Съвети и трикове

Изследване на влиянието на геометрията на тигела върху изгарянето на различни проби от въглеродни сажди

Методите на термогравиметрията (TGA) са особено подходящи за изследване на процесите на горене.

Те позволяват бързи заключения относно термичната стабилност на предимно твърдото гориво, както и относно температурата на реакцията и кинетиката на горене. Освен това могат да се определят количествено както загубата на маса по време на горивната реакция, така и съдържанието на негорима минерална пепел. За разлика от други реакции, като например разлагането или отделянето на влага или разтворители, горенето е реакция на твърдо гориво и газ. Поради това не само всички обичайни параметри, като масата на пробата, скоростта на нагряване и дебитът на прочистващия газ, трябва да се поддържат постоянни, но резултатите от измерването се влияят и от повърхността на пробата, концентрацията на кислород и геометрията на тигела, като всички те могат да ограничат достъпа на реакционния газ до твърдата проба.

За да се разгледа този въпрос, бяха проведени серия от измервания с NETZSCH STA, като бяха използвани различни геометрии на тигела при иначе идентични условия на изпитване.

Разнообразни тигели от Al2O3, показани от ляво на дясно: тигели с приплъзваща се плоча, къс DTA, стандартен DTA, пробит DTA, мини DTA. — Фигура 1. Асортимент от тигели с Al2O3 (от ляво на дясно): приплъзваща се плочка, къс тигел за DTA, стандартен тигел за DTA, пробит тигел за DTA, мини тигел за DTA

Тигел за DTA за термогравиметричен анализ с пробити отвори за по-добър достъп на газ, което повишава ефективността на горенето. — Фигура 2. Пробитият тигел

Разнообразни тигли за DTA с различни форми и размери, показани от преден и горен изглед за приложения за термогравиметричен анализ. — Фигура 3. Асортимент от тигли, изглед отпред (горе), изглед отгоре (долу)

Различните тигели са показани на фигури 1 и 3; сред тях е и пробитият тигел за DTA, който е показан в увеличен мащаб на фигура 2 [1].

Изследваните проби от сажди са различни стандартни проби, като NIST 2975, Printex 90, активен въглен и въглеродни топчета. Те са с диаметър приблизително от 1 mm до 2 mm и имат неорганична структура. Средният размер на частиците на останалите образци е посочен между 20 nm и 50 nm.

Резултат: За изследването на сажди NIST 2975 бяха използвани типовете тигли, представени на фигура 1. Зависимостите между диаметъра на тигела и степента на запълване на пробите (за една и съща маса на пробата) могат да се видят на фигура 3 и в таблица 1.

Размери на тигелите, показани на фигура 1

Размери	Приплъзваща се плоча	Къс тигел за DTA	Тигел за DTA	DTA тигел, пробит	Мини DTA*
Ø външен	10	8	8	8	5
Ø вътрешен	10	6	6	6	4
Височина	0	3	12	12

* само за сравнение; този тигел не е част от асортимента на NETZSCH

При използване на кислород като промивен газ вече могат да се открият small разлики между различните геометрии на тигелите по отношение на температурата на горене и по отношение на скоростта на горене (DTG) (фигура 4). Ако обаче концентрацията на кислород в промивния газ се намали до 20 % (фигура 5) или 5 % (фигура 6), геометрията на тигела започва да играе все по-голяма роля. Пробитият тигел за DTA и приплъзващата се плоча очевидно позволяват по-добър достъп на кислорода от реакционния газ до пробата. Колкото по-лош е обаче достъпът на реакционния газ до твърдия образец, толкова по-голяма е тенденцията реакцията да се измества към по-високи температури и толкова по-ниска е скоростта на реакцията (DTG). При съотношение азот-кислород на продухващия газ 95:5 пробитият тигел за ДТА е почти толкова "бърз", колкото и приплъзващата се плоча. По отношение на реакционното поведение пробитият DTA тигел (фигура 2) и късият DTA тигел се доближават в най-голяма степен до плъзгащата се плоча, като обработката на пробите за тези два типа тигели е значително по-лесна, отколкото за плъзгащата се плоча.

Графика на TGA-DTA анализ за пробата NIST 2975, илюстрираща температурата на горене и скоростта на реакцията със 100% кислород. — Фигура 4. Резултати от TGA-DTA за пробата NIST 2975 (100% O2)

TGA-DTG графика, показваща резултатите от изгарянето на пробата NIST 2975 при 20% O2, илюстрираща вариациите на температурата и скоростта на реакцията. — Фигура 5. Резултати от TGA-DTG за пробата NIST 2975 (20% O2)

Резултати от TGA-DTG за пробата NIST 2975 при 5% O2, показващи температурата и скоростта на горене за различни геометрии на тигела. — Фигура 6. Резултати от TGA-DTG за пробата NIST 2975 (5% O2)

Графика, илюстрираща зависимостта между температурата на горене и съдържанието на кислород в промивния газ, с подчертаване на различни типове тигли. — Фигура 7. Резултатите в зависимост от съдържанието на кислород в продухващия газ

Сравнение на резултатите от изгарянето на четири проби от сажди (NIST 2975, Printex 90, активен въглен, топчета) чрез TGA анализ. — Фигура 8. Сравнение на четирите различни проби от въглеродни сажди (TGA, къс тигел DTA)

Сравнение на резултатите от DTG за активен въглен, NIST 2975, Printex 90 и въглеродни топчета в различни температурни диапазони. — Фигура 9. Сравнение на четирите различни проби от въглеродни сажди (DTG, къс тигел DTA)

Зависимостта на резултатите от съдържанието на кислород в продухващия газ е показана на фигура 7.

Сравнението на различните видове сажди показва значителни разлики между всички характерни стойности, които трябва да бъдат определени, като термична стабилност, температура на горене, скорост на горене и остатъчна маса (фигури 8 и 9).

Заключение:
Описаните влияещи фактори биха били важни за всякакъв вид оценка и тълкуване на резултатите от измерванията. Те обаче са практически от съществено значение за изготвянето на заключения относно кинетиката на горенето. Това е така, защото целта на подобни оценки трябва да бъде да се опише реакцията на горене сама по себе си, а не комбинация от реакцията на горене с припокриващи се гранични условия от изпитвателната уредба.

Литература

1] Защитни антиокислителни покрития за тръбопроводни системи за горещ газ и тяхното характеризиране чрез високоскоростна пещ, Thomas Hutsch et.al., NETZSCH ^OnSet10, стр. 6 - 9