Hvordan man simulerer og optimerer afbindingsprocesser

Ved keramikbrænding og sintermetallurgi afhænger produktets kvalitet af temperaturprofilen, især opvarmningshastigheden. I den indledende fase af opvarmningsprocessen fjernes polymerbindemidlet omhyggeligt via termisk NedbrydningsreaktionEn nedbrydningsreaktion er en termisk induceret reaktion af en kemisk forbindelse, der danner faste og/eller gasformige produkter. nedbrydning. Men udviklingen af gas bør ikke være for intensiv for at forhindre dannelsen af mikrorevner og sikre, at strukturen i det oprindelige materiale ikke ødelægges. For at opnå den bedste produktkvalitet bør denne opvarmningsfase for at opnå polymernedbrydning derfor ikke udføres for hurtigt. På den anden side øger en alt for langsom opvarmning procestiden, hvilket kan være alt for dyrt og miljøbelastende samt øge produktionsomkostningerne. Hovedformålet er at skabe en optimal temperaturprofil med afbalanceret opvarmning for at sikre den bedste materialekvalitet på kortest mulig tid. For at opnå dette er det nødvendigt at vide, hvad der sker med materialet i ovnen under brændingen. Det anbefales at bruge simuleringsmetoden til afbindingshastigheden for ovnens givne temperaturprofil. Data til analyse Polymerbindemidler mister masse under termisk NedbrydningsreaktionEn nedbrydningsreaktion er en termisk induceret reaktion af en kemisk forbindelse, der danner faste og/eller gasformige produkter. nedbrydning, hvilket let kan måles ved hjælp af termogravimetri. Men kemiske reaktioner er kinetiske processer, der ikke kun afhænger af temperaturen, men også af tiden. Så ved en konstant temperatur vil reaktionen forløbe, og massen vil ændre sig, men den samme masse kan forekomme ved forskellige temperaturer. Det eneste, der er uafhængigt af temperaturprofilen, er reaktionens kemiske egenskaber, f.eks. støkiometriske koefficienter, reaktionsordener og aktiveringsenergier. Med et bindemiddel nedbrydes komponenterne i polymerblandingen ofte uafhængigt af hinanden. I dette tilfælde er de oprindelige og endelige materialesammensætninger normalt også uafhængige af temperaturprofilen. For at finde de parametre for kemiske reaktioner, der er uafhængige af temperaturprofilen, er det nødvendigt at udføre flere termogravimetriske laboratoriemålinger under forskellige temperaturforhold, dvs. under forskellige opvarmningshastigheder. Den typiske form på termogravimetriske kurver for NedbrydningsreaktionEn nedbrydningsreaktion er en termisk induceret reaktion af en kemisk forbindelse, der danner faste og/eller gasformige produkter. nedbrydning viser temperaturafhængigheden af den målte masse for forskellige opvarmningshastigheder. Målingerne, der præsenteres her, blev udført på et NETZSCH TG 209 F1 instrument. Kinetisk analyse I et polymerbindemiddel nedbrydes polymererne normalt uafhængigt af hinanden, og det målte massetab viser blandingens NedbrydningsreaktionEn nedbrydningsreaktion er en termisk induceret reaktion af en kemisk forbindelse, der danner faste og/eller gasformige produkter. nedbrydning. Hver komponent i blandingen kan nedbrydes i flere individuelle nedbrydningstrin, og de individuelle trin i denne proces kan således vedrøre de forskellige polymerer eller den samme polymer. Kinetisk analyse gør det muligt at finde de kinetiske parametre for den observerede proces, som er uafhængige af temperaturprofilen. Disse parametre er aktiveringsenergien og reaktionsordenen for hvert synligt nedbrydningstrin samt bidraget fra hvert reaktionstrin til den samlede nedbrydningsproces. Der er to forskellige tilgange til kinetisk analyse af målte data - den første er modelbaseret i henhold til processens reelle kemi og betragter den samlede proces som summen af de uafhængige nedbrydningsprocesser for forskellige polymerer. Nedbrydningen af hver polymer betragtes som en række på hinanden følgende individuelle reaktionstrin. Her har hvert reaktionstrin sin egen støkiometri og aktiveringsenergi, som begge opretholder konstante værdier fra reaktionstrinnets begyndelse til dets afslutning. Denne tilgang beskriver afbindingsprocessen eksplicit og på en måde, der er meget tæt på virkeligheden, men den kræver tid til analyse og konstruktion af den kinetiske model ud fra parallelle og på hinanden følgende reaktionstrin. Den anden, mere omtrentlige tilgang kaldes modelfri, hvor hele processen betragtes som en et-trins reaktion, hvor aktiveringsenergi og præeksponentielle faktorer ændrer sig med reaktionens fremskridt. Denne type er meget hurtig for en proces med fortløbende trin, men har også nogle begrænsninger, f.eks. kan den ikke beskrive nedbrydningen af en blanding med parallelle reaktioner eller med reaktioner, der har betydelig overlapning. NETZSCH Kinetics Neo-softwaren betjener begge analysemetoder, hvilket er en fordel i forhold til softwares med kun én metode. NETZSCH Kinetics Neo blev brugt til den her viste analyse af termogravimetriske data ved hjælp af den modelbaserede metode, hvor resultatet viser en kinetisk model, der skildrer tre på hinanden følgende reaktionstrin med deres kinetiske parametre. Dette er uafhængigt af temperaturprogrammet og kan bruges til simulering af nedbrydningsprocesser for andre brugerdefinerede temperaturprogrammer. Hvis simuleringen udføres nøjagtigt ved de samme temperaturer, som blev brugt under forsøget, skal de simulerede kurver passe til forsøget, hvis modellen er korrekt. Denne tilpasning ses på billedet, hvor eksperimentelle data for forskellige opvarmningshastigheder er markeret med symboler, og alle simulerede data baseret på den samme kinetiske model med det samme sæt kinetiske parametre - men for forskellige opvarmningshastigheder - er vist som de fuldt optrukne kurver. Det betyder, at den kinetiske model blev konstrueret korrekt, og at de kinetiske parametre viste sig at være korrekte, så denne model kan bruges til fremtidig modellering af bindemiddelnedbrydning inde i ovnen, hvor det ikke er muligt at måle massetabet. Forudsigelse og optimering Den opnåede kinetiske model, der består af tre individuelle, fortløbende reaktionstrin, gør det muligt at forudsige massetabet for det temperaturprogram, som brugeren har angivet. Når man ved, hvor varmt der er inde i ovnen, kan man derfor simulere afbindingsforløbet. For eksempel giver denne model mulighed for at simulere massetabet af materialet i tunnelovnen. I tilfælde af en ændring i varmen beregner softwaren en ny massetabskurve for det nye temperaturprogram i hver zone. Nedbrydningshastigheden afhænger ikke kun af temperaturen, men også af den aktuelle værdi af omdannelsen. Med en konstant opvarmningshastighed er der områder i massetabskurven, hvor denne proces er hurtig, og områder, hvor processen er langsom. Disse parametre med høj reaktionshastighed er risikozoner, hvor materialestrukturen kan blive beskadiget. Områderne med den lave reaktionshastighed resulterer i et urimeligt tids- og energitab og dermed i for høje omkostninger for det endelige produkt. I optimeringsprocessen er det nødvendigt at finde de temperaturprofiler, hvor massetabet vil være konstant, for at finde den optimale produktkvalitet på kortest mulig tid. Uden simuleringsmuligheden ville sådanne temperaturprofiler skulle skabes af kemiingeniøren via trial and error-metoden - det ville kræve meget tid og medføre betydelige omkostninger. Ved hjælp af Kinetics Neo-softwaren blev den nye temperaturprofil beregnet for den givne massetabsrate på 0,05 %/min. I industrielle processer, der er kendetegnet ved visse begrænsninger i opvarmningshastighederne, kan denne software hjælpe med at finde den optimale temperaturprofil for at opnå en simuleret massetabsrate, der er meget tæt på den konstante værdi. For eksempel havde den tyske virksomhed Haldenwanger brug for softwaren til at optimere temperaturprofilen for keramikbrænding med hensyn til deres nye skumkeramik, hvis kvalitet er meget følsom over for afbindingshastigheden. Denne proces bestod af to dele, AfbindingAfbinding er et af de vigtigste produktionstrin i den keramiske og pulvermetallurgiske industri. Det refererer til den termiske eller katalytiske fjernelse af tilsætningsstoffer, der bruges i trin før produktion som f.eks. støbning.afbinding og SintringSintring er en produktionsproces, hvor man danner et mekanisk stærkt legeme ud af et keramisk eller metallisk pulver. sintring. Optimering af temperaturprofilen blev udført for begge dele, og produktionstiden blev reduceret med mere end 50 %. Anvendelser af kinetisk analysesoftware I et polymerbindemiddel nedbrydes polymererne normalt uafhængigt af hinanden, og det målte massetab viser blandingens NedbrydningsreaktionEn nedbrydningsreaktion er en termisk induceret reaktion af en kemisk forbindelse, der danner faste og/eller gasformige produkter. nedbrydning. Hver komponent i blandingen kan nedbrydes i flere individuelle nedbrydningstrin, og de individuelle trin i denne proces kan således vedrøre de forskellige polymerer eller den samme polymer. Kinetisk analyse gør det muligt at finde de kinetiske parametre for den observerede proces, som er uafhængige af temperaturprofilen. Disse parametre er aktiveringsenergien og reaktionsordenen for hvert synligt nedbrydningstrin samt bidraget fra hvert reaktionstrin til den samlede nedbrydningsproces. Der er to forskellige tilgange til kinetisk analyse af målte data - den første er modelbaseret i henhold til processens reelle kemi og betragter den samlede proces som summen af de uafhængige nedbrydningsprocesser for forskellige polymerer. Nedbrydningen af hver polymer betragtes som en række på hinanden følgende individuelle reaktionstrin. Her har hvert reaktionstrin sin egen støkiometri og aktiveringsenergi, som begge opretholder konstante værdier fra reaktionstrinnets begyndelse til dets afslutning. Denne tilgang beskriver afbindingsprocessen eksplicit og på en måde, der er meget tæt på virkeligheden, men den kræver tid til analyse og konstruktion af den kinetiske model ud fra parallelle og på hinanden følgende reaktionstrin. Den anden, mere omtrentlige tilgang kaldes modelfri, hvor hele processen betragtes som en et-trins reaktion, hvor aktiveringsenergi og præeksponentielle faktorer ændrer sig med reaktionens fremskridt. Denne type er meget hurtig for en proces med fortløbende trin, men har også nogle begrænsninger, f.eks. kan den ikke beskrive nedbrydningen af en blanding med parallelle reaktioner eller med reaktioner, der har betydelig overlapning. NETZSCH Kinetics Neo-softwaren betjener begge analysemetoder, hvilket er en fordel i forhold til softwares med kun én metode. NETZSCH Kinetics Neo blev brugt til den her viste analyse af termogravimetriske data ved hjælp af den modelbaserede metode, hvor resultatet viser en kinetisk model, der skildrer tre på hinanden følgende reaktionstrin med deres kinetiske parametre. Dette er uafhængigt af temperaturprogrammet og kan bruges til simulering af nedbrydningsprocesser for andre brugerdefinerede temperaturprogrammer. Hvis simuleringen udføres nøjagtigt ved de samme temperaturer, som blev brugt under forsøget, skal de simulerede kurver passe til forsøget, hvis modellen er korrekt. Denne tilpasning ses på billedet, hvor eksperimentelle data for forskellige opvarmningshastigheder er markeret med symboler, og alle simulerede data baseret på den samme kinetiske model med det samme sæt kinetiske parametre - men for forskellige opvarmningshastigheder - er vist som de fuldt optrukne kurver. Det betyder, at den kinetiske model blev konstrueret korrekt, og at de kinetiske parametre viste sig at være korrekte, så denne model kan bruges til fremtidig modellering af bindemiddelnedbrydning inde i ovnen, hvor det ikke er muligt at måle massetabet.

Forudsigelse og optimering Den opnåede kinetiske model, der består af tre individuelle, fortløbende reaktionstrin, gør det muligt at forudsige massetabet for det temperaturprogram, som brugeren har angivet. Når man ved, hvor varmt der er inde i ovnen, kan man derfor simulere afbindingsforløbet. For eksempel giver denne model mulighed for at simulere massetabet af materialet i tunnelovnen. I tilfælde af en ændring i varmen beregner softwaren en ny massetabskurve for det nye temperaturprogram i hver zone.

Nedbrydningshastigheden afhænger ikke kun af temperaturen, men også af den aktuelle værdi af omdannelsen. Ved konstant opvarmningshastighed er der områder i massetabskurven, hvor denne proces er hurtig, og områder, hvor processen er langsom. Disse parametre med høj reaktionshastighed er risikozoner, hvor materialestrukturen kan blive beskadiget. Områderne med den lave reaktionshastighed resulterer i et urimeligt tids- og energitab og dermed i for høje omkostninger for det endelige produkt. Til optimeringsprocessen er det nødvendigt at finde de temperaturprofiler, hvor massetabet vil være konstant, for at finde den optimale produktkvalitet på kortest mulig tid. Uden simuleringsmuligheden ville sådanne temperaturprofiler skulle skabes af kemiingeniøren via trial and error-metoden - det ville kræve meget tid og medføre betydelige omkostninger. Ved hjælp af Kinetics Neo-softwaren blev den nye temperaturprofil beregnet for den givne massetabsrate på 0,05 %/min.

I industrielle processer, der er kendetegnet ved visse begrænsninger i opvarmningshastighederne, kan denne software hjælpe med at finde den optimale temperaturprofil for at opnå et simuleret massetab, der ligger meget tæt på den konstante værdi. For eksempel havde den tyske virksomhed Haldenwanger brug for softwaren til at optimere temperaturprofilen for keramikbrænding med hensyn til deres nye skumkeramik, hvis kvalitet er meget følsom over for afbindingshastigheden. Denne proces bestod af to dele, AfbindingAfbinding er et af de vigtigste produktionstrin i den keramiske og pulvermetallurgiske industri. Det refererer til den termiske eller katalytiske fjernelse af tilsætningsstoffer, der bruges i trin før produktion som f.eks. støbning.afbinding og SintringSintring er en produktionsproces, hvor man danner et mekanisk stærkt legeme ud af et keramisk eller metallisk pulver. sintring. Optimering af temperaturprofilen blev udført for begge dele, og produktionstiden blev reduceret med mere end 50 %. Anvendelser af kinetisk analysesoftware Anvendelsesområdet for kinetisk analyse og simulering er ikke begrænset til afbindingsprocessen under produktionen af keramik eller i sintermetallurgi. En sådan simulering er f.eks. nødvendig for at bestemme emballagematerialers levetid eller for procesoperationer ved høje temperaturer.