Jak simulovat a optimalizovat procesy odstraňování vazby

Při vypalování keramiky a v metalurgii slinku závisí kvalita výrobku na teplotním profilu, zejména na rychlosti ohřevu. V počáteční fázi procesu ohřevu se polymerní pojivo pečlivě odstraňuje tepelným rozkladem. Vývoj plynu by však neměl být příliš intenzivní, aby se zabránilo vzniku mikrotrhlin a zajistilo se, že se nezničí struktura původního materiálu. Proto, aby se dosáhlo nejlepší kvality výrobku, by tato fáze zahřívání k dosažení rozkladu polymeru neměla probíhat příliš rychle. Na druhou stranu příliš pomalý ohřev prodlužuje dobu procesu, což by mohlo být příliš nákladné a ekologicky nešetrné a také by to mohlo zvýšit výrobní náklady. Hlavním cílem je vytvořit optimální teplotní profil s vyváženým ohřevem, který zajistí nejlepší kvalitu materiálu v co nejkratším čase. K dosažení tohoto cíle je nutné vědět, co se s materiálem v peci během výpalu děje. Doporučuje se použít metodu simulace rychlosti odbedňování pro daný teplotní profil pece. Údaje pro analýzu Polymerní pojiva ztrácejí při tepelném rozkladu hmotnost, což lze snadno změřit termogravimetrií. Chemické reakce jsou však kinetické procesy závislé nejen na teplotě, ale také na čase. Při konstantní teplotě tedy bude reakce probíhat a hmotnost se bude měnit, avšak stejná hmotnost může vznikat při různých teplotách. Jediné položky nezávislé na teplotním profilu jsou chemické vlastnosti reakce, jako jsou stechiometrické koeficienty, reakční řády a aktivační energie. U pojiva se složky polymerní směsi často rozkládají nezávisle na sobě. V tomto případě je počáteční a konečné složení materiálu obvykle také nezávislé na teplotním profilu. Aby bylo možné zjistit ty parametry chemických reakcí, které jsou nezávislé na teplotním profilu, je nutné provést několik termogravimetrických laboratorních měření za různých teplotních podmínek, konkrétně při různých rychlostech ohřevu. Typický tvar termogravimetrických křivek pro Rozkladná reakceRozkladná reakce je tepelně indukovaná reakce chemické sloučeniny za vzniku pevných a/nebo plynných produktů. rozklad ukazuje závislost teploty na měřené hmotnosti pro různé rychlosti ohřevu. Zde prezentovaná měření byla provedena na přístroji NETZSCH TG 209 F1 . Kinetická analýza V polymerním pojivu se polymery obvykle rozkládají nezávisle na sobě a naměřený hmotnostní úbytek představuje Rozkladná reakceRozkladná reakce je tepelně indukovaná reakce chemické sloučeniny za vzniku pevných a/nebo plynných produktů. rozklad směsi. Každá složka ve směsi se může rozkládat v několika jednotlivých rozkladných krocích, jednotlivé kroky tohoto procesu se tedy mohou týkat různých polymerů nebo téhož polymeru. Kinetická analýza umožňuje zjistit kinetické parametry sledovaného procesu, které jsou nezávislé na teplotním profilu. Těmito parametry jsou aktivační energie a reakční řád pro každý viditelný krok rozkladu a také příspěvek každého reakčního kroku k celkovému procesu rozkladu. Pro kinetickou analýzu naměřených dat existují dva různé přístupy - první je založen na modelu podle skutečné chemie procesu a celkový proces považuje za součet nezávislých rozkladných procesů různých polymerů. Rozklad každého polymeru je považován za sérii po sobě jdoucích jednotlivých reakčních kroků. Zde má každý reakční krok svou vlastní stechiometrii a aktivační energii, přičemž obě tyto hodnoty zůstávají konstantní od začátku reakčního kroku až do jeho konce. Tento přístup popisuje proces odbourávání explicitně a způsobem, který je velmi blízký realitě, ale vyžaduje čas na analýzu a konstrukci kinetického modelu z paralelních a po sobě jdoucích reakčních kroků. Druhý, přibližnější přístup se nazývá bezmodelový, kdy se celý proces považuje za jednokrokovou reakci, v níž se aktivační energie a preexponenciální faktory mění s postupem reakce. Tento typ je velmi rychlý pro proces s po sobě jdoucími kroky, ale má také některá omezení, například nemůže popsat Rozkladná reakceRozkladná reakce je tepelně indukovaná reakce chemické sloučeniny za vzniku pevných a/nebo plynných produktů. rozklad směsi s paralelními reakcemi nebo s reakcemi, které se výrazně překrývají. NETZSCH Kinetics Neo software slouží k oběma metodám analýzy, což je výhoda oproti softwarům pro jednu metodu. NETZSCH Kinetics Neo byl použit pro zde uvedenou analýzu termogravimetrických dat metodou založenou na modelu, přičemž výsledek ukazuje kinetický model zobrazující tři po sobě jdoucí reakční kroky s jejich kinetickými parametry. Tento model je nezávislý na teplotním programu a lze jej použít pro simulaci rozkladných procesů pro jiné teplotní programy definované uživatelem. Pokud se simulace provádí přesně pro stejné teploty, jaké byly použity během experimentu, pak musí simulované křivky odpovídat experimentu, pokud je model správný. Tato shoda je vidět na obrázku, kde jsou experimentální data pro různé rychlosti ohřevu označena symboly a všechna simulovaná data založená na stejném kinetickém modelu se stejnou sadou kinetických parametrů - ale pro různé rychlosti ohřevu - jsou zobrazena jako plné křivky. To znamená, že kinetický model byl zkonstruován správně a kinetické parametry byly shledány správnými, takže tento model lze v budoucnu použít pro modelování rozkladu pojiva uvnitř pece, kde není možné měřit hmotnostní ztráty. Predikce a optimalizace Získaný kinetický model sestávající ze tří jednotlivých po sobě jdoucích reakčních kroků umožňuje predikovat hmotnostní ztráty pro teplotní program zadaný uživatelem. Znalost teploty uvnitř pece tedy umožňuje simulovat průběh odbedňování. Tento model například umožňuje simulovat hmotnostní ztráty materiálu v tunelové peci. V případě změny žáru software vypočítá novou křivku hmotnostních ztrát pro nový teplotní program v každé zóně. Rychlost rozkladu závisí nejen na teplotě, ale také na aktuální hodnotě konverze. Při konstantní rychlosti ohřevu existují na křivce hmotnostních ztrát rozsahy, ve kterých je tento proces rychlý, a rozsahy, ve kterých je proces pomalý. Tyto parametry s vysokou rychlostí reakce jsou rizikovými oblastmi, kde může dojít k poškození struktury materiálu. Rozsahy s nízkou reakční rychlostí vedou k nepřiměřeným časovým a energetickým ztrátám, a tudíž k příliš vysokým nákladům na konečný produkt. Pro optimalizační proces je nutné najít takové teplotní profily, kde bude rychlost úbytku hmotnosti konstantní, aby bylo možné najít optimální kvalitu výrobku za co nejkratší dobu. Bez možnosti simulace by takové teplotní profily musel vytvořit chemický inženýr metodou pokusů a omylů - to by vyžadovalo značný čas a generovalo značné náklady. Pomocí softwaru Kinetics Neo byl vypočítán nový teplotní profil pro danou rychlost úbytku hmotnosti 0,05 %/min. V průmyslových procesech, které se vyznačují určitými omezeními v rychlosti ohřevu, může tento software pomoci nalézt optimální teplotní profil pro získání simulované rychlosti hmotnostních ztrát, která je velmi blízká konstantní hodnotě. Například německá společnost Haldenwanger potřebovala tento software k optimalizaci teplotního profilu pro výpal keramiky s ohledem na svou novou pěnovou keramiku, jejíž kvalita je velmi citlivá na rychlost odlehčování. Tento proces se skládal ze dvou částí, odbedňování a následného spékání. Optimalizace teplotního profilu byla provedena pro obě části a výrobní čas se zkrátil o více než 50 %. Aplikace softwaru pro kinetickou analýzu V polymerním pojivu se polymery obvykle rozkládají nezávisle na sobě a naměřený hmotnostní úbytek představuje Rozkladná reakceRozkladná reakce je tepelně indukovaná reakce chemické sloučeniny za vzniku pevných a/nebo plynných produktů. rozklad směsi. Každá složka ve směsi se může rozkládat v několika jednotlivých rozkladných krocích, jednotlivé kroky tohoto procesu se tedy mohou týkat různých polymerů nebo téhož polymeru. Kinetická analýza umožňuje zjistit kinetické parametry sledovaného procesu, které jsou nezávislé na teplotním profilu. Těmito parametry jsou aktivační energie a reakční řád pro každý viditelný krok rozkladu a také příspěvek každého reakčního kroku k celkovému procesu rozkladu. Pro kinetickou analýzu naměřených dat existují dva různé přístupy - první je založen na modelu podle skutečné chemie procesu a celkový proces považuje za součet nezávislých rozkladných procesů různých polymerů. Rozklad každého polymeru je považován za sérii po sobě jdoucích jednotlivých reakčních kroků. Zde má každý reakční krok svou vlastní stechiometrii a aktivační energii, přičemž obě tyto hodnoty zůstávají konstantní od začátku reakčního kroku až do jeho konce. Tento přístup popisuje proces odbourávání explicitně a způsobem, který je velmi blízký realitě, ale vyžaduje čas na analýzu a konstrukci kinetického modelu z paralelních a po sobě jdoucích reakčních kroků. Druhý, přibližnější přístup se nazývá bezmodelový, kdy se celý proces považuje za jednokrokovou reakci, v níž se aktivační energie a preexponenciální faktory mění s postupem reakce. Tento typ je velmi rychlý pro proces s po sobě jdoucími kroky, ale má také některá omezení, například nemůže popsat Rozkladná reakceRozkladná reakce je tepelně indukovaná reakce chemické sloučeniny za vzniku pevných a/nebo plynných produktů. rozklad směsi s paralelními reakcemi nebo s reakcemi, které se výrazně překrývají. NETZSCH Kinetics Neo software slouží k oběma metodám analýzy, což je výhoda oproti softwarům pro jednu metodu. NETZSCH Kinetics Neo byl použit pro zde uvedenou analýzu termogravimetrických dat metodou založenou na modelu, přičemž výsledek ukazuje kinetický model zobrazující tři po sobě jdoucí reakční kroky s jejich kinetickými parametry. Tento model je nezávislý na teplotním programu a lze jej použít pro simulaci rozkladných procesů pro jiné teplotní programy definované uživatelem. Pokud se simulace provádí přesně pro stejné teploty, jaké byly použity během experimentu, pak musí simulované křivky odpovídat experimentu, pokud je model správný. Tato shoda je vidět na obrázku, kde jsou experimentální data pro různé rychlosti ohřevu označena symboly a všechna simulovaná data založená na stejném kinetickém modelu se stejnou sadou kinetických parametrů - ale pro různé rychlosti ohřevu - jsou zobrazena jako plné křivky. To znamená, že kinetický model byl zkonstruován správně a kinetické parametry byly shledány správnými, takže tento model lze v budoucnu použít pro modelování rozkladu pojiva uvnitř pece, kde není možné měřit hmotnostní ztráty.

Předpověď a optimalizace Získaný kinetický model sestávající ze tří jednotlivých po sobě jdoucích reakčních kroků umožňuje předpovědět hmotnostní ztráty pro teplotní program zadaný uživatelem. Znalost toho, jaká je teplota uvnitř pece, tedy umožňuje simulovat průběh odbedňování. Tento model například umožňuje simulovat hmotnostní ztráty materiálu v tunelové peci. V případě změny žáru software vypočítá novou křivku hmotnostních ztrát pro nový teplotní program v každé zóně.

Rychlost rozkladu závisí nejen na teplotě, ale také na aktuální hodnotě konverze. Při konstantní rychlosti ohřevu existují na křivce hmotnostních ztrát rozsahy, ve kterých je tento proces rychlý, a rozsahy, ve kterých je proces pomalý. Tyto parametry s vysokou rychlostí reakce jsou rizikovými oblastmi, kde může dojít k poškození struktury materiálu. Rozsahy s nízkou reakční rychlostí vedou k nepřiměřeným časovým a energetickým ztrátám, a tudíž k příliš vysokým nákladům na konečný produkt. Pro optimalizační proces je nutné najít takové teplotní profily, kde bude rychlost úbytku hmotnosti konstantní, aby bylo možné najít optimální kvalitu výrobku za co nejkratší dobu. Bez možnosti simulace by takové teplotní profily musel vytvořit chemický inženýr metodou pokusů a omylů - to by vyžadovalo značný čas a generovalo by to značné náklady. Pomocí softwaru Kinetics Neo byl vypočítán nový teplotní profil pro danou rychlost úbytku hmotnosti 0,05 %/min.

V průmyslových procesech, které se vyznačují určitými omezeními v rychlosti ohřevu, může tento software pomoci nalézt optimální teplotní profil pro získání simulované rychlosti úbytku hmotnosti, která je velmi blízká konstantní hodnotě. Například německá společnost Haldenwanger potřebovala tento software k optimalizaci teplotního profilu pro výpal keramiky s ohledem na svou novou pěnovou keramiku, jejíž kvalita je velmi citlivá na rychlost odbedňování. Tento proces se skládal ze dvou částí, odbedňování a následného spékání. Optimalizace teplotního profilu byla provedena pro obě části a výrobní čas se zkrátil o více než 50 %. Aplikace softwaru pro kinetickou analýzu Oblast použití kinetické analýzy a simulace se neomezuje pouze na proces odkujování při výrobě keramiky nebo v metalurgii spékání. Taková simulace je nezbytná například pro stanovení životnosti obalových materiálů nebo pro operace v procesu při vysokých teplotách.