Двухшнековые экструдеры : виды, основные характеристики и сравнение с одношнековым экструдером

Первые двухшнековые экструдеры, используемые для переработки полимеров, были разработаны в конце 30-х годов XX века года в Италии. Роберто Коломбо разработал экструдерс двумя однонаправленно вращающимися шнеками, а Карло Паскуэтти — экструдер с двумя шнеками, вращающимися в противоположных направлениях. Первые двухшнековые экструдеры имели ряд проблем, наиболее серьезной из которых была конструкция упорного подшипника, поскольку из-за ограниченности пространства трудно спроектировать упорный подшипник, воспринимающий большие осевую и радиальные нагрузки. Первые упорные подшипники не были достаточно прочными и, соответственно, не могли обеспечить достаточную механическую надежность. В конце 60-х годов XX века были разработаны модифицированные упорные подшипники специально для использования в двухшнековых экструдерах, и механическая надежность последних сравнялась с механической надежностью одношнековых экструдеров. Однако производительность двухшнековых экструдеров до сих пор все еще ниже производительности одношнековых.

В настоящее время двухшнековые экструдеры занимают достойное место в промышленности переработки полимеров и используются главным образом для экструзии профильных изделий из материалов с низкой термостабильностью (таких как жесткий ПВХ) и для особых операций при переработке полимеров, таких как смешение, дегазация, химические реакции и т. д. Двухшнековые экструдеры, используемые для профильной экструзии, имеют малый шаг нарезки шнеков и работают при относительно низкой частоте вращения шнека: около 20 об/мин. По сравнению с одношнековыми экструдерами они имеют лучшие характеристики по загрузке и транспортировке, что дает возможность перерабатывать даже плохо сыпучие материалы. Кроме того, они обеспечивают небольшую продолжительность переработки, а также узкое распределение времени пребывания. Улучшенные характеристики смешения и теплопередачи позволяют обеспечить хороший контроль за температурой перерабатываемого материала и временем переработки, что является очень важным для экструзии профильных изделий из материалов с ограниченной термостабильностью. Большинство двухшнековых экструдеров, используемых для профильной экструзии, имеют шнеки, вращающиеся в противоположных направлениях, с нарезкой с плотным зацеплением витков, хотя используются также двухшнековые экструдеры с однонаправленно вращающимися шнеками.

Двухшнековых экструдеры различных конструкций используют также для специальных операций по переработке полимеров. Так, высокоскоростные экструдеры с двумя зацепляющимися однонаправленно вращающимися шнеками используют при смешении и дегазации, а также как химические реакторы. Они работают при высокой частоте вращения шнеков, обычно от 300 до 600 об/мин, хотя существуют экструдеры такого же типа, которые могут работать при еще большей частоте — от 1200 до 1400 об/мин. Очевидно, не все полимеры могут быть переработаны при таких высоких скоростях.

Экструдеры с незацепляющимися шнеками используют при смешении, проведении химических реакций и дегазации. Механизм транспортировки в таких экструдерах существенно отличается от механизма транспортировки в экструдерах с зацепляющимися шнеками и ближе к механизму подачи в одношнековых экструдерах, хотя между ними имеются также значительные различия. Поэтому двухшнековые экструдеры с незацепляющимися шнеками не обладают существенными преимуществами транспортировки. Однако следует отметить, что при хороших характеристиках по транспортировке обычно имеют место плохое качество осевого (аксиального) смешения. Следовательно, если необходимо провести осевое смешение, то положительные характеристики подачи могут стать недостатком. В таблице 1 приведено сравнение высокоскоростных и низкоскоростных двухшнековых экструдеров.

Таблица 1: Сравнение высокоскоростных и низкоскоростных двушнековых экструдеров

Сравнение двухшнековых и одношнековых экструдеров

Характеристики работы двухшнековых экструдеров могут быть лучше оценены при рассмотрении принципиальных различий между одношнековыми и двухшнековыми экструдерами. Одним из основных отличий является способ транспортировки материала в экструдере. Транспортировка материала в одношнековых экструдерах инициируется силой трения — трением в зоне транспортировки твердой фазы и вязкостным сопротивлением в зоне транспортировки расплава. Поэтому характер транспортировки в большей степени определяется фрикционными свойствами твердого материала и вязкостными свойствами расплавленного материала. Существует множество материалов с нежелательными фрикционными свойствами, которые не могут быть загружены в одношнековые экструдеры без предварительного изучения возникающих при загрузке проблем. Транспортировка в экструдерах с зацепляющимися шнеками в некоторой степени представляет собой пример транспортировки с вытеснением материала вдоль машины. Качество транспортировки зависит от того, насколько близко лопасть одного шнека входит в канал другого. Наибольшее перемещение материала наблюдается при использовании шнеков, вращающихся в противоположных направлениях, с нарезкой с плотным зацеплением витков. Например, шестеренчатый насос может быть рассмотрен в качестве двухшнекового экструдера с противонаправленным вращением шнеков и углом нарезки витков шнека, равным 90 0С или близким к нему. Однако даже шестеренчатый насос не является идеальным устройством для транспортировки, так как никакое устройство не может быть сконструировано с нулевым зазором. Поэтому утечки (обратные потоки) будут снижать высокое качество транспортировки, которого можно достичь в двухшнековых экструдерах.

Другим важным различием между одношнековыми и двухшнековыми экструдерами является различие профилей скорости. Профили скорости в двухшнековых экструдерах являются весьма сложными и их гораздо труднее описать аналитически. Ряд исследователей анализировали течение полимера без учета течения в зоне зацепления шнеков, хотя известно, что характеристики смешения и другие характеристики определяются утечками в зоне зацепления. Поэтому результаты анализа, которые не учитывают течение в зоне зацепления, имеют ограниченную практическую применимость. С другой стороны, описание течения с учетом утечек в зоне зацепления становится очень сложным.

Модели течения полимера в двухшнековых экструдерах с учетом утечек в зоне зацепления шнеков имеют ряд существенных преимуществ. Например, они дают возможность описать хорошее смешение, хорошую теплопроводность, высокую способность плавления и дегазации и хорошую регулировку температуры сырья. Недостатком моделей является их чрезмерная сложность. Теория процессов в двухшековых экструдерах разработана не так хорошо, как для одношнековых экструдеров. Поэтому трудно предсказать работу двухшнекового экструдера, основываясь лишь на знании геометрии шнека, свойствах полимера и условиях переработки; и наоборот, трудно подобрать оптимальную геометрию шнека, когда требуется определенный режим работы в конкретных случаях применения экструдера. Такая непростая ситуация приводит к использованию двухшнековых экструдеров модульной конструкции. Эти машины имеют съемные элементы шнека и цилиндра. Конструкция шнека может быть изменена путем изменения порядка установки элементов шнека вдоль оси. Таким образом, может быть соединено практически неограниченное число различных геометрий шнека. Следовательно, модульная конструкция обеспечивает отличную гибкость машины, что позволяет оптимизировать геометрию шнека и цилиндра для каждого конкретного случая использования экструдера. К сожалению, использование модульных шнеков и цилиндра приводит к значительному увеличению стоимости экструдера. Ряд элементов модульного шнека для экструдера с однонаправленно вращающимися шнеками показан на рис. 1.

Модульные элементы для экструдера со шнеками, вращающимися в противоположных направлениях, показаны на рис. 2.

В таблице 2 приведено сравнение характеристик одношнековых экструдеров и экструдеров с двумя зацепляющимися шнеками.

Таблица 2: Сравнение характеристик одношнековых экструдеров и двухшнековых экструдеров

Дегазация в двухшнековых экструдерах

Двухшнековые экструдеры находят все большее применение в специальных операциях переработки полимеров, таких как экструзия химически активных (реакционноспособных) полимеров и дегазация. Кроме того, двухшнековые экструдеры в качестве химических реакторов непрерывного действия используются для полимеризации и модификации структуры полимеров, например, введение боковых групп.

Для этой цели используют как экструдеры с двумя однонаправленно, так и с противоположно вращающимися шнеками, а также экструдеры с зацепляющимися и незацепляющимися шнеками. При экструзии химически активных полимеров возникают дополнительные проблемы, обусловленные изменением свойств материала по мере протекания реакций в экструдере. Если теория экструзии реакционноспособных материалов находится в стадии развитии, то непрерывная дегазация, как одна из особых операций при переработке полимеров, теоретически достаточно хорошо изучена и соответственно может быть достаточно точно описана.

Для описания дегазации в экструдере с двумя однонаправленно вращающимися шнеками Тодд предложил уравнение, основанное на теории проникновения. Это уравнение содержит число Пекле, которое описывает эффект продольного обратного смешения. Поэтому для предсказания процесса дегазации необходимо задать или знать число Пекле. Для установления корреляции между теоретическими и экспериментальными результатами Тодд выбрал значение числа Пекле, равным 40. Такому же подходу следовал Вернер. Хан и Хан, проводя исследование дегазации визуальным методом, в частности, удаления пены, обнаружили проникновение значительного количества пузырьков в зоне циркуляционного течения в частично заполненной зоне дегазации шнека. Коллинз, Денсон и Астарита опубликовали результаты экспериментального и теоретического исследования дегазации в двухшнековых экструдерах с однонаправленно вращающимися шнеками. Экспериментально определенные ими коэффициенты переноса массы были в три раза меньше теоретических значений, предсказанных математической моделью. Поэтому они пришли к выводу, что эффективная площадь поверхности при переносе массы значительно меньше, чем сумма площадей шнека и цилиндра.

Секор представил совмещенную модель для исследования процесса дегазации в двухшнековых экструдерах с однонаправленно вращающимися шнеками, которая включает основные характеристики движения жидкости. Эти характеристики были экспериментально определены, используя экструдер с прозрачным цилиндром. Наблюдаемое ими течение состояло из периодического вращения в тангенциальном направлении шнека и осевого поступательного движения на входе в зону зацепления шнеков (рис. 3).

Наблюдаемые потоки жидкости полностью согласуются с примерами потоков. В модели Секора были приняты следующие предположения:

1. Вся жидкость подвергается воздействию дегазации в течение нескольких интервалов продолжительностью X.
2. Между этими интервалами происходит полное смешение вследствие осевого поступательного движения за промежуток времени, который очень мал по сравнению с X.
3. Коэффициент диффузии постоянен.
4. Слои жидкости в канале шнека имеют бесконечную протяжность.
5. Объемная скорость течения жидкости постоянна.
6. Во время дегазации течение жидкости относительно нижележащего канала не происходит.
7. Процессы образования и развития пузырьков не принимаются во внимание.

Обзор характеристик двухшнековых экструдеров

Таблица 3: Сравнение двухшнековых экструдеров с зацепляющимися и незацепляющимися шнеками

Таблица 4: Сравнение двухшнековых экструдеров с однонаправлено и противоположно вращающимися шнеками
 

Таблица 5: Сравнения важных характеристик различных типов одношнековых и двухшнековых экструдеров