Wir präsentieren Termica Neo: Die neue NETZSCH-Software für thermische Simulationen in der Industrie

Bei simulierten temperaturabhängigen Prozessen in der chemischen Industrie können die Temperaturgradienten in den Reaktionsmedien signifikant sein und müssen berücksichtigt werden. Bei Prozessen wie der Aushärtung oder KristallisationAls Kristallisation bezeichnet man den physikalischen Vorgang der Verhärtung bei der Bildung und beim Wachstum von Kristallen. Bei diesem Prozess wird Kristallisationswärme frei.Kristallisation hat der Temperaturgradient Einfluss auf die Produktqualität, bei stark exothermen Materialien auf die Sicherheitsbedingungen von Reaktionen des thermischen Durchgehens (thermal runaway).

Wir freuen uns, Ihnen unsere neue NETZSCH-Software Termica Neo vorzustellen, die alle von der ICTAC* [1] empfohlenen Kinetikmethoden verwendet. Termica Neo ist mit der NETZSCH-Software Kinetics Neo vollständig kompatibel und kann sowohl auf modellfreie als auch auf modellbasierte Ansätze sowie für komplexe Reaktionen mit unabhängigen, konkurrierenden oder aufeinanderfolgenden Stufen angewendet werden.
 

^{*ICTAC: Internationale Vereinigung nationaler oder regionaler Gesellschaften für thermische Analyse und Kalorimetrie. Ziel der ICTAC ist die Förderung der internationalen Verständigung und Zusammenarbeit auf dem Gebiet der thermischen Analyse und Kalorimetrie durch die Organisation internationaler Kongresse und die Arbeit ihrer wissenschaftlichen Ausschüsse (siehe auch ictac.org).}

^{[1] Vyazovkin S et al, ICTAC Kinetics Committee recommendations for analysis of multi-step kinetics, Thermochimica Acta, V.689, 2020, 178597}

Simulation großtechnischer Industrieprozesse zur Vermeidung von thermischem Durchgehen und Explosionen

Kleine Proben mit einem Gewicht von nur wenigen Milligramm, die mit der dynamischen Differenzkalorimetrie (engl. Differential Scanning Calorimetry, DSC) oder anderen thermoanalytischen Methoden wie Thermogravimetrie (TG) oder Accelerating Rate Kalorimetrie (ARC^®) untersucht werden, weisen keinen signifikanten Temperaturgradienten auf und eignen sich daher für die kinetische Analyse. Mit der NETZSCH-Software Kinetics Neo kann der Ablauf chemischer Reaktionen für zwei Grenzfälle simuliert werden, in denen die Proben keinen Temperaturgradienten aufweisen. Im ersten Fall verfügt das Probenmaterial über eine unendliche WärmeleitfähigkeitDie Wärmeleitfähigkeit (λ mit der Einheit W/(m•K)) beschreibt den Transport von Energie - in Form von Wärme - durch einen Körper aufgrund eines Temperaturgefälles.Wärmeleitfähigkeit, aber auch eine unendliche Wärmeübertragung an die Umgebung in einer kontrollierten Umgebung. Der zweite Grenzfall ist die rein adiabatische Erwärmung ohne jeglichen Wärmeverlust.

In der chemischen Industrie sowie bei der Lagerung und dem Transport hochenergetischer Materialien liegen Wärmetransport und Wärmeverlust jedoch zwischen diesen beiden Grenzfällen. Um sichere Bedingungen zu schaffen oder die gewünschte Produktqualität zu erreichen, muss die Simulation für nicht konstante Temperaturen im Reaktionsvolumen durchgeführt werden.

Hauptanwendungsgebiete einer solchen Simulation in der Industrie sind Produktqualität und Sicherheit.

Auch in der Polymer- oder Keramikindustrie findet Termica Neo Anwendung: In einem Reaktions- oder Lagerbehälter kann der Reaktionsfortschritt, bedingt durch besagte Temperaturgradienten, unterschiedlich sein. Dies äußert sich beim SinternSintern ist ein Herstellungsverfahren zur Bildung eines mechanisch stabilen Körpers aus einem keramischen oder metallischen Pulver.Sintern in Form von Schrumpfung während des Sinterns oder der Aushärtung, was zu mechanischen Spannungen führt und Auswirkung auf die Produktqualität hat.

Bei Vorhersagen zur Lagerung oder zum Transport hochenergetischer Materialien in der chemischen Industrie sind auch die Temperaturgradienten in den reagierenden Medien von Bedeutung und müssen berücksichtigt werden. Bei stark exothermen Reaktionen kommt es in einem Behälter in Bereichen mit höherer Temperatur und schnellerer Reaktion zu einer intensiveren Wärmeproduktion und Eigenerwärmung. Solche lokalen Bereiche werden dann zu Hotspots für den Beginn des thermischen Durchgehens oder der thermischen Explosion. Bei Reaktionen mit geringerer thermischer Wirkung haben die Bereiche mit höherer Temperatur eine höhere Reaktionsgeschwindigkeit und einen höheren Reaktionsumsatz. Dies ist der Grund für die unterschiedlichen physikalischen und chemischen Eigenschaften von Stoffen an verschiedenen Positionen innerhalb eines Behälters, die sich in der Wärmekapazität, Wärmeleitfähigkeit oder den Konzentrationen der Reaktanten widerspiegeln.

Simulation komplexer chemischer Prozesse mit Termica Neo

Viele der existierenden FEM (Finite-Elemente-Methode)-Softwarelösungen können zwar den Wärmeübergang berechnen, weisen jedoch Grenzen in Bezug auf komplexe mehrstufige chemische Reaktionen mit thermischen Effekten auf. Für gewöhnlich arbeiten solche Systeme für modellfreie Kinetik mit einer einzigen kinetischen Gleichung oder für Modelle mit ein bis zwei Stufen, bei denen alle kinetischen Parameter bekannt sind.

Die neue NETZSCH-Software Termica Neo für die thermische Simulation besteht aus Eingangsdaten in Form von chemischen Parametern und Gleichungen direkt aus dem Kinetics Neo-Projekt. Sie ist vollständig kompatibel mit der NETZSCH-Software Kinetics Neo und kann sowohl für modellfreie als auch modellbasierte Ansätze verwenden.

Beim modellbasierten Ansatz gibt es keine Einschränkungen hinsichtlich der Anzahl der einzelnen Reaktionsstufen oder der Verbindungen zwischen ihnen, einschließlich unabhängiger, konkurrierender oder aufeinander folgender Stufen.

Die Simulationssoftware Termica Neo aus dem Hause NETZSCH-Gerätebau übernimmt alle kinetischen Parameter aus Kinetics Neo und verwendet zusätzlich temperaturabhängige physikalische Parameter wie DichteDie Massen-Dichte ist definiert als Verhältnis zwischen Masse und Volumen.Dichte, Wärmeleitfähigkeit und Wärmekapazität der reagierenden Materialien und Produkte aus der Materialdatenbank. Zu den zusätzlichen Eingabeparametern gehören auch Behälter, deren Dicke und Material für jede Oberfläche der Reaktorgeometrie unterschiedlich sein kann, sowie verschiedene Umgebungsmedien, beispielsweise Luft an der Oberseite, Wasser an der Seite und am Boden der Unterseite. Auch die Umgebungstemperaturprofile können für die verschiedenen Geometrieoberflächen unterschiedlich sein.

Was Sie mit Termica Neo erreichen können:

• Simulieren Sie das Verhalten Ihres Materials an jedem Punkt des Behälters
• Finden Sie heraus, wo und wann die Maximaltemperatur oder maximale Umsatzrate der Reaktanten im Inneren des Behälters erreicht wird
• Bestimmen Sie Temperatur, Umsatz und Konzentrationen für eine bestimmte Zeit und Position des Reaktanten im Behälter
• Sagen Sie Aushärte-, Zersetzungs- und Kristallisationsgrad voraus
• Bestimmen Sie die thermischen Sicherheitsbedingungen für Produktion und Lagerung

Funktionen auf einen Blick:

• Schnell und anwenderfreundlich: Benutzeroberfläche ähnlich der Kinetics Neo-Software
• Die kinetischen Modelle werden direkt aus dem Kinetics Neo-Projekt übernommen (Ergebnisse für jede Methode - sowohl modellbasiert als auch modellfrei).
• Berechnung der folgenden Eigenschaften an jedem Punkt des Volumens in Abhängigkeit von der Zeit:
  • Temperatur
  • Umsatz
  • Umsatzrate
  • Konzentrationen
  • Glasumwandlungstemperatur für Aushärte- oder Vernetzungsreaktionen
• Berechnung der selbstbeschleunigenden Zersetzungstemperatur (SADT) für verschiedene Materialien, Behälter und Umgebungen.
• Simulation von Reaktionen für einen Reaktor mit Behälter einschließlich adiabatischer Bedingungen

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