Улучшение соотношения насосов в двухступенчатых одношнековых экструдерах с вентиляцией

Двухступенчатые вентилируемые одношнековые экструдеры широко используются для многих применений и смол. Вентиляция является обычным явлением для многих стирольных смол и большинства применений, связанных с переработанными после потребления смолами (ПЦР). Правильно спроектированный экструдер и шнек смогут удалять более 90% летучих веществ через вентиляционное отверстие, работать стабильно, без скачков потока на головке и не допускать вытекания материала через вентиляционное отверстие.

Для достижения этих целей обработки необходимы некоторые конструктивные особенности, в том числе:

Рекомендуемый контент

• длина и глубина вентилируемой секции
• конструкция вентиляционного переключателя
• длина канала измерения второго этапа
• коэффициент накачки

На рисунке 1 показан двухступенчатый вентилируемый экструдер.

Рисунок 1: Схема двухступенчатого вентилируемого одношнекового экструдера. Источник (все):М.А. Сполдинг

Коэффициент накачки представляет собой отношение прокачивающей способности дозирующей секции второй ступени к прокачивающей способности дозирующей секции первой ступени. Обычно передаточное отношение насоса находится в диапазоне от 1,1 до 1,5. Коэффициент накачки для шнека с постоянной длиной подъема равен глубине дозирующего канала второй ступени, деленной на глубину дозирующего канала первой ступени. Глубина и длина канала для типичного шурупа, изготовленного из полистирола (ПС), показаны на рисунке 2 для шнека диаметром 6 дюймов.

В этой конструкции секция дозирования первой ступени контролирует норму. Коэффициент насоса составляет 1,44. Для сырья, состоящего только из окатышей, степень сжатия равна 3. Степень сжатия для шнека с постоянной длиной шага равна глубине канала подачи, деленной на глубину дозирующего канала первой ступени. Степень сжатия должна быть достаточно высокой, чтобы поддерживать дозирующий канал первой ступени, когда он заполнен смолой и находится под давлением.

Как профиль осевого давления влияет на степень накачки

Прежде чем объяснять передаточное число насоса, полезно обсудить профиль осевого давления винта. Профиль осевого давления для конструкции шнека PS, показанный на рисунке 2, был определен с помощью численного моделирования для скорости 1500 фунтов/час и скорости шнека 55 об/мин для конкретной скорости 27,3 фунта/(час об/мин). Удельная скорость — это просто скорость, деленная на скорость шнека. Профиль осевого давления показан на рисунке 3. При такой скорости для работы ПС-смолы требовалось давление нагнетания 1600 фунтов на квадратный дюйм для работы последующего оборудования. Рассчитанная удельная скорость, обусловленная только вращением шнека без наложенного градиента давления, составляет 23 фунта/(час об/мин) для секции дозирования первой ступени. Поскольку дозирующий канал второй ступени глубже, скорость только за счет вращения выше и составляет 32,7 фунта/(час об/мин).

Рис. 2. Типичная глубина канала для винта диаметром 6 дюймов для полистирола. Степень сжатия равна 3, а степень накачки — 1,44. Стенка бочки – это верхняя горизонтальная линия фигуры.

Как показано на рисунке 3, максимальное давление составляет 1800 фунтов на квадратный дюйм в начале секции замера первой ступени, а перед вентиляционным отверстием оно снижается до нулевого давления. Давление в вентиляционном отверстии должно быть нулевым, иначе смола вытечет из вентиляционного отверстия. Таким образом, дозирующий канал первой ступени имеет отрицательный градиент давления. Этот отрицательный градиент давления приводит к тому, что поток в канале превышает удельную скорость из-за простого вращения. Здесь расход составляет 27,3 фунта/(час об/мин), и напомним, что расчетная удельная скорость, обусловленная только вращением, составляет 23,0 фунта/(час об/мин).

Рис. 3. Профиль осевого давления для экструдера PS на рисунке 2 при скорости 1500 фунтов/час и скорости шнека 55 об/мин.

Дополнительные 4,3 фунта/(час об/мин) были вызваны отрицательным градиентом давления. Этот отрицательный градиент давления должен возникать в правильно спроектированном двухступенчатом экструдере, поскольку давление на входе в расходомер первой ступени должно быть относительно высоким из-за транспортировки и плавления твердых частиц, а также нулевого давления в вентиляционном канале.

Давление в вентиляционном канале должно быть нулевым, чтобы удалить летучие вещества и предотвратить вытекание смолы через вентиляционное отверстие. Предотвращение вентиляционного потока также зависит от переключателя, расположенного в вентиляционном отверстии. Вентиляционный поток обсуждался в февральском выпуске журнала Plastics Technology за 2023 год. . Давление в вентиляционном отверстии снижается до нуля, делая канал очень глубоким. Это приводит к частичному заполнению канала, обнажая большую площадь поверхности расплавленного полимера для массового переноса летучих веществ в пустую часть канала. Летучие вещества затем удаляются через вентиляционное отверстие.

Ниже по течению от вентиляционного канала находится короткий переходный участок, где глубина канала становится меньше и в конечном итоге равна глубине дозирующего канала второй ступени. Когда расплавленная смола движется к расходомеру второй ступени, возникает место, где поток канала изменяется от частично заполненного при нулевом давлении до полностью заполненного. Обычно это называется положением заполнения. Положение заполнения может возникать в переходной секции или в счетчике второй ступени. Как только канал заполняется, может произойти создание давления. На рисунке 3 точка заполнения находится на входе в секцию дозирования второй ступени.

В дозирующем канале второй ступени давление на входе (или в положении заполнения) близко к нулю, и давление увеличивается до максимального давления нагнетания 1600 фунтов на квадратный дюйм, создавая положительный осевой градиент давления. Положительный градиент давления приводит к тому, что удельная скорость оказывается меньше расчетной удельной скорости из-за вращения. Напомним, что удельная скорость составляет 27,3 фунта/(час об/мин), а расчетная удельная скорость вращения дозирующего канала второй ступени составляет 32,7 фунта/(час об/мин). Таким образом, скорость снизилась на 5,4 фунта/(час об/мин) из-за положительного градиента давления.

Всегда отрицательно

Двухступенчатый вентилируемый экструдер всегда будет иметь отрицательный градиент давления в секции дозирования первой ступени и положительный градиент в секции дозирования второй ступени. Это связано с тем, что вентиляционная секция шнека должна работать при нулевом давлении и с частично заполненными каналами. Поскольку дозирующий канал первой ступени контролирует норму, секция дозирования второй ступени должна быть способна перекачивать и создавать давление со скоростью дозирования первой ступени.

Из-за этой операции и перепадов давления в дозирующих каналах дозирующая секция второй ступени должна иметь возможность перекачивать с более высокой скоростью, чем дозирующая секция первой ступени. Для винта с постоянной длиной шага измеритель второй ступени должен быть глубже, чем счетчик первой ступени. Как указывалось ранее, отношение глубины второй ступени к глубине первой ступени представляет собой коэффициент накачки при постоянной длине вывода.

Коэффициент подачи не является уникальным для смолы или процесса. Вместо этого это зависит от длины дозирующей секции второй ступени, длины подвода расходомеров, вязкости смолы и требований к давлению на выходе. Например, шнек на Рисунке 2 имеет дозирующую секцию второй ступени длиной 6 диаметров, глубину канала 0,360 дюйма и разгрузку под давлением 1600 фунтов на квадратный дюйм. Если бы дозирующая секция второй ступени была длиннее на 8 диаметров, глубину канала можно было бы установить на 0,330 дюйма при коэффициенте накачки 1,32.

Если бы шестеренный насос был расположен сразу после экструдера, давление нагнетания можно было бы снизить до 400 фунтов на квадратный дюйм, и насос создавал бы необходимое давление для работы последующего оборудования. Здесь дозирующий канал второй ступени будет иметь длину 6 диаметров и глубину канала 0,310 дюйма при коэффициенте накачки 1,24. Более высокая производительность насоса и положение заполнения после входа второй ступени также являются приемлемой операцией.

Плохая конструкция, плохая транспортировка твердых частиц

Плохо спроектированные вентилируемые экструдеры могут усилить пульсацию потока, вызванную плохой транспортировкой твердых частиц. Скачок потока начинается с секции транспортировки твердых частиц, которая спроектирована неправильно или работает со слишком горячим шнеком или подающим кожухом. Скачки потока обсуждались в выпуске за август 2024 года. На рис. 4 показан профиль осевого давления для двухступенчатого вентилируемого экструдера с пульсирующим потоком. Сплошная линия давления на рисунке — это середина скачка. Пунктирные линии показывают давление в верхней и нижней точках скачка давления.

Рис. 4. Осевое давление для двухступенчатого вентиляционного экструдера с участком скачка высокого и низкого давления.

Если транспортировка твердых частиц становится плохой, давление на входе счетчика первой ступени снижается. Это уменьшает величину отрицательного градиента давления в дозирующей секции, снижая скорость. Нижний уровень потока проходит через частично заполненное вентиляционное отверстие, переход второй ступени и первую часть дозирующей секции второй ступени. Положение заполнения перемещается вниз по потоку, уменьшая давление нагнетания и скорость на головке. 

Когда транспортировка твердых частиц высока, давление на входе в секцию дозирования первой ступени высокое, что приводит к увеличению величины отрицательного градиента давления и увеличению скорости. Здесь более высокая скорость приводит к перемещению позиции наполнения вверх по потоку, как показано на рисунке 4. Положение заполнения вверх по потоку приводит к увеличению давления нагнетания и скорости на головке.

Подавление скачков давления

Скачок давления на нагнетании на рисунке 4 составляет ±250 фунтов на квадратный дюйм — примерно среднее значение. Плохая транспортировка твердых частиц всегда будет вызывать такой всплеск, но некоторые конструкции второй ступени могут его ослабить. Например, длинный дозирующий канал второй ступени с более низкой степенью накачки может гасить помпаж, а короткий дозирующий канал с более высоким коэффициентом накачки может увеличить серьезность помпажа. Лучший способ уменьшить помпажи — устранить их в источнике. В этом случае процесс транспортировки твердых частиц необходимо будет улучшить.

Для существующих экструдеров конструктор не может позволить себе роскошь перемещать вентиляционное отверстие или удлинять дозирующие секции. В данном случае основными конструктивными параметрами являются глубина дозирующего канала первой ступени и коэффициент накачки. Как обсуждалось ранее, глубина дозирующего канала первой ступени будет определять конкретную производительность работы, а степень накачки будет обеспечивать давление, необходимое для работы оборудования, расположенного ниже по потоку. Глубина секции дозирования первой ступени также является ключевой конструктивной особенностью для установки температуры нагнетания.

Ключом к проектированию двухступенчатых вентилируемых экструдеров и шнеков являются глубина дозирующего канала первой ступени, длина дозирующего канала второй ступени и передаточное число насоса. Разработчики экструдеров знают, как оптимизировать эти параметры для новых установок и существующих экструдеров. Правильная конструкция должна максимизировать производительность, создавать необходимое давление нагнетания без сброса потока и обеспечивать стабильное давление нагнетания.

ОБ АВТОРЕ:Марк А. Сполдинг  является научным сотрудником отдела исследований и разработок в области упаковки и специальных пластмасс и углеводородов в компании Dow Inc. в Мидленде, штат Мичиган. За 40 лет работы в Dow он сосредоточился на разработке, проектировании и устранении неисправностей процессов полимеризации, особенно при одношнековой экструзии. Он является соавтором Анализ и устранение неисправностей одношнековых экструдеров.  с Грегори Кэмпбеллом. Контакт:989-636-9849; maspalding@dow.com; dow.com.