Beheersing van de pompverhouding in tweetraps geventileerde extruders met enkele schroef

Tweetraps, geventileerde enkelschroefsextruders zijn gebruikelijk voor veel toepassingen en harsen. Ontluchten is gebruikelijk bij veel styreenharsen en bij de meeste toepassingen is sprake van post-consumer gerecyclede (PCR) harsen. Een goed ontworpen extruder en schroef kunnen meer dan 90% van de vluchtige stoffen via de ontluchting verwijderen, stabiel werken zonder dat de stroom bij de matrijs stijgt en er geen materiaal door de ontluchtingsopening naar buiten stromen.

Er zijn verschillende ontwerpkenmerken nodig om aan deze verwerkingsdoelen te voldoen, waaronder:

Aanbevolen inhoud

• de lengte en diepte van het geventileerde gedeelte
• het ontwerp van de ventilatieomleider
• Lengte van meetkanaal in de tweede fase
• de pompverhouding

Het schema van Figuur 1 toont een tweetraps geventileerde extruder.

Figuur 1: Schematische voorstelling van een tweetraps, geventileerde extruder met enkele schroef. Bron (allemaal):M.A. Spalding

De pompverhouding is de verhouding tussen het pompvermogen van de doseersectie van de tweede trap en het pompvermogen van de doseersectie van de eerste trap. Normaal gesproken ligt de pompverhouding tussen 1,1 en 1,5. De pompverhouding voor een schroef met constante leidinglengte is de kanaaldiepte van het meetkanaal van de tweede trap gedeeld door de diepte van het meetkanaal van de eerste trap. Kanaaldieptes en lengtes voor een typische schroef gemaakt van polystyreen (PS) worden weergegeven in Figuur 2 voor een schroef met een diameter van 6 inch.

Bij dit ontwerp regelt de meetsectie van de eerste fase de snelheid. De pompverhouding bedraagt ​​1,44. Voor grondstoffen die uitsluitend uit pellets bestaan, is de compressieverhouding 3. De compressieverhouding voor een schroef met een constante draadlengte is de diepte van het invoerkanaal gedeeld door de diepte van het doseerkanaal van de eerste trap. De compressieverhouding moet hoog genoeg zijn om het doseerkanaal van de eerste trap in stand te houden wanneer het vol zit met hars en onder druk staat.

Wat het axiale drukprofiel betekent voor de pompverhouding

Voordat de pompverhouding wordt uitgelegd, is het leerzaam om het axiale drukprofiel van de schroef te bespreken. Het axiale drukprofiel voor het in figuur 2 getoonde PS-schroefontwerp werd bepaald met behulp van numerieke simulatie voor een snelheid van 1500 lb/uur en een schroefsnelheid van 55 rpm voor een specifieke snelheid van 27,3 lb/(uur rpm). Het specifieke tarief is eenvoudigweg het tarief gedeeld door de schroefsnelheid. Het axiale drukprofiel wordt weergegeven in figuur 3. Bij deze snelheid had de PS-hars een afvoerdruk van 1600 psi nodig om de stroomafwaartse apparatuur te laten werken. De berekende specifieke snelheid als gevolg van alleen de rotatie van de schroef zonder een opgelegde drukgradiënt bedraagt ​​23 lb/(uur rpm) voor de meetsectie van de eerste fase. Omdat het meetkanaal van de tweede trap dieper is, is de snelheid alleen al door de rotatie hoger, namelijk 32,7 lb/(uur rpm).

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

Zoals Figuur 3 laat zien, is de druk maximaal 1.800 psi aan het begin van de meetsectie van de eerste fase, en neemt deze af tot nuldruk vóór de ontluchting. De druk bij de ontluchting moet nul zijn, anders stroomt er hars uit de ontluchtingsopening. Het doseerkanaal van de eerste trap heeft dus een negatieve drukgradiënt. Deze negatieve drukgradiënt zorgt ervoor dat de stroming in het kanaal hoger is dan de specifieke snelheid, alleen al vanwege rotatie. Hier bedraagt de stroom 27,3 lb/(uur rpm) en bedenk dat de berekende specifieke snelheid, alleen al door de rotatie, 23,0 lb/(uur rpm) bedraagt.

Figuur 3: Axiaal drukprofiel voor de PS-extruder in figuur 2 met een snelheid van 1500 lb/uur bij een schroefsnelheid van 55 tpm.

De extra 4,3 lb/(uur rpm) werd veroorzaakt door de negatieve drukgradiënt. Deze negatieve drukgradiënt moet optreden voor een goed ontworpen tweetrapsextruder, aangezien de druk relatief hoog moet zijn bij de ingang van de meter van de eerste trap vanwege het transporteren en smelten van vaste stoffen en een nuldruk bij het ontluchtingskanaal.

De druk in het ontluchtingskanaal moet nul zijn om vluchtige stoffen te verwijderen en te voorkomen dat hars door de ontluchtingsopening stroomt. Het voorkomen van ventilatiestroom is ook afhankelijk van een omleider die in de ventilatiepoort is geplaatst. De ventilatiestroom werd besproken in het februarinummer van Plastics Technology van februari 2023 . De druk in de ontluchting neemt af tot nul door het kanaal erg diep te maken. Dit zorgt ervoor dat het kanaal gedeeltelijk wordt gevuld, waardoor een groot oppervlak van het gesmolten polymeer wordt blootgesteld voor massatransport van de vluchtige stoffen naar het lege gedeelte van het kanaal. De vluchtige stoffen worden vervolgens via de ventilatieopening verwijderd.

Stroomafwaarts van het ontluchtingskanaal bevindt zich een kort overgangsgedeelte waar de kanaaldiepte ondieper wordt en uiteindelijk gelijkwaardig wordt aan de diepte van het meetkanaal in de tweede fase. Terwijl gesmolten hars naar de meter van de tweede trap beweegt, ontstaat er een locatie waar de kanaalstroom verandert van gedeeltelijk gevuld bij nuldruk naar volledig gevuld. Dit wordt gewoonlijk de vulpositie genoemd. De vulpositie kan plaatsvinden in het overgangsgedeelte of in de meter van de tweede trap. Zodra het kanaal gevuld raakt, kan er druk ontstaan. De vulpositie in figuur 3 bevindt zich bij de ingang van de meetsectie van de tweede fase.

Het meetkanaal van de tweede trap heeft een druk van bijna nul bij de ingang (of vulpositie) en de druk wordt verhoogd tot de maximale afvoerdruk van 1.600 psi, waardoor een positieve axiale drukgradiënt ontstaat. De positieve drukgradiënt zorgt ervoor dat de specifieke snelheid als gevolg van rotatie kleiner is dan de berekende specifieke snelheid. Bedenk dat de specifieke snelheid 27,3 lb/(uur rpm) is en dat de berekende specifieke snelheid als gevolg van rotatie voor het meetkanaal van de tweede fase 32,7 lb/(uur rpm) is. De snelheid werd dus verlaagd met 5,4 lb/(uur rpm) vanwege de positieve drukgradiënt.

Altijd negatief

Een tweetraps geventileerde extruder zal altijd een negatieve drukgradiënt hebben in de doseersectie van de eerste trap en een positieve gradiënt in de doseersectie van de tweede trap. Dit komt omdat het ontluchtingsgedeelte van de schroef moet werken bij nuldruk en met gedeeltelijk gevulde kanalen. Omdat het meetkanaal van de eerste trap de hoeveelheid regelt, moet de doseersectie van de tweede trap in staat zijn te pompen en op druk te brengen met de snelheid van de dosering van de eerste trap.

Vanwege deze werking en de drukgradiënten in de doseerkanalen moet de doseersectie van de tweede trap met een hoger debiet kunnen pompen dan de doseersectie van de eerste trap. Voor een schroef met constante spoedlengte moet de meter van de tweede trap dieper zijn dan de meter van de eerste trap. Zoals eerder vermeld is de verhouding tussen de diepte van de tweede trap en de diepte van de eerste trap de pompverhouding voor een leidinglengte die constant is.

De pompverhouding is niet uniek voor een hars of proces. In plaats daarvan hangt het af van de lengte van het meetgedeelte van de tweede trap, de leidinglengte van de meters, de viscositeit van de hars en de stroomafwaartse drukvereisten. De schroef in figuur 2 heeft bijvoorbeeld een meetgedeelte van de tweede trap met een lengte van zes diameters, een kanaaldiepte van 0,360 inch en een afvoer bij een druk van 1600 psi. Als de meetsectie van de tweede trap langer was geweest met 8 diameters, had de kanaaldiepte kunnen worden ingesteld op 0,330 inch voor een pompverhouding van 1,32.

Als er vlak na de extruder een tandwielpomp zou worden geplaatst, zou de persdruk kunnen worden verlaagd tot 400 psi, en zou de pomp de benodigde druk genereren om de stroomafwaartse apparatuur te laten werken. Hier zou het meetkanaal van de tweede trap een lengte van 6 diameters hebben en een kanaaldiepte van 0,310 inch voor een pompverhouding van 1,24. Een hogere pompverhouding en vulpositie stroomafwaarts van de ingang van de tweede trap zijn ook acceptabel.

Slecht ontwerp, slechte transport van vaste stoffen

Slecht ontworpen geventileerde extruders kunnen de stroomstoot versterken die wordt veroorzaakt door een slecht transport van vaste stoffen. De stroomstoot begint met een transportgedeelte voor vaste stoffen dat niet correct is ontworpen of werkt met een schroef of een te warme toevoerbehuizing. Flow-surging werd besproken in het nummer van augustus 2024. Figuur 4 toont het axiale drukprofiel voor een tweetraps geventileerde extruder met stroomstoot. De ononderbroken druklijn in de figuur is het middelpunt van de golf. De stippellijnen tonen de druk op de hoge en lage punten van de golf.

Figuur 4: Axiale druk voor een tweetraps ontluchtingsextruder met een hogedruk- en een lagedrukgedeelte van een piek.

Als het transport van vaste stoffen slecht wordt, neemt de druk bij de ingang van de meter van de eerste trap af. Dit verkleint de grootte van de negatieve drukgradiënt in de meetsectie, waardoor de snelheid afneemt. Het lagere stroomniveau passeert de gedeeltelijk gevulde ontluchting, de overgang van de tweede trap en het eerste deel van de meetsectie van de tweede trap. De vulpositie beweegt stroomafwaarts, waardoor de afvoerdruk en de snelheid bij de matrijs afnemen. 

Wanneer het transport van vaste stoffen hoog is, is de druk bij de ingang van de meetsectie van de eerste trap hoog, waardoor de grootte van de negatieve drukgradiënt hoog wordt en de snelheid toeneemt. Hier zorgt de hogere snelheid ervoor dat de vulpositie stroomopwaarts beweegt, zoals weergegeven in Figuur 4. De stroomopwaartse vulpositie zorgt ervoor dat de afvoerdruk en de snelheid bij de matrijs toenemen.

Dempende drukstoten

De drukstoot bij de afvoer voor Figuur 4 is ±250 psi – ongeveer de gemiddelde waarde. Slecht transport van vaste stoffen zal altijd een dergelijke golf veroorzaken, maar sommige ontwerpen in de tweede fase kunnen de golf dempen. Een lang meetkanaal van de tweede trap met een lagere pompverhouding kan bijvoorbeeld de piek dempen, terwijl een kort meetkanaal met een hogere pompverhouding de ernst van de piek kan vergroten. De beste manier om pieken te beperken is door deze bij de bron te elimineren. In dit geval zou het transportproces van vaste stoffen moeten worden verbeterd.

Bij bestaande extruders heeft de ontwerper niet de luxe om de vleugel te verplaatsen of de doseersecties te verlengen. In dit geval zijn de belangrijkste ontwerpparameters de diepte van het meetkanaal van de eerste trap en de pompverhouding. Zoals eerder besproken, zal de diepte van het meetkanaal van de eerste trap de specifieke werkingssnelheid instellen, en zal de pompverhouding de druk leveren die nodig is om de stroomafwaartse apparatuur te laten werken. De diepte van het meetgedeelte van de eerste trap is ook een belangrijk ontwerpkenmerk voor het instellen van de uitblaastemperatuur.

De sleutels tot het ontwerpen van tweetraps geventileerde extruders en schroeven zijn de diepte van het doseerkanaal van de eerste trap, de lengte van het doseerkanaal van de tweede trap en de pompverhouding. Extruderontwerpers weten deze parameters te optimaliseren voor nieuwe installaties en bestaande extruders. Een goed ontwerp moet de snelheid maximaliseren, de noodzakelijke afvoerdruk genereren zonder ontluchtingsstroom en zorgen voor een constante afvoerdruk.

OVER DE AUTEUR:Mark A. Spalding  is een fellow in Packaging &Specialty Plastics en Hydrocarbons R&D bij Dow Inc. in Midland, Michigan. Tijdens zijn 40 jaar bij Dow heeft hij zich geconcentreerd op de ontwikkeling, het ontwerp en het oplossen van problemen met polymeerprocessen, vooral bij enkelschroefsextrusie. Hij was co-auteur van Analyseren en oplossen van problemen met extruders met één schroef  met Gregory Campbell. Contactpersoon:989-636-9849; maspalding@dow.com; dow.com.