Tips og tricks

Undersøgelser af smeltedigelgeometriens indflydelse på forbrændingen af forskellige carbon black-prøver

Metoderne til termogravimetri (TGA) er særligt velegnede til at undersøge forbrændingsprocesser.

De giver mulighed for hurtige konklusioner vedrørende den termiske stabilitet af det mest faste brændsel samt reaktionstemperaturen og forbrændingskinetikken. Desuden kan både massetabet under en forbrændingsreaktion og indholdet af ikke-brændbar mineralsk aske kvantificeres. I modsætning til andre reaktioner som f.eks. NedbrydningsreaktionEn nedbrydningsreaktion er en termisk induceret reaktion af en kemisk forbindelse, der danner faste og/eller gasformige produkter. nedbrydning eller frigivelse af fugt eller opløsningsmidler er forbrænding en faststof-gas-reaktion. Derfor skal ikke kun alle de sædvanlige parametre som prøvemasse, opvarmningshastighed og rensegasflow holdes konstante, men måleresultaterne påvirkes også af prøveoverfladen, iltkoncentrationen og digelgeometrien, som alle kan begrænse reaktionsgassens adgang til den faste prøve.

For at undersøge dette spørgsmål blev der udført en række målinger med en NETZSCH STA ved hjælp af forskellige digelgeometrier under ellers identiske testbetingelser.

Forskellige Al2O3-digler vises fra venstre mod højre: slip-on-plade, kort DTA, standard DTA, gennembrudt DTA, mini DTA-digler. — Fig. 1. Sortiment af Al2O3-smeltedigler (fra venstre mod højre): slip-on-plade, kort DTA-smeltedigel, standard DTA-smeltedigel, gennembrudt DTA-smeltedigel, mini DTA-smeltedigel

Gennembrudt DTA-smeltedigel til termogravimetrisk analyse med huller, der giver bedre adgang til gas og øger forbrændingseffektiviteten. — Fig. 2. Gennembrudt smeltedigel

Assorterede DTA-digler i forskellige former og størrelser, vist forfra og oppefra til termogravimetrisk analyse. — Fig. 3. Sortiment af smeltedigler, set forfra (ovenfor), set ovenfra (nedenfor)

De forskellige digler er vist i figur 1 og 3; blandt dem er også en gennemboret DTA-digel, som er vist i forstørret skala i figur 2 [1].

De undersøgte carbon black-prøver er forskellige standardprøver såsom NIST 2975, Printex 90, aktivt kul og kulkugler. Disse har en diameter på ca. 1 mm til 2 mm og en uorganisk struktur. Den gennemsnitlige partikelstørrelse for de resterende prøver er angivet til mellem 20 nm og 50 nm.

Resultat: Til undersøgelsen af carbon black NIST 2975 blev de digeltyper, der er vist i figur 1, anvendt. Forholdet mellem digeldiameteren og prøvernes fyldningsgrad (for samme prøvemasse) kan ses i figur 3 og tabel 1.

Dimensioner på diglerne vist i figur 1

Dimensioner	Slip-on plade	Kort DTA-digel	DTA-digel	DTA-digel, gennembrudt	Mini DTA*
Ø udvendig	10	8	8	8	5
Ø indvendig	10	6	6	6	4
Højde	0	3	12	12

* kun til sammenligning; denne smeltedigel er ikke en del af NETZSCH smeltedigel-produktsortimentet

Når man bruger ilt som spulegas, small kan man allerede finde forskelle mellem de forskellige digelgeometrier med hensyn til forbrændingstemperaturen og med hensyn til forbrændingshastigheden (DTG) (figur 4). Men hvis iltkoncentrationen i spulegassen reduceres til 20 % (figur 5) eller 5 % (figur 6), ser det ud til, at digelgeometrien spiller en stadig vigtigere rolle. Den gennemborede DTA-digel og slip-on-pladen giver tydeligvis bedre adgang for reaktionsgassens ilt til prøven. Men jo dårligere adgang reaktionsgassen har til den faste prøve, jo større er tendensen til, at reaktionen skifter til højere temperaturer, og jo lavere er reaktionshastigheden (DTG). Ved et nitrogen/oxygen-rensegasforhold på 95:5 er den gennemborede DTA-digel næsten lige så "hurtig" som slip-on-pladen. Med hensyn til reaktionsadfærd kommer den gennemborede DTA-digel (figur 2) og den korte DTA-digel tættest på slip-on-pladen, hvorved prøvehåndteringen for disse to digeltyper er betydeligt lettere end for slip-on-pladen.

TGA-DTA-analysediagram for NIST 2975-prøven, der illustrerer forbrændingstemperatur og reaktionshastigheder med 100 % ilt. — Fig. 4. TGA-DTA-resultater for NIST 2975-prøven (100 % O2)

TGA-DTG-graf, der viser forbrændingsresultater for NIST 2975-prøven ved 20 % O2, og som illustrerer variationer i temperatur og reaktionshastighed. — Fig. 5. TGA-DTG-resultater for NIST 2975-prøven (20 % O2)

TGA-DTG-resultater for NIST 2975-prøven ved 5 % O2, der viser forbrændingstemperatur og -hastighed for forskellige smeltedigelgeometrier. — Fig. 6. TGA-DTG-resultater for NIST 2975-prøven (5 % O2)

Grafen illustrerer forholdet mellem forbrændingstemperatur og iltindhold i spulegassen og viser forskellige digeltyper. — Fig. 7. Resultaterne som funktion af iltindholdet i rensegassen

Sammenligning af forbrændingsresultater for fire carbon black-prøver (NIST 2975, Printex 90, aktivt kul, kugler) ved hjælp af TGA-analyse. — Fig. 8. Sammenligning af de fire forskellige carbon black-prøver (TGA, kort DTA-digel)

Sammenligning af DTG-resultater for aktivt kul, NIST 2975, Printex 90 og kulkugler i forskellige temperaturområder. — Fig. 9. Sammenligning af de fire forskellige carbon black-prøver (DTG, kort DTA-digel)

Resultaternes afhængighed af iltindholdet i rensegassen er illustreret i figur 7.

Sammenligningen af forskellige typer carbon black viser betydelige forskelle mellem alle de karakteristiske værdier, der skal bestemmes, såsom Termisk stabilitetEt materiale er termisk stabilt, hvis det ikke nedbrydes under påvirkning af temperaturen. En måde at bestemme et stofs termiske stabilitet på er at bruge en TGA (termogravimetrisk analysator). termisk stabilitet, forbrændingstemperatur, forbrændingshastighed og restmasse (figur 8 og 9).

Konklusion:
De beskrevne indflydelsesrige faktorer er vigtige for enhver form for evaluering og fortolkning af måleresultater. De er dog næsten uundværlige, når man skal drage konklusioner om forbrændingskinetik. Det skyldes, at målet med sådanne evalueringer skal være at beskrive forbrændingsreaktionen i sig selv, ikke en kombination af forbrændingsreaktionen med overlappende randbetingelser fra testopstillingen.

Litteratur

1] Protective Anti-OxidationOxidation kan beskrive forskellige processer i forbindelse med termisk analyse.Oxidation Coatings for Hot Gas Piping Systems and Their Characterization by Means of a High-Speed Furnace, Thomas Hutsch et.al., NETZSCH ^OnSet10, s. 6 - 9