء المحاكاة بالضبط لنفس درجات الحرارة المستخدمة أثناء التجربة، فيجب أن تتطابق المنحنيات المحاكاة مع التجربة إذا كان النموذج صحيحًا. تظهر هذه الملاءمة في الصورة، حيث يتم تمييز البيانات التجريبية لمعدلات تسخين مختلفة برموز، وتظهر جميع البيانات المحاكاة بناءً على نفس النموذج الحركي بنفس مجموعة المعلمات الحركية - ولكن لمعدلات تسخين مختلفة - على شكل منحنيات متصلة. هذا يعني أن النموذج الحركي تم بناؤه بشكل صحيح ووجد أن المعلمات الحركية صحيحة، لذلك يمكن استخدام هذا النموذج للنمذجة المستقبلية لتحلل المادة الرابطة داخل الفرن حيث لا يمكن قياس فقدان الكتلة. التنبؤ والتحسين يسمح النموذج الحركي الذي تم الحصول عليه والذي يتكون من ثلاث خطوات تفاعل فردية متتالية بالتنبؤ بفقدان الكتلة لبرنامج درجة الحرارة الذي قدمه المستخدم. لذلك، فإن معرفة درجة الحرارة داخل الفرن تسمح بمحاكاة تقدم عملية إزالة التجليد. على سبيل المثال، يسمح هذا النموذج بمحاكاة فقدان الكتلة للمادة في الفرن النفقي. في حالة حدوث تغيير في الحرارة، يحسب البرنامج منحنى جديد لفقدان الكتلة لبرنامج درجة الحرارة الجديد في كل منطقة. لا يعتمد معدل التحلل على درجة الحرارة فقط، ولكن أيضًا على القيمة الحالية للتحويل. في ظل معدل التسخين الثابت، هناك نطاقات في منحنى فقدان الكتلة حيث تكون هذه العملية سريعة ونطاقات تكون فيها العملية بطيئة. هذه النطاقات ذات معدل التفاعل المرتفع هي مناطق الخطر حيث يمكن أن تتلف بنية المادة. وتؤدي النطاقات ذات معدل التفاعل المنخفض إلى فقدان الوقت وفقدان الطاقة بشكل غير معقول، وبالتالي تكون تكاليف المنتج النهائي مرتفعة للغاية. من أجل عملية التحسين الأمثل، من الضروري العثور على تلك الملامح لدرجة الحرارة حيث يكون معدل فقدان الكتلة ثابتًا، من أجل العثور على جودة المنتج المثلى لأقصر وقت. وبدون إمكانية المحاكاة، سيتعين على المهندس الكيميائي إنشاء مثل هذه الملامح لدرجة الحرارة من خلال طريقة التجربة والخطأ - وهذا يتطلب وقتًا طويلاً ويؤدي إلى تكاليف كبيرة. وباستخدام برنامج Kinetics Neo، تم حساب المظهر الجانبي الجديد لدرجة الحرارة لمعدل فقدان الكتلة المحدد بنسبة 0.05%/دقيقة. في العمليات الصناعية التي تتسم ببعض القيود في معدلات التسخين، يمكن أن يساعد هذا البرنامج في العثور على المظهر الجانبي الأمثل لدرجة الحرارة للحصول على معدل فقدان الكتلة المحاكاة القريب جدًا من القيمة الثابتة. على سبيل المثال، احتاجت شركة Haldenwanger الألمانية إلى البرنامج لتحسين ملف تعريف درجة الحرارة لحرق السيراميك فيما يتعلق بسيراميك الرغوة الجديد، الذي تكون جودته حساسة جدًا لمعدل إزالة الطحن. احتوت هذه العملية على جزأين: إزالة الطحن ثم التلبيد. تم إجراء تحسين لملف درجة الحرارة لكلا الجزأين وتم تقليل وقت الإنتاج بأكثر من 50%. تطبيقات برمجيات التحليل الحركي في مادة رابطة البوليمر، عادةً ما تتحلل البوليمرات بشكل مستقل عن بعضها البعض، ويعرض فقدان الكتلة المقاسة تحلل الخليط. يمكن أن يتحلل كل مكون في الخليط في عدة خطوات تحلل فردية، وبالتالي، يمكن أن تتعلق الخطوات الفردية في هذه العملية بالبوليمرات المختلفة أو بنفس البوليمر. يسمح التحليل الحركي بإيجاد البارامترات الحركية للعملية المرصودة، والتي تكون مستقلة عن ملف درجة الحرارة. وهذه البارامترات هي طاقة التنشيط وترتيب التفاعل لكل خطوة تحلل مرئية، بالإضافة إلى مساهمة كل خطوة من خطوات التفاعل في عملية التحلل الكلية. هناك طريقتان مختلفتان للتحليل الحركي للبيانات المقاسة - الأولى تعتمد على النموذج وفقًا للكيمياء الحقيقية للعملية وتعتبر العملية الكلية كمجموع عمليات التحلل المستقلة للبوليمرات المختلفة. ويعتبر تحلل كل بوليمر كسلسلة من خطوات التفاعل الفردية المتتالية. وهنا يكون لكل خطوة تفاعل هنا قياس التكافؤ وطاقة التنشيط الخاصة بها، وكلاهما يحافظ على قيم ثابتة من بداية خطوة التفاعل إلى نهايتها. ويصف هذا النهج عملية إزالة التنشيط بشكل صريح وبطريقة قريبة جدًا من الواقع، لكنه يتطلب وقتًا للتحليل وبناء النموذج الحركي من خطوات التفاعل المتوازية والمتتالية. يُطلق على النهج الثاني الأكثر تقريبًا اسم النهج الخالي من النموذج، حيث يتم اعتبار العملية بأكملها كتفاعل من خطوة واحدة تتغير فيه طاقة التنشيط والعوامل الأسية المسبقة مع تقدم التفاعل. هذا النوع سريع للغاية بالنسبة لعملية ذات خطوات متتالية، ولكن له أيضًا بعض القيود، على سبيل المثال، لا يمكنه وصف تفكك خليط مع تفاعلات متوازية أو مع تفاعلات ذات تداخل كبير. يخدم برنامج NETZSCH Kinetics Neo كلتا طريقتين للتحليل، وهي ميزة على برامج الطريقة الواحدة. استُخدم برنامج NETZSCH Kinetics Neo للتحليل الموضح هنا لبيانات قياس الثقل الحراري بالطريقة القائمة على النموذج، حيث تُظهر النتيجة نموذجًا حركيًا يصور ثلاث خطوات تفاعل متتالية مع بارامتراتها الحركية. وهذا الأمر مستقل عن برنامج درجة الحرارة، ويمكن استخدامه لمحاكاة عمليات التحلل لبرامج درجات الحرارة الأخرى التي يحددها المستخدم. إذا تم إجراء المحاكاة بالضبط لنفس درجات الحرارة المستخدمة أثناء التجربة، فيجب أن تتناسب المنحنيات المحاكاة مع التجربة إذا كان النموذج صحيحًا. تظهر هذه الملاءمة في الصورة، حيث يتم تمييز البيانات التجريبية لمعدلات تسخين مختلفة برموز، وتظهر جميع البيانات المحاكاة بناءً على نفس النموذج الحركي بنفس مجموعة المعلمات الحركية - ولكن لمعدلات تسخين مختلفة - على شكل منحنيات متصلة. وهذا يعني أن النموذج الحركي تم بناؤه بشكل صحيح ووجد أن المعلمات الحركية صحيحة، لذلك يمكن استخدام هذا النموذج للنمذجة المستقبلية لتحلل المادة الرابطة داخل الفرن حيث لا يمكن قياس فقدان الكتلة.

التنبؤ والتحسين يسمح النموذج الحركي الذي تم الحصول عليه والذي يتكون من ثلاث خطوات تفاعل فردية متتالية بالتنبؤ بفقدان الكتلة لبرنامج درجة الحرارة الذي قدمه المستخدم. لذلك، فإن معرفة درجة الحرارة داخل الفرن تسمح بمحاكاة تقدم عملية إزالة الطحن. على سبيل المثال، يسمح هذا النموذج بمحاكاة فقدان الكتلة للمادة في الفرن النفقي. في حالة حدوث تغيير في الحرارة، يحسب البرنامج منحنى جديد لفقدان الكتلة لبرنامج درجة الحرارة الجديد في كل منطقة.

لا يعتمد معدل التحلل على درجة الحرارة فحسب، بل يعتمد أيضًا على القيمة الحالية للتحويل. في ظل معدل التسخين الثابت، هناك نطاقات في منحنى فقدان الكتلة حيث تكون هذه العملية سريعة ونطاقات تكون فيها العملية بطيئة. هذه النطاقات ذات معدل التفاعل المرتفع هي مناطق الخطر حيث يمكن أن تتلف بنية المادة. وتؤدي النطاقات ذات معدل التفاعل المنخفض إلى فقدان الوقت وفقدان الطاقة بشكل غير معقول، وبالتالي تكون تكاليف المنتج النهائي مرتفعة للغاية. من أجل عملية التحسين الأمثل، من الضروري العثور على تلك الملامح لدرجة الحرارة حيث يكون معدل فقدان الكتلة ثابتًا، من أجل العثور على جودة المنتج المثلى لأقصر وقت. وبدون إمكانية المحاكاة، سيتعين على المهندس الكيميائي إنشاء مثل هذه الملامح لدرجة الحرارة من خلال طريقة التجربة والخطأ - وهذا يتطلب وقتًا طويلاً ويؤدي إلى تكاليف كبيرة. وباستخدام برنامج Kinetics Neo، تم حساب المظهر الجانبي الجديد لدرجة الحرارة لمعدل فقدان الكتلة المحدد بنسبة 0.05%/دقيقة.

في العمليات الصناعية التي تتميز ببعض القيود في معدلات التسخين، يمكن أن يساعد هذا البرنامج في العثور على المظهر الجانبي الأمثل لدرجة الحرارة للحصول على معدل فقدان الكتلة المحاكاة القريب جدًا من القيمة الثابتة. على سبيل المثال، احتاجت شركة Haldenwanger الألمانية إلى البرنامج لتحسين ملف تعريف درجة الحرارة لحرق السيراميك فيما يتعلق بسيراميك الرغوة الجديد، الذي تكون جودته حساسة جدًا لمعدل إزالة الطحن. وقد احتوت هذه العملية على جزأين، إزالة الطحن ثم التلبيد. تم إجراء تحسين لملف درجة الحرارة لكلا الجزأين وتم تقليل وقت الإنتاج بأكثر من 50%. تطبيقات برمجيات التحليل الحركي لا يقتصر مجال تطبيق التحليل الحركي والمحاكاة على عملية إزالة الطحن أثناء إنتاج السيراميك أو في عملية التلبيد. هذه المحاكاة ضرورية، على سبيل المثال، لتحديد عمر مواد التعبئة والتغليف أو للعمليات أثناء العملية في درجات حرارة عالية.