Pompverhouding Beheersen in Twee-traps Geventileerde Enkelvoudige-schroef Extruders

Twee-traps, geventileerde enkelvoudige-schroef extruders zijn gebruikelijk voor veel toepassingen en harsen. Ventilatie is gebruikelijk bij veel styrenharsen en de meeste toepassingen met post-consumer gerecyclde (PCR) harsen. Een goed ontworpen extruder en schroef kan meer dan 90% van de vluchtige stoffen door de vent verwijderen, stabiel opereren zonder stroomsurgering aan de monding, en geen materiaal laten stromen door de ventopening.

Verschillende ontwerpkenmerken zijn nodig om deze verwerkingsdoelen te bereiken, inclusief:

Uitgelichte Content

• de lengte en diepte van de geventileerde sectie
• het ontwerp van de ventafleider
• tweede-traps meteringskanaal lengte
• de pompverhouding

Het Figuur 1 schema toont een twee-traps geventileerde extruder.

Figuur 1: Schema voor een twee-traps, geventileerde enkelvoudige-schroef extruder. Bron (alle): M.A. Spalding

De pompverhouding is de verhouding van het pompvermogen van de tweede-traps meteringssectie ten opzichte van het pompvermogen van de eerste-traps meteringssectie. Typisch varieert de pompverhouding tussen 1,1 en 1,5. De pompverhouding voor een schroef met een constante leidingslengte is de kanaaldiepte van de tweede-traps meteringskanaal gedeeld door de diepte van de eerste-traps meteringskanaal. Kanaaldiepten en lengtes voor een typische schroef gemaakt voor polystyreen (PS) worden getoond in Figuur 2 voor een 6-inch diameter schroef.

Voor dit ontwerp controleert de eerste-traps meteringssectie de snelheid. De pompverhouding is 1,44. Voor pellet-only feedstocks is de compressieverhouding 3. De compressieverhouding voor een schroef met een constante leidingslengte is de diepte van het voedingskanaal gedeeld door de diepte van de eerste-traps meteringskanaal. De compressieverhouding moet hoog genoeg zijn om de eerste-traps meteringskanaal vol met hars en onder druk te houden.

Wat Axiale Drukprofiel Betekent voor Pompverhouding

Voordat de pompverhouding uitgelegd wordt, is het instructief om de schroef's axiale drukprofiel te bespreken. Het axiale drukprofiel voor het PS schroefontwerp getoond in Figuur 2 werd bepaald met numerieke simulatie voor een snelheid van 1.500 lb/hr en een schroefsnelheid van 55 rpm voor een specifieke snelheid van 27,3 lb/(hr rpm). De specifieke snelheid is simpelweg de snelheid gedeeld door de schroefsnelheid. Het axiale drukprofiel wordt getoond in Figuur 3. Bij deze snelheid had de PS hars een afvoerdruk van 1.600 psi nodig om de downstream apparatuur te draaien. De berekende specifieke snelheid door alleen de rotatie van de schroef zonder een opgelegde drukgradient is 23 lb/(hr rpm) voor de eerste-traps meteringssectie. Omdat de tweede-traps meteringskanaal dieper is, is de snelheid door alleen rotatie hoger op 32,7 lb/(hr rpm).

Figuur 2: Typische kanaaldiepten voor een 6-inch diameter schroef voor PS hars. De compressieverhouding is 3, en de pompverhouding is 1,44. De vatwand is de bovenste horizontale lijn van de figuur.

Zoals Figuur 3 toont, is druk een maximum van 1.800 psi aan het begin van de eerste-traps meteringssectie, en daalt naar nul druk voor de vent. De druk bij de vent moet nul zijn of hars zal uit de ventopening stromen. Dus heeft de eerste-traps meteringskanaal een negatieve drukgradient. Deze negatieve drukgradient zorgt ervoor dat de stroom in het kanaal hoger is dan de specifieke snelheid door alleen rotatie. Hier is de stroom 27,3 lb/(hr rpm) en herinner dat de berekende specifieke snelheid door alleen rotatie 23,0 lb/(hr rpm) is.

Figuur 3: Axiale drukprofiel voor de PS extruder in Figuur 2 bij een snelheid van 1.500 lb/hr bij een schroefsnelheid van 55 rpm.

De extra 4,3 lb/(hr rpm) werd veroorzaakt door de negatieve drukgradient. Deze negatieve drukgradient moet optreden voor een goed ontworpen twee-traps extruder aangezien de druk relatief hoog moet zijn aan de ingang van de eerste-traps meter door vastestoffen transport en smelten en nul druk bij het ventkanaal.

De druk in het ventkanaal moet nul zijn om vluchtige stoffen te verwijderen en stroom van hars door de ventopening te voorkomen. Het voorkomen van ventstroom hangt ook af van een afleider die in de ventpoort gepositioneerd is. Ventstroom werd besproken in het februari 2023 nummer van Plastics Technology. De druk in de vent daalt naar nul door het kanaal heel diep te maken. Dit zorgt ervoor dat het kanaal deels gevuld is, een groot oppervlaktegebied van het gesmolten polymere blootstellend voor massa transport van de vluchtige stoffen naar het lege deel van het kanaal. De vluchtige stoffen worden vervolgens door de vent verwijderd.

Stroomafwaarts van het ventkanaal is een korte overgangssectie waar de kanaaldiepte ondieper wordt en uiteindelijk equivalent aan de tweede-traps meteringskanaaldiepte. Als gesmolten hars naar de tweede-traps meter beweegt, treedt een locatie op waar de kanaalstroom verandert van deels gevuld bij nul druk naar volledig gevuld. Dit wordt gemeenschappelijk aangeduid als de vulpositie. De vulpositie kan optreden in de overgangssectie of in de tweede-traps meter. Eenmaal het kanaal gevuld is, kan drukgeneratie optreden. De vulpositie in Figuur 3 is aan de ingang van de tweede-traps meteringssectie.

De tweede-traps meteringskanaal heeft een druk bij nul aan de ingang (of vulpositie) en de druk steeg tot de maximale afvoerdruk van 1.600 psi, wat een positieve axiale drukgradient creëert. De positieve drukgradient zorgt ervoor dat de specifieke snelheid minder is dan de berekende specifieke snelheid door rotatie. Herinner dat de specifieke snelheid 27,3 lb/(hr rpm) is en de berekende specifieke snelheid door rotatie voor de tweede-traps meteringskanaal 32,7 lb/(hr rpm) is. Dus werd de snelheid met 5,4 lb/(hr rpm) verminderd door de positieve drukgradient.

Altijd Negatief

Een twee-traps geventileerde extruder zal altijd een negatieve drukgradient hebben in de eerste-traps meteringssectie en een positieve gradient in de tweede-traps meteringssectie. Dit is omdat de ventsectie van de schroef moet opereren bij nul druk en met deels gevulde kanalen. Aangezien de eerste-traps meteringskanaal de snelheid controleert, moet de tweede-traps meteringssectie in staat zijn te pompen en onder druk te zetten op de snelheid van de eerste-traps meteringskanaal.

Vanwege deze operatie en de drukgradienten in de meteringskanalen, moet de tweede-traps meteringssectie in staat zijn om op een hogere snelheid te pompen dan de eerste-traps meteringskanaal. Voor een schroef met constante leidingslengte moet de tweede-traps meter dieper zijn dan de eerste-traps meter. Zoals eerder gesteld, is de verhouding van de tweede-traps diepte tot de eerste-traps diepte de pompverhouding voor een leidingslengte die constant is.

De pompverhouding is niet uniek voor een hars of proces. In plaats daarvan hangt het af van de lengte van de tweede-traps meteringssectie, leidingslengte van de meters, viscositeit van de hars, en de downstream drukvereisten. Bijvoorbeeld, de schroef in Figuur 2 heeft een tweede-traps meteringssectie die 6 diameters in lengte is, een kanaaldiepte van 0,360 inch, en afvoert bij een druk van 1.600 psi. Als de tweede-traps meteringssectie langer was op 8 diameters, kon de kanaaldiepte ingesteld worden op 0,330-inch voor een pompverhouding van 1,32.

Als een tandwielpomp net na de extruder gepositioneerd was, kon de afvoerdruk verminderd worden tot 400 psi, en de pomp zou de benodigde druk genereren om de downstream apparatuur te laten draaien. Hier zou de tweede-traps meteringskanaal 6 diameters in lengte zijn en een kanaaldiepte van 0,310-inch hebben voor een pompverhouding van 1,24. Een hogere pompverhouding en vulpositie stroomafwaarts van de tweede-traps ingang is ook een acceptabele operatie.

Slecht Ontwerp, Slecht Vastestoffen Transport

Slecht ontworpen geventileerde extruders kunnen stroomsurgering geïnduceerd door slecht vastestoffentransport verergeren. De stroomsurge begint met een vastestoffentransportsectie die niet correct ontworpen is of werkt met een schroef of voedingsbehuizing die te warm is. Stroomsurgering werd besproken in het augustus 2024 nummer. Figuur 4 toont het axiale drukprofiel voor een stroomsurgerende twee-traps geventileerde extruder. De solide druklijn in de figuur is het middenpunt van de surge. De stipellijnen tonen de drukken op de hoge en lage punten van de surge.

Figuur 4: Axiale druk voor een twee-traps vent extruder met een hoge-druk en een lage-druk deel van een surge.

Als vastestoffentransport slecht wordt, daalt de druk aan de ingang van de eerste-traps meter. Dit vermindert de grootte van de negatieve drukgradient in de meteringssectie, wat de snelheid verlaagt. Het lagere stromingsniveau passeert door het deels gevulde vent, tweede-traps overgang, en het eerste deel van de tweede-traps meteringssectie. De vulpositie verplaatst zich stroomafwaarts, wat de afvoerdruk en de snelheid aan de monding verlaagt.

Wanneer vastestoffentransport hoog is, is de druk aan de ingang van de eerste-traps meteringssectie hoog, wat de grootte van de negatieve drukgradient hoog maakt en de snelheid verhoogt. Hier verplaatst de hogere snelheid de vulpositie stroomopwaarts zoals getoond in Figuur 4. De stroomopwaartse vulpositie zorgt ervoor dat de afvoerdruk en de snelheid aan de monding toenemen.

Drukschokken Demping

De druksurge aan de afvoer voor Figuur 4 is ±250 psi — ongeveer de gemiddelde waarde. Slecht vastestoffentransport zal altijd een surge als deze veroorzaken, maar sommige tweede-traps ontwerpen kunnen de surge dempen. Bijvoorbeeld, een lange tweede-traps meteringskanaal met een lagere pompverhouding kan de surge dempen terwijl een korte meteringskanaal met een hogere pompverhouding de ernst van de surge kan vergroten. De beste manier om surging te mitigeren is het aan de bron te elimineren. In dit geval zou het vastestoffentransportproces verbeterd moeten worden.

Voor bestaande extruders heeft de ontwerper niet de luxe om de vent te verplaatsen of de meteringssecties te verlengen. In dit geval zijn de hoofdontwerpparameters de diepte van de eerste-traps meteringskanaal en de pompverhouding. Zoals eerder besproken, zal de diepte van de eerste-traps meteringskanaal de specifieke snelheid voor operatie instellen, en de pompverhouding zal de druk leveren die nodig is om de downstream apparatuur te laten draaien. De diepte van de eerste-traps meteringssectie is ook een sleutelontwerpkenmerk voor het instellen van de afvoertemperatuur.

De sleutels tot het ontwerpen van twee-traps, geventileerde extruders en schroeven zijn de diepte van de eerste-traps meteringskanaal, de lengte van de tweede-traps meteringskanaal en de pompverhouding. Extruderontwerpers weten hoe deze parameters te optimaliseren voor nieuwe installaties en bestaande extruders. Een goed ontwerp moet de snelheid maximaliseren, de benodigde afvoerdruk genereren zonder ventstroom en een stabiele afvoerdruk leveren.

OVER DE AUTEUR: Mark A. Spalding is een fellow in Packaging & Specialty Plastics en Hydrocarbons R&D bij Dow Inc. in Midland, Michigan. Gedurende zijn 40 jaar bij Dow heeft hij zich gefocust op ontwikkeling, ontwerp en troubleshooting van polymere processen, met name in enkelvoudige-schroef extrusie. Hij co-schreef Analyzing and Troubleshooting Single-Screw Extruders met Gregory Campbell. Contact: 989-636-9849; maspalding@dow.com; dow.com.