Pumpenverhältnis bei zweistufigen entlüfteten Einschneckenextrudern meistern

Zweistufige, entlüftete Einschneckenextruder sind für viele Anwendungen und Harze gängig. Entlüftung ist üblich bei vielen styrenischen Harzen und den meisten Anwendungen mit Post-Consumer Recycled (PCR) Harzen. Ein ordnungsgemäß designter Extruder und Schnecke wird in der Lage sein, über 90 % der Volatilen durch den Entlüftungsport zu entfernen, stabil ohne Flusssurging an der Düse zu operieren und kein Material durch die Entlüftungsöffnung fließen zu lassen.

Mehrere Designmerkmale sind notwendig, um diese Verarbeitungsziele zu erreichen, einschließlich:

Featured Content

• Länge und Tiefe des entlüfteten Abschnitts
• Design des Entlüftungsablenkers
• Länge des zweiten-Stufe-Metering-Kanals
• Das Pumpenverhältnis (Pump Ratio)

Das Abbildung 1 Schema zeigt einen zweistufigen entlüfteten Extruder.

Abbildung 1: Schema für einen zweistufigen, entlüfteten Einschneckenextruder. Quelle (alle): M.A. Spalding

Das Pumpenverhältnis ist das Verhältnis der Förderfähigkeit des zweiten-Stufe-Metering-Abschnitts relativ zur Förderfähigkeit des ersten-Stufe-Metering-Abschnitts. Typischerweise reicht das Pumpenverhältnis zwischen 1,1 und 1,5. Das Pumpenverhältnis für eine Schnecke mit konstanter Steigung ist die Kanaltiefe des zweiten-Stufe-Metering-Kanals geteilt durch die Tiefe des ersten-Stufe-Metering-Kanals. Kanaltiefen und -längen für eine typische Schnecke für Polystyrol (PS) sind in Abbildung 2 für einen 6-Zoll-Durchmesser-Schnecke gezeigt.

Für dieses Design kontrolliert der erste-Stufe-Metering-Abschnitt die Rate. Das Pumpenverhältnis beträgt 1,44. Für reine Pellet-Feedstocks beträgt das Kompressionsverhältnis 3. Das Kompressionsverhältnis für eine Schnecke mit konstanter Steigung ist die Tiefe des Zuführkanals geteilt durch die Tiefe des ersten-Stufe-Metering-Kanals. Das Kompressionsverhältnis muss hoch genug sein, um den ersten-Stufe-Metering-Kanal gefüllt mit Harz und unter Druck zu halten.

Was das axiale Druckprofil für das Pumpenverhältnis bedeutet

Bevor das Pumpenverhältnis erklärt wird, ist es instruktiv, das axiale Druckprofil der Schnecke zu diskutieren. Das axiale Druckprofil für das PS-Schneckendesign in Abbildung 2 wurde mittels numerischer Simulation für eine Rate von 1.500 lb/hr und einer Schraubengeschwindigkeit von 55 rpm bei einer spezifischen Rate von 27,3 lb/(hr·rpm) bestimmt. Die spezifische Rate ist einfach die Rate geteilt durch die Schraubengeschwindigkeit. Das axiale Druckprofil wird in Abbildung 3 gezeigt. Bei dieser Rate benötigte das PS-Harz einen Austrittsdruck von 1.600 psi, um die nachgelagerte Ausrüstung zu betreiben. Die berechnete spezifische Rate aufgrund der reinen Schraubenrotation ohne auferlegten Druckgradienten beträgt 23 lb/(hr·rpm) für den ersten-Stufe-Metering-Abschnitt. Da der zweite-Stufe-Metering-Kanal tiefer ist, ist die Rate aufgrund reiner Rotation höher bei 32,7 lb/(hr·rpm).

Abbildung 2: Typische Kanaltiefen für einen 6-Zoll-Durchmesser-Schnecke für PS-Harz. Das Kompressionsverhältnis ist 3, und das Pumpenverhältnis ist 1,44. Die Barrelwand ist die obere horizontale Linie der Figur.

Wie Abbildung 3 zeigt, ist der Druck maximal 1.800 psi am Anfang des ersten-Stufe-Metering-Abschnitts und fällt auf Null vor dem Entlüftungsport. Der Druck am Entlüftungsport muss Null sein, sonst fließt Harz aus der Entlüftungsöffnung. Daher hat der erste-Stufe-Metering-Kanal einen negativen Druckgradienten. Dieser negative Druckgradient verursacht, dass der Fluss im Kanal höher ist als die spezifische Rate aufgrund reiner Rotation. Hier beträgt der Fluss 27,3 lb/(hr·rpm), und erinnere dich, dass die berechnete spezifische Rate aufgrund reiner Rotation 23,0 lb/(hr·rpm) ist.

Abbildung 3: Axiales Druckprofil für den PS-Extruder in Abbildung 2 bei einer Rate von 1.500 lb/hr bei einer Schraubengeschwindigkeit von 55 rpm.

Die zusätzlichen 4,3 lb/(hr·rpm) wurden durch den negativen Druckgradienten verursacht. Dieser negative Druckgradient muss für einen ordnungsgemäß designeten zweistufigen Extruder auftreten, da der Druck am Eintritt zum ersten-Stufe-Metering aufgrund von Feststoffförderung und Schmelzen relativ hoch sein muss und Null am Entlüftungskanal.

Der Druck im Entlüftungskanal muss Null sein, um Volatile zu entfernen und Harzfluss durch die Entlüftungsöffnung zu verhindern. Die Verhinderung von Entlüftungsfluss hängt auch von einem Ablenker ab, der im Entlüftungsport positioniert ist. Entlüftungsfluss wurde in der Februar-2023-Ausgabe von Plastics Technology diskutiert. Der Druck im Entlüftungskanal sinkt auf Null, indem der Kanal sehr tief gemacht wird. Dies verursacht, dass der Kanal teilweise gefüllt ist, was eine große Oberfläche des geschmolzenen Polymers für den Massentransport der Volatilen in den Hohlraum des Kanals exponiert. Die Volatilen werden dann durch den Entlüftungsport entfernt.

Downstream des Entlüftungskanals ist ein kurzer Übergangsabschnitt, wo die Kanaltiefe flacher wird und schließlich der zweiten-Stufe-Metering-Kanaltiefe entspricht. Wenn geschmolzenes Harz zum zweiten-Stufe-Metering bewegt, tritt eine Stelle auf, wo der Kanalfluss von teilweise gefüllt bei Null Druck zu vollständig gefüllt wechselt. Dies wird allgemein als Fill-Position bezeichnet. Die Fill-Position kann im Übergangsabschnitt oder im zweiten-Stufe-Metering auftreten. Sobald der Kanal gefüllt ist, kann Druckgeneration erfolgen. Die Fill-Position in Abbildung 3 liegt am Eintritt zum zweiten-Stufe-Metering-Abschnitt.

Der zweite-Stufe-Metering-Kanal hat einen Druck nahe Null am Eintritt (oder Fill-Position) und der Druck steigt auf den maximalen Austrittsdruck von 1.600 psi an, was einen positiven axialen Druckgradienten erzeugt. Der positive Druckgradient verursacht, dass die spezifische Rate niedriger ist als die berechnete spezifische Rate aufgrund der Rotation. Erinnere dich: Die spezifische Rate ist 27,3 lb/(hr·rpm) und die berechnete spezifische Rate aufgrund der Rotation für den zweiten-Stufe-Metering-Kanal ist 32,7 lb/(hr·rpm). Daher wurde die Rate um 5,4 lb/(hr·rpm) durch den positiven Druckgradienten reduziert.

Immer negativ

Ein zweistufiger entlüfteter Extruder wird immer einen negativen Druckgradienten im ersten-Stufe-Metering-Abschnitt und einen positiven Gradienten im zweiten-Stufe-Metering-Abschnitt haben. Das ist der Fall, weil der Entlüftungsabschnitt der Schnecke bei Null Druck und mit teilweise gefüllten Kanälen operieren muss. Da der erste-Stufe-Metering-Kanal die Rate kontrolliert, muss der zweite-Stufe-Metering-Abschnitt in der Lage sein, die Rate des ersten-Stufe-Metering zu fördern und zu pressurisieren.

Wegen dieses Betriebs und der Druckgradienten in den Metering-Kanälen muss der zweite-Stufe-Metering-Abschnitt in der Lage sein, eine höhere Rate zu fördern als der erste-Stufe-Metering. Für eine Schnecke mit konstanter Steigung muss der zweite-Stufe-Metering-Kanal tiefer sein als der erste-Stufe-Metering-Kanal. Wie zuvor erwähnt, ist das Verhältnis der zweiten-Stufe-Tiefe zur ersten-Stufe-Tiefe das Pumpenverhältnis für eine konstante Steigung.

Das Pumpenverhältnis ist nicht einzigartig für ein Harz oder einen Prozess. Stattdessen hängt es von der Länge des zweiten-Stufe-Metering-Abschnitts, der Steigung der Metering-Abschnitte, der Viskosität des Harzes und den nachgelagerten Druckanforderungen ab. Zum Beispiel hat die Schnecke in Abbildung 2 einen zweiten-Stufe-Metering-Abschnitt, der 6 Durchmesser lang ist, eine Kanaltiefe von 0,360 Zoll und entlädt bei einem Druck von 1.600 psi. Wäre der zweite-Stufe-Metering-Abschnitt länger bei 8 Durchmessern, könnte die Kanaltiefe auf 0,330 Zoll gesetzt werden für ein Pumpenverhältnis von 1,32.

Wäre eine Zahnradpumpe direkt nach dem Extruder positioniert, könnte der Austrittsdruck auf 400 psi reduziert werden, und die Pumpe würde den nötigen Druck erzeugen, um die nachgelagerte Ausrüstung zu betreiben. Hier wäre der zweite-Stufe-Metering-Kanal 6 Durchmesser lang und hätte eine Kanaltiefe von 0,310 Zoll für ein Pumpenverhältnis von 1,24. Ein höheres Pumpenverhältnis und eine Fill-Position downstream vom zweiten-Stufe-Eintritt ist ebenfalls ein akzeptabler Betrieb.

Schlechtes Design, schlechte Feststoffförderung

Schlecht designete entlüftete Extruder können Flusssurging, induziert durch schlechte Feststoffförderung, verstärken. Der Flusssurge beginnt mit einem Feststoffförderabschnitt, der nicht korrekt designed ist oder mit einer Schnecke oder Zuführgehäuse operiert, das zu heiß ist. Flusssurging wurde in der August-2024-Ausgabe diskutiert. Abbildung 4 zeigt das axiale Druckprofil für einen flusssurging zweistufigen entlüfteten Extruder. Die durchgezogene Drucklinie in der Figur ist der Mittelpunkt des Surges. Die gepunkteten Linien zeigen die Drücke an den Hoch- und Tiefpunkten des Surges.

Abbildung 4: Axialer Druck für einen zweistufigen Entlüftungsextruder mit Hochdruck- und Niederdruckanteil eines Surges.

Wenn die Feststoffförderung schlecht wird, sinkt der Druck am Eintritt des ersten-Stufe-Metering. Dies verringert die Magnitude des negativen Druckgradienten im Metering-Abschnitt, was die Rate verringert. Der niedrigere Flusslevel passiert den teilweise gefüllten Entlüftungskanal, den zweiten-Stufe-Übergang und den ersten Teil des zweiten-Stufe-Metering-Abschnitts. Die Fill-Position bewegt sich downstream, was den Austrittsdruck und die Rate an der Düse verringert.

Wenn die Feststoffförderung hoch ist, ist der Druck am Eintritt zum ersten-Stufe-Metering-Abschnitt hoch, was die Magnitude des negativen Druckgradienten hoch macht und die Rate erhöht. Hier verursacht die höhere Rate, dass die Fill-Position upstream wandert, wie in Abbildung 4 gezeigt. Die upstream Fill-Position verursacht, dass der Austrittsdruck und die Rate an der Düse steigen.

Dämpfen von Drucksurges

Der Drucksurge am Austritt für Abbildung 4 beträgt ±250 psi – etwa der Durchschnittswert. Schlechte Feststoffförderung wird immer einen solchen Surge verursachen, aber einige zweite-Stufe-Designs können den Surge dämpfen. Zum Beispiel kann ein langer zweiter-Stufe-Metering-Kanal mit einem niedrigeren Pumpenverhältnis den Surge dämpfen, während ein kurzer Metering-Kanal mit einem höheren Pumpenverhältnis die Schwere des Surges erhöhen kann. Der beste Weg, Surging zu mindern, ist, es an der Quelle zu eliminieren. In diesem Fall müsste der Feststoffförderprozess verbessert werden.

Für bestehende Extruder hat der Designer nicht den Luxus, den Entlüftungsport zu verschieben oder die Metering-Abschnitte zu verlängern. In diesem Fall sind die Hauptdesignparameter die Tiefe des ersten-Stufe-Metering-Kanals und das Pumpenverhältnis. Wie zuvor diskutiert, wird die Tiefe des ersten-Stufe-Metering-Abschnitts die spezifische Rate für den Betrieb festlegen, und das Pumpenverhältnis wird den Druck liefern, der nötig ist, um die nachgelagerte Ausrüstung zu betreiben. Die Tiefe des ersten-Stufe-Metering-Abschnitts ist auch ein Schlüsseldesignmerkmal für die Einstellung der Austrittstemperatur.

Die Schlüssel zum Design zweistufiger, entlüfteter Extruder und Schnecken sind die Tiefe des ersten-Stufe-Metering-Kanals, die Länge des zweiten-Stufe-Metering-Kanals und das Pumpenverhältnis. Extruderdesigner wissen, wie diese Parameter für Neuinstallationen und bestehende Extruder optimiert werden. Ein ordnungsgemäßes Design sollte die Rate maximieren, den notwendigen Austrittsdruck ohne Entlüftungsfluss generieren und einen stabilen Austrittsdruck liefern.

ÜBER DEN AUTOR: Mark A. Spalding ist Fellow in Packaging & Specialty Plastics und Hydrocarbons R&D bei Dow Inc. in Midland, Michigan. Während seiner 40 Jahre bei Dow fokussierte er sich auf Entwicklung, Design und Troubleshooting von Polymerprozessen, besonders in Einschneckenextrusion. Er ko-authored Analyzing and Troubleshooting Single-Screw Extruders mit Gregory Campbell. Kontakt: 989-636-9849; maspalding@dow.com; dow.com.