Cómo simular y optimizar los procesos de desaglomerado

En la cocción de cerámica y la metalurgia de SinterizaciónLa sinterización es un proceso de producción para formar un cuerpo mecánicamente resistente a partir de un polvo cerámico o metálico. sinterización, la calidad del producto depende del perfil de temperatura, en particular de la velocidad de calentamiento. En la fase inicial del proceso de calentamiento, el aglutinante polimérico se elimina cuidadosamente mediante Reacción de descomposiciónUna reacción de descomposición es una reacción inducida térmicamente de un compuesto químico que forma productos sólidos y/o gaseosos. descomposición térmica. Pero la evolución del gas no debe ser demasiado intensa para evitar la formación de microfisuras y garantizar que no se destruya la estructura del material original. Por lo tanto, para obtener la mejor calidad del producto, esta etapa de calentamiento para lograr la Reacción de descomposiciónUna reacción de descomposición es una reacción inducida térmicamente de un compuesto químico que forma productos sólidos y/o gaseosos. descomposición del polímero no debe realizarse con demasiada rapidez. Por otra parte, un calentamiento excesivamente lento aumenta el tiempo del proceso, lo que podría resultar excesivamente caro y poco ecológico, además de incrementar los costes de producción. El objetivo principal es crear un perfil de temperatura óptimo con un calentamiento equilibrado para garantizar la mejor calidad del material en el menor tiempo posible. Para conseguirlo, es necesario saber qué ocurre con el material en el horno durante la cocción. Se recomienda utilizar el método de simulación para la tasa de desligado para el perfil de temperatura dado del horno. Datos para el análisis Los aglutinantes poliméricos pierden masa durante la Reacción de descomposiciónUna reacción de descomposición es una reacción inducida térmicamente de un compuesto químico que forma productos sólidos y/o gaseosos. descomposición térmica, lo que puede medirse fácilmente mediante termogravimetría. Sin embargo, las reacciones químicas son procesos cinéticos que dependen no sólo de la temperatura, sino también del tiempo. Así, a una temperatura constante, la reacción se desarrollará y la masa cambiará, pero la misma masa puede producirse a diferentes temperaturas. Los únicos elementos independientes del perfil de temperatura son las propiedades químicas de una reacción, como los coeficientes estequiométricos, los órdenes de reacción y las energías de activación. Con un aglutinante, los componentes de la mezcla polimérica suelen descomponerse independientemente unos de otros. En este caso, las composiciones inicial y final del material suelen ser también independientes del perfil de temperatura. Para encontrar los parámetros de las reacciones químicas que son independientes del perfil de temperatura, es necesario realizar varias mediciones termogravimétricas de laboratorio en diferentes condiciones de temperatura, es decir, con diferentes velocidades de calentamiento. La forma típica de las curvas termogravimétricas de Reacción de descomposiciónUna reacción de descomposición es una reacción inducida térmicamente de un compuesto químico que forma productos sólidos y/o gaseosos. descomposición muestra la dependencia de la temperatura de la masa medida para diferentes velocidades de calentamiento. Las mediciones aquí presentadas se realizaron en un instrumento NETZSCH TG 209 F1 . Análisis cinético En un aglutinante polimérico, los polímeros suelen descomponerse independientemente unos de otros, y la pérdida de masa medida presenta la Reacción de descomposiciónUna reacción de descomposición es una reacción inducida térmicamente de un compuesto químico que forma productos sólidos y/o gaseosos. descomposición de la mezcla. Cada componente de la mezcla puede descomponerse en varias etapas individuales de descomposición, por lo que las etapas individuales de este proceso pueden pertenecer a los distintos polímeros o al mismo polímero. El análisis cinético permite hallar los parámetros cinéticos del proceso observado, que son independientes del perfil de temperatura. Estos parámetros son la energía de activación y el orden de reacción para cada paso de descomposición visible, así como la contribución de cada paso de reacción al proceso de descomposición total. Existen dos enfoques diferentes para el análisis cinético de los datos medidos: el primero se basa en un modelo acorde con la química real del proceso y considera el proceso total como la suma de los procesos de descomposición independientes de los distintos polímeros. La descomposición de cada polímero se considera como una serie de pasos de reacción individuales consecutivos. Aquí, cada paso de reacción tiene su propia estequiometría y energía de activación, las cuales mantienen valores constantes desde el principio del paso de reacción hasta su final. Este enfoque describe el proceso de desligado de forma explícita y muy cercana a la realidad, pero requiere tiempo para el análisis y la construcción del modelo cinético a partir de pasos de reacción paralelos y consecutivos. El segundo enfoque, más aproximado, se denomina sin modelo, en el que todo el proceso se considera como una reacción de un solo paso en la que la energía de activación y los factores preexponenciales cambian con el progreso de la reacción. Este tipo es muy rápido para un proceso con pasos consecutivos, pero también tiene algunas restricciones, por ejemplo, no puede describir la descomposición de una mezcla con reacciones paralelas o con reacciones que tienen un solapamiento significativo. NETZSCH El software Kinetics Neo sirve para ambos métodos de análisis, lo que supone una ventaja sobre los softwares de método único. NETZSCH Kinetics Neo fue utilizado para el análisis mostrado aquí de datos termogravimétricos por el método basado en modelos, con el resultado mostrando un modelo cinético que retrata tres pasos de reacción consecutivos con sus parámetros cinéticos. Esto es independiente del programa de temperatura, y puede utilizarse para la simulación de procesos de descomposición para otros programas de temperatura definidos por el usuario. Si la simulación se realiza exactamente para las mismas temperaturas utilizadas durante el experimento, entonces las curvas simuladas deben ajustarse al experimento si el modelo es correcto. Este ajuste se ve en la imagen, donde los datos experimentales para diferentes velocidades de calentamiento están marcados con símbolos, y todos los datos simulados basados en el mismo modelo cinético con el mismo conjunto de parámetros cinéticos - pero para diferentes velocidades de calentamiento - se muestran como las curvas sólidas. Esto significa que el modelo cinético se construyó correctamente y que los parámetros cinéticos resultaron ser correctos, por lo que este modelo puede utilizarse para la futura modelización de la descomposición del ligante en el interior del horno, donde no es posible medir la pérdida de masa. Predicción y optimización El modelo cinético obtenido, que consta de tres pasos de reacción individuales consecutivos, permite predecir la pérdida de masa para el programa de temperatura dado por el usuario. Por lo tanto, conocer la temperatura en el interior del horno permite simular el progreso del desaglomerado. Por ejemplo, este modelo permite simular la pérdida de masa del material en el horno túnel. En caso de cambio de calor, el software calcula una nueva curva de pérdida de masa para el nuevo programa de temperatura en cada zona. La velocidad de descomposición no sólo depende de la temperatura, sino también del valor actual de la conversión. Bajo una velocidad de calentamiento constante, existen rangos en la curva de pérdida de masa en los que este proceso es rápido y rangos en los que el proceso es lento. Esos parámetros con la velocidad de reacción alta son las zonas de riesgo en las que la estructura del material puede resultar dañada. Los rangos con la velocidad de reacción baja provocan una pérdida de tiempo y de energía desmesuradas y, por tanto, unos costes del producto final demasiado elevados. Para el proceso de optimización, es necesario encontrar aquellos perfiles de temperatura en los que la tasa de pérdida de masa sea constante, con el fin de encontrar la calidad óptima del producto en el menor tiempo posible. Sin la posibilidad de simulación, estos perfiles de temperatura tendrían que ser creados por el ingeniero químico mediante el método de ensayo y error, lo que requeriría un tiempo considerable y generaría costes sustanciales. Utilizando el software Kinetics Neo, se calculó el nuevo perfil de temperatura para la tasa de pérdida de masa dada de 0,05%/min. En procesos industriales caracterizados por ciertas restricciones en las velocidades de calentamiento, este software puede ayudar a encontrar el perfil de temperatura óptimo para obtener una tasa de pérdida de masa simulada muy próxima al valor constante. Por ejemplo, la empresa alemana Haldenwanger necesitó el software para optimizar el perfil de temperatura para la cocción de cerámica en relación con su nueva cerámica de espuma, cuya calidad es muy sensible a la velocidad de desencolado. Este proceso consta de dos partes: el DesbobinadoEl descascarillado es una de las principales etapas de producción en las industrias cerámica y pulvimetalúrgica. Se refiere a la eliminación térmica o catalítica de los aditivos utilizados en las fases previas a la producción, como la fundición.desbobinado y la SinterizaciónLa sinterización es un proceso de producción para formar un cuerpo mecánicamente resistente a partir de un polvo cerámico o metálico. sinterización. Se llevó a cabo la optimización del perfil de temperatura para ambas partes y el tiempo de producción se redujo en más de un 50%. Aplicaciones del software de análisis cinético En un aglutinante polimérico, los polímeros suelen descomponerse independientemente unos de otros, y la pérdida de masa medida presenta la descomposición de la mezcla. Cada componente de la mezcla puede descomponerse en varios pasos individuales de descomposición, por lo que los pasos individuales de este proceso pueden pertenecer a los diferentes polímeros o al mismo polímero. El análisis cinético permite hallar los parámetros cinéticos del proceso observado, que son independientes del perfil de temperatura. Estos parámetros son la energía de activación y el orden de reacción para cada paso de descomposición visible, así como la contribución de cada paso de reacción al proceso de descomposición total. Existen dos enfoques diferentes para el análisis cinético de los datos medidos: el primero se basa en un modelo acorde con la química real del proceso y considera el proceso total como la suma de los procesos de descomposición independientes de los distintos polímeros. La descomposición de cada polímero se considera como una serie de pasos de reacción individuales consecutivos. Aquí, cada paso de reacción tiene su propia estequiometría y energía de activación, las cuales mantienen valores constantes desde el principio del paso de reacción hasta su final. Este enfoque describe el proceso de desligado de forma explícita y muy cercana a la realidad, pero requiere tiempo para el análisis y la construcción del modelo cinético a partir de pasos de reacción paralelos y consecutivos. El segundo enfoque, más aproximado, se denomina sin modelo, en el que todo el proceso se considera como una reacción de un solo paso en la que la energía de activación y los factores preexponenciales cambian con el progreso de la reacción. Este tipo es muy rápido para un proceso con pasos consecutivos, pero también tiene algunas restricciones, por ejemplo, no puede describir la descomposición de una mezcla con reacciones paralelas o con reacciones que tienen un solapamiento significativo. NETZSCH El software Kinetics Neo sirve para ambos métodos de análisis, lo que supone una ventaja sobre los softwares de método único. NETZSCH Kinetics Neo fue utilizado para el análisis mostrado aquí de datos termogravimétricos por el método basado en modelos, con el resultado mostrando un modelo cinético que retrata tres pasos de reacción consecutivos con sus parámetros cinéticos. Esto es independiente del programa de temperatura, y puede utilizarse para la simulación de procesos de descomposición para otros programas de temperatura definidos por el usuario. Si la simulación se realiza exactamente para las mismas temperaturas utilizadas durante el experimento, entonces las curvas simuladas deben ajustarse al experimento si el modelo es correcto. Este ajuste se ve en la imagen, donde los datos experimentales para diferentes velocidades de calentamiento están marcados con símbolos, y todos los datos simulados basados en el mismo modelo cinético con el mismo conjunto de parámetros cinéticos - pero para diferentes velocidades de calentamiento - se muestran como las curvas sólidas. Esto significa que el modelo cinético se construyó correctamente y que los parámetros cinéticos resultaron ser correctos, por lo que este modelo puede utilizarse para la futura modelización de la descomposición del ligante en el interior del horno, donde no es posible medir la pérdida de masa.

Predicción y optimización El modelo cinético obtenido, consistente en tres pasos de reacción individuales consecutivos, permite predecir la pérdida de masa para el programa de temperatura dado por el usuario. Por lo tanto, conocer el calor que hace en el interior del horno permite simular el progreso del desaglomerado. Por ejemplo, este modelo permite simular la pérdida de masa del material en el horno túnel. En caso de cambio de calor, el programa calcula una nueva curva de pérdida de masa para el nuevo programa de temperatura en cada zona.

La velocidad de descomposición depende no sólo de la temperatura, sino también del valor actual de la conversión. Bajo una velocidad de calentamiento constante, existen rangos en la curva de pérdida de masa en los que este proceso es rápido y rangos en los que el proceso es lento. Esos parámetros con la velocidad de reacción alta son las zonas de riesgo en las que la estructura del material puede resultar dañada. Los rangos con la velocidad de reacción baja provocan una pérdida de tiempo y de energía desmesuradas y, por tanto, unos costes del producto final demasiado elevados. Para el proceso de optimización, es necesario encontrar aquellos perfiles de temperatura en los que la tasa de pérdida de masa sea constante, con el fin de encontrar la calidad óptima del producto en el menor tiempo posible. Sin la posibilidad de simulación, estos perfiles de temperatura tendrían que ser creados por el ingeniero químico mediante el método de ensayo y error, lo que requeriría un tiempo considerable y generaría costes sustanciales. Utilizando el software Kinetics Neo, se calculó el nuevo perfil de temperatura para la tasa de pérdida de masa dada de 0,05%/min.

En procesos industriales caracterizados por ciertas restricciones en las tasas de calentamiento, este software puede ayudar a encontrar el perfil de temperatura óptimo para obtener una tasa de pérdida de masa simulada muy próxima al valor constante. Por ejemplo, la empresa alemana Haldenwanger necesitó el software para optimizar el perfil de temperatura para la cocción de cerámica en relación con su nueva cerámica de espuma, cuya calidad es muy sensible a la tasa de desaglomerado. Este proceso constaba de dos partes: el DesbobinadoEl descascarillado es una de las principales etapas de producción en las industrias cerámica y pulvimetalúrgica. Se refiere a la eliminación térmica o catalítica de los aditivos utilizados en las fases previas a la producción, como la fundición.desbobinado y la SinterizaciónLa sinterización es un proceso de producción para formar un cuerpo mecánicamente resistente a partir de un polvo cerámico o metálico. sinterización. Se llevó a cabo la optimización del perfil de temperatura para ambas partes y el tiempo de producción se redujo en más de un 50%. Aplicaciones del software de análisis cinético El campo de aplicación del análisis cinético y la simulación no se limita al proceso de desaglomerado durante la producción de cerámica o en la metalurgia de la SinterizaciónLa sinterización es un proceso de producción para formar un cuerpo mecánicamente resistente a partir de un polvo cerámico o metálico. sinterización. Dicha simulación es necesaria, por ejemplo, para determinar la vida útil de los materiales de envasado o para operaciones en proceso a altas temperaturas.