07.02.2024 by Dr. Elena Moukhina, Aileen Sammler

산업 환경의 열 시뮬레이션을 위한 새로운 NETZSCH 소프트웨어, Termica Neo를 소개합니다

새로운 Termica Neo 소프트웨어를 사용하면 실험실 공정을 쉽고 정확하게 분석 및 시뮬레이션할 수 있을 뿐만 아니라 대량(킬로그램 및 톤!) 산업 공정을 예측하여 최고의 제품 품질과 안전성을 유지할 수 있습니다.

화학 산업에서 온도에 의존하는 공정을 시뮬레이션할 때는 반응 매체의 온도 구배가 중요할 수 있으므로 반드시 고려해야 합니다. 경화 또는 결정화와 같은 공정의 경우 온도 구배는 제품 품질에 영향을 미치며, 발열량이 높은 물질의 경우 폭주 반응의 안전 조건에 영향을 미칩니다.

새로운 NETZSCH Termica Neo 소프트웨어는 ICTAC*[1]에서 권장하는 모든 동역학 방법을 사용하고, NETZSCH-소프트웨어Kinetics Neo와 완벽하게 호환되며, 독립, 경쟁 또는 연속 단계가 있는 복잡한 반응뿐만 아니라 모델 프리 및 모델 기반 접근 방식 모두에 대해 작동합니다.

*ICTAC: I국제 C국가 또는 지역 Thermal A분석 및 C열량 측정 학회. ICTAC의 목표는 국제 회의 조직과 과학 위원회의 활동을 통해 열 분석 및 열량 측정에 대한 국제적 이해와 협력을 증진하는 것입니다. (ictac.org 참조)

[1] Vyazovkin S 외, 다단계 동역학 분석을 위한 ICTAC 동역학 위원회 권장 사항, Thermochimica Acta, V.689, 2020, 178597


폭주 작용 및 폭발 방지를 위한 대규모 산업 공정 시뮬레이션

Small 시차 주사 열량 측정법(DSC) 또는 열 중량 분석(TGA ) 또는 가속 속도 열량 측정법(ARC® )과 같은 다른 열 분석 방법으로 측정한 무게가 수 밀리그램에 불과한 시료는 온도 구배가 크지 않으므로 동역학 분석에 적합합니다. 동역학 소프트웨어는 시료에 온도 구배가 없는 두 가지 제한적인 경우에 대해 화학 반응 속도를 시뮬레이션할 수 있습니다. 첫 번째 경우, 시료 물질은 제어된 환경 내에서 무한한 열전도율과 주변으로의 무한한 열 전달을 모두 갖습니다. 두 번째 제한 사례는 열 손실이 없는 순수한 단열 가열입니다.

그러나 화학 산업뿐만 아니라 에너지가 높은 물질의 저장 및 운송에서는 이 두 가지 제한적인 경우 사이에 열 전달과 열 손실이 존재하며, 안전한 조건 또는 원하는 제품 품질을 달성하기 위해서는 반응 부피의 온도가 일정하지 않은 경우 시뮬레이션을 수행해야 합니다.

산업에서 이러한 시뮬레이션의 주요 응용 분야는 제품 품질과 안전입니다.

폴리머 또는 세라믹 산업에서 온도가 높은 영역은 반응 속도가 더 빠르기 때문에 좌표점에 따라 재료의 물리적 특성이 달라집니다. 이는 소결 또는 경화 과정에서 수축으로 나타나며, 이는 기계적 응력을 발생시켜 제품 품질에 영향을 미칩니다.

화학 산업에서 에너지가 높은 물질의 보관 또는 운송에 관한 예측에서는 반응 매체의 온도 구배도 중요하므로 반드시 고려해야 합니다. 발열 반응의 경우, 온도가 높고 반응이 빠른 영역은 열 생산과 자체 가열이 더 집중적으로 일어납니다. 그러면 이러한 국소 영역이 폭주 또는 열 폭발이 시작되는 핫스팟이 됩니다. 열 효과가 낮은 반응의 경우 온도가 높은 영역이 반응 속도와 전환 정도가 더 높습니다. 이것이 열용량, 열전도도 또는 반응물의 농도로 나타나는 서로 다른 좌표점에서 물질의 물리적 및 화학적 특성이 다른 이유입니다.


Termica Neo를 사용한 복잡한 화학 공정 시뮬레이션

기존의 많은유한 요소법 (FEM) 소프트웨어 솔루션은 열 전달을 계산할 수 있지만, 열 효과가 존재하는 복잡한 다단계 화학 반응에는 한계가 있습니다. 일반적으로 이러한 시스템은 단일 운동 방정식을 사용하는 모델 없는 동역학 또는 모든 운동 파라미터가 알려진 1-2단계 모델에서 작동합니다.

열 시뮬레이션을 위한 새로운 Termica Neo 소프트웨어는 화학 파라미터와 방정식 형태의 입력 데이터로 구성되어 있으며, Kinetics Neo 프로젝트에서 직접 가져온 것입니다. 이 소프트웨어는 NETZSCH 키네틱스 네오 소프트웨어와 완벽하게 호환되며 무모델 및 모델 기반 접근법을 모두 사용할 수 있습니다. 모델 기반 접근법의 경우 개별 반응 단계의 수나 독립, 경쟁 또는 연속 반응 단계를 포함한 반응 단계 간의 연결에 제한이 없습니다.

테르미카 네오 시뮬레이션 소프트웨어는 키네틱스 네오의 모든 동역학 파라미터를 수용합니다. 또한 밀도, 열전도도, 재료 라이브러리의 반응 물질 및 제품의 열용량과 같은 온도에 따른 물리적 파라미터를 추가로 사용합니다. 추가 입력 파라미터에는 반응기 형상의 각 표면마다 두께와 재료가 다를 수 있고 상단의 공기, 측면의 물, 바닥의 지면 등 다양한 주변 매체가 포함될 수 있는 용기가 포함됩니다. 주변 온도 프로파일도 지오메트리 표면마다 다를 수 있습니다.

그림 1: 주변 온도가 25°C(상단), 100°C(측면), 120°C(하단)인 원통형 용기에서 130분 후 에폭시가 경화되는 수직 단면의 온도 분포. 빨간색 영역은 자체 가열로 인한 핫스팟을 나타냅니다.

테르미카 네오로 할 수 있는 일

  • 컨테이너 내부의 각 지점에서 재료의 동작을 시뮬레이션하세요
  • 용기 내부의 반응물의 최대 온도 또는 최대 전환율이 언제 어디서 발생하는지 확인합니다
  • 용기 내부의 반응물의 주어진 시간과 위치에 대한 온도, 변환 및 농도를 결정합니다
  • 경화, 분해 및 결정화 정도 예측
  • 생산 및 보관을 위한 열 안전 조건 결정
그림 2: 단열 컨테이너의 반응물 - 단열 시스템의 온도 분포 시뮬레이션: 컨테이너(점선) 안의 반응물(실선).

이 소프트웨어는 온도, 모든 반응물의 농도, 반응 속도에 대한 시간 및 좌표 의존적 결과를 2D 및 3D 보기로 제공합니다. 자체 가속 분해 온도(SADT) 검색은 물론 단열 조건과 주변으로의 무한 열 전달 시뮬레이션도 가능합니다.

기능 살펴보기:

  • 빠르고 다루기 쉽습니다: Kinetics Neo 소프트웨어와 유사한 사용자 인터페이스
  • 동역학 모델은 Kinetics Neo 프로젝트에서 직접 가져옵니다(모델 기반 및 모델 없는 방법을 포함한 모든 방법에 대한 결과).
  • 볼륨의 각 지점에서 다음 속성을 시간의 함수로 계산합니다:
    • 온도
    • 전환
    • 전환율
    • 농도
    • 경화 또는 가교 반응에 대한 유리 전이 온도 계산
  • 다양한 재료, 용기 및 주변 환경에서의 자기 가속 분해 온도(SADT) 계산.
  • 단열 조건을 포함한 용기가 있는 반응기의 반응 시뮬레이션

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