Dominando la relación de bombeo en extrusores monohusillo de dos etapas ventilados

Los extrusores monohusillo de dos etapas ventilados son comunes para muchas aplicaciones y resinas. La ventilación es común con muchas resinas estirénicas y la mayoría de aplicaciones que involucran resinas recicladas post-consumo (PCR). Un extrusor y husillo correctamente diseñados podrán remover hasta 90% de los volátiles a través de la ventilación, operar estable sin fluctuaciones de flujo en la boquilla, y no tener material fluyendo hacia afuera por la abertura de ventilación.

Varias características de diseño son necesarias para cumplir estos objetivos de procesamiento, incluyendo:

Contenido destacado

• la longitud y profundidad de la sección ventilada
• el diseño del desviador de ventilación
• longitud del canal de dosificación de segunda etapa
• la relación de bombeo

La Figura 1 muestra un extrusor ventilado de dos etapas.

Figura 1: Esquema para un extrusor monohusillo ventilado de dos etapas. Fuente (todas): M.A. Spalding

La relación de bombeo es la razón entre la capacidad de bombeo de la sección de dosificación de segunda etapa relativa a la capacidad de bombeo de la sección de dosificación de primera etapa. Típicamente, la relación de bombeo varía entre 1,1 y 1,5. La relación de bombeo para un husillo con longitud de avance constante es la profundidad del canal de dosificación de segunda etapa dividida por la profundidad del canal de dosificación de primera etapa. Las profundidades y longitudes de canal para un husillo típico hecho para poliestireno (PS) se muestran en la Figura 2 para un husillo de 6 pulgadas de diámetro.

Para este diseño, la sección de dosificación de primera etapa controla el caudal. La relación de bombeo es 1,44. Para alimentación solo de pellets, la relación de compresión es 3. La relación de compresión para un husillo con longitud de avance constante es la profundidad del canal de alimentación dividida por la profundidad del canal de dosificación de primera etapa. La relación de compresión debe ser lo suficientemente alta para mantener el canal de dosificación de primera etapa cuando está lleno de resina y presurizado.

Qué significa el perfil de presión axial para la relación de bombeo

Antes de explicar la relación de bombeo, es instructivo discutir el perfil de presión axial del husillo. El perfil de presión axial para el diseño de husillo PS mostrado en la Figura 2 fue determinado usando simulación numérica para un caudal de 1.500 lb/h y una velocidad de husillo de 55 rpm para un caudal específico de 27,3 lb/(h rpm). El caudal específico es simplemente el caudal dividido por la velocidad del husillo. El perfil de presión axial se muestra en la Figura 3. A este caudal, la resina PS requería una presión de descarga de 1.600 psi para operar el equipamiento downstream. El caudal específico calculado debido solo a la rotación del husillo sin gradiente de presión impuesto es 23 lb/(h rpm) para la sección de dosificación de primera etapa. Como el canal de dosificación de segunda etapa es más profundo, el caudal debido solo a rotación es más alto a 32,7 lb/(h rpm).

Figura 2: Profundidades de canal típicas para un husillo de 6 pulgadas de diámetro para resina PS. La relación de compresión es 3, y la relación de bombeo es 1,44. La pared del barril es la línea horizontal superior de la figura.

Como muestra la Figura 3, la presión es máxima a 1.800 psi al inicio de la sección de dosificación de primera etapa, y disminuye a presión cero antes de la ventilación. La presión en la ventilación debe ser cero o la resina fluirá fuera de la abertura de ventilación. Así, el canal de dosificación de primera etapa tiene un gradiente de presión negativo. Este gradiente de presión negativo causa que el flujo en el canal sea más alto que el caudal específico debido solo a rotación. Aquí el flujo está a 27,3 lb/(h rpm) y recordemos que el caudal específico calculado debido solo a rotación es 23,0 lb/(h rpm).

Figura 3: Perfil de presión axial para el extrusor PS en la Figura 2 a un caudal de 1.500 lb/h a una velocidad de husillo de 55 rpm.

Los 4,3 lb/(h rpm) extra fueron causados por el gradiente de presión negativo. Este gradiente de presión negativo debe ocurrir para un extrusor de dos etapas correctamente diseñado ya que la presión necesita ser relativamente alta en la entrada a la primera etapa de dosificación debido a convección de sólidos y fusión y presión cero en el canal de ventilación.

La presión en el canal de ventilación debe ser cero para remover volátiles y prevenir flujo de resina a través de la abertura de ventilación. Prevenir flujo de ventilación también depende de un desviador posicionado en el puerto de ventilación. El flujo de ventilación se discutió en la edición de febrero de 2023 de Plastics Technology. La presión en la ventilación disminuye a cero haciendo el canal muy profundo. Esto causa que el canal esté parcialmente lleno, exponiendo una gran área de superficie del polímero fundido para transporte de masa de los volátiles a la porción vacía del canal. Los volátiles son luego removidos a través de la ventilación.

Downstream del canal de ventilación hay una corta sección de transición donde la profundidad del canal se vuelve más somera y eventualmente equivalente a la profundidad del canal de dosificación de segunda etapa. A medida que la resina fundida se mueve hacia el dosificador de segunda etapa, ocurre una ubicación donde el flujo del canal cambia de parcialmente lleno a presión cero a completamente lleno. Esto se refiere comúnmente como la posición de llenado. La posición de llenado puede ocurrir en la sección de transición o en el dosificador de segunda etapa. Una vez que el canal se llena, la generación de presión puede ocurrir. La posición de llenado en la Figura 3 está en la entrada a la sección de dosificación de segunda etapa.

El canal de dosificación de segunda etapa tiene una presión cerca de cero en la entrada (o posición de llenado) y la presión aumenta a la presión máxima de descarga de 1.600 psi, creando un gradiente de presión axial positivo. El gradiente de presión positivo causa que el caudal específico sea menor que el caudal específico calculado debido a rotación. Recordemos que el caudal específico es 27,3 lb/(h rpm) y el caudal específico calculado debido a rotación para el canal de dosificación de segunda etapa es 32,7 lb/(h rpm). Así, el caudal se redujo en 5,4 lb/(h rpm) debido al gradiente de presión positivo.

Siempre negativo

Un extrusor ventilado de dos etapas siempre tendrá un gradiente de presión negativo en la sección de dosificación de primera etapa y un gradiente positivo en la sección de dosificación de segunda etapa. Esto es porque la sección de ventilación del husillo debe operar a presión cero y con canales parcialmente llenos. Dado que la sección de dosificación de primera etapa controla el caudal, la sección de dosificación de segunda etapa debe ser capaz de bombear y presurizar al caudal de la primera etapa.

Debido a esta operación y los gradientes de presión en los canales de dosificación, la sección de dosificación de segunda etapa debe ser capaz de bombear a un caudal más alto que la de primera etapa. Para un husillo con longitud de avance constante, el dosificador de segunda etapa debe ser más profundo que el de primera etapa. Como se dijo previamente, la razón de la profundidad de segunda etapa a la de primera etapa es la relación de bombeo para una longitud de avance que es constante.

La relación de bombeo no es única a una resina o proceso. En su lugar, depende de la longitud de la sección de dosificación de segunda etapa, longitud de avance de los dosificadores, viscosidad de la resina, y los requisitos de presión downstream. Por ejemplo, el husillo en la Figura 2 tiene una sección de dosificación de segunda etapa que es 6 diámetros de longitud, una profundidad de canal de 0,360 pulgada, y descargando a una presión de 1.600 psi. Si la sección de dosificación de segunda etapa fuera más larga a 8 diámetros, la profundidad del canal podría haber sido fijada a 0,330 pulgada para una relación de bombeo de 1,32.

Si una bomba de engranajes estuviera posicionada justo después del extrusor, la presión de descarga podría reducirse a 400 psi, y la bomba generaría la presión necesaria para operar el equipamiento downstream. Aquí el canal de dosificación de segunda etapa sería 6 diámetros de longitud y tendría una profundidad de canal de 0,310 pulgada para una relación de bombeo de 1,24. Una relación de bombeo más alta y posición de llenado downstream de la entrada de segunda etapa también es una operación aceptable.

Diseño pobre, convección de sólidos pobre

Extrusores ventilados mal diseñados pueden amplificar fluctuaciones de flujo inducidas por convección de sólidos pobre. La fluctuación de flujo empieza con una sección de convección de sólidos que no está diseñada correctamente o está operando con un husillo o carcasa de alimentación que está demasiado caliente. La fluctuación de flujo se discutió en la edición de agosto de 2024. La Figura 4 muestra el perfil de presión axial para un extrusor ventilado de dos etapas con fluctuación de flujo. La línea de presión sólida en la figura es el punto medio de la fluctuación. Las líneas punteadas muestran las presiones en los puntos altos y bajos de la fluctuación.

Figura 4: Presión axial para un extrusor ventilado de dos etapas con una porción de alta presión y una de baja presión de una fluctuación.

Si la convección de sólidos se vuelve pobre, la presión en la entrada del dosificador de primera etapa disminuye. Esto disminuye la magnitud del gradiente de presión negativo en la sección de dosificación, disminuyendo el caudal. El nivel de flujo más bajo pasa a través del canal de ventilación parcialmente lleno, transición de segunda etapa, y la primera parte de la sección de dosificación de segunda etapa. La posición de llenado se mueve downstream, disminuyendo la presión de descarga y el caudal en la boquilla.

Cuando la convección de sólidos es alta, la presión en la entrada a la sección de dosificación de primera etapa es alta, causando que la magnitud del gradiente de presión negativo sea alta y aumentando el caudal. Aquí, el caudal más alto causa que la posición de llenado se mueva upstream como muestra la Figura 4. La posición de llenado upstream causa que la presión de descarga y el caudal aumenten en la boquilla.

Amortiguando fluctuaciones de presión

La fluctuación de presión en la descarga para la Figura 4 es ±250 psi — aproximadamente el valor promedio. La convección de sólidos pobre siempre causará una fluctuación como esta, pero algunos diseños de segunda etapa pueden amortiguar la fluctuación. Por ejemplo, un canal de dosificación de segunda etapa largo con una relación de bombeo más baja puede amortiguar la fluctuación mientras que un canal de dosificación corto con una relación de bombeo más alta puede aumentar la severidad de la fluctuación. La mejor forma de mitigar la fluctuación es eliminarla en la fuente. En este caso, el proceso de convección de sólidos necesitaría mejorarse.

Para extrusores existentes, el diseñador no tiene el lujo de mover la ventilación o alargar las secciones de dosificación. En este caso, los principales parámetros de diseño son la profundidad del canal de dosificación de primera etapa y la relación de bombeo. Como se discutió previamente, la profundidad del canal de dosificación de primera etapa establecerá el caudal específico para operación, y la relación de bombeo proporcionará la presión necesaria para operar el equipamiento downstream. La profundidad de la sección de dosificación de primera etapa también es una característica clave de diseño para establecer la temperatura de descarga.

Las claves para diseñar extrusores y husillos ventilados de dos etapas son la profundidad del canal de dosificación de primera etapa, la longitud de la sección de dosificación de segunda etapa y la relación de bombeo. Los diseñadores de extrusores saben cómo optimizar estos parámetros para nuevas instalaciones y extrusores existentes. Un diseño apropiado debería maximizar el caudal, generar la presión de descarga necesaria sin flujo de ventilación y proveer una presión de descarga estable.

SOBRE EL AUTOR: Mark A. Spalding es fellow en Packaging & Specialty Plastics and Hydrocarbons R&D en Dow Inc. en Midland, Michigan. Durante sus 40 años en Dow, se ha enfocado en desarrollo, diseño y resolución de problemas de procesos de polímeros, especialmente en extrusión monohusillo. Co-autor de Analyzing and Troubleshooting Single-Screw Extruders con Gregory Campbell. Contacto: 989-636-9849; maspalding@dow.com; dow.com.