Wskazówki i porady

Badanie wpływu geometrii tygla na spalanie różnych próbek sadzy węglowej

Metody termograwimetrii (TGA) szczególnie dobrze nadają się do badania procesów spalania.

Pozwalają one na szybkie wyciągnięcie wniosków dotyczących stabilności termicznej głównie paliwa stałego, a także temperatury reakcji i kinetyki spalania. Ponadto można określić ilościowo zarówno utratę masy podczas reakcji spalania, jak i zawartość niepalnego popiołu mineralnego. W przeciwieństwie do innych reakcji, takich jak Reakcja rozkładuReakcja rozkładu to wywołana termicznie reakcja związku chemicznego tworząca produkty stałe i/lub gazowe. rozkład lub uwalnianie wilgoci lub rozpuszczalników, spalanie jest reakcją ciało stałe-gaz. W związku z tym nie tylko wszystkie standardowe parametry, takie jak masa próbki, szybkość ogrzewania i przepływ gazu przedmuchującego muszą być utrzymywane na stałym poziomie, ale na wyniki pomiarów ma również wpływ powierzchnia próbki, stężenie tlenu i geometria tygla, z których wszystkie mogą ograniczać dostęp gazu reakcyjnego do próbki stałej.

Aby zbadać tę kwestię, przeprowadzono serię pomiarów za pomocą NETZSCH STA przy użyciu różnych geometrii tygla w identycznych warunkach testowych.

Różne tygle Al2O3 wyświetlane od lewej do prawej: płyta wsuwana, krótki tygiel DTA, standardowy tygiel DTA, przebity tygiel DTA, tygiel mini DTA. — Rys. 1. Tygiel Al2O3 (od lewej do prawej): płytka wsuwana, krótki tygiel DTA, standardowy tygiel DTA, przebity tygiel DTA, mini tygiel DTA

Przebijany tygiel DTA do analizy termograwimetrycznej, wyposażony w otwory zapewniające lepszy dostęp gazu, co zwiększa wydajność spalania. — Rys. 2. Przebity tygiel

Tygle DTA o różnych kształtach i rozmiarach, prezentowane w widoku z przodu i z góry, do zastosowań w analizie termograwimetrycznej. — Rys. 3. Zestaw tygli, widok z przodu (powyżej), widok z góry (poniżej)

Różne tygle pokazano na rysunkach 1 i 3; wśród nich jest również przebity tygiel DTA, który jest pokazany w skali enlarged na rysunku 2 [1].

Badane próbki sadzy to różne próbki standardowe, takie jak NIST 2975, Printex 90, węgiel aktywny i kulki węglowe. Mają one średnicę od około 1 mm do 2 mm i strukturę nieorganiczną. Średnia wielkość cząstek pozostałych próbek wynosi od 20 nm do 50 nm.

Wynik: Do badania sadzy NIST 2975 zastosowano typy tygli przedstawione na rysunku 1. Zależności między średnicą tygla a stopniem wypełnienia próbek (dla tej samej masy próbki) można zobaczyć na rysunku 3 i w tabeli 1.

Wymiary tygli pokazane na rysunku 1

Wymiary	Płytka wsuwana	Krótki tygiel DTA	Tygiel DTA	Tygiel DTA z otworami	Mini DTA*
Ø zewnętrzna	10	8	8	8	5
Ø wewnętrzna	10	6	6	6	4
Wysokość	0	3	12	12

* wyłącznie do celów porównawczych; tygiel ten nie jest częścią asortymentu produktów NETZSCH

W przypadku stosowania tlenu jako gazu oczyszczającego, różnice small między różnymi geometriami tygli można już znaleźć w odniesieniu do temperatury spalania i szybkości spalania (DTG) (rysunek 4). Jeśli jednak stężenie tlenu w gazie przedmuchującym zostanie zmniejszone do 20% (rysunek 5) lub 5% (rysunek 6), geometria tygla wydaje się odgrywać coraz ważniejszą rolę. Przebity tygiel DTA i płyta wsuwana umożliwiają oczywiście lepszy dostęp tlenu z gazu reakcyjnego do próbki. Jednak im gorszy dostęp gazu reakcyjnego do próbki stałej, tym większa tendencja do przesuwania się reakcji do wyższych temperatur i niższa szybkość reakcji (DTG). Przy stosunku azotu do tlenu wynoszącym 95:5, przebity tygiel DTA jest prawie tak samo "szybki" jak płyta wsuwana. Jeśli chodzi o zachowanie podczas reakcji, przebijany tygiel DTA (rysunek 2) i krótki tygiel DTA są najbardziej zbliżone do płyty wsuwanej, przy czym obsługa próbek w przypadku tych dwóch typów tygli jest znacznie łatwiejsza niż w przypadku płyty wsuwanej.

Wykres analizy TGA-DTA dla próbki NIST 2975 ilustrujący temperaturę spalania i szybkość reakcji ze 100% tlenem. — Rys. 4. Wyniki TGA-DTA dla próbki NIST 2975 (100% O2)

Wykres TGA-DTG przedstawiający wyniki spalania próbki NIST 2975 przy 20% O2, ilustrujący zmiany temperatury i szybkości reakcji. — Rys. 5. Wyniki TGA-DTG dla próbki NIST 2975 (20% O2)

Wyniki TGA-DTG dla próbki NIST 2975 przy 5% O2, pokazujące temperaturę i szybkość spalania dla różnych geometrii tygla. — Rys. 6. Wyniki TGA-DTG dla próbki NIST 2975 (5% O2)

Wykres ilustrujący zależność między temperaturą spalania a zawartością tlenu w gazie oczyszczającym, z uwzględnieniem różnych typów tygli. — Rys. 7. Wyniki w funkcji zawartości tlenu w gazie oczyszczającym

Porównanie wyników spalania dla czterech próbek sadzy (NIST 2975, Printex 90, węgiel aktywny, kulki) przy użyciu analizy TGA. — Rys. 8. Porównanie czterech różnych próbek sadzy (TGA, krótki tygiel DTA)

Porównanie wyników DTG dla węgla aktywnego, NIST 2975, Printex 90 i kulek węglowych w różnych zakresach temperatur. — Rys. 9. Porównanie czterech różnych próbek sadzy (DTG, krótki tygiel DTA)

Zależność wyników od zawartości tlenu w gazie oczyszczającym przedstawiono na rysunku 7.

Porównanie różnych rodzajów sadzy wykazuje znaczące różnice między wszystkimi określanymi wartościami charakterystycznymi, takimi jak Stabilność termicznaMateriał jest stabilny termicznie, jeśli nie ulega rozkładowi pod wpływem temperatury. Jednym ze sposobów określenia stabilności termicznej substancji jest użycie analizatora termograwimetrycznego (TGA). stabilność termiczna, temperatura spalania, szybkość spalania i masa resztkowa (rysunki 8 i 9).

Wnioski:
Opisane wpływowe czynniki byłyby ważne dla każdego rodzaju oceny i interpretacji wyników pomiarów. Są one jednak praktycznie niezbędne do wyciągania wniosków na temat kinetyki spalania. Wynika to z faktu, że celem takich ocen musi być opisanie reakcji spalania samej w sobie, a nie połączenie reakcji spalania z nakładającymi się warunkami brzegowymi z zestawu testowego.

Literatura

1] Protective Anti-Oxidation Coatings for Hot Gas Piping Systems and Their Characterization by Means of a High-Speed Furnace, Thomas Hutsch et.al., NETZSCH ^OnSet10, s. 6 - 9