Dominar la relación de bombeo en extrusoras de un solo tornillo ventiladas de dos etapas

Las extrusoras de un solo tornillo ventiladas de dos etapas son comunes para muchas aplicaciones y resinas. La ventilación es común en muchas resinas estirénicas y en la mayoría de las aplicaciones que involucran resinas recicladas posconsumo (PCR). Una extrusora y un tornillo correctamente diseñados podrán eliminar más del 90% de los volátiles a través del respiradero, operar de manera estable sin aumentos repentinos de flujo en el troquel y que el material no fluya a través de la abertura del respiradero.

Se necesitan varias características de diseño para cumplir con estos objetivos de procesamiento, que incluyen:

Contenido destacado

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

El esquema de la Figura 1 muestra una extrusora ventilada de dos etapas.

Figura 1: Esquema de una extrusora de un solo tornillo ventilada de dos etapas. Fuente (todas):M.A. Spalding

La relación de bombeo es la relación entre la capacidad de bombeo de la sección de medición de la segunda etapa con respecto a la capacidad de bombeo de la sección de medición de la primera etapa. Normalmente, la relación de bombeo oscila entre 1,1 y 1,5. La relación de bombeo para un tornillo con una longitud de paso constante es la profundidad del canal dosificador de la segunda etapa dividida por la profundidad del canal dosificador de la primera etapa. Las profundidades y longitudes de los canales para un tornillo típico hecho para poliestireno (PS) se muestran en la Figura 2 para un tornillo de 6 pulgadas de diámetro.

Para este diseño, la sección de medición de la primera etapa controla la tasa. La relación de bomba es 1,44. Para materias primas que solo contienen pellets, la relación de compresión es 3. La relación de compresión para un tornillo con una longitud de paso constante es la profundidad del canal de alimentación dividida por la profundidad del canal dosificador de la primera etapa. La relación de compresión debe ser lo suficientemente alta para mantener el canal dosificador de la primera etapa cuando esté lleno de resina y presurizado.

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

Antes de explicar la relación de la bomba, es instructivo analizar el perfil de presión axial del tornillo. El perfil de presión axial para el diseño de tornillo PS que se muestra en la Figura 2 se determinó mediante simulación numérica para una velocidad de 1500 lb/h y una velocidad de tornillo de 55 rpm para una tasa específica de 27,3 lb/(h rpm). La tasa específica es simplemente la tasa dividida por la velocidad del tornillo. El perfil de presión axial se muestra en la Figura 3. A este ritmo, la resina PS requirió una presión de descarga de 1600 psi para hacer funcionar el equipo aguas abajo. La tasa específica calculada debido simplemente a la rotación del tornillo sin un gradiente de presión impuesto es de 23 lb/(hr rpm) para la sección de medición de la primera etapa. Debido a que el canal de medición de la segunda etapa es más profundo, la velocidad debida solo a la rotación es mayor, 32,7 lb/(h rpm).

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

Como muestra la Figura 3, la presión es máxima de 1800 psi al inicio de la sección de medición de la primera etapa y disminuye a presión cero antes del respiradero. La presión en el respiradero debe ser cero o la resina saldrá por la abertura del respiradero. Por tanto, el canal de dosificación de la primera etapa tiene un gradiente de presión negativo. Este gradiente de presión negativo hace que el flujo en el canal sea mayor que la tasa específica debido simplemente a la rotación. Aquí el flujo es de 27,3 lb/(hr rpm) y recuerde que la tasa específica calculada debido solo a la rotación es 23,0 lb/(hr rpm).

Figura 3: Perfil de presión axial para la extrusora de PS en la Figura 2 a una velocidad de 1500 lb/h con una velocidad de tornillo de 55 rpm.

Las 4,3 lb/(h rpm) adicionales se debieron al gradiente de presión negativa. Este gradiente de presión negativa debe ocurrir para una extrusora de dos etapas diseñada adecuadamente, ya que la presión debe ser relativamente alta en la entrada al medidor de la primera etapa debido al transporte y fusión de sólidos y una presión cero en el canal de ventilación.

La presión en el canal de ventilación debe ser cero para eliminar los volátiles y evitar el flujo de resina a través de la abertura de ventilación. La prevención del flujo de ventilación también depende de un desviador colocado en el puerto de ventilación. El flujo de ventilación se analizó en la edición de febrero de 2023 de Plastics Technology. . La presión en el respiradero disminuye a cero al hacer que el canal sea muy profundo. Esto hace que el canal se llene parcialmente, exponiendo una gran superficie del polímero fundido para el transporte masivo de los volátiles a la porción vacía del canal. Luego, los volátiles se eliminan a través del respiradero.

Aguas abajo del canal de ventilación hay una sección de transición corta donde la profundidad del canal se vuelve menos profunda y eventualmente equivalente a la profundidad del canal de medición de la segunda etapa. A medida que la resina fundida se mueve hacia el medidor de la segunda etapa, se produce un lugar donde el flujo del canal cambia de parcialmente lleno a presión cero a completamente lleno. Esto se conoce comúnmente como posición de llenado. La posición de llenado puede ocurrir en la sección de transición o en el medidor de segunda etapa. Una vez que el canal se llena, puede ocurrir generación de presión. La posición de llenado en la Figura 3 está en la entrada a la sección de medición de la segunda etapa.

El canal de medición de la segunda etapa tiene una presión cercana a cero en la entrada (o posición de llenado) y la presión aumentó hasta la presión de descarga máxima de 1600 psi, creando un gradiente de presión axial positivo. El gradiente de presión positiva hace que la tasa específica sea menor que la tasa específica calculada debido a la rotación. Recuerde que la tasa específica es 27,3 lb/(h rpm) y la tasa específica calculada debido a la rotación del canal de medición de la segunda etapa es 32,7 lb/(hr rpm). Por lo tanto, la velocidad se redujo en 5,4 lb/(hr rpm) debido al gradiente de presión positiva.

Siempre negativo

Una extrusora ventilada de dos etapas siempre tendrá un gradiente de presión negativo en la sección de medición de la primera etapa y un gradiente positivo en la sección de medición de la segunda etapa. Esto se debe a que la sección de ventilación del tornillo debe funcionar a presión cero y con los canales parcialmente llenos. Dado que el canal de medición de la primera etapa controla la velocidad, la sección de medición de la segunda etapa debe poder bombear y presurizar a la velocidad de la medición de la primera etapa.

Debido a esta operación y a los gradientes de presión en los canales de medición, la sección de medición de la segunda etapa debe poder bombear a un ritmo mayor que la sección de medición de la primera etapa. Para un tornillo con longitud de paso constante, el medidor de segunda etapa debe ser más profundo que el medidor de primera etapa. Como se indicó anteriormente, la relación entre la profundidad de la segunda etapa y la profundidad de la primera etapa es la relación de bombeo para una longitud de cable constante.

La relación de bombeo no es exclusiva de una resina o proceso. En cambio, depende de la longitud de la sección de medición de la segunda etapa, la longitud de los cables de los medidores, la viscosidad de la resina y los requisitos de presión aguas abajo. Por ejemplo, el tornillo de la Figura 2 tiene una sección de medición de segunda etapa que tiene 6 diámetros de longitud, una profundidad de canal de 0,360 pulgadas y descarga a una presión de 1600 psi. Si la sección de medición de la segunda etapa fuera más larga con 8 diámetros, la profundidad del canal podría haberse establecido en 0,330 pulgadas para una relación de bombeo de 1,32.

Si se colocara una bomba de engranajes justo después de la extrusora, la presión de descarga podría reducirse a 400 psi y la bomba generaría la presión necesaria para operar el equipo aguas abajo. En este caso, el canal dosificador de la segunda etapa tendría 6 diámetros de longitud y una profundidad de canal de 0,310 pulgadas para una relación de bombeo de 1,24. Una relación de bombeo más alta y una posición de llenado más alta aguas abajo de la entrada de la segunda etapa también es una operación aceptable.

Diseño deficiente, transporte deficiente de sólidos

Las extrusoras con ventilación mal diseñadas pueden amplificar el aumento repentino del flujo inducido por un transporte deficiente de sólidos. El aumento de flujo comienza con una sección de transporte de sólidos que no está diseñada correctamente o que funciona con un tornillo o una carcasa de alimentación que está demasiado caliente. El aumento repentino del flujo se analizó en la edición de agosto de 2024. La Figura 4 muestra el perfil de presión axial para una extrusora ventilada de dos etapas con flujo repentino. La línea continua de presión en la figura es el punto medio del aumento. Las líneas de puntos muestran las presiones en los puntos máximo y mínimo del aumento.

Figura 4: Presión axial para una extrusora de ventilación de dos etapas con una parte de aumento de presión alta y otra de baja presión.

Si el transporte de sólidos empeora, la presión en la entrada del medidor de la primera etapa disminuye. Esto disminuye la magnitud del gradiente de presión negativa en la sección de medición, disminuyendo la velocidad. El nivel de flujo inferior pasa a través del respiradero parcialmente lleno, la transición de la segunda etapa y la primera parte de la sección de medición de la segunda etapa. La posición de llenado se mueve aguas abajo, disminuyendo la presión de descarga y la velocidad en la matriz. 

Cuando el transporte de sólidos es alto, la presión en la entrada a la sección de medición de la primera etapa es alta, lo que hace que la magnitud del gradiente de presión negativa sea alta y aumente la velocidad. Aquí, la tasa más alta hace que la posición de llenado se mueva aguas arriba como se muestra en la Figura 4. La posición de llenado aguas arriba hace que la presión de descarga y la tasa aumenten en el troquel.

Amortiguación de los aumentos repentinos de presión

El aumento de presión en la descarga de la Figura 4 es ±250 psi, aproximadamente el valor promedio. Un transporte deficiente de sólidos siempre provocará un aumento repentino como este, pero algunos diseños de segunda etapa pueden amortiguar el aumento. Por ejemplo, un canal de medición de segunda etapa largo con una relación de bombeo más baja puede amortiguar el aumento, mientras que un canal de medición corto con una relación de bombeo más alta puede aumentar la gravedad del aumento. La mejor manera de mitigar el aumento repentino es eliminarlo en su origen. En este caso, sería necesario mejorar el proceso de transporte de sólidos.

Para las extrusoras existentes, el diseñador no puede darse el lujo de mover el respiradero o alargar las secciones dosificadoras. En este caso, los principales parámetros de diseño son la profundidad del canal de medición de la primera etapa y la relación de bombeo. Como se analizó anteriormente, la profundidad del canal de medición de la primera etapa establecerá la velocidad específica de operación, y la relación de la bomba proporcionará la presión necesaria para hacer funcionar el equipo aguas abajo. La profundidad de la sección de medición de la primera etapa también es una característica de diseño clave para configurar la temperatura de descarga.

Las claves para diseñar extrusores y tornillos ventilados de dos etapas son la profundidad del canal dosificador de la primera etapa, la longitud del canal dosificador de la segunda etapa y la relación de bombeo. Los diseñadores de extrusoras saben cómo optimizar estos parámetros para instalaciones nuevas y extrusoras existentes. Un diseño adecuado debe maximizar la tasa, generar la presión de descarga necesaria sin flujo de ventilación y proporcionar una presión de descarga constante.

ACERCA DEL AUTOR:Mark A. Spalding  Es miembro de I+D de envases y plásticos especiales e hidrocarburos en Dow Inc. en Midland, Michigan. Durante sus 40 años en Dow, se ha centrado en el desarrollo, diseño y resolución de problemas de procesos de polímeros, especialmente en extrusión de un solo tornillo. Fue coautor del Análisis y solución de problemas de extrusoras de un solo tornillo  con Gregorio Campbell. Contacto:989-636-9849; maspalding@dow.com; dow.com.