Hur man simulerar och optimerar avbindningsprocesser

Vid keramisk bränning och sintermetallurgi beror produktens kvalitet på temperaturprofilen, i synnerhet uppvärmningshastigheten. I det inledande skedet av uppvärmningsprocessen avlägsnas polymerbindemedlet försiktigt via termisk NedbrytningsreaktionEn sönderdelningsreaktion är en termiskt inducerad reaktion av en kemisk förening som bildar fasta och/eller gasformiga produkter. sönderdelning. Men gasutvecklingen bör inte vara för intensiv för att förhindra bildandet av mikrosprickor och säkerställa att strukturen hos det ursprungliga materialet inte förstörs. För att få bästa möjliga produktkvalitet bör därför detta uppvärmningssteg för att uppnå polymernedbrytning inte utföras för snabbt. Å andra sidan ökar en alltför långsam uppvärmning processtiden, vilket kan bli alltför dyrt och miljöovänligt och dessutom öka produktionskostnaderna. Huvudsyftet är att skapa en optimal temperaturprofil med balanserad uppvärmning för att säkerställa bästa möjliga materialkvalitet på kortast möjliga tid. För att uppnå detta är det nödvändigt att veta vad som händer med materialet i ugnen under bränningen. Det rekommenderas att använda simuleringsmetoden för avbindningshastigheten för den givna temperaturprofilen i ugnen. Data för analys Polymera bindemedel förlorar massa under termisk nedbrytning, vilket enkelt kan mätas med termogravimetri. Kemiska reaktioner är dock kinetiska processer som inte bara beror på temperatur utan även på tid. Så vid en konstant temperatur kommer reaktionen att pågå och massan att förändras, men samma massa kan uppstå vid olika temperaturer. Det enda som är oberoende av temperaturprofilen är reaktionens kemiska egenskaper, t.ex. stökiometriska koefficienter, reaktionsordningar och aktiveringsenergier. Med ett bindemedel sönderdelas komponenterna i polymerblandningen ofta oberoende av varandra. I det här fallet är de initiala och slutliga materialsammansättningarna vanligtvis också oberoende av temperaturprofilen. För att hitta de parametrar för kemiska reaktioner som är oberoende av temperaturprofilen är det nödvändigt att utföra flera termogravimetriska laboratoriemätningar under olika temperaturförhållanden, dvs. under olika uppvärmningshastigheter. Den typiska formen på termogravimetriska kurvor för NedbrytningsreaktionEn sönderdelningsreaktion är en termiskt inducerad reaktion av en kemisk förening som bildar fasta och/eller gasformiga produkter. sönderdelning visar temperaturberoendet av den uppmätta massan för olika uppvärmningshastigheter. De mätningar som presenteras här utfördes på ett NETZSCH TG 209 F1 instrument. Kinetisk analys I ett polymerbindemedel bryts polymererna vanligtvis ned oberoende av varandra, och den uppmätta massförlusten visar blandningens nedbrytning. Varje komponent i blandningen kan brytas ned i flera enskilda nedbrytningssteg, och de enskilda stegen i denna process kan således hänföras till olika polymerer eller till samma polymer. Med hjälp av kinetisk analys kan de kinetiska parametrarna för den observerade processen, som är oberoende av temperaturprofilen, bestämmas. Dessa parametrar är aktiveringsenergin och reaktionsordningen för varje synligt nedbrytningssteg, samt varje reaktionsstegs bidrag till den totala nedbrytningsprocessen. Det finns två olika tillvägagångssätt för kinetisk analys av uppmätta data - det första är modellbaserat enligt processens verkliga kemi och betraktar den totala processen som summan av de oberoende nedbrytningsprocesserna för olika polymerer. Nedbrytningen av varje polymer betraktas som en serie på varandra följande individuella reaktionssteg. Här har varje reaktionssteg sin egen stökiometri och aktiveringsenergi, som båda bibehåller konstanta värden från början av reaktionssteget till dess slut. Detta tillvägagångssätt beskriver avbindningsprocessen explicit och på ett sätt som ligger mycket nära verkligheten, men det kräver tid för analys och konstruktion av den kinetiska modellen från parallella och på varandra följande reaktionssteg. Den andra, mer approximativa metoden kallas modellfri, där hela processen betraktas som en enstegsreaktion där aktiveringsenergin och de pre-exponentiella faktorerna ändras i takt med att reaktionen fortskrider. Denna typ är mycket snabb för en process med på varandra följande steg, men har också vissa begränsningar, till exempel kan den inte beskriva nedbrytningen av en blandning med parallella reaktioner eller med reaktioner som har betydande överlappning. NETZSCH Kinetics Neo programvara tjänar båda analysmetoderna, vilket är en fördel jämfört med programvaror med en enda metod. NETZSCH Kinetics Neo användes för den analys som visas här av termogravimetriska data med den modellbaserade metoden, med resultatet som visar en kinetisk modell som skildrar tre på varandra följande reaktionssteg med deras kinetiska parametrar. Detta är oberoende av temperaturprogrammet och kan användas för simulering av sönderdelningsprocesser för andra användardefinierade temperaturprogram. Om simuleringen utförs exakt för samma temperaturer som används under experimentet, måste de simulerade kurvorna passa experimentet om modellen är korrekt. Denna anpassning framgår av bilden, där experimentella data för olika uppvärmningshastigheter är markerade med symboler, och alla simulerade data baserade på samma kinetiska modell med samma uppsättning kinetiska parametrar - men för olika uppvärmningshastigheter - visas som de heldragna kurvorna. Detta innebär att den kinetiska modellen konstruerades korrekt och att de kinetiska parametrarna visade sig vara korrekta, så denna modell kan användas för framtida modellering av bindemedelsnedbrytning inuti ugnen där det inte är möjligt att mäta massförlusten. Prediktion och optimering Den erhållna kinetiska modellen, som består av tre individuella på varandra följande reaktionssteg, gör det möjligt att förutsäga massförlusten för det temperaturprogram som användaren har angett. Genom att veta hur varmt det är inne i ugnen kan man därför simulera hur avbindningen fortskrider. Modellen gör det t.ex. möjligt att simulera materialets massförlust i tunnelugnen. Vid en värmeförändring beräknar programvaran en ny massförlustkurva för det nya temperaturprogrammet i varje zon. Nedbrytningshastigheten beror inte bara på temperaturen, utan också på det aktuella värdet för omvandlingen. Vid konstant uppvärmningshastighet finns det områden i massförlustkurvan där processen är snabb och områden där processen är långsam. De parametrar som har hög reaktionshastighet är riskzoner där materialstrukturen kan skadas. De områden där reaktionshastigheten är låg leder till orimliga tids- och energiförluster och därmed till att kostnaderna för slutprodukten blir för höga. För optimeringsprocessen är det nödvändigt att hitta de temperaturprofiler där massförlusten är konstant, för att uppnå optimal produktkvalitet på kortast möjliga tid. Utan simuleringsmöjligheten skulle sådana temperaturprofiler behöva skapas av kemiingenjören med hjälp av trial and error-metoden - detta skulle ta mycket tid i anspråk och medföra stora kostnader. Med hjälp av programvaran Kinetics Neo beräknades den nya temperaturprofilen för en given massförlust på 0,05%/min. I industriella processer som kännetecknas av vissa begränsningar i uppvärmningshastigheterna kan denna programvara hjälpa till att hitta den optimala temperaturprofilen för att få en simulerad massförlusthastighet som ligger mycket nära det konstanta värdet. Det tyska företaget Haldenwanger behövde t.ex. programvaran för att optimera temperaturprofilen för keramikbränning med avseende på sin nya skumkeramik, vars kvalitet är mycket känslig för avbindningshastigheten. Processen består av två delar, först AvbindningAvbindning är ett av de viktigaste produktionsstegen inom den keramiska och pulvermetallurgiska industrin. Det avser termisk eller katalytisk borttagning av tillsatser som används i steg före produktion, t.ex. gjutning.avbindning och sedan SintringSintring är en tillverkningsprocess för att forma en mekaniskt stark kropp av ett keramiskt eller metalliskt pulver. sintring. Optimering av temperaturprofilen genomfördes för båda delarna och produktionstiden reducerades med mer än 50%. Kinetic Analysis Software Applications I ett polymerbindemedel sönderdelas polymererna vanligtvis oberoende av varandra, och den uppmätta massförlusten visar blandningens NedbrytningsreaktionEn sönderdelningsreaktion är en termiskt inducerad reaktion av en kemisk förening som bildar fasta och/eller gasformiga produkter. sönderdelning. Varje komponent i blandningen kan brytas ned i flera individuella nedbrytningssteg, vilket innebär att de individuella stegen i denna process kan hänföras till olika polymerer eller till samma polymer. Med hjälp av kinetisk analys kan de kinetiska parametrarna för den observerade processen, som är oberoende av temperaturprofilen, bestämmas. Dessa parametrar är aktiveringsenergin och reaktionsordningen för varje synligt nedbrytningssteg, samt varje reaktionsstegs bidrag till den totala nedbrytningsprocessen. Det finns två olika tillvägagångssätt för kinetisk analys av uppmätta data - det första är modellbaserat enligt processens verkliga kemi och betraktar den totala processen som summan av de oberoende nedbrytningsprocesserna för olika polymerer. Nedbrytningen av varje polymer betraktas som en serie på varandra följande individuella reaktionssteg. Här har varje reaktionssteg sin egen stökiometri och aktiveringsenergi, som båda bibehåller konstanta värden från början av reaktionssteget till dess slut. Detta tillvägagångssätt beskriver avbindningsprocessen explicit och på ett sätt som ligger mycket nära verkligheten, men det kräver tid för analys och konstruktion av den kinetiska modellen från parallella och på varandra följande reaktionssteg. Den andra, mer approximativa metoden kallas modellfri, där hela processen betraktas som en enstegsreaktion där aktiveringsenergin och de pre-exponentiella faktorerna ändras i takt med att reaktionen fortskrider. Denna typ är mycket snabb för en process med på varandra följande steg, men har också vissa begränsningar, till exempel kan den inte beskriva nedbrytningen av en blandning med parallella reaktioner eller med reaktioner som har betydande överlappning. NETZSCH Kinetics Neo programvara tjänar båda analysmetoderna, vilket är en fördel jämfört med programvaror med en enda metod. NETZSCH Kinetics Neo användes för den analys som visas här av termogravimetriska data med den modellbaserade metoden, med resultatet som visar en kinetisk modell som skildrar tre på varandra följande reaktionssteg med deras kinetiska parametrar. Detta är oberoende av temperaturprogrammet och kan användas för simulering av sönderdelningsprocesser för andra användardefinierade temperaturprogram. Om simuleringen utförs exakt för samma temperaturer som används under experimentet, måste de simulerade kurvorna passa experimentet om modellen är korrekt. Denna anpassning framgår av bilden, där experimentella data för olika uppvärmningshastigheter är markerade med symboler, och alla simulerade data baserade på samma kinetiska modell med samma uppsättning kinetiska parametrar - men för olika uppvärmningshastigheter - visas som de heldragna kurvorna. Detta innebär att den kinetiska modellen konstruerades korrekt och att de kinetiska parametrarna visade sig vara korrekta, så denna modell kan användas för framtida modellering av bindemedelsnedbrytning inuti ugnen där det inte är möjligt att mäta massförlusten.

Förutsägelse och optimering Den erhållna kinetiska modellen, som består av tre individuella på varandra följande reaktionssteg, gör det möjligt att förutsäga massförlusten för det temperaturprogram som användaren anger. Genom att veta hur varmt det är inne i ugnen kan man därför simulera hur avbindningen fortskrider. Modellen gör det t.ex. möjligt att simulera materialets massförlust i tunnelugnen. Vid en värmeförändring beräknar programvaran en ny massförlustkurva för det nya temperaturprogrammet i varje zon.

Nedbrytningshastigheten beror inte bara på temperaturen utan också på det aktuella värdet på omvandlingen. Vid konstant uppvärmningshastighet finns det områden i massförlustkurvan där processen är snabb och områden där processen är långsam. De parametrar som har hög reaktionshastighet är riskzoner där materialstrukturen kan skadas. De områden där reaktionshastigheten är låg leder till orimliga tids- och energiförluster och därmed till att kostnaderna för slutprodukten blir för höga. För optimeringsprocessen är det nödvändigt att hitta de temperaturprofiler där massförlusten är konstant, för att uppnå optimal produktkvalitet på kortast möjliga tid. Utan simuleringsmöjligheten skulle sådana temperaturprofiler behöva skapas av kemiingenjören med hjälp av trial and error-metoden - detta skulle kräva avsevärd tid och generera betydande kostnader. Med hjälp av programvaran Kinetics Neo beräknades den nya temperaturprofilen för en given massförlust på 0,05%/min.

I industriella processer som kännetecknas av vissa begränsningar i uppvärmningshastigheterna kan den här programvaran hjälpa till att hitta den optimala temperaturprofilen för att få en simulerad massförlust som ligger mycket nära det konstanta värdet. Det tyska företaget Haldenwanger behövde t.ex. programvaran för att optimera temperaturprofilen för keramikbränning med avseende på sin nya skumkeramik, vars kvalitet är mycket känslig för avbindningshastigheten. Processen består av två delar, först AvbindningAvbindning är ett av de viktigaste produktionsstegen inom den keramiska och pulvermetallurgiska industrin. Det avser termisk eller katalytisk borttagning av tillsatser som används i steg före produktion, t.ex. gjutning.avbindning och sedan SintringSintring är en tillverkningsprocess för att forma en mekaniskt stark kropp av ett keramiskt eller metalliskt pulver. sintring. Optimering av temperaturprofilen genomfördes för båda delarna och produktionstiden minskades med mer än 50%. Kinetic Analysis Software Applications Användningsområdet för kinetisk analys och simulering är inte begränsat till avbindningsprocessen vid tillverkning av keramik eller inom sintermetallurgi. Sådan simulering är t.ex. nödvändig för att bestämma livslängden för förpackningsmaterial eller för processoperationer vid höga temperaturer.