Как да симулираме и оптимизираме процесите на разлепване

При изпичането на керамика и агломерацията качеството на продукта зависи от температурния профил, особено от скоростта на нагряване. В началния етап на процеса на нагряване полимерното свързващо вещество се отстранява внимателно чрез термично разлагане. Но развиването на газа не трябва да бъде твърде интензивно, за да се предотврати образуването на микропукнатини и да се гарантира, че структурата на първоначалния материал не се разрушава. Следователно, за да се получи най-добро качество на продукта, този етап на нагряване за постигане на разлагане на полимера не трябва да се извършва твърде бързо. От друга страна, прекалено бавното нагряване увеличава времето на процеса, което може да бъде прекалено скъпо и екологично неблагоприятно, както и да увеличи производствените разходи. Основната цел е да се създаде оптимален температурен профил, притежаващ балансирано нагряване, за да се осигури най-доброто качество на материала за най-кратко време. За да се постигне това, е необходимо да се знае какво се случва с материала в пещта по време на изпичането. Препоръчително е да се използва методът на симулация за степента на дебнене за даден температурен профил на пещта. Данни за анализ Полимерните свързващи вещества губят маса по време на термичното разлагане, което може лесно да се измери чрез термогравиметрия. Химичните реакции обаче са кинетични процеси, зависещи не само от температурата, но и от времето. Така че при постоянна температура реакцията ще протича и масата ще се променя, но една и съща маса може да се получи при различни температури. Единствените елементи, които не зависят от температурния профил, са химичните свойства на реакцията, като стехиометрични коефициенти, редове на реакция и енергии на активация. При свързващото вещество компонентите на полимерната смес често се разграждат независимо един от друг. В този случай първоначалният и крайният състав на материала обикновено също са независими от температурния профил. За да се намерят онези параметри на химичните реакции, които са независими от температурния профил, е необходимо да се проведат няколко термогравиметрични лабораторни измервания при различни температурни условия, а именно при различни скорости на нагряване. Типичната форма на термогравиметричните криви за разлагане показва температурната зависимост на измерената маса за различни скорости на нагряване. Представените тук измервания са извършени с уред NETZSCH TG 209 F1 . Кинетичен анализ В полимерното свързващо вещество полимерите обикновено се разлагат независимо един от друг и измерената загуба на маса представя разлагането на сместа. Всеки компонент в сместа може да се разпадне на няколко отделни етапа на разпадане, като по този начин отделните етапи в този процес могат да се отнасят до различни полимери или до един и същ полимер. Кинетичният анализ позволява да се намерят кинетичните параметри на наблюдавания процес, които са независими от температурния профил. Тези параметри са енергията на активация и редът на реакцията за всяка видима стъпка на разлагане, както и приносът на всяка стъпка на реакция към общия процес на разлагане. Съществуват два различни подхода за кинетичен анализ на измерените данни - първият е базиран на модел в съответствие с реалната химия на процеса и разглежда общия процес като сума от независимите процеси на разлагане на различните полимери. Разлагането на всеки полимер се разглежда като поредица от последователни индивидуални реакционни стъпки. Тук всяка стъпка на реакцията има своя собствена стехиометрия и енергия на активация, като и двете поддържат постоянни стойности от началото на стъпката на реакцията до нейния край. Този подход описва процеса на деблокиране ясно и по начин, който е много близък до реалността, но изисква време за анализ и изграждане на кинетичен модел от паралелни и последователни реакционни стъпки. Вторият, по-приблизителен подход се нарича безмоделен, при който целият процес се разглежда като реакция с една стъпка, при която енергията на активация и преекспоненциалните фактори се променят с напредването на реакцията. Този тип е много бърз за процес с последователни стъпки, но има и някои ограничения, например не може да опише разлагането на смес с паралелни реакции или с реакции, които имат значително припокриване. NETZSCH Софтуерът Kinetics Neo обслужва и двата метода за анализ, което е предимство пред софтуерите, използващи само един метод. NETZSCH Kinetics Neo е използван за показания тук анализ на термогравиметрични данни по метода, базиран на модел, като резултатът показва кинетичен модел, изобразяващ три последователни етапа на реакция с техните кинетични параметри. Това е независимо от температурната програма и може да се използва за симулиране на процесите на разлагане за други температурни програми, определени от потребителя. Ако симулацията се извършва точно за същите температури, използвани по време на експеримента, тогава симулираните криви трябва да съответстват на експеримента, ако моделът е правилен. Това съвпадение се вижда на изображението, където експерименталните данни за различни скорости на нагряване са отбелязани със символи, а всички симулирани данни, базирани на същия кинетичен модел със същия набор от кинетични параметри - но за различни скорости на нагряване - са показани като плътни криви. Това означава, че кинетичният модел е бил конструиран правилно и кинетичните параметри са се оказали правилни, така че този модел може да се използва за бъдещо моделиране на разлагането на свързващото вещество вътре в пещта, където не е възможно да се измери загубата на маса. Прогнозиране и оптимизиране Полученият кинетичен модел, състоящ се от три отделни последователни етапа на реакцията, позволява да се прогнозира загубата на маса за зададената от потребителя температурна програма. Следователно, знаейки колко горещо е вътре в пещта, може да се симулира ходът на дебелирането. Например този модел позволява да се симулира загубата на маса на материала в тунелната пещ. В случай на промяна на топлината софтуерът изчислява нова крива на загубата на маса за новата температурна програма във всяка зона. Скоростта на разграждане зависи не само от температурата, но и от текущата стойност на преобразуването. При постоянна скорост на нагряване в кривата на загубата на маса има диапазони, в които този процес е бърз, и диапазони, в които процесът е бавен. Тези параметри с висока скорост на реакцията са рисковите зони, в които може да се увреди структурата на материала. Диапазоните с ниска скорост на реакцията водят до необосновани загуби на време и енергия, а оттам и до твърде високи разходи за крайния продукт. За процеса на оптимизация е необходимо да се намерят тези температурни профили, при които скоростта на загуба на маса ще бъде постоянна, за да се намери оптимално качество на продукта за най-кратко време. Без възможността за симулация такива температурни профили ще трябва да се създават от химическия инженер чрез метода на пробите и грешките - това ще изисква значително време и ще доведе до значителни разходи. С помощта на софтуера Kinetics Neo беше изчислен новият температурен профил за зададената скорост на загуба на маса от 0,05 %/min. При промишлени процеси, характеризиращи се с някои ограничения в скоростта на нагряване, този софтуер може да помогне за намирането на оптималния температурен профил, за да се получи симулирана скорост на загуба на маса, която е много близка до постоянната стойност. Например германската компания Haldenwanger се нуждаеше от софтуера, за да оптимизира температурния профил за изпичане на керамика по отношение на новата си пенокерамика, чието качество е много чувствително към скоростта на дебнене. Процесът се състои от две части - отлепване и след това синтероване. Оптимизацията на температурния профил е извършена и за двете части и времето за производство е намалено с повече от 50 %. Приложения на софтуера за кинетичен анализ В полимерното свързващо вещество полимерите обикновено се разграждат независимо един от друг и измерената загуба на маса представя разграждането на сместа. Всеки компонент в сместа може да се разпадне на няколко отделни етапа на разлагане, като по този начин отделните етапи в този процес могат да се отнасят до различни полимери или до един и същ полимер. Кинетичният анализ позволява да се намерят кинетичните параметри на наблюдавания процес, които са независими от температурния профил. Тези параметри са енергията на активация и редът на реакцията за всяка видима стъпка на разлагане, както и приносът на всяка стъпка на реакция към общия процес на разлагане. Съществуват два различни подхода за кинетичен анализ на измерените данни - първият е базиран на модел в съответствие с реалната химия на процеса и разглежда общия процес като сума от независимите процеси на разлагане на различните полимери. Разлагането на всеки полимер се разглежда като поредица от последователни индивидуални реакционни стъпки. Тук всяка стъпка на реакцията има своя собствена стехиометрия и енергия на активация, като и двете поддържат постоянни стойности от началото на стъпката на реакцията до нейния край. Този подход описва процеса на деблокиране ясно и по начин, който е много близък до реалността, но изисква време за анализ и изграждане на кинетичен модел от паралелни и последователни реакционни стъпки. Вторият, по-приблизителен подход се нарича безмоделен, при който целият процес се разглежда като реакция с една стъпка, при която енергията на активация и преекспоненциалните фактори се променят с напредването на реакцията. Този тип е много бърз за процес с последователни стъпки, но има и някои ограничения, например не може да опише разлагането на смес с паралелни реакции или с реакции, които имат значително припокриване. NETZSCH Софтуерът Kinetics Neo обслужва и двата метода за анализ, което е предимство пред софтуерите, използващи само един метод. NETZSCH Kinetics Neo е използван за показания тук анализ на термогравиметрични данни по метода, базиран на модел, като резултатът показва кинетичен модел, изобразяващ три последователни етапа на реакция с техните кинетични параметри. Това е независимо от температурната програма и може да се използва за симулиране на процесите на разлагане за други температурни програми, определени от потребителя. Ако симулацията се извършва точно за същите температури, използвани по време на експеримента, тогава симулираните криви трябва да съответстват на експеримента, ако моделът е правилен. Това съвпадение се вижда на изображението, където експерименталните данни за различни скорости на нагряване са отбелязани със символи, а всички симулирани данни, базирани на същия кинетичен модел със същия набор от кинетични параметри - но за различни скорости на нагряване - са показани като плътни криви. Това означава, че кинетичният модел е бил конструиран правилно и кинетичните параметри са се оказали правилни, така че този модел може да се използва за бъдещо моделиране на разлагането на свързващото вещество вътре в пещта, където не е възможно да се измери загубата на маса.

Прогнозиране и оптимизиране Полученият кинетичен модел, състоящ се от три отделни последователни етапа на реакцията, позволява да се прогнозира загубата на маса за зададената от потребителя температурна програма. Следователно, знаейки колко горещо е в пещта, може да се симулира ходът на дебелирането. Например този модел позволява да се симулира загубата на маса на материала в тунелната пещ. В случай на промяна на топлината софтуерът изчислява нова крива на загубата на маса за новата температурна програма във всяка зона.

Скоростта на разлагане зависи не само от температурата, но и от текущата стойност на преобразуването. При постоянна скорост на нагряване в кривата на масовите загуби има диапазони, в които този процес е бърз, и диапазони, в които процесът е бавен. Тези параметри с висока скорост на реакцията са рисковите зони, в които може да се увреди структурата на материала. Диапазоните с ниска скорост на реакцията водят до необосновани загуби на време и енергия, а оттам и до твърде високи разходи за крайния продукт. За процеса на оптимизация е необходимо да се намерят онези температурни профили, при които скоростта на загуба на маса ще бъде постоянна, за да се намери оптимално качество на продукта за най-кратко време. Без възможността за симулация такива температурни профили ще трябва да бъдат създадени от инженер-химика по метода на пробите и грешките - това ще изисква значително време и ще доведе до значителни разходи. С помощта на софтуера Kinetics Neo беше изчислен новият температурен профил за зададената скорост на загуба на маса от 0,05 %/min.

При промишлени процеси, характеризиращи се с някои ограничения в скоростта на нагряване, този софтуер може да помогне за намиране на оптималния температурен профил за получаване на симулирана скорост на загуба на маса, която е много близка до постоянната стойност. Например германската компания Haldenwanger се нуждаеше от софтуера, за да оптимизира температурния профил за изпичане на керамика по отношение на новата си пенокерамика, чието качество е много чувствително към скоростта на дебнене. Процесът се състои от две части - отлепване и след това синтероване. Оптимизацията на температурния профил е извършена и за двете части и времето за производство е намалено с повече от 50 %. Приложения на софтуера за кинетичен анализ Областта на приложение на кинетичния анализ и симулацията не се ограничава само до процеса на дебридинг при производството на керамика или в металургията на агломерацията. Такова симулиране е необходимо например за определяне на срока на експлоатация на опаковъчни материали или за операции в процеса на производство при високи температури.