Maîtriser le rapport de pompage dans les extrudeurs monovis à deux étages avec dégazage

Les extrudeurs monovis à deux étages avec dégazage sont courants pour de nombreuses applications et résines. Le dégazage est courant avec beaucoup de résines styréniques et la plupart des applications impliquant des résines recyclées post-consommation (PCR). Un extrudeur et une vis correctement conçus pourront éliminer plus de 90 % des volatils par l'évent, fonctionner de manière stable sans pulsation de débit à la filière, et ne pas avoir de matière s'écoulant par l'ouverture de l'évent.

Plusieurs caractéristiques de design sont nécessaires pour atteindre ces objectifs de traitement, incluant :

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• la longueur et la profondeur de la section dégazée
• le design du déflecteur d'évent
• la longueur du canal de dosage du second étage
• le rapport de pompage

Le schéma Figure 1 montre un extrudeur à deux étages avec dégazage.

Figure 1 : Schéma pour un extrudeur monovis à deux étages avec dégazage. Source (tous) : M.A. Spalding

Le rapport de pompage est le rapport de la capacité de pompage de la section de dosage du second étage par rapport à la capacité de pompage de la section de dosage du premier étage. Typiquement, le rapport de pompage varie entre 1,1 et 1,5. Le rapport de pompage pour une vis à pas constant est la profondeur du canal de dosage du second étage divisée par la profondeur du canal de dosage du premier étage. Les profondeurs et longueurs de canaux pour une vis typique faite pour le polystyrène (PS) sont montrées par la Figure 2 pour une vis de 6 pouces de diamètre.

Pour ce design, la section de dosage du premier étage contrôle le débit. Le rapport de pompage est de 1,44. Pour des matières premières en granulés seulement, le rapport de compression est de 3. Le rapport de compression pour une vis à pas constant est la profondeur du canal d'alimentation divisée par la profondeur du canal de dosage du premier étage. Le rapport de compression doit être assez haut pour maintenir le canal de dosage du premier étage quand il est plein de résine et sous pression.

Ce que le profil de pression axiale signifie pour le rapport de pompage

Avant d'expliquer le rapport de pompage, il est instructif de discuter le profil de pression axiale de la vis. Le profil de pression axiale pour le design de vis PS montré en Figure 2 a été déterminé par simulation numérique pour un débit de 1 500 lb/h et une vitesse de vis de 55 tr/min pour un débit spécifique de 27,3 lb/(h tr/min). Le débit spécifique est simplement le débit divisé par la vitesse de vis. Le profil de pression axiale est montré par la Figure 3. À ce débit, la résine PS nécessitait une pression de refoulement de 1 600 psi pour faire fonctionner l'équipement aval. Le débit spécifique calculé dû à la seule rotation de la vis sans gradient de pression imposé est de 23 lb/(h tr/min) pour la section de dosage du premier étage. Parce que le canal de dosage du second étage est plus profond, le débit dû à la seule rotation est plus haut à 32,7 lb/(h tr/min).

Figure 2 : Profondeurs de canaux typiques pour une vis de 6 pouces de diamètre pour résine PS. Le rapport de compression est 3, et le rapport de pompage est 1,44. La paroi du fourreau est la ligne horizontale supérieure de la figure.

Comme le montre la Figure 3, la pression est maximale à 1 800 psi au début de la section de dosage du premier étage, et diminue à pression zéro avant l'évent. La pression à l'évent doit être zéro ou la résine s'écoulera par l'ouverture de l'évent. Ainsi, le canal de dosage du premier étage a un gradient de pression négatif. Ce gradient de pression négatif cause le flux dans le canal à être plus haut que le débit spécifique dû à la seule rotation. Ici le flux est à 27,3 lb/(h tr/min) et rappelez-vous que le débit spécifique calculé dû à la seule rotation est 23,0 lb/(h tr/min).

Figure 3 : Profil de pression axiale pour l'extrudeur PS de la Figure 2 à un débit de 1 500 lb/h à une vitesse de vis de 55 tr/min.

Les 4,3 lb/(h tr/min) supplémentaires ont été causés par le gradient de pression négatif. Ce gradient de pression négatif doit se produire pour un extrudeur à deux étages correctement conçu puisque la pression doit être relativement haute à l'entrée du premier étage de dosage en raison du convoyage des solides et de la fusion et pression zéro au canal d'évent.

La pression dans le canal d'évent doit être zéro pour éliminer les volatils et prévenir l'écoulement de résine par l'ouverture de l'évent. Prévenir l'écoulement par l'évent dépend aussi d'un déflecteur positionné dans le port d'évent. L'écoulement par l'évent a été discuté dans le numéro de février 2023 de Plastics Technology. La pression dans l'évent diminue à zéro en rendant le canal très profond. Cela cause le canal à être partiellement rempli, exposant une grande surface du polymère fondu pour le transport de masse des volatils vers la partie vide du canal. Les volatils sont ensuite éliminés par l'évent.

En aval du canal d'évent se trouve une courte section de transition où la profondeur du canal devient moins profonde et eventualmente équivalente à la profondeur du canal de dosage du second étage. Alors que la résine fondu se déplace vers le second étage de dosage, un emplacement se produit où le flux du canal change de partiellement rempli à pression zéro à complètement rempli. C'est communément appelé la position de remplissage. La position de remplissage peut se produire dans la section de transition ou dans le second étage de dosage. Une fois le canal rempli, la génération de pression peut se produire. La position de remplissage dans la Figure 3 est à l'entrée de la section de dosage du second étage.

Le canal de dosage du second étage a une pression près de zéro à l'entrée (ou position de remplissage) et la pression augmente jusqu'à la pression maximale de refoulement de 1 600 psi, créant un gradient de pression axiale positif. Le gradient de pression positif cause le débit spécifique à être inférieur au débit spécifique calculé dû à la rotation. Rappelez-vous que le débit spécifique est 27,3 lb/(h tr/min) et le débit spécifique calculé dû à la rotation pour le canal de dosage du second étage est 32,7 lb/(h tr/min). Ainsi, le débit a été réduit de 5,4 lb/(h tr/min) dû au gradient de pression positif.

Toujours négatif

Un extrudeur à deux étages avec dégazage aura toujours un gradient de pression négatif dans la section de dosage du premier étage et un gradient positif dans la section de dosage du second étage. C'est parce que la section d'évent de la vis doit opérer à pression zéro et avec des canaux partiellement remplis. Puisque la section de dosage du premier étage contrôle le débit, la section de dosage du second étage doit être capable de pomper et pressuriser au débit de la section de dosage du premier étage.

À cause de cette opération et des gradients de pression dans les canaux de dosage, la section de dosage du second étage doit être capable de pomper à un débit plus haut que la section de dosage du premier étage. Pour une vis à pas constant, le second étage de dosage doit être plus profond que le premier étage de dosage. Comme mentionné précédemment, le rapport de la profondeur du second étage à la profondeur du premier étage est le rapport de pompage pour un pas constant.

Le rapport de pompage n'est pas unique à une résine ou un processus. Au lieu de cela, il dépend de la longueur de la section de dosage du second étage, du pas des sections de dosage, de la viscosité de la résine, et des exigences de pression aval. Par exemple, la vis de la Figure 2 a une section de dosage du second étage qui est de 6 diamètres de long, une profondeur de canal de 0,360 pouce, et refoule à une pression de 1 600 psi. Si la section de dosage du second étage était plus longue à 8 diamètres, la profondeur du canal aurait pu être réglée à 0,330 pouce pour un rapport de pompage de 1,32.

Si une pompe à engrenages était positionnée juste après l'extrudeur, la pression de refoulement pourrait être réduite à 400 psi, et la pompe générerait la pression nécessaire pour faire fonctionner l'équipement aval. Ici la section de dosage du second étage serait de 6 diamètres de long et aurait une profondeur de canal de 0,310 pouce pour un rapport de pompage de 1,24. Un rapport de pompage plus haut et une position de remplissage en aval de l'entrée du second étage est aussi une opération acceptable.

Mauvais design, mauvais convoyage des solides

Les extrudeurs avec dégazage mal conçus peuvent amplifier la pulsation de débit induite par un mauvais convoyage des solides. La pulsation commence avec une section de convoyage des solides qui n'est pas conçue correctement ou qui opère avec une vis ou un carter d'alimentation trop chaud. La pulsation de débit a été discutée dans le numéro d'août 2024. La Figure 4 montre le profil de pression axiale pour un extrudeur à deux étages avec dégazage et pulsation. La ligne de pression solide dans la figure est le point milieu de la pulsation. Les lignes pointillées montrent les pressions aux points haut et bas de la pulsation.

Figure 4 : Pression axiale pour un extrudeur à deux étages avec dégazage avec une portion haute pression et une portion basse pression d'une pulsation.

Si le convoyage des solides devient mauvais, la pression à l'entrée du premier étage de dosage diminue. Cela diminue l'amplitude du gradient de pression négatif dans la section de dosage, diminuant le débit. Le niveau de flux plus bas passe à travers l'évent partiellement rempli, la transition du second étage, et la première partie de la section de dosage du second étage. La position de remplissage se déplace en aval, diminuant la pression de refoulement et le débit à la filière.

Quand le convoyage des solides est haut, la pression à l'entrée de la section de dosage du premier étage est haute, causant l'amplitude du gradient de pression négatif à être haute et augmentant le débit. Ici, le débit plus haut cause la position de remplissage à se déplacer en amont comme montré par la Figure 4. La position de remplissage en amont cause la pression de refoulement et le débit à augmenter à la filière.

Amortir les pulsations de pression

La pulsation de pression au refoulement pour la Figure 4 est ±250 psi — environ la valeur moyenne. Un mauvais convoyage des solides causera toujours une pulsation comme celle-ci, mais certains designs de second étage peuvent amortir la pulsation. Par exemple, un long canal de dosage du second étage avec un rapport de pompage plus bas peut amortir la pulsation tandis qu'un court canal de dosage avec un rapport de pompage plus haut peut augmenter la sévérité de la pulsation. La meilleure façon d'atténuer la pulsation est de l'éliminer à la source. Dans ce cas, le processus de convoyage des solides devrait être amélioré.

Pour des extrudeurs existants, le designer n'a pas le luxe de déplacer l'évent ou d'allonger les sections de dosage. Dans ce cas, les principaux paramètres de design sont la profondeur du canal de dosage du premier étage et le rapport de pompage. Comme discuté précédemment, la profondeur du canal de dosage du premier étage fixera le débit spécifique pour l'opération, et le rapport de pompage fournira la pression nécessaire pour faire fonctionner l'équipement aval. La profondeur de la section de dosage du premier étage est aussi une caractéristique clé de design pour fixer la température de refoulement.

Les clés pour designer des extrudeurs et vis à deux étages avec dégazage sont la profondeur du canal de dosage du premier étage, la longueur de la section de dosage du second étage et le rapport de pompage. Les designers d'extrudeurs savent comment optimiser ces paramètres pour nouvelles installations et extrudeurs existants. Un design correct devrait maximiser le débit, générer la pression de refoulement nécessaire sans écoulement par l'évent et fournir une pression de refoulement stable.

À PROPOS DE L'AUTEUR : Mark A. Spalding est fellow en Packaging & Specialty Plastics et Hydrocarbons R&D chez Dow Inc. à Midland, Michigan. Pendant ses 40 ans chez Dow, il s'est focalisé sur le développement, design et dépannage de procédés polymères, surtout en extrusion monovis. Il a co-écrit Analyzing and Troubleshooting Single-Screw Extruders avec Gregory Campbell. Contact : 989-636-9849; maspalding@dow.com; dow.com.