Πώς να προσομοιώσετε και να βελτιστοποιήσετε τις διαδικασίες αποδέσμευσης

Στην κεραμική όπτηση και τη μεταλλουργία συσσωμάτωσης, η ποιότητα του προϊόντος εξαρτάται από το προφίλ της θερμοκρασίας, ιδίως από το ρυθμό θέρμανσης. Στο αρχικό στάδιο της διαδικασίας θέρμανσης, το πολυμερές συνδετικό υλικό απομακρύνεται προσεκτικά μέσω θερμικής αποσύνθεσης. Αλλά η εξέλιξη του αερίου δεν πρέπει να είναι πολύ έντονη για να αποφευχθεί ο σχηματισμός μικρορωγμών και να διασφαλιστεί ότι η δομή του αρχικού υλικού δεν καταστρέφεται. Επομένως, προκειμένου να επιτευχθεί η καλύτερη ποιότητα του προϊόντος, αυτό το στάδιο θέρμανσης για την επίτευξη της αποσύνθεσης του πολυμερούς δεν πρέπει να εκτελείται πολύ γρήγορα. Από την άλλη πλευρά, η θέρμανση που είναι υπερβολικά αργή αυξάνει το χρόνο της διαδικασίας, η οποία θα μπορούσε να είναι υπερβολικά δαπανηρή και οικολογικά μη φιλική, καθώς και να αυξήσει το κόστος παραγωγής. Ο κύριος στόχος είναι να δημιουργηθεί ένα βέλτιστο προφίλ θερμοκρασίας που να έχει ισορροπημένη θέρμανση, ώστε να εξασφαλίζεται η καλύτερη ποιότητα του υλικού στο συντομότερο δυνατό χρόνο. Για να επιτευχθεί αυτό, είναι απαραίτητο να γνωρίζουμε τι συμβαίνει με το υλικό στον κλίβανο κατά τη διάρκεια της όπτησης. Συνιστάται η χρήση της μεθόδου προσομοίωσης για το ποσοστό αποκόλλησης για το δεδομένο προφίλ θερμοκρασίας του κλιβάνου. Δεδομένα για την ανάλυση Τα πολυμερή συνδετικά υλικά χάνουν μάζα κατά τη θερμική αποσύνθεση, η οποία μπορεί εύκολα να μετρηθεί με θερμοβαρυμετρία. Ωστόσο, οι χημικές αντιδράσεις είναι κινητικές διεργασίες που εξαρτώνται όχι μόνο από τη θερμοκρασία αλλά και από το χρόνο. Έτσι, σε μια σταθερή θερμοκρασία, η αντίδραση θα τρέξει και η μάζα θα αλλάξει, ωστόσο η ίδια μάζα μπορεί να προκύψει σε διαφορετικές θερμοκρασίες. Τα μόνα στοιχεία που είναι ανεξάρτητα από το προφίλ της θερμοκρασίας είναι οι χημικές ιδιότητες μιας αντίδρασης, όπως οι στοιχειομετρικοί συντελεστές, οι τάξεις αντίδρασης και οι ενέργειες ενεργοποίησης. Με ένα συνδετικό υλικό, τα συστατικά του μίγματος πολυμερούς συχνά αποσυντίθενται ανεξάρτητα το ένα από το άλλο. Στην περίπτωση αυτή, η αρχική και η τελική σύνθεση του υλικού είναι συνήθως επίσης ανεξάρτητες από το προφίλ θερμοκρασίας. Προκειμένου να βρεθούν οι παράμετροι των χημικών αντιδράσεων που είναι ανεξάρτητες από το προφίλ θερμοκρασίας, είναι απαραίτητο να πραγματοποιηθούν αρκετές εργαστηριακές θερμοβαρυτομετρικές μετρήσεις σε διαφορετικές συνθήκες θερμοκρασίας, δηλαδή σε διαφορετικούς ρυθμούς θέρμανσης. Η τυπική μορφή των θερμοβαρυτομετρικών καμπυλών για τη διάσπαση δείχνει την εξάρτηση της μετρούμενης μάζας από τη θερμοκρασία για διαφορετικούς ρυθμούς θέρμανσης. Οι μετρήσεις που παρουσιάζονται εδώ πραγματοποιήθηκαν σε όργανο NETZSCH TG 209 F1 . Κινητική ανάλυση Σε ένα πολυμερές συνδετικό υλικό, τα πολυμερή αποσυντίθενται συνήθως ανεξάρτητα το ένα από το άλλο και η μετρούμενη απώλεια μάζας παρουσιάζει την αποσύνθεση του μίγματος. Κάθε συστατικό του μείγματος μπορεί να διασπαστεί σε πολλά επιμέρους στάδια αποσύνθεσης, επομένως τα επιμέρους στάδια αυτής της διαδικασίας μπορεί να αφορούν διαφορετικά πολυμερή ή το ίδιο πολυμερές. Η κινητική ανάλυση επιτρέπει την εύρεση των κινητικών παραμέτρων της παρατηρούμενης διεργασίας, οι οποίες είναι ανεξάρτητες από το προφίλ της θερμοκρασίας. Οι παράμετροι αυτές είναι η ενέργεια ενεργοποίησης και η τάξη αντίδρασης για κάθε ορατό βήμα αποσύνθεσης, καθώς και η συμβολή κάθε βήματος αντίδρασης στη συνολική διαδικασία αποσύνθεσης. Υπάρχουν δύο διαφορετικές προσεγγίσεις για την κινητική ανάλυση των μετρούμενων δεδομένων - η πρώτη βασίζεται σε μοντέλα σύμφωνα με την πραγματική χημεία της διεργασίας και θεωρεί τη συνολική διεργασία ως το άθροισμα των ανεξάρτητων διεργασιών αποσύνθεσης διαφορετικών πολυμερών. Η αποσύνθεση κάθε πολυμερούς θεωρείται ως μια σειρά διαδοχικών μεμονωμένων βημάτων αντίδρασης. Εδώ, κάθε βήμα αντίδρασης έχει τη δική του στοιχειομετρία και ενέργεια ενεργοποίησης, οι οποίες διατηρούν σταθερές τιμές από την αρχή του βήματος αντίδρασης έως το τέλος του. Αυτή η προσέγγιση περιγράφει τη διαδικασία αποδέσμευσης ρητά και με τρόπο που είναι πολύ κοντά στην πραγματικότητα, αλλά απαιτεί χρόνο για την ανάλυση και την κατασκευή του κινητικού μοντέλου από παράλληλα και διαδοχικά βήματα αντίδρασης. Η δεύτερη, πιο προσεγγιστική προσέγγιση ονομάζεται προσέγγιση χωρίς μοντέλο, όπου η όλη διαδικασία θεωρείται ως αντίδραση ενός βήματος στην οποία η ενέργεια ενεργοποίησης και οι προεκθετικοί παράγοντες μεταβάλλονται με την πρόοδο της αντίδρασης. Αυτός ο τύπος είναι πολύ γρήγορος για μια διεργασία με διαδοχικά βήματα, αλλά έχει επίσης ορισμένους περιορισμούς, για παράδειγμα, δεν μπορεί να περιγράψει τη διάσπαση ενός μίγματος με παράλληλες αντιδράσεις ή με αντιδράσεις που έχουν σημαντική επικάλυψη. NETZSCH Το λογισμικό Kinetics Neo εξυπηρετεί και τις δύο μεθόδους ανάλυσης, γεγονός που αποτελεί πλεονέκτημα σε σχέση με τα λογισμικά μίας μεθόδου. NETZSCH Το Kinetics Neo χρησιμοποιήθηκε για την ανάλυση που παρουσιάζεται εδώ των θερμοβαρυτομετρικών δεδομένων με τη μέθοδο που βασίζεται στο μοντέλο, με το αποτέλεσμα να δείχνει ένα κινητικό μοντέλο που απεικονίζει τρία διαδοχικά βήματα αντίδρασης με τις κινητικές τους παραμέτρους. Αυτό είναι ανεξάρτητο από το πρόγραμμα θερμοκρασίας και μπορεί να χρησιμοποιηθεί για την προσομοίωση διεργασιών αποσύνθεσης για άλλα προγράμματα θερμοκρασίας που καθορίζονται από τον χρήστη. Εάν η προσομοίωση εκτελείται ακριβώς για τις ίδιες θερμοκρασίες που χρησιμοποιούνται κατά τη διάρκεια του πειράματος, τότε οι προσομοιωμένες καμπύλες πρέπει να ταιριάζουν με το πείραμα εάν το μοντέλο είναι σωστό. Αυτή η προσαρμογή φαίνεται στην εικόνα, όπου τα πειραματικά δεδομένα για διαφορετικούς ρυθμούς θέρμανσης σημειώνονται με σύμβολα και όλα τα προσομοιωμένα δεδομένα που βασίζονται στο ίδιο κινητικό μοντέλο με το ίδιο σύνολο κινητικών παραμέτρων - αλλά για διαφορετικούς ρυθμούς θέρμανσης - εμφανίζονται ως συμπαγείς καμπύλες. Αυτό σημαίνει ότι το κινητικό μοντέλο κατασκευάστηκε σωστά και οι κινητικές παράμετροι βρέθηκαν σωστές, οπότε το μοντέλο αυτό μπορεί να χρησιμοποιηθεί για τη μελλοντική μοντελοποίηση της αποσύνθεσης του συνδετικού υλικού μέσα στον κλίβανο, όπου δεν είναι δυνατή η μέτρηση της απώλειας μάζας. Πρόβλεψη και βελτιστοποίηση Το κινητικό μοντέλο που προέκυψε και αποτελείται από τρία επιμέρους διαδοχικά βήματα αντίδρασης επιτρέπει την πρόβλεψη της απώλειας μάζας για το πρόγραμμα θερμοκρασίας που δίνει ο χρήστης. Συνεπώς, η γνώση του πόσο θερμό είναι το εσωτερικό του κλιβάνου επιτρέπει την προσομοίωση της προόδου της απολίπανσης. Για παράδειγμα, το μοντέλο αυτό επιτρέπει την προσομοίωση της απώλειας μάζας του υλικού στον κλίβανο σήραγγας. Σε περίπτωση αλλαγής της θερμότητας, το λογισμικό υπολογίζει μια νέα καμπύλη απώλειας μάζας για το νέο πρόγραμμα θερμοκρασίας σε κάθε ζώνη. Ο ρυθμός αποσύνθεσης δεν εξαρτάται μόνο από τη θερμοκρασία, αλλά και από την τρέχουσα τιμή της μετατροπής. Υπό σταθερό ρυθμό θέρμανσης, υπάρχουν περιοχές στην καμπύλη απώλειας μάζας όπου η διαδικασία αυτή είναι γρήγορη και περιοχές όπου η διαδικασία είναι αργή. Αυτές οι παράμετροι με τον υψηλό ρυθμό αντίδρασης είναι οι ζώνες κινδύνου όπου η δομή του υλικού μπορεί να υποστεί βλάβη. Οι περιοχές με τον χαμηλό ρυθμό αντίδρασης οδηγούν σε αδικαιολόγητη απώλεια χρόνου και ενέργειας και, συνεπώς, σε πολύ υψηλό κόστος του τελικού προϊόντος. Για τη διαδικασία βελτιστοποίησης, είναι απαραίτητο να βρεθούν τα προφίλ θερμοκρασίας όπου ο ρυθμός απώλειας μάζας θα είναι σταθερός, προκειμένου να βρεθεί η βέλτιστη ποιότητα του προϊόντος για το συντομότερο χρονικό διάστημα. Χωρίς τη δυνατότητα προσομοίωσης, τέτοια προφίλ θερμοκρασίας θα έπρεπε να δημιουργηθούν από τον χημικό μηχανικό μέσω της μεθόδου δοκιμής και σφάλματος - αυτό θα απαιτούσε σημαντικό χρόνο και θα δημιουργούσε σημαντικό κόστος. Χρησιμοποιώντας το λογισμικό Kinetics Neo, υπολογίστηκε το νέο προφίλ θερμοκρασίας για τον δεδομένο ρυθμό απώλειας μάζας 0,05%/min. Σε βιομηχανικές διεργασίες που χαρακτηρίζονται από ορισμένους περιορισμούς στους ρυθμούς θέρμανσης, το λογισμικό αυτό μπορεί να βοηθήσει στην εύρεση του βέλτιστου προφίλ θερμοκρασίας για την επίτευξη ενός προσομοιωμένου ρυθμού απώλειας μάζας που είναι πολύ κοντά στη σταθερή τιμή. Για παράδειγμα, η γερμανική εταιρεία Haldenwanger χρειάστηκε το λογισμικό για να βελτιστοποιήσει το προφίλ θερμοκρασίας για την όπτηση κεραμικών όσον αφορά τα νέα αφρώδη κεραμικά της, η ποιότητα των οποίων είναι πολύ ευαίσθητη στον ρυθμό αποδέσμευσης. Η διαδικασία αυτή περιείχε δύο μέρη, την αποκόλληση και στη συνέχεια την πυροσυσσωμάτωση. Πραγματοποιήθηκε βελτιστοποίηση του προφίλ θερμοκρασίας και για τα δύο μέρη και ο χρόνος παραγωγής μειώθηκε κατά περισσότερο από 50%. Εφαρμογές λογισμικού κινητικής ανάλυσης Σε ένα πολυμερές συνδετικό υλικό, τα πολυμερή αποσυντίθενται συνήθως ανεξάρτητα το ένα από το άλλο και η μετρούμενη απώλεια μάζας παρουσιάζει την αποσύνθεση του μίγματος. Κάθε συστατικό του μείγματος μπορεί να διασπαστεί σε πολλά επιμέρους στάδια αποσύνθεσης, επομένως, τα επιμέρους στάδια αυτής της διαδικασίας μπορεί να αφορούν διαφορετικά πολυμερή ή το ίδιο πολυμερές. Η κινητική ανάλυση επιτρέπει την εύρεση των κινητικών παραμέτρων της παρατηρούμενης διεργασίας, οι οποίες είναι ανεξάρτητες από το προφίλ της θερμοκρασίας. Οι παράμετροι αυτές είναι η ενέργεια ενεργοποίησης και η τάξη αντίδρασης για κάθε ορατό βήμα αποσύνθεσης, καθώς και η συμβολή κάθε βήματος αντίδρασης στη συνολική διαδικασία αποσύνθεσης. Υπάρχουν δύο διαφορετικές προσεγγίσεις για την κινητική ανάλυση των μετρούμενων δεδομένων - η πρώτη βασίζεται σε μοντέλα σύμφωνα με την πραγματική χημεία της διεργασίας και θεωρεί τη συνολική διεργασία ως το άθροισμα των ανεξάρτητων διεργασιών αποσύνθεσης διαφορετικών πολυμερών. Η αποσύνθεση κάθε πολυμερούς θεωρείται ως μια σειρά διαδοχικών μεμονωμένων βημάτων αντίδρασης. Εδώ, κάθε βήμα αντίδρασης έχει τη δική του στοιχειομετρία και ενέργεια ενεργοποίησης, οι οποίες διατηρούν σταθερές τιμές από την αρχή του βήματος αντίδρασης έως το τέλος του. Αυτή η προσέγγιση περιγράφει τη διαδικασία αποδέσμευσης ρητά και με τρόπο που είναι πολύ κοντά στην πραγματικότητα, αλλά απαιτεί χρόνο για την ανάλυση και την κατασκευή του κινητικού μοντέλου από παράλληλα και διαδοχικά βήματα αντίδρασης. Η δεύτερη, πιο προσεγγιστική προσέγγιση ονομάζεται προσέγγιση χωρίς μοντέλο, όπου η όλη διαδικασία θεωρείται ως αντίδραση ενός βήματος στην οποία η ενέργεια ενεργοποίησης και οι προεκθετικοί παράγοντες μεταβάλλονται με την πρόοδο της αντίδρασης. Αυτός ο τύπος είναι πολύ γρήγορος για μια διεργασία με διαδοχικά βήματα, αλλά έχει επίσης ορισμένους περιορισμούς, για παράδειγμα, δεν μπορεί να περιγράψει τη διάσπαση ενός μίγματος με παράλληλες αντιδράσεις ή με αντιδράσεις που έχουν σημαντική επικάλυψη. NETZSCH Το λογισμικό Kinetics Neo εξυπηρετεί και τις δύο μεθόδους ανάλυσης, γεγονός που αποτελεί πλεονέκτημα σε σχέση με τα λογισμικά μίας μεθόδου. NETZSCH Το Kinetics Neo χρησιμοποιήθηκε για την ανάλυση που παρουσιάζεται εδώ των θερμοβαρυτομετρικών δεδομένων με τη μέθοδο που βασίζεται στο μοντέλο, με το αποτέλεσμα να δείχνει ένα κινητικό μοντέλο που απεικονίζει τρία διαδοχικά βήματα αντίδρασης με τις κινητικές τους παραμέτρους. Αυτό είναι ανεξάρτητο από το πρόγραμμα θερμοκρασίας και μπορεί να χρησιμοποιηθεί για την προσομοίωση διεργασιών αποσύνθεσης για άλλα προγράμματα θερμοκρασίας που καθορίζονται από τον χρήστη. Εάν η προσομοίωση εκτελείται ακριβώς για τις ίδιες θερμοκρασίες που χρησιμοποιούνται κατά τη διάρκεια του πειράματος, τότε οι προσομοιωμένες καμπύλες πρέπει να ταιριάζουν με το πείραμα εάν το μοντέλο είναι σωστό. Αυτή η προσαρμογή φαίνεται στην εικόνα, όπου τα πειραματικά δεδομένα για διαφορετικούς ρυθμούς θέρμανσης σημειώνονται με σύμβολα και όλα τα προσομοιωμένα δεδομένα που βασίζονται στο ίδιο κινητικό μοντέλο με το ίδιο σύνολο κινητικών παραμέτρων - αλλά για διαφορετικούς ρυθμούς θέρμανσης - εμφανίζονται ως συμπαγείς καμπύλες. Αυτό σημαίνει ότι το κινητικό μοντέλο κατασκευάστηκε σωστά και οι κινητικές παράμετροι βρέθηκαν σωστές, οπότε το μοντέλο αυτό μπορεί να χρησιμοποιηθεί για τη μελλοντική μοντελοποίηση της αποσύνθεσης του συνδετικού υλικού μέσα στον κλίβανο, όπου δεν είναι δυνατή η μέτρηση της απώλειας μάζας.

Πρόβλεψη και βελτιστοποίηση Το προκύπτον κινητικό μοντέλο που αποτελείται από τρία επιμέρους διαδοχικά βήματα αντίδρασης επιτρέπει την πρόβλεψη της απώλειας μάζας για το πρόγραμμα θερμοκρασίας που δίνει ο χρήστης. Συνεπώς, η γνώση του πόσο θερμό είναι το εσωτερικό του κλιβάνου επιτρέπει την προσομοίωση της προόδου της απολίπανσης. Για παράδειγμα, το μοντέλο αυτό επιτρέπει την προσομοίωση της απώλειας μάζας του υλικού στον κλίβανο σήραγγας. Σε περίπτωση αλλαγής της θερμότητας, το λογισμικό υπολογίζει μια νέα καμπύλη απώλειας μάζας για το νέο πρόγραμμα θερμοκρασίας σε κάθε ζώνη.

Ο ρυθμός αποσύνθεσης εξαρτάται όχι μόνο από τη θερμοκρασία, αλλά και από την τρέχουσα τιμή της μετατροπής. Υπό σταθερό ρυθμό θέρμανσης, υπάρχουν περιοχές στην καμπύλη απώλειας μάζας όπου η διαδικασία αυτή είναι γρήγορη και περιοχές όπου η διαδικασία είναι αργή. Αυτές οι παράμετροι με τον υψηλό ρυθμό αντίδρασης είναι οι ζώνες κινδύνου όπου η δομή του υλικού μπορεί να υποστεί βλάβη. Οι περιοχές με τον χαμηλό ρυθμό αντίδρασης οδηγούν σε αδικαιολόγητη απώλεια χρόνου και ενέργειας και, συνεπώς, σε πολύ υψηλό κόστος του τελικού προϊόντος. Για τη διαδικασία βελτιστοποίησης, είναι απαραίτητο να βρεθούν εκείνα τα προφίλ θερμοκρασίας όπου ο ρυθμός απώλειας μάζας θα είναι σταθερός, προκειμένου να βρεθεί η βέλτιστη ποιότητα του προϊόντος για το συντομότερο χρονικό διάστημα. Χωρίς τη δυνατότητα προσομοίωσης, τέτοια προφίλ θερμοκρασίας θα έπρεπε να δημιουργηθούν από τον χημικό μηχανικό μέσω της μεθόδου δοκιμής και σφάλματος - αυτό θα απαιτούσε σημαντικό χρόνο και θα δημιουργούσε σημαντικό κόστος. Χρησιμοποιώντας το λογισμικό Kinetics Neo, υπολογίστηκε το νέο προφίλ θερμοκρασίας για τον δεδομένο ρυθμό απώλειας μάζας 0,05%/min.

Σε βιομηχανικές διεργασίες που χαρακτηρίζονται από ορισμένους περιορισμούς στους ρυθμούς θέρμανσης, το λογισμικό αυτό μπορεί να βοηθήσει στην εύρεση του βέλτιστου προφίλ θερμοκρασίας για την επίτευξη ενός προσομοιωμένου ρυθμού απώλειας μάζας που είναι πολύ κοντά στη σταθερή τιμή. Για παράδειγμα, η γερμανική εταιρεία Haldenwanger χρειάστηκε το λογισμικό για να βελτιστοποιήσει το προφίλ θερμοκρασίας για την όπτηση κεραμικών όσον αφορά τα νέα αφρώδη κεραμικά της, η ποιότητα των οποίων είναι πολύ ευαίσθητη στο ρυθμό αποδέσμευσης. Η διαδικασία αυτή περιείχε δύο μέρη, την αποκόλληση και στη συνέχεια την πυροσυσσωμάτωση. Πραγματοποιήθηκε βελτιστοποίηση του προφίλ θερμοκρασίας και για τα δύο μέρη και ο χρόνος παραγωγής μειώθηκε κατά περισσότερο από 50%. Εφαρμογές λογισμικού κινητικής ανάλυσης Το πεδίο εφαρμογής της κινητικής ανάλυσης και προσομοίωσης δεν περιορίζεται στη διαδικασία αποβλίττου κατά την παραγωγή κεραμικών ή στη μεταλλουργία πυροσυσσωμάτωσης. Μια τέτοια προσομοίωση είναι απαραίτητη, για παράδειγμα, για τον προσδιορισμό της διάρκειας ζωής των υλικών συσκευασίας ή για τις διαδικασίες εντός της διαδικασίας σε υψηλές θερμοκρασίες.