Miten simuloida ja optimoida sidonnanpoistoprosesseja?

Keraamisessa poltossa ja sintterimetallurgiassa tuotteen laatu riippuu lämpötilaprofiilista ja erityisesti lämmitysnopeudesta. Kuumennusprosessin alkuvaiheessa polymeerisideaine poistetaan huolellisesti lämpöhajoamalla. Kaasun kehittymisen ei kuitenkaan pitäisi olla liian intensiivistä, jotta estetään mikrosäröjen muodostuminen ja varmistetaan, että alkuperäisen materiaalin rakenne ei tuhoudu. Siksi parhaan tuotelaadun saavuttamiseksi tätä lämmitysvaihetta polymeerin hajoamisen aikaansaamiseksi ei pitäisi suorittaa liian nopeasti. Toisaalta liian hidas kuumentaminen lisää prosessiaikaa, mikä voi olla liian kallista ja ekologisesti epäedullista sekä lisätä tuotantokustannuksia. Päätavoitteena on luoda optimaalinen lämpötilaprofiili, jossa lämmitys on tasapainossa, jotta varmistetaan parhaan laatuinen materiaali mahdollisimman lyhyessä ajassa. Tämän saavuttamiseksi on tiedettävä, mitä materiaalille tapahtuu uunissa polttamisen aikana. On suositeltavaa käyttää simulointimenetelmää, jolla määritetään hiomattomuusaste uunin tietylle lämpötilaprofiilille. Analyysitiedot Polymeerisideaineet menettävät massaa lämpöhajoamisen aikana, mikä voidaan helposti mitata termogravimetrialla. Kemialliset reaktiot ovat kuitenkin kineettisiä prosesseja, jotka riippuvat lämpötilan lisäksi myös ajasta. Niinpä vakiolämpötilassa reaktio kulkee ja massa muuttuu, mutta sama massa voi kuitenkin syntyä eri lämpötiloissa. Ainoat lämpötilaprofiilista riippumattomat seikat ovat reaktion kemialliset ominaisuudet, kuten stoikiometriset kertoimet, reaktion järjestysasteet ja aktivaatioenergiat. Sideaineen kanssa polymeeriseoksen komponentit hajoavat usein toisistaan riippumatta. Tällöin myös materiaalin alku- ja loppukoostumukset ovat yleensä riippumattomia lämpötilaprofiilista. Jotta löydettäisiin ne kemiallisten reaktioiden parametrit, jotka ovat riippumattomia lämpötilaprofiilista, on tarpeen suorittaa useita termogravimetrisiä laboratoriomittauksia eri lämpötilaolosuhteissa eli eri lämmitysnopeuksilla. Hajoamisen termogravimetristen käyrien tyypillinen muoto osoittaa lämpötilariippuvuuden mitatusta massasta eri lämmitysnopeuksilla. Tässä esitetyt mittaukset suoritettiin NETZSCH TG 209 F1 -laitteella. Kineettinen analyysi Polymeerisideaineessa polymeerit hajoavat yleensä toisistaan riippumatta, ja mitattu massahäviö kuvaa seoksen hajoamista. Kukin seoksen komponentti voi hajota useissa yksittäisissä hajoamisvaiheissa, joten tämän prosessin yksittäiset vaiheet voivat liittyä eri polymeereihin tai samaan polymeeriin. Kineettisen analyysin avulla voidaan löytää havaitun prosessin kineettiset parametrit, jotka ovat riippumattomia lämpötilaprofiilista. Nämä parametrit ovat kunkin näkyvän hajoamisvaiheen aktivoitumisenergia ja reaktiojärjestys sekä kunkin reaktiovaiheen osuus kokonaishajoamisprosessista. Mitattujen tietojen kineettiseen analyysiin on kaksi erilaista lähestymistapaa: ensimmäinen perustuu malliin prosessin todellisen kemian mukaisesti, ja siinä kokonaisprosessia tarkastellaan eri polymeerien riippumattomien hajoamisprosessien summana. Kunkin polymeerin hajoamista tarkastellaan peräkkäisten yksittäisten reaktiovaiheiden sarjana. Kullakin reaktiovaiheella on oma stoikiometriansa ja aktivoitumisenergiansa, jotka molemmat säilyttävät vakioarvot reaktiovaiheen alusta sen loppuun. Tämä lähestymistapa kuvaa irrotusprosessia eksplisiittisesti ja hyvin lähellä todellisuutta olevalla tavalla, mutta se vaatii aikaa analyysiin ja kineettisen mallin rakentamiseen rinnakkaisista ja peräkkäisistä reaktiovaiheista. Toista, likimääräisempää lähestymistapaa kutsutaan mallittomaksi lähestymistavaksi, jossa koko prosessia tarkastellaan yksivaiheisena reaktiona, jossa aktivoitumisenergia ja esieksponentiaalikertoimet muuttuvat reaktion edetessä. Tämä tyyppi on erittäin nopea prosessissa, jossa on peräkkäisiä vaiheita, mutta sillä on myös joitakin rajoituksia, esimerkiksi se ei pysty kuvaamaan seoksen hajoamista, jossa on rinnakkaisia reaktioita tai reaktioita, joissa on huomattavaa päällekkäisyyttä. NETZSCH Kinetics Neo -ohjelmisto palvelee molempia analyysimenetelmiä, mikä on etu verrattuna yhden menetelmän ohjelmistoihin. NETZSCH Kinetics Neo -ohjelmistoa käytettiin tässä esitetyssä termogravimetristen tietojen analyysissä mallipohjaisella menetelmällä, ja tuloksena saatiin kineettinen malli, joka kuvaa kolmea peräkkäistä reaktiovaihetta kineettisine parametreineen. Tämä on riippumaton lämpötilaohjelmasta, ja sitä voidaan käyttää hajoamisprosessien simulointiin muille käyttäjän määrittämille lämpötilaohjelmille. Jos simulointi suoritetaan täsmälleen samoille lämpötiloille, joita käytettiin kokeen aikana, simuloitujen käyrien on vastattava koetta, jos malli on oikea. Tämä sopivuus näkyy kuvassa, jossa eri lämmitysnopeuksilla saadut kokeelliset tiedot on merkitty symboleilla ja kaikki simuloidut tiedot, jotka perustuvat samaan kineettiseen malliin ja samoihin kineettisiin parametreihin - mutta eri lämmitysnopeuksilla - esitetään yhtenäisinä käyrästöinä. Tämä tarkoittaa, että kineettinen malli on rakennettu oikein ja kineettiset parametrit on todettu oikeiksi, joten tätä mallia voidaan käyttää tulevaisuudessa mallintamaan sideaineen hajoamista uunin sisällä, kun massahäviötä ei ole mahdollista mitata. Ennustaminen ja optimointi Saatu kineettinen malli, joka koostuu kolmesta yksittäisestä peräkkäisestä reaktiovaiheesta, mahdollistaa massahäviön ennustamisen käyttäjän antamalla lämpötilaohjelmalla. Kun tiedetään, kuinka kuuma uunissa on, voidaan simuloida sidoksenpoiston etenemistä. Tämän mallin avulla voidaan esimerkiksi simuloida materiaalin massahäviötä tunneliuunissa. Lämpötilan muuttuessa ohjelmisto laskee uuden massahäviökäyrän uutta lämpötilaohjelmaa varten kullakin vyöhykkeellä. Hajoamisnopeus ei riipu ainoastaan lämpötilasta vaan myös muuntamisen nykyisestä arvosta. Kun lämmitysnopeus on vakio, massahäviökäyrässä on alueita, joilla tämä prosessi on nopea, ja alueita, joilla prosessi on hidas. Ne parametrit, joissa reaktionopeus on suuri, ovat riskialueita, joilla materiaalin rakenne voi vaurioitua. Alueet, joilla reaktionopeus on alhainen, johtavat kohtuuttomiin aikahäviöihin ja energiahäviöihin ja siten siihen, että lopputuotteen kustannukset ovat liian korkeat. Optimointiprosessia varten on löydettävä ne lämpötilaprofiilit, joissa massahäviönopeus on vakio, jotta tuotteen laatu olisi optimaalinen mahdollisimman lyhyessä ajassa. Ilman simulointimahdollisuutta kemiantekniikan insinöörin olisi luotava tällaiset lämpötilaprofiilit kokeilemalla ja erehtymällä - tämä vaatisi paljon aikaa ja aiheuttaisi huomattavia kustannuksia. Uusi lämpötilaprofiili laskettiin Kinetics Neo -ohjelmiston avulla annetulle massahäviönopeudelle 0,05 %/min. Teollisissa prosesseissa, joille on ominaista lämmitysnopeuden rajoitukset, tämä ohjelmisto voi auttaa löytämään optimaalisen lämpötilaprofiilin, jolla saadaan simuloitu massahäviö, joka on hyvin lähellä vakioarvoa. Esimerkiksi saksalainen Haldenwanger-yritys tarvitsi ohjelmistoa optimoidakseen lämpötilaprofiilin keramiikan polttoa varten uuden vaahtokeramiikkansa osalta, jonka laatu on hyvin herkkä irrotusnopeudelle. Prosessi koostui kahdesta osasta, joista toinen oli irrotus ja toinen SintrausSintraus on tuotantoprosessi, jossa keraamisesta tai metallijauheesta muodostetaan mekaanisesti luja kappale. sintraus. Lämpötilaprofiili optimoitiin molempien osien osalta, ja tuotantoaika lyheni yli 50 prosenttia. Kineettisen analyysin ohjelmistosovellukset Polymeerisideaineessa polymeerit hajoavat yleensä toisistaan riippumatta, ja mitattu massahäviö esittää seoksen hajoamisen. Kukin seoksen komponentti voi hajota useissa yksittäisissä hajoamisvaiheissa, joten tämän prosessin yksittäiset vaiheet voivat liittyä eri polymeereihin tai samaan polymeeriin. Kineettisen analyysin avulla voidaan löytää havaitun prosessin kineettiset parametrit, jotka ovat riippumattomia lämpötilaprofiilista. Nämä parametrit ovat kunkin näkyvän hajoamisvaiheen aktivoitumisenergia ja reaktiojärjestys sekä kunkin reaktiovaiheen osuus kokonaishajoamisprosessista. Mitattujen tietojen kineettiseen analyysiin on kaksi erilaista lähestymistapaa: ensimmäinen perustuu malliin prosessin todellisen kemian mukaisesti, ja siinä kokonaisprosessia tarkastellaan eri polymeerien riippumattomien hajoamisprosessien summana. Kunkin polymeerin hajoamista tarkastellaan peräkkäisten yksittäisten reaktiovaiheiden sarjana. Kullakin reaktiovaiheella on oma stoikiometriansa ja aktivoitumisenergiansa, jotka molemmat säilyttävät vakioarvot reaktiovaiheen alusta sen loppuun. Tämä lähestymistapa kuvaa irrotusprosessia eksplisiittisesti ja hyvin lähellä todellisuutta olevalla tavalla, mutta se vaatii aikaa analyysiin ja kineettisen mallin rakentamiseen rinnakkaisista ja peräkkäisistä reaktiovaiheista. Toista, likimääräisempää lähestymistapaa kutsutaan mallittomaksi lähestymistavaksi, jossa koko prosessia tarkastellaan yksivaiheisena reaktiona, jossa aktivoitumisenergia ja esieksponentiaalikertoimet muuttuvat reaktion edetessä. Tämä tyyppi on erittäin nopea prosessissa, jossa on peräkkäisiä vaiheita, mutta sillä on myös joitakin rajoituksia, esimerkiksi se ei pysty kuvaamaan seoksen hajoamista, jossa on rinnakkaisia reaktioita tai reaktioita, joissa on huomattavaa päällekkäisyyttä. NETZSCH Kinetics Neo -ohjelmisto palvelee molempia analyysimenetelmiä, mikä on etu verrattuna yhden menetelmän ohjelmistoihin. NETZSCH Kinetics Neo -ohjelmistoa käytettiin tässä esitetyssä termogravimetristen tietojen analyysissä mallipohjaisella menetelmällä, ja tuloksena saatiin kineettinen malli, joka kuvaa kolmea peräkkäistä reaktiovaihetta kineettisine parametreineen. Tämä on riippumaton lämpötilaohjelmasta, ja sitä voidaan käyttää hajoamisprosessien simulointiin muille käyttäjän määrittämille lämpötilaohjelmille. Jos simulointi suoritetaan täsmälleen samoille lämpötiloille, joita käytettiin kokeen aikana, simuloitujen käyrien on vastattava koetta, jos malli on oikea. Tämä sopivuus näkyy kuvassa, jossa eri lämmitysnopeuksilla saadut kokeelliset tiedot on merkitty symboleilla ja kaikki simuloidut tiedot, jotka perustuvat samaan kineettiseen malliin ja samoihin kineettisiin parametreihin - mutta eri lämmitysnopeuksilla - esitetään yhtenäisinä käyrästöinä. Tämä tarkoittaa, että kineettinen malli on rakennettu oikein ja kineettiset parametrit on todettu oikeiksi, joten tätä mallia voidaan käyttää tulevaisuudessa mallintamaan sideaineen hajoamista uunin sisällä, kun massahäviötä ei ole mahdollista mitata.

Ennustaminen ja optimointi Saatu kineettinen malli, joka koostuu kolmesta yksittäisestä peräkkäisestä reaktiovaiheesta, mahdollistaa massahäviön ennustamisen käyttäjän antamalla lämpötilaohjelmalla. Kun tiedetään, kuinka kuumaa uunissa on, voidaan siis simuloida hiokkeenpoiston etenemistä. Tämän mallin avulla voidaan esimerkiksi simuloida materiaalin massahäviötä tunneliuunissa. Lämpötilan muuttuessa ohjelmisto laskee uuden massahäviökäyrän uutta lämpötilaohjelmaa varten kullakin vyöhykkeellä.

Hajoamisnopeus ei riipu ainoastaan lämpötilasta vaan myös muuntamisen nykyarvosta. Kun lämmitysnopeus on vakio, massahäviökäyrässä on alueita, joilla tämä prosessi on nopea, ja alueita, joilla prosessi on hidas. Ne parametrit, joissa reaktionopeus on suuri, ovat riskialueita, joilla materiaalin rakenne voi vaurioitua. Alueet, joilla reaktionopeus on alhainen, johtavat kohtuuttomiin aikahäviöihin ja energiahäviöihin ja siten siihen, että lopputuotteen kustannukset ovat liian korkeat. Optimointiprosessia varten on löydettävä ne lämpötilaprofiilit, joissa massahäviönopeus on vakio, jotta voidaan löytää optimaalinen tuotteen laatu mahdollisimman lyhyessä ajassa. Ilman simulointimahdollisuutta kemiantekniikan insinöörin olisi luotava tällaiset lämpötilaprofiilit kokeilemalla ja erehtymällä - tämä vaatisi paljon aikaa ja aiheuttaisi huomattavia kustannuksia. Uusi lämpötilaprofiili laskettiin Kinetics Neo -ohjelmiston avulla annetulle massahäviönopeudelle 0,05 %/min.

Teollisissa prosesseissa, joille on ominaista lämmitysnopeuden rajoitukset, tämä ohjelmisto voi auttaa löytämään optimaalisen lämpötilaprofiilin, jonka avulla saadaan simuloitu massahäviö, joka on hyvin lähellä vakioarvoa. Esimerkiksi saksalainen Haldenwanger-yritys tarvitsi ohjelmistoa optimoidakseen lämpötilaprofiilin keramiikan polttoa varten uuden vaahtokeramiikkansa osalta, jonka laatu on hyvin herkkä irrotusnopeudelle. Prosessi koostui kahdesta osasta, joista toinen oli irrotus ja toinen SintrausSintraus on tuotantoprosessi, jossa keraamisesta tai metallijauheesta muodostetaan mekaanisesti luja kappale. sintraus. Lämpötilaprofiili optimoitiin molemmille osille, ja tuotantoaika lyheni yli 50 %. Kineettisen analyysin ohjelmistosovellukset Kineettisen analyysin ja simuloinnin sovelluskenttä ei rajoitu ainoastaan keramiikan valmistuksen aikana tapahtuvaan hiomattomuusprosessiin tai sintrausmetallurgiaan. Tällaista simulointia tarvitaan esimerkiksi pakkausmateriaalien käyttöiän määrittämisessä tai prosessin sisäisissä toiminnoissa korkeissa lämpötiloissa.