Maîtriser le rapport de pompe dans les extrudeuses monovis ventilées à deux étages

Les extrudeuses monovis ventilées à deux étages sont courantes pour de nombreuses applications et résines. La ventilation est courante avec de nombreuses résines styréniques et la plupart des applications impliquant des résines recyclées après consommation (PCR). Une extrudeuse et une vis correctement conçues seront capables d'éliminer plus de 90 % des matières volatiles à travers l'évent, de fonctionner de manière stable sans augmentation du débit au niveau de la filière et sans que le matériau ne s'écoule par l'ouverture de l'évent.

Plusieurs fonctionnalités de conception sont nécessaires pour atteindre ces objectifs de traitement, notamment :

Contenu en vedette

• la longueur et la profondeur de la section ventilée
• la conception du inverseur de ventilation
• longueur du canal de mesure du deuxième étage
• le rapport de pompe

Le schéma de la figure 1 montre une extrudeuse ventilée à deux étages.

Figure 1 : Schéma d'une extrudeuse monovis ventilée à deux étages. Source (toutes) :M.A. Spalding

Le rapport de pompage est le rapport entre la capacité de pompage de la section de dosage du deuxième étage et la capacité de pompage de la section de dosage du premier étage. Généralement, le rapport de pompe est compris entre 1,1 et 1,5. Le rapport de pompe pour une vis avec une longueur de pas constante est la profondeur du canal de dosage du deuxième étage divisée par la profondeur du canal de dosage du premier étage. Les profondeurs et les longueurs des canaux pour une vis typique en polystyrène (PS) sont illustrées par la figure 2 pour une vis de 6 pouces de diamètre.

Pour cette conception, la section de comptage du premier étage contrôle le débit. Le rapport de pompe est de 1,44. Pour les matières premières composées uniquement de pellets, le taux de compression est de 3. Le taux de compression pour une vis avec une longueur de pas constante est la profondeur du canal d'alimentation divisée par la profondeur du canal de dosage du premier étage. Le taux de compression doit être suffisamment élevé pour maintenir le canal de dosage du premier étage lorsqu'il est plein de résine et sous pression.

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

Avant d’expliquer le rapport de pompe, il est instructif de discuter du profil de pression axiale de la vis. Le profil de pression axiale pour la conception de vis PS illustrée à la figure 2 a été déterminé à l'aide d'une 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 la vis. Le profil de pression axiale est illustré par la figure 3. À ce rythme, la résine PS nécessitait une pression de refoulement de 1 600 psi pour faire fonctionner l'équipement en aval. Le débit spécifique calculé dû à la simple rotation de la vis sans gradient de pression imposé est de 23 lb/(h tr/min) pour la section de dosage du premier étage. Étant donné que le canal de dosage du deuxième étage est plus profond, le taux dû uniquement à la rotation est plus élevé à 32,7 lb/(h tr/min).

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

Comme le montre la figure 3, la pression atteint un maximum à 1 800 psi au début de la section de mesure du premier étage, et elle diminue jusqu'à une pression nulle avant l'évent. La pression au niveau de l’évent doit être nulle, sinon la résine s’écoulera par l’ouverture de l’évent. Ainsi, le canal de dosage du premier étage présente un gradient de pression négatif. Ce gradient de pression négatif fait que le débit dans le canal est supérieur au débit spécifique en raison de la simple rotation. Ici, le débit est de 27,3 lb/(h tr/min) et rappelons que le débit spécifique calculé dû uniquement à la rotation est de 23,0 lb/(h tr/min).

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

Les 4,3 lb/h tr/min supplémentaires étaient dus au gradient de pression négative. Ce gradient de pression négative doit se produire pour une extrudeuse à deux étages correctement conçue, car la pression doit être relativement élevée à l'entrée du compteur du premier étage en raison du transport et de la fusion des solides et d'une pression nulle au niveau du canal de ventilation.

La pression dans le canal de ventilation doit être nulle pour éliminer les substances volatiles et empêcher l'écoulement de la résine par l'ouverture de ventilation. La prévention du débit de ventilation dépend également d'un inverseur positionné dans l'orifice de ventilation. Le débit de ventilation a été abordé dans le numéro de février 2023 de Plastics Technology. . La pression dans l'évent diminue jusqu'à zéro en rendant le canal très profond. Cela provoque le remplissage partiel du canal, exposant une grande surface du polymère fondu pour le transport massif des substances volatiles vers la partie vide du canal. Les substances volatiles sont ensuite évacuées par l'évent.

En aval du canal de ventilation se trouve une courte section de transition où la profondeur du canal devient moins profonde et éventuellement équivalente à la profondeur du canal de mesure du deuxième étage. À mesure que la résine fondue se déplace vers le compteur du deuxième étage, il se produit un endroit où le débit du canal passe de partiellement rempli à pression nulle à complètement rempli. C'est ce qu'on appelle communément le poste de remplissage. La position de remplissage peut se produire dans la section de transition ou dans le compteur du deuxième étage. Une fois le canal rempli, une génération de pression peut se produire. La position de remplissage sur la figure 3 se trouve à l'entrée de la section de dosage du deuxième étage.

Le canal de dosage du deuxième étage a une pression proche de zéro à l'entrée (ou position de remplissage) et la pression a augmenté jusqu'à la pression de refoulement maximale de 1 600 psi, créant un gradient de pression axial positif. Le gradient de pression positive fait que le débit spécifique est inférieur au débit spécifique calculé en raison de la rotation. Rappelons que le débit spécifique est de 27,3 lb/(h tr/min) et que le débit spécifique calculé en raison de la rotation pour le canal de dosage du deuxième étage est de 32,7 lb/(h tr/min). Ainsi, le débit a été réduit de 5,4 lb/(h tr/min) en raison du gradient de pression positive.

Toujours négatif

Une extrudeuse ventilée à deux étages 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 deuxième étage. En effet, la section d'aération de la vis doit fonctionner à pression nulle et avec des canaux partiellement remplis. Étant donné que le canal de dosage du premier étage contrôle le débit, la section de dosage du deuxième étage doit être capable de pomper et de mettre sous pression au débit du dosage du premier étage.

En raison de ce fonctionnement et des gradients de pression dans les canaux de dosage, la section de dosage du deuxième étage doit être capable de pomper à un débit plus élevé que la section de dosage du premier étage. Pour une vis à longueur de pas constante, le compteur du deuxième étage doit être plus profond que le compteur du premier étage. Comme indiqué précédemment, le rapport entre la profondeur du deuxième étage et la profondeur du premier étage est le rapport de pompe pour une longueur de câble constante.

Le rapport de pompage n’est pas propre à une résine ou à un procédé. Au lieu de cela, cela dépend de la longueur de la section de dosage du deuxième étage, de la longueur du câble des compteurs, de la viscosité de la résine et des exigences de pression en aval. Par exemple, la vis de la figure 2 comporte une section de dosage de deuxième étage d'une longueur de 6 diamètres, d'une profondeur de canal de 0,360 pouce et d'une décharge à une pression de 1 600 psi. Si la section de dosage du deuxième étage était plus longue avec 8 diamètres, la profondeur du canal aurait pu être réglée à 0,330 pouce pour un rapport de pompe de 1,32.

Si une pompe à engrenages était positionnée juste après l'extrudeuse, la pression de refoulement pourrait être réduite à 400 psi et la pompe générerait la pression nécessaire pour faire fonctionner l'équipement en aval. Ici, le canal de dosage du deuxième étage aurait une longueur de 6 diamètres et une profondeur de canal de 0,310 pouce pour un rapport de pompe de 1,24. Un rapport de pompe plus élevé et une position de remplissage en aval de l'entrée du deuxième étage constituent également une opération acceptable.

Mauvaise conception, mauvais transport des solides

Des extrudeuses ventilées mal conçues peuvent amplifier les pics de débit induits par un mauvais transport des solides. L'à-coup de débit commence par une section de transport de solides qui n'est pas conçue correctement ou qui fonctionne avec une vis ou un boîtier d'alimentation trop chaud. L'augmentation du débit a été abordée dans le numéro d'août 2024. La figure 4 montre le profil de pression axiale pour une extrudeuse ventilée à deux étages à écoulement brusque. La ligne de pression continue sur la figure correspond au point médian de la montée subite. Les lignes pointillées montrent les pressions aux points hauts et bas de la surtension.

Figure 4 : Pression axiale pour une extrudeuse à évent à deux étages avec une partie haute pression et une partie basse pression d'une surtension.

Si le transport des solides devient mauvais, la pression à l'entrée du compteur du premier étage diminue. Cela diminue l'ampleur du gradient de pression négative dans la section de dosage, diminuant ainsi le débit. Le niveau d'écoulement inférieur traverse l'évent partiellement rempli, la transition du deuxième étage et la première partie de la section de dosage du deuxième étage. La position de remplissage se déplace vers l'aval, diminuant la pression de refoulement et le débit à la filière. 

Lorsque le transport de solides est élevé, la pression à l'entrée de la section de dosage du premier étage est élevée, ce qui entraîne une ampleur du gradient de pression négative élevée et une augmentation du débit. Ici, le débit plus élevé entraîne le déplacement de la position de remplissage vers l'amont, comme le montre la figure 4. La position de remplissage en amont entraîne une augmentation de la pression de refoulement et du débit au niveau de la filière.

Amortissement des surpressions

La surpression à la sortie pour la figure 4 est de ±250 psi – environ la valeur moyenne. Un mauvais transport des solides provoquera toujours une poussée de ce type, mais certaines conceptions de deuxième étage peuvent atténuer cette poussée. Par exemple, un long canal de dosage de deuxième étage avec un rapport de pompe inférieur peut amortir la surtension, tandis qu'un canal de dosage court avec un rapport de pompe plus élevé peut augmenter la sévérité de la surpression. La meilleure façon d’atténuer les surtensions est de les éliminer à la source. Dans ce cas, le processus de transport des solides devrait être amélioré.

Pour les extrudeuses existantes, le concepteur n'a pas le luxe de déplacer l'évent ou d'allonger les sections de dosage. Dans ce cas, les principaux paramètres de conception sont la profondeur du canal de dosage du premier étage et le rapport de pompage. Comme indiqué précédemment, la profondeur du canal de mesure du premier étage définira le débit spécifique de fonctionnement, et le rapport de pompe fournira la pression nécessaire au fonctionnement de l'équipement en aval. La profondeur de la section de dosage du premier étage est également une caractéristique de conception clé pour régler la température de refoulement.

Les clés de la conception d'extrudeuses et de vis ventilées à deux étages sont la profondeur du canal de dosage du premier étage, la longueur du canal de dosage du deuxième étage et le rapport de pompe. Les concepteurs d'extrudeuses savent comment optimiser ces paramètres pour les nouvelles installations et les extrudeuses existantes. Une conception appropriée doit maximiser le débit, générer la pression de refoulement nécessaire sans débit de ventilation et fournir une pression de refoulement constante.

À PROPOS DE L'AUTEUR :Mark A. Spalding  est chercheur en recherche et développement sur les emballages, les plastiques spéciaux et les hydrocarbures chez Dow Inc. à Midland, Michigan. Au cours de ses 40 années chez Dow, il s'est concentré sur le développement, la conception et le dépannage de procédés polymères, notamment dans l'extrusion monovis. Il a co-écrit Analyse et dépannage des extrudeuses monovis  avec Grégory Campbell. Contacter :989-636-9849 ; maspalding@dow.com ; dow.com.