Comment simuler et optimiser les processus de déliantage

Dans la cuisson des céramiques et la métallurgie des frittes, la qualité du produit dépend du profil de température, en particulier de la vitesse de chauffage. Au cours de la phase initiale du processus de chauffage, le liant polymère est soigneusement éliminé par décomposition thermique. Mais l'évolution du gaz ne doit pas être trop intensive pour éviter la formation de microfissures et garantir que la structure du matériau d'origine n'est pas détruite. Par conséquent, afin d'obtenir la meilleure qualité de produit, cette étape de chauffage pour obtenir la décomposition du polymère ne doit pas être effectuée trop rapidement. D'autre part, un chauffage trop lent augmente la durée du processus, ce qui pourrait s'avérer trop coûteux et peu écologique, tout en augmentant les coûts de production. L'objectif principal est de créer un profil de température optimal avec un chauffage équilibré pour garantir la meilleure qualité de matériau dans le temps le plus court. Pour y parvenir, il est nécessaire de savoir ce qui se passe avec le matériau dans le four pendant la cuisson. Il est recommandé d'utiliser la méthode de simulation du taux de déliantage pour un profil de température donné du four. Données d'analyse Les liants polymères perdent de la masse lors de la décomposition thermique, ce qui peut être facilement mesuré par thermogravimétrie. Cependant, les réactions chimiques sont des processus cinétiques qui dépendent non seulement de la température mais aussi du temps. Ainsi, à température constante, la réaction se déroule et la masse change, mais la même masse peut se produire à des températures différentes. Les seuls éléments indépendants du profil de température sont les propriétés chimiques d'une réaction, telles que les coefficients stœchiométriques, les ordres de réaction et les énergies d'activation. Avec un liant, les composants du mélange de polymères se décomposent souvent indépendamment les uns des autres. Dans ce cas, les compositions initiale et finale du matériau sont généralement indépendantes du profil de température. Afin de trouver les paramètres des réactions chimiques qui sont indépendants du profil de température, il est nécessaire d'effectuer plusieurs mesures thermogravimétriques en laboratoire dans différentes conditions de température, c'est-à-dire à différentes vitesses de chauffage. La forme typique des courbes thermogravimétriques de décomposition montre la dépendance de la température sur la masse mesurée pour différentes vitesses de chauffage. Les mesures présentées ici ont été effectuées sur un appareil NETZSCH TG 209 F1 . Analyse cinétique Dans un liant polymère, les polymères se décomposent généralement indépendamment les uns des autres, et la perte de masse mesurée représente la décomposition du mélange. Chaque composant du mélange peut se décomposer en plusieurs étapes individuelles, de sorte que les différentes étapes de ce processus peuvent concerner les différents polymères ou le même polymère. L'analyse cinétique permet de trouver les paramètres cinétiques du processus observé, qui sont indépendants du profil de température. Ces paramètres sont l'énergie d'activation et l'ordre de réaction pour chaque étape de décomposition visible, ainsi que la contribution de chaque étape de réaction au processus de décomposition total. Il existe deux approches différentes pour l'analyse cinétique des données mesurées - la première est basée sur un modèle conforme à la chimie réelle du processus et considère le processus total comme la somme des processus de décomposition indépendants des différents polymères. La décomposition de chaque polymère est considérée comme une série d'étapes réactionnelles individuelles consécutives. Ici, chaque étape de réaction a sa propre stœchiométrie et son énergie d'activation, qui conservent toutes deux des valeurs constantes du début à la fin de l'étape de réaction. Cette approche décrit le processus de déliantage de manière explicite et très proche de la réalité, mais elle nécessite du temps pour l'analyse et la construction du modèle cinétique à partir d'étapes de réaction parallèles et consécutives. La seconde approche, plus approximative, est dite sans modèle, dans laquelle l'ensemble du processus est considéré comme une réaction en une étape dans laquelle l'énergie d'activation et les facteurs pré-exponentiels changent en fonction de l'avancement de la réaction. Ce type d'approche est très rapide pour un processus avec des étapes consécutives, mais présente également certaines restrictions. Par exemple, il ne peut pas décrire la décomposition d'un mélange avec des réactions parallèles ou avec des réactions qui se chevauchent de manière significative. NETZSCH Le logiciel Kinetics Neo utilise les deux méthodes d'analyse, ce qui est un avantage par rapport aux logiciels à méthode unique. NETZSCH Kinetics Neo a été utilisé pour l'analyse présentée ici des données thermogravimétriques par la méthode basée sur un modèle, le résultat montrant un modèle cinétique décrivant trois étapes de réaction consécutives avec leurs paramètres cinétiques. Ce modèle est indépendant du programme de température et peut être utilisé pour la simulation des processus de décomposition pour d'autres programmes de température définis par l'utilisateur. Si la simulation est effectuée exactement pour les mêmes températures que celles utilisées pendant l'expérience, les courbes simulées doivent correspondre à l'expérience si le modèle est correct. Cet ajustement est visible sur l'image, où les données expérimentales pour différentes vitesses de chauffage sont marquées par des symboles, et toutes les données simulées basées sur le même modèle cinétique avec le même ensemble de paramètres cinétiques - mais pour différentes vitesses de chauffage - sont représentées par des courbes pleines. Cela signifie que le modèle cinétique a été construit correctement et que les paramètres cinétiques se sont avérés corrects, de sorte que ce modèle peut être utilisé pour la modélisation future de la décomposition du liant à l'intérieur du four lorsqu'il n'est pas possible de mesurer la perte de masse. Prévision et optimisation Le modèle cinétique obtenu, composé de trois étapes de réaction individuelles consécutives, permet de prédire la perte de masse pour le programme de température donné par l'utilisateur. Par conséquent, le fait de connaître la température à l'intérieur du four permet de simuler la progression du déliantage. Par exemple, ce modèle permet de simuler la perte de masse du matériau dans le four tunnel. En cas de changement de chaleur, le logiciel calcule une nouvelle courbe de perte de masse pour le nouveau programme de température dans chaque zone. La vitesse de décomposition dépend non seulement de la température, mais aussi de la valeur actuelle de la conversion. Lorsque la vitesse de chauffage est constante, la courbe de perte de masse comporte des plages où le processus est rapide et d'autres où il est lent. Les paramètres présentant un taux de réaction élevé sont les zones à risque où la structure du matériau peut être endommagée. Les plages où la vitesse de réaction est faible entraînent une perte de temps et d'énergie déraisonnable, et donc des coûts trop élevés pour le produit final. Pour le processus d'optimisation, il est nécessaire de trouver les profils de température où le taux de perte de masse sera constant, afin d'obtenir une qualité de produit optimale en un minimum de temps. Sans la possibilité de simulation, ces profils de température devraient être créés par l'ingénieur chimiste par la méthode de l'essai et de l'erreur, ce qui prendrait un temps considérable et engendrerait des coûts importants. Le logiciel Kinetics Neo a permis de calculer le nouveau profil de température pour un taux de perte de masse donné de 0,05 %/min. Dans les procédés industriels caractérisés par certaines restrictions dans les taux de chauffage, ce logiciel peut aider à trouver le profil de température optimal pour obtenir un taux de perte de masse simulé très proche de la valeur constante. Par exemple, la société allemande Haldenwanger a eu besoin du logiciel pour optimiser le profil de température pour la cuisson des céramiques en ce qui concerne ses nouvelles céramiques alvéolaires, dont la qualité est très sensible au taux de déliantage. Ce processus comporte deux parties : le déliantage et le FrittageLe frittage est un procédé de production permettant de former un corps mécaniquement résistant à partir d'une poudre céramique ou métallique. frittage. L'optimisation du profil de température a été réalisée pour les deux parties et le temps de production a été réduit de plus de 50 %. Applications du logiciel d'analyse cinétique Dans un liant polymère, les polymères se décomposent généralement indépendamment les uns des autres, et la perte de masse mesurée représente la décomposition du mélange. Chaque composant du mélange peut se décomposer en plusieurs étapes individuelles, et les étapes individuelles de ce processus peuvent donc concerner les différents polymères ou le même polymère. L'analyse cinétique permet de trouver les paramètres cinétiques du processus observé, qui sont indépendants du profil de température. Ces paramètres sont l'énergie d'activation et l'ordre de réaction pour chaque étape de décomposition visible, ainsi que la contribution de chaque étape de réaction au processus de décomposition total. Il existe deux approches différentes pour l'analyse cinétique des données mesurées - la première est basée sur un modèle conforme à la chimie réelle du processus et considère le processus total comme la somme des processus de décomposition indépendants des différents polymères. La décomposition de chaque polymère est considérée comme une série d'étapes réactionnelles individuelles consécutives. Ici, chaque étape de réaction a sa propre stœchiométrie et son énergie d'activation, qui conservent toutes deux des valeurs constantes du début à la fin de l'étape de réaction. Cette approche décrit le processus de déliantage de manière explicite et très proche de la réalité, mais elle nécessite du temps pour l'analyse et la construction du modèle cinétique à partir d'étapes de réaction parallèles et consécutives. La seconde approche, plus approximative, est dite sans modèle, dans laquelle l'ensemble du processus est considéré comme une réaction en une étape dans laquelle l'énergie d'activation et les facteurs pré-exponentiels changent en fonction de la progression de la réaction. Ce type d'approche est très rapide pour un processus avec des étapes consécutives, mais présente également certaines restrictions. Par exemple, il ne peut pas décrire la décomposition d'un mélange avec des réactions parallèles ou avec des réactions qui se chevauchent de manière significative. NETZSCH Le logiciel Kinetics Neo utilise les deux méthodes d'analyse, ce qui est un avantage par rapport aux logiciels à méthode unique. NETZSCH Kinetics Neo a été utilisé pour l'analyse présentée ici des données thermogravimétriques par la méthode basée sur un modèle, le résultat montrant un modèle cinétique décrivant trois étapes de réaction consécutives avec leurs paramètres cinétiques. Ce modèle est indépendant du programme de température et peut être utilisé pour la simulation des processus de décomposition pour d'autres programmes de température définis par l'utilisateur. Si la simulation est effectuée exactement pour les mêmes températures que celles utilisées pendant l'expérience, les courbes simulées doivent correspondre à l'expérience si le modèle est correct. Cet ajustement est visible sur l'image, où les données expérimentales pour différentes vitesses de chauffage sont marquées par des symboles, et toutes les données simulées basées sur le même modèle cinétique avec le même ensemble de paramètres cinétiques - mais pour différentes vitesses de chauffage - sont représentées par des courbes pleines. Cela signifie que le modèle cinétique a été construit correctement et que les paramètres cinétiques se sont avérés corrects. Ce modèle peut donc être utilisé pour la modélisation future de la décomposition du liant à l'intérieur du four, lorsqu'il n'est pas possible de mesurer la perte de masse.

Prévision et optimisation Le modèle cinétique obtenu, composé de trois étapes de réaction individuelles consécutives, permet de prévoir la perte de masse pour le programme de température donné par l'utilisateur. Par conséquent, la connaissance de la température à l'intérieur du four permet de simuler la progression du déliantage. Par exemple, ce modèle permet de simuler la perte de masse du matériau dans le four tunnel. En cas de changement de chaleur, le logiciel calcule une nouvelle courbe de perte de masse pour le nouveau programme de température dans chaque zone.

La vitesse de décomposition dépend non seulement de la température, mais aussi de la valeur actuelle de la conversion. À vitesse de chauffe constante, la courbe de perte de masse présente des plages où le processus est rapide et d'autres où il est lent. Les paramètres présentant un taux de réaction élevé sont les zones à risque où la structure du matériau peut être endommagée. Les plages où la vitesse de réaction est faible entraînent une perte de temps et d'énergie déraisonnable, et donc des coûts trop élevés pour le produit final. Pour le processus d'optimisation, il est nécessaire de trouver les profils de température où le taux de perte de masse sera constant, afin d'obtenir une qualité de produit optimale en un minimum de temps. Sans la possibilité de simulation, ces profils de température devraient être créés par l'ingénieur chimiste par la méthode de l'essai et de l'erreur - ce qui prendrait un temps considérable et engendrerait des coûts importants. À l'aide du logiciel Kinetics Neo, le nouveau profil de température a été calculé pour un taux de perte de masse donné de 0,05 %/min.

Dans les processus industriels caractérisés par certaines restrictions dans les taux de chauffage, ce logiciel peut aider à trouver le profil de température optimal pour obtenir un taux de perte de masse simulé qui est très proche de la valeur constante. Par exemple, la société allemande Haldenwanger a eu besoin du logiciel pour optimiser le profil de température pour la cuisson des céramiques en ce qui concerne ses nouvelles céramiques alvéolaires, dont la qualité est très sensible au taux de déliantage. Ce processus comporte deux parties : le déliantage et le FrittageLe frittage est un procédé de production permettant de former un corps mécaniquement résistant à partir d'une poudre céramique ou métallique. frittage. L'optimisation du profil de température a été réalisée pour les deux parties et le temps de production a été réduit de plus de 50 %. Applications du logiciel d'analyse cinétique Le champ d'application de l'analyse cinétique et de la simulation ne se limite pas au processus de déliantage lors de la production de céramiques ou dans la métallurgie du FrittageLe frittage est un procédé de production permettant de former un corps mécaniquement résistant à partir d'une poudre céramique ou métallique. frittage. Une telle simulation est nécessaire, par exemple, pour déterminer la durée de vie des matériaux d'emballage ou pour les opérations en cours de fabrication à des températures élevées.