TGA DynTHERM

Pomiary termograwimetryczne są powszechnie używane we wszystkich laboratoriach inżynierii materiałowej, chemii i fizyki. Przewagą analizatorów termograwimetrycznych serii DynTHERM, w stosunku do klasycznych analizatorów TGA, jest możliwość ciągłej rejestracji zmian masy w kontrolowanych warunkach ciśnienia, atmosfery gazowej (w tym gazów korozyjnych) i temperatury, dostarczając wielu informacji na temat reakcji chemicznych i zmian struktury zachodzących w badanym materiale w warunkach gazów i ciśnień niedostępnych w klasycznych termowagach.

• 

Analizator wyposażony w układ mikrowagi ze sprzężeniem magnetycznym* zapewniający całkowitą izolację komory pieca (reaktora) od układu mikrowagi, co umożliwia pomiar zmian masy materiałów pod wysokim ciśnieniem, w obecności różnorodnych gazów lub pary wodnej, od temperatury pokojowej do 1700°C. Elastyczny wybór urządzeń peryferyjnych do dozowania i mieszania gazów i par zapewnia dokładną kontrolę składu i ciśnienia atmosfery reakcyjnej. Seria analizatorów DynTHERM TGA oferuje szeroki zakres temperatur i ciśnień i stanowi standard wśród aplikacji wysokociśnieniowych, bazując na ponad 20-letnim doświadczeniu producenta.
* Niemiecki patent nr. 10 2009 009 204,8

Aparaty DynTHERM dzielą się na dwie linie – nisko (LP) i wysokociśnieniowych (HP) analizatorów termograwimetrycznych, wśród których wyróżniamy następujące modele przedstawione w poniższej tabeli:

Wyróżniające cechy i zalety analizatorów DynTHERM:
• Bezkontaktowy pomiar masy próbek
• Możliwość pracy w warunkach gazów reakcyjnych, w tym korozyjnych, strumienia par, wysokiego ciśnienia i wysokich temperatur wewnątrz reaktora
• We wszystkich modelach możliwa jest praca w próżni
• Systemy dozowania gazu standardowo wyposażone w dwie linie gazowe – każda z osobnym MFC
• Możliwość rozbudowy o dodatkowe linie gazowe
• Opcjonalną cechą wszystkich modeli DynTHERM TGA jest możliwość wymuszonego przepływu atmosfery reakcyjnej przez nieruchome złoże próbki
• Elementy komory reakcyjnej wykonane z materiałów odpornych na korozję, z uszczelnieniem metalowym, dającym bezpieczeństwo pracy z gazami korodującymi
• Unikalne tarowanie wagi podczas eksperymentów, zapewniające niezrównaną długoterminową stabilność linii bazowej dla najdokładniejszych pomiarów, bez konieczności ręcznej kalibracji wagi
• Zabezpieczenia przed kondensacją par
• Wyrafinowany system dozowania, mieszania i kontroli ciśnienia gazów i par, umożliwia precyzyjną kontrolę atmosfery reakcyjnej, opcjonalnie możliwość integracji z układem detekcji (np. MS, FTIR) do analizy gazów poreakcyjnych
• Duża objętość próbki oraz duży dynamiczny zakres ważenia, umożliwiają reprezentatywne pomiary nawet niehomogenicznych próbek

Przykładowe zastosowania wysokociśnieniowych analizatorów termograwimetrycznych DynTHERM
– Piroliza i zgazowanie węgla, biomasy i innych materiałów odpadowych, organicznych
Aparaty serii DynTHERM idealnie nadają się do tego typu aplikacji
Pierwszym etapem procesu zgazowania jest piroliza surowca, gdzie podczas ogrzewania materiału organicznego w obojętnej atmosferze (np. N2 lub Ar) odparowują składniki lotne (woda, węglowodory, smoła) i wydziela się węgiel drzewny. Zgazowanie tego bogatego w węgiel węgla drzewnego w drugim etapie reakcji wymaga czynnika zgazowującego.
Zgazowanie tego bogatego w węgiel węgla drzewnego w drugim etapie reakcji wymaga środka zgazowującego, zazwyczaj pary. Przegrzana para i węgiel wytwarzają gazy zgodnie z następującą główną reakcją:
H2O + C → CO + H2
Produktami dalszych lub niepełnych konwersji i reakcji ubocznych mogą być inne gazy., np.:
mC + nH → CmHn | CO + H2O → H2 + CO2 | CO + 3H2 → CH4 + H2O
Ponieważ kinetyka reakcji procesu zależy od warunków reakcji i surowca, skład i ciśnienie wytwarzanych gazów będą się różniły. Aparaty serii DynTHERM pozwalają na optymalizację warunków pracy dla danego surowca.
Analizatory DynTHERM mogą być wyposażone w spektrometr mas do analiz składu powstających gazów.
Na pierwszym wykresie poniżej przedstawiono kinetykę procesu pirolizy i zgazowania węgla drzewnego w temperaturze 900°C i ciśnieniu 10 barów. Na ostatnim wykresie porównano pirolizę i zgazowanie biomasy (łuski ryżowej) dla 7 barów i 10 barów. W obu eksperymentach piroliza zachodzi na początku podczas ogrzewania próbki w gazie obojętnym. Po pirolizie, po wstrzyknięciu pary rozpoczyna się zgazowanie, które prowadzi do głównej zmiany masy materiałów próbki.

Badania dezaktywacji katalizatorów/Koksowania katalizatorów.

Dezaktywacja katalizatora na skutek koksowania jest nieuniknionym problemem technologicznym i ekonomicznym w rafinacji ropy naftowej i przemyśle petrochemicznym. Koksowanie zachodzi, gdy bogate w węglowodory gazy zasilające reagują z katalizatorem, a na powierzchni katalizatora gromadzą się stałe osady węgla. Osady zawierające węgiel mogą szybko i łatwo osiągnąć poziom, w którym zakłócają proces. Na przykład mogą powodować problemy ze spadkiem ciśnienia lub blokować miejsca katalityczne. Metody zapobiegania lub opóźniania dezaktywacji katalizatora obejmują modyfikację składu powierzchni katalizatora i/lub zmianę środowiska reakcji (ciśnienie, temperatura i skład gazu zasilającego). Po dezaktywacji można zbadać alternatywną regenerację poprzez spalenie pozostałości węgla.

Optymalizacja procesu rozkładu i/lub regeneracji katalizatora jest problemem inżynierskim wymagającym znajomości kinetyki dezaktywacji katalizatora. Analizatory termograwimetryczne DynTHERM TGA umożliwiają badanie masy katalizatora i rozwoju koksowania w realistycznych warunkach pracy rafinerii.
Poniższy diagram przedstawia przykład gromadzenia się koksu na materiale katalitycznym przy ciśnieniu 20 barów i temperaturze 650°C w reaktywnej atmosferze CH4 i pary. Ciśnienie cząstkowe pary zmniejsza się stopniowo, co prowadzi do wzrostu masy materiału katalitycznego w wyniku tworzenia się koksu. Maksymalna właściwa szybkość osadzania koksu obliczona z niebieskiej krzywej na rysunku, w miligramach na gram katalizatora na sekundę, wynosi 0,32 mg g-1 s-1.

Na kolejnym rysunku przedstawiono zmierzony początek koksowania na dostępnym w handlu katalizatorze w temperaturze 700°C pod ciśnieniem 20 bar mieszaniny para wodna/CH4 przy szybkości przepływu 70 ml/min. Wzrost szybkości koksowania zaobserwowano po zwiększeniu natężenia przepływu CH4 do 73 ml/min, przy stałym natężeniu przepływu pary.

– Korozja i utlenianie wysokotemperaturowe
Zrozumienie odporności materiału na korozję może mieć kluczowe znaczenie dla ulepszenia procesów technologicznych i zwiększenia wydajności. Na przykład sprawność turbin gazowych, parowych i silników odrzutowych jest bezpośrednio powiązana z ich maksymalną temperaturą pracy. Maksymalna temperatura jest ograniczona przez korozję wysokotemperaturową zastosowanych materiałów.
Analizatory DynTHERM TGA są wyposażone w reaktory odporne na korozję, umożliwiające pomiar materiałów w atmosferach korozyjnych w wysokiej temperaturze. Aparat umożliwia pomiary dużych próbek (zarówno pod względem masy, jak i objętości), co jest korzystne, ponieważ zmiana masy spowodowana korozją jest zwykle bardzo mała. Ponadto korozja wysokotemperaturowa jest zwykle procesem powolnym. Opatentowana waga ze sprzężeniem magnetycznym umożliwia tarowanie i kalibrację wagi podczas pomiaru zapewniając tym samym najdokładniejsze, długoterminowe badania korozji.
Poniższy diagram przedstawia długoterminowe badanie wzrostu masy próbki diamentu pokrytego tytanem. Przyrost masy spowodowany jest utlenianiem próbki w czystym tlenie w temperaturze 600°C. Całkowita zmiana masy wynosi tutaj około 140 μg w ciągu 6 dni.

– Spalanie w pętli chemicznej CLC (Chemical Looping Combustion)
Spalanie paliw kopalnych w niemal czystym tlenie, a nie w powietrzu, stwarza szansę na uproszczenie wychwytywania dwutlenku węgla w elektrowniach. Systemy pętli chemicznych dostarczają tlen do wnętrza procesu, eliminując duże koszty kapitałowe i operacyjne związane z wytwarzaniem tlenu przed spalaniem. Spalanie w pętli chemicznej (CLC) jest uważane za technologię transformacyjną, która może spełnić cele programu w zakresie kosztów i wydajności w zakresie wytwarzania energii elektrycznej z paliw kopalnych przy obniżonej emisji CO2.

W układach CLC tlen wprowadza się poprzez cykl utleniania i redukcji materiału będącego nośnikiem tlenu. Nośnikiem tlenu jest zwykle stały związek na bazie metalu. W typowym procesie CLC spalanie dzieli się na oddzielne reaktory redukcji i utleniania, jak pokazano na schemacie poniżej. Tlenek metalu dostarcza tlen do spalania i jest redukowany przez paliwo w reaktorze paliwowym, który pracuje w podwyższonej temperaturze.

Obecne wysiłki badawczo-rozwojowe CLC skupiają się na opracowywaniu materiałów będących nośnikami tlenu o wystarczającej pojemności tlenu i trwałości, aby wytrzymać trudne warunki procesu CLC. Analizatory DynTHERM TGA umożliwiają pomiary masy materiałów będących nośnikami tlenu w realistycznych warunkach pracy, w tym wielokrotne poddawanie materiałów cyklom utleniania i redukcji w wysokich temperaturach i ciśnieniach, przy naprzemiennym stosowaniu gazów utleniających i redukujących (łatwopalnych) i/lub pary.

Poniższy diagram przedstawia wynik obiegu materiału będącego nośnikiem tlenu przy ciśnieniu 10 barów i temperaturze 800°C. Materiał jest redukowany w atmosferze wilgotnego H2 i utleniany w suchym powietrzu. Zmiany masy rejestrowane w cyklach redoks są w miarę stałe i wynoszą około 9% masy wyjściowej próbki.