Beherrschung des Pumpenverhältnisses in zweistufig belüfteten Einschneckenextrudern

Zweistufige, belüftete Einschneckenextruder sind für viele Anwendungen und Harze üblich. Bei vielen Styrolharzen und den meisten Anwendungen mit PCR-Harzen (Post-Consumer-Recycling) kommt es häufig zu einer Entlüftung. Ein ordnungsgemäß konstruierter Extruder und eine ordnungsgemäß konstruierte Schnecke sind in der Lage, mehr als 90 % der flüchtigen Bestandteile durch die Entlüftungsöffnung zu entfernen, stabil zu arbeiten, ohne dass der Durchfluss an der Düse ansteigt, und es wird verhindert, dass Material durch die Entlüftungsöffnung ausfließt.

Um diese Verarbeitungsziele zu erreichen, sind mehrere Designmerkmale erforderlich, darunter:

Empfohlener Inhalt

• die Länge und Tiefe des belüfteten Abschnitts
• das Design des Entlüftungsumlenkers
• Länge des Messkanals der zweiten Stufe
• das Pumpenverhältnis

Das Schema in Abbildung 1 zeigt einen zweistufigen Entgasungsextruder.

Abbildung 1: Schematische Darstellung eines zweistufigen, belüfteten Einschneckenextruders. Quelle (alle):M.A. Spalding

Das Pumpverhältnis ist das Verhältnis der Pumpfähigkeit des Dosierabschnitts der zweiten Stufe relativ zur Pumpfähigkeit des Dosierabschnitts der ersten Stufe. Typischerweise liegt das Pumpenverhältnis zwischen 1,1 und 1,5. Das Pumpverhältnis für eine Schnecke mit konstanter Steigungslänge ist die Kanaltiefe des Dosierkanals der zweiten Stufe dividiert durch die Tiefe des Dosierkanals der ersten Stufe. Kanaltiefen und -längen für eine typische Schraube aus Polystyrol (PS) sind in Abbildung 2 für eine Schraube mit 6 Zoll Durchmesser dargestellt.

Bei diesem Design steuert der Dosierabschnitt der ersten Stufe die Rate. Das Pumpenverhältnis beträgt 1,44. Für rein pelletierte Rohstoffe beträgt das Kompressionsverhältnis 3. Das Kompressionsverhältnis für eine Schnecke mit konstanter Steigungslänge ist die Tiefe des Zufuhrkanals geteilt durch die Tiefe des Dosierkanals der ersten Stufe. Das Kompressionsverhältnis muss hoch genug sein, um den Dosierkanal der ersten Stufe aufrechtzuerhalten, wenn er mit Harz gefüllt und unter Druck steht.

Was das axiale Druckprofil für das Pumpenverhältnis bedeutet

Bevor das Pumpverhältnis erklärt wird, ist es aufschlussreich, das axiale Druckprofil der Schnecke zu besprechen. Das axiale Druckprofil für das in Abbildung 2 gezeigte PS-Schneckendesign wurde mithilfe einer numerischen Simulation für eine Rate von 1.500 lb/h und eine Schneckengeschwindigkeit von 55 U/min für eine spezifische Rate von 27,3 lb/(h/min) ermittelt. Die spezifische Rate ist einfach die Rate dividiert durch die Schneckengeschwindigkeit. Das axiale Druckprofil ist in Abbildung 3 dargestellt. Bei dieser Geschwindigkeit benötigte das PS-Harz einen Austrittsdruck von 1.600 psi, um die nachgeschalteten Geräte zu betreiben. Die berechnete spezifische Rate allein aufgrund der Drehung der Schnecke ohne angelegten Druckgradienten beträgt 23 lb/(h/min) für den Dosierabschnitt der ersten Stufe. Da der Dosierkanal der zweiten Stufe tiefer ist, ist die allein auf die Rotation zurückzuführende Rate mit 32,7 lb/(h U/min) höher.

Abbildung 2: Typische Kanaltiefen für eine Schraube mit 6 Zoll Durchmesser für PS-Harz. Das Verdichtungsverhältnis beträgt 3 und das Pumpverhältnis 1,44. Die Fasswand ist die obere horizontale Linie der Figur.

Wie Abbildung 3 zeigt, erreicht der Druck zu Beginn des Dosierabschnitts der ersten Stufe sein Maximum bei 1.800 psi und sinkt vor der Entlüftung auf den Druck Null. Der Druck an der Entlüftung muss Null sein, sonst fließt Harz aus der Entlüftungsöffnung. Somit weist der Dosierkanal der ersten Stufe einen negativen Druckgradienten auf. Dieser negative Druckgradient führt dazu, dass die Strömung im Kanal allein aufgrund der Rotation höher ist als die spezifische Rate. Hier liegt der Durchfluss bei 27,3 lb/(h/min) und bedenken Sie, dass die berechnete spezifische Rate allein aufgrund der Rotation 23,0 lb/(h/min) beträgt.

Abbildung 3: Axiales Druckprofil für den PS-Extruder in Abbildung 2 bei einer Geschwindigkeit von 1.500 lb/h bei einer Schneckengeschwindigkeit von 55 U/min.

Die zusätzlichen 4,3 lb/(h U/min) wurden durch den Unterdruckgradienten verursacht. Dieser negative Druckgradient muss bei einem ordnungsgemäß ausgelegten zweistufigen Extruder auftreten, da der Druck am Eingang zum Messgerät der ersten Stufe aufgrund der Feststoffförderung und des Schmelzens relativ hoch sein muss und am Entlüftungskanal kein Druck herrscht.

Der Druck im Entlüftungskanal muss Null sein, um flüchtige Stoffe zu entfernen und einen Harzfluss durch die Entlüftungsöffnung zu verhindern. Die Verhinderung des Entlüftungsflusses hängt auch von einem Umleiter ab, der in der Entlüftungsöffnung positioniert ist. Entlüftungsströmung wurde in der Februarausgabe 2023 von Plastics Technology besprochen . Der Druck in der Entlüftung sinkt auf Null, indem der Kanal sehr tief wird. Dadurch wird der Kanal teilweise gefüllt, wodurch eine große Oberfläche des geschmolzenen Polymers für den Massentransport der flüchtigen Stoffe in den Hohlraumbereich des Kanals freigelegt wird. Die flüchtigen Bestandteile werden dann durch die Entlüftung entfernt.

Stromabwärts des Entlüftungskanals befindet sich ein kurzer Übergangsabschnitt, in dem die Kanaltiefe flacher wird und schließlich der Tiefe des Dosierkanals der zweiten Stufe entspricht. Während sich geschmolzenes Harz in Richtung des Zählers der zweiten Stufe bewegt, entsteht eine Stelle, an der sich der Kanalfluss von teilweise gefüllt bei Nulldruck zu vollständig gefüllt ändert. Dies wird allgemein als Füllposition bezeichnet. Die Füllposition kann im Übergangsbereich oder im Zähler der zweiten Stufe erfolgen. Sobald der Kanal gefüllt ist, kann es zu einer Druckerzeugung kommen. Die Füllposition in Abbildung 3 befindet sich am Eingang zum Dosierabschnitt der zweiten Stufe.

Der Dosierkanal der zweiten Stufe hat am Eingang (oder an der Füllposition) einen Druck nahe Null und der Druck steigt auf den maximalen Auslassdruck von 1.600 psi, wodurch ein positiver axialer Druckgradient entsteht. Der positive Druckgradient führt dazu, dass die spezifische Rate aufgrund der Rotation geringer ist als die berechnete spezifische Rate. Denken Sie daran, dass die spezifische Rate 27,3 lb/(h/min) beträgt und die berechnete spezifische Rate aufgrund der Drehung für den Messkanal der zweiten Stufe 32,7 lb/(h/min) beträgt. Somit wurde die Geschwindigkeit aufgrund des positiven Druckgradienten um 5,4 lb/(h rpm) reduziert.

Immer negativ

Ein zweistufiger Entgasungsextruder weist im Dosierbereich der ersten Stufe immer einen negativen Druckgradienten und im Dosierbereich der zweiten Stufe einen positiven Druckgradienten auf. Dies liegt daran, dass der Entlüftungsabschnitt der Schnecke drucklos und mit teilweise gefüllten Kanälen arbeiten muss. Da der Dosierkanal der ersten Stufe die Rate steuert, muss der Dosierabschnitt der zweiten Stufe in der Lage sein, mit der Rate der Dosierung der ersten Stufe zu pumpen und Druck auszuüben.

Aufgrund dieses Vorgangs und der Druckgradienten in den Dosierkanälen muss der Dosierabschnitt der zweiten Stufe in der Lage sein, mit einer höheren Rate zu pumpen als der Dosierabschnitt der ersten Stufe. Bei einer Schraube mit konstanter Steigungslänge muss das Messgerät der zweiten Stufe tiefer sein als das Messgerät der ersten Stufe. Wie bereits erwähnt, ist das Verhältnis der Tiefe der zweiten Stufe zur Tiefe der ersten Stufe das Pumpverhältnis für eine konstante Leitungslänge.

Das Pumpenverhältnis ist nicht spezifisch für ein Harz oder einen Prozess. Stattdessen hängt es von der Länge des Dosierabschnitts der zweiten Stufe, der Leitungslänge der Messgeräte, der Viskosität des Harzes und den Anforderungen an den nachgeschalteten Druck ab. Beispielsweise verfügt die Schnecke in Abbildung 2 über einen Dosierabschnitt der zweiten Stufe mit einer Länge von 6 Durchmessern, einer Kanaltiefe von 0,360 Zoll und einem Ausstoßdruck von 1.600 psi. Wenn der Dosierabschnitt der zweiten Stufe bei 8 Durchmessern länger wäre, hätte die Kanaltiefe auf 0,330 Zoll für ein Pumpenverhältnis von 1,32 eingestellt werden können.

Wenn eine Zahnradpumpe direkt nach dem Extruder positioniert wäre, könnte der Auslassdruck auf 400 psi reduziert werden und die Pumpe würde den erforderlichen Druck erzeugen, um die nachgeschalteten Geräte zu betreiben. Hier hätte der Dosierkanal der zweiten Stufe eine Länge von 6 Durchmessern und eine Kanaltiefe von 0,310 Zoll für ein Pumpenverhältnis von 1,24. Ein höheres Pumpenverhältnis und eine höhere Füllposition hinter dem Eingang der zweiten Stufe sind ebenfalls ein akzeptabler Betrieb.

Schlechtes Design, schlechte Feststoffförderung

Schlecht konstruierte Entgasungsextruder können den durch eine schlechte Feststoffförderung verursachten Strömungsstoß verstärken. Der Strömungsstoß beginnt mit einer nicht korrekt ausgelegten Feststoffförderstrecke oder einem Betrieb mit zu heißer Schnecke oder Fördergehäuse. In der Ausgabe vom August 2024 wurde das Thema „Flow Surging“ besprochen. Abbildung 4 zeigt das axiale Druckprofil für einen zweistufigen, belüfteten Extruder mit Stoßströmung. Die durchgezogene Drucklinie in der Abbildung ist der Mittelpunkt des Druckstoßes. Die gestrichelten Linien zeigen die Drücke an den höchsten und niedrigsten Punkten des Druckanstiegs.

Abbildung 4: Axialdruck für einen zweistufigen Entgasungsextruder mit einem Hochdruck- und einem Niederdruckanteil eines Druckstoßes.

Bei schlechterer Feststoffförderung sinkt der Druck am Eingang des Vorzählers. Dadurch verringert sich die Größe des negativen Druckgradienten im Dosierabschnitt, wodurch die Rate sinkt. Die untere Strömungsebene verläuft durch die teilweise gefüllte Entlüftung, den Übergang der zweiten Stufe und den ersten Teil des Dosierabschnitts der zweiten Stufe. Die Füllposition bewegt sich stromabwärts, wodurch der Auslassdruck und die Rate an der Düse sinken. 

Wenn die Feststoffförderung hoch ist, ist der Druck am Eingang zum Dosierabschnitt der ersten Stufe hoch, was dazu führt, dass der Unterdruckgradient groß ist und die Rate steigt. Hier führt die höhere Rate dazu, dass sich die Füllposition nach oben verschiebt, wie in Abbildung 4 dargestellt. Die stromaufwärts gelegene Füllposition führt dazu, dass der Auslassdruck und die Rate an der Düse ansteigen.

Dämpfung von Druckstößen

Der Druckstoß am Auslass für Abbildung 4 beträgt ±250 psi – ungefähr der Durchschnittswert. Eine schlechte Förderung von Feststoffen führt immer zu einem solchen Druckstoß, aber einige Konstruktionen der zweiten Stufe können den Druckstoß dämpfen. Beispielsweise kann ein langer Dosierkanal der zweiten Stufe mit einem niedrigeren Pumpverhältnis den Druckstoß dämpfen, während ein kurzer Dosierkanal mit einem höheren Pumpverhältnis die Stärke des Druckstoßes verstärken kann. Der beste Weg, Spannungsspitzen einzudämmen, besteht darin, sie an der Quelle zu beseitigen. In diesem Fall müsste der Prozess der Feststoffförderung verbessert werden.

Bei bestehenden Extrudern kann sich der Konstrukteur nicht den Luxus leisten, die Entlüftung zu versetzen oder die Dosierabschnitte zu verlängern. Die wichtigsten Auslegungsparameter sind in diesem Fall die Tiefe des Dosierkanals der ersten Stufe und das Pumpenverhältnis. Wie bereits erläutert, legt die Tiefe des Dosierkanals der ersten Stufe die spezifische Betriebsrate fest, und das Pumpenverhältnis sorgt für den Druck, der für den Betrieb der nachgeschalteten Ausrüstung erforderlich ist. Die Tiefe des Dosierabschnitts der ersten Stufe ist auch ein wichtiges Konstruktionsmerkmal für die Einstellung der Auslasstemperatur.

Die Schlüssel zur Konstruktion von zweistufigen, belüfteten Extrudern und Schnecken sind die Tiefe des Dosierkanals der ersten Stufe, die Länge des Dosierkanals der zweiten Stufe und das Pumpenverhältnis. Extruderkonstrukteure wissen, wie sie diese Parameter für neue Anlagen und bestehende Extruder optimieren können. Eine ordnungsgemäße Konstruktion sollte die Rate maximieren, den erforderlichen Auslassdruck ohne Entlüftungsströmung erzeugen und für einen konstanten Auslassdruck sorgen.

ÜBER DEN AUTOR:Mark A. Spalding  ist Fellow im Bereich Verpackung, Spezialkunststoffe und Kohlenwasserstoffe bei Dow Inc. in Midland, Michigan. Während seiner 40 Jahre bei Dow konzentrierte er sich auf die Entwicklung, Konstruktion und Fehlerbehebung von Polymerprozessen, insbesondere in der Einschneckenextrusion. Er ist Co-Autor von Analyzing and Troubleshooting Single-Screw Extruders  mit Gregory Campbell. Kontakt:989-636-9849; maspalding@dow.com; dow.com.