Мастерство насосного коэффициента в двухстадийных вентированных одношнековых экструдерах

Двухстадийные вентированные одношнековые экструдеры распространены для многих приложений и смол. Вентиляция распространена со многими стиреническими смолами и большинством приложений, вовлекающих постконсьюмерские рециклированные (PCR) смолы. Правильно спроектированный экструдер и шнек смогут удалять до 90% летучих через вент, работать стабильно без пульсаций потока в матрице и не иметь материала, вытекающего через вентовое отверстие.

Несколько дизайн-фич необходимы для достижения этих процессных целей, включая:

Рекомендуемый контент

• длину и глубину вентированной секции
• дизайн вентового дивертера
• длину канала вторичного метрирования
• насосный коэффициент (pump ratio)

Схема на Рисунке 1 показывает двухстадийный вентированный экструдер.

Рисунок 1: Схема двухстадийного вентированного одношнекового экструдера. Источник (все): M.A. Spalding

Насосный коэффициент — это отношение насосной способности вторичного метрирующего участка к насосной способности первичного метрирующего участка. Типично насосный коэффициент лежит в диапазоне 1.1–1.5. Для шнека с постоянным шагом насосный коэффициент — глубина канала вторичного метрирования, деленная на глубину канала первичного метрирования. Глубины и длины каналов для типичного шнека для полистирола (PS) показаны на Рисунке 2 для 6-дюймового диаметра шнека.

Для этого дизайна первичный метрирующий участок контролирует расход. Насосный коэффициент 1.44. Для пеллет-only фидстока коэффициент компрессии равен 3. Коэффициент компрессии для шнека с постоянным шагом — глубина фид-канала, деленная на глубину канала первичного метрирования. Коэффициент компрессии должен быть достаточно высоким, чтобы поддерживать канал первичного метрирования полным смолы и под давлением.

Что означает аксиальный профиль давления для насосного коэффициента

Прежде чем объяснять насосный коэффициент, инструктивно обсудить аксиальный профиль давления шнека. Аксиальный профиль давления для PS-дизайна шнека, показанного на Рисунке 2, был определен численной симуляцией для расхода 1500 lb/hr и скорости шнека 55 rpm при удельном расходе 27.3 lb/(hr·rpm). Удельный расход — это просто расход, деленный на скорость шнека. Аксиальный профиль давления показан на Рисунке 3. При этом расходе PS-смола требовала давления на выходе 1600 psi для работы даунстрим-оборудования. Рассчитанный удельный расход только за счет вращения шнека без наложенного градиента давления составляет 23 lb/(hr·rpm) для канала первичного метрирования. Поскольку канал вторичного метрирования глубже, расход только за счет вращения выше — 32.7 lb/(hr·rpm).

Рисунок 2: Типичные глубины каналов для 6-дюймового шнека для PS-смолы. Коэффициент компрессии 3, насосный коэффициент 1.44. Верхняя горизонтальная линия фигуры — стенка барелла.

Как показывает Рисунок 3, давление максимально 1800 psi в начале канала первичного метрирования и снижается до нуля до вента. Давление в венте должно быть нулевым, иначе смола вытечет через вентовое отверстие. Таким образом, канал первичного метрирования имеет отрицательный градиент давления. Этот отрицательный градиент заставляет поток в канале быть выше удельного расхода только за счет вращения. Здесь поток 27.3 lb/(hr·rpm), а расчетный удельный расход только за счет вращения — 23.0 lb/(hr·rpm).

Рисунок 3: Аксиальный профиль давления для PS-экструдера на Рисунке 2 при расходе 1500 lb/hr при скорости шнека 55 rpm.

Лишние 4.3 lb/(hr·rpm) вызваны отрицательным градиентом давления. Этот отрицательный градиент должен происходить в правильно спроектированном двухстадийном экструдере, поскольку давление должно быть относительно высоким на входе в первичный метрирующий участок из-за конвейирования твердого фазы и плавления и нулевым в вентовом канале.

Давление в вентовом канале должно быть нулем для удаления летучих и предотвращения течения смолы через вентовое отверстие. Предотвращение вентового течения также зависит от дивертера, позиционированного в вентовом порту. Вентовый поток обсуждался в феврале 2023 номере Plastics Technology. Давление в венте снижается до нуля за счет очень глубокого канала. Это заставляет канал быть частично заполненным, экспонируя большую площадь поверхности расплавленного полимера для массопереноса летучих в пустую часть канала. Летучие затем удаляются через вент.

Даунстрим вентового канала следует короткий переходный участок, где глубина канала становится мельче и в конечном счете эквивалентна глубине канала вторичного метрирования. По мере движения расплавленной смолы к вторичному метрирующему участку происходит локация, где канальный поток меняется от частично заполненного при нулевом давлении к полностью заполненному. Это обычно называется fill position (позиция заполнения). Fill position может происходить в переходном участке или в вторичном метрирующем. Как только канал становится заполненным, генерация давления может произойти. Fill position на Рисунке 3 находится на входе во вторичный метрирующий участок.

Канал вторичного метрирования имеет давление около нуля на входе (или fill position) и давление возрастает до максимального давления на выходе 1600 psi, создавая положительный аксиальный градиент давления. Положительный градиент давления заставляет удельный расход быть меньше расчетного удельного расхода за счет вращения. Напомним, удельный расход 27.3 lb/(hr·rpm), а расчетный удельный расход за счет вращения для канала вторичного метрирования — 32.7 lb/(hr·rpm). Таким образом, расход снизился на 5.4 lb/(hr·rpm) из-за положительного градиента давления.

Всегда отрицательный

Двухстадийный вентированный экструдер всегда будет иметь отрицательный градиент давления в первичном метрирующем участке и положительный градиент во вторичном метрирующем. Это потому, что вентовый участок шнека должен работать при нулевом давлении и с частично заполненными каналами. Поскольку первичный метрирующий канал контролирует расход, вторичный метрирующий участок должен быть способен насосить и давить при расходе первичного метрирующего.

Из-за этой операции и градиентов давления в метрирующих каналах, вторичный метрирующий участок должен быть способен насосить с более высоким расходом, чем первичный метрирующий. Для шнека с постоянным шагом вторичный метрирующий должен быть глубже первичного. Как сказано ранее, отношение глубины вторичного к глубине первичного — это насосный коэффициент для постоянного шага.

Насосный коэффициент не уникален для смолы или процесса. Вместо этого он зависит от длины вторичного метрирующего участка, шага метрирующих, вязкости смолы и даунстрим-требований к давлению. Например, шнек на Рисунке 2 имеет вторичный метрирующий участок длиной 6 диаметров, глубину канала 0.360 дюйма и давит на выходе 1600 psi. Если вторичный метрирующий участок был длиннее в 8 диаметров, глубина канала могла бы быть 0.330 дюйма для насосного коэффициента 1.32.

Если шестеренчатый насос позиционирован сразу после экструдера, давление на выходе может быть снижено до 400 psi, и насос сгенерирует нужное давление для даунстрим-оборудования. Здесь вторичный метрирующий канал был бы 6 диаметров в длину и имел глубину 0.310 дюйма для насосного коэффициента 1.24. Более высокий насосный коэффициент и fill position даунстрим входа во вторичный метрирующий — тоже приемлемая операция.

Плохой дизайн, плохое конвейирование твердой фазы

Плохо спроектированные вентированные экструдеры могут усиливать пульсации потока, индуцированные плохим конвейированием твердой фазы. Пульсация начинается с участка конвейирования твердой фазы, не спроектированного правильно или работающего со шнеком или фид-оболочкой, слишком горячей. Пульсация потока обсуждалась в августе 2024 выпуска. Рисунок 4 показывает аксиальный профиль давления для двухстадийного вентового экструдера с пульсацией. Сплошная линия давления на рисунке — середина пульсации. Пунктирные линии показывают давления в высокой и низкой точках пульсации.

Рисунок 4: Акциальное давление для двухстадийного вент-экструдера с высоким и низким давлением части пульсации.

Если конвейирование твердой фазы становится плохим, давление на входе первичного метрирующего участка снижается. Это уменьшает величину отрицательного градиента давления в метрирующем участке, снижая расход. Низкий уровень потока проходит через частично заполненный вент, вторичный переход и первую часть вторичного метрирующего участка. Fill position смещается даунстрим, снижая давление на выходе и расход в матрице.

Когда конвейирование твердой фазы высокое, давление на входе в первичный метрирующий участок высокое, вызывая высокую величину отрицательного градиента давления и увеличивая расход. Здесь более высокий расход заставляет fill position смещаться апстрим, как показано на Рисунке 4. Апстрим fill position вызывает повышение давления на выходе и расхода в матрице.

Гашение давленческих пульсаций

Давленческая пульсация на выходе для Рисунка 4 составляет ±250 psi — примерно среднее значение. Плохое конвейирование твердой фазы всегда вызовет такую пульсацию, но некоторые вторичные дизайны могут затухнуть пульсацию. Например, длинный вторичный метрирующий канал с более низким насосным коэффициентом может затухнуть пульсацию, в то время как короткий метрирующий канал с более высоким насосным коэффициентом может увеличить тяжесть пульсации. Лучший способ митигировать пульсацию — устранить её в источнике. В этом случае процесс конвейирования твердой фазы нужно улучшить.

Для существующих экструдеров дизайнер не имеет роскоши двигать вент или удлинять метрирующие участки. В этом случае главные дизайн-параметры — глубина канала первичного метрирования и насосный коэффициент. Как обсуждалось ранее, глубина канала первичного метрирования установит удельный расход для операции, а насосный коэффициент обеспечит давление, нужное для работы даунстрим-оборудования. Глубина первичного метрирующего участка также ключевая дизайн-фича для установки температуры на выходе.

Ключи к проектированию двухстадийных вентированных экструдеров и шнеков — глубина канала первичного метрирования, длина вторичного метрирующего канала и насосный коэффициент. Дизайнеры экструдеров знают, как оптимизировать эти параметры для новых установок и существующих экструдеров. Правильный дизайн должен максимизировать расход, генерировать необходимое давление на выходе без вентового потока и обеспечивать стабильное давление на выходе.

ОБ АВТОРЕ: Марк А. Сполдинг — феллоу в Packaging & Specialty Plastics и Hydrocarbons R&D в Dow Inc. в Мидленде, Мичиган. В течение 40 лет в Dow он фокусировался на разработке, дизайне и траблшутинге полимерных процессов, особенно в одношнековой экструзии. Ко-автор Analyzing and Troubleshooting Single-Screw Extruders с Грегори Кэмпбелл. Контакт: 989-636-9849; maspalding@dow.com; dow.com.