螺桿組合對(duì)脫揮效果的影響

螺桿組合對(duì)脫揮效果的影響

自誕生以來，這種脫射式雙螺桿擠出機(jī)在聚合物脫彈領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。近年來,隨著聚合物新材料的不斷涌現(xiàn),同向嚙合脫揮擠出機(jī)因其具有優(yōu)異的分散混合和分布混合能力、優(yōu)良的自清潔效果、較窄的停留時(shí)間分布、良好的排氣性能以及較高的生產(chǎn)能力等優(yōu)點(diǎn),在反應(yīng)和脫揮領(lǐng)域得到了越來越多的應(yīng)用,同向嚙合脫揮擠出機(jī)的螺桿一般采用積木式設(shè)計(jì),可以靈活設(shè)置不同的組合構(gòu)型以滿足各種不同物料的擠出工藝要求。正常工作時(shí),擠出機(jī)通過螺桿來完成物料的混煉、塑化及脫揮等功能,組合不同則物料在擠出機(jī)內(nèi)的流場(chǎng)、停留時(shí)間以及受到的拉伸剪切作用等都會(huì)不同,因此不同的螺桿組合構(gòu)型會(huì)有不同的加工效果。筆者主要分析脫揮段的螺桿組合構(gòu)型對(duì)聚合物溶液脫揮效果的影響,從而為同向嚙合脫揮擠出機(jī)在脫揮領(lǐng)域中的應(yīng)用提供了參考。1在坍塌過程中的理論分析中1.1質(zhì)量流率的表征脫揮屬于物質(zhì)傳遞操作。聚合物溶液中揮發(fā)物組分的分子必先擴(kuò)散到液-氣界面,然后通過外力被脫除,經(jīng)冷凝后回收。所有的脫揮過程(不考慮所用設(shè)備的復(fù)雜性)均能用圖1來表示。圖1中,m˙m˙表示質(zhì)量流率;ω為揮發(fā)組分的質(zhì)量分?jǐn)?shù)。根據(jù)界面遷移通量可表達(dá)出揮發(fā)組分的質(zhì)量流率ωgm˙m˙g,即界面法線方向單位面積的揮發(fā)組分流率:ωgm˙g=KmSmωgm˙g=ΚmSm(1)Sm=S1+∑i=1NSbiSm=S1+∑i=1ΝSbi(2)式中Km——質(zhì)量傳遞系數(shù);Sm——總界面面積;S1——熔體表面的界面積;Sbi——?dú)馀莸慕缑娣e。由以上分析可知,傳質(zhì)面積的大小直接影響脫揮的效果,能提供更大的傳質(zhì)面積的組合將更有利于脫揮效率的提高。1.2延長(zhǎng)物料停留時(shí)間在其它工藝條件保持不變的情況下,物料在脫揮段停留的時(shí)間越長(zhǎng),則有越多的時(shí)間來脫除揮發(fā)分,因此在脫揮段的螺桿組合應(yīng)該盡量延長(zhǎng)物料在脫揮段的停留時(shí)間。另外,停留時(shí)間分布寬度可以反映物料的軸向混合能力,軸向混合能力好則物料的返混效果好,這樣更有利于把物料內(nèi)部的氣泡帶到液-氣界面,加快揮發(fā)分的脫除。所以從理論上講,脫揮段的螺桿組合應(yīng)該為脫揮提供足夠的脫揮時(shí)間和良好的返混效果。1.3剪切速率影響在聚合物熔體沸騰-發(fā)泡機(jī)理的研究中,LeeST和BiesenbergerJA指出單位體積上形成的起泡數(shù)量會(huì)隨毛細(xì)管數(shù)線性增加,毛細(xì)管數(shù)表示氣泡上的層流誘導(dǎo)剪切力與表面張力的比值:Ca=Rμγ˙ΓCa=Rμγ˙Γ(3)式中R——通用氣體常數(shù);μ——熔體黏度;?！砻鎻埩?γ˙γ˙——剪切速率。對(duì)同一種聚合物熔體脫揮,式(3)中的熔體黏度和表面張力可認(rèn)為是定值,那么毛細(xì)管數(shù)就僅取決于剪切速率,剪切速率越大,形成的氣泡數(shù)量就越多。在剪切流動(dòng)中,對(duì)流將揮發(fā)物液體帶入氣泡表面,氣泡變形增加了質(zhì)量傳遞。FavelukisM等在理論上和實(shí)踐中證實(shí)了質(zhì)量傳遞會(huì)隨著剪切速率的增加而增強(qiáng)。同時(shí),溶解速率da/dt為:dadt≈?RT(Cs?C∞)pD1/2γ˙1/2dadt≈-RΤ(Cs-C∞)pD1/2γ˙1/2(4)式中a——?dú)馀莸漠?dāng)量半徑;T——絕對(duì)溫度;Cs——界面的氣體濃度;C∞——遠(yuǎn)離界面的氣體濃度;p——?dú)馀輭毫?D——擴(kuò)散率;γ˙γ˙——剪切速率。顯然,溶解速率隨剪切速率的1/2次方增加,同樣氣泡的當(dāng)量半徑也隨剪切速率的增強(qiáng)而增大,說明增強(qiáng)剪切速率有利于脫揮過程中氣泡的增長(zhǎng)。分析以上理論可知,在脫揮過程中,氣泡的形成和增長(zhǎng)都隨剪切速率的增強(qiáng)而增強(qiáng),說明能提供更強(qiáng)剪切速率的組合將更有利于提高脫揮效率。2比較單元件結(jié)構(gòu)2.1物料在脫揮段的輸送在以往的螺桿組合設(shè)計(jì)中,脫揮段一般排列大導(dǎo)程螺紋元件,本次實(shí)驗(yàn)用開槽的螺紋元件來與之進(jìn)行比較。在脫揮過程中,通過脫揮口的視鏡觀察物料在脫揮段螺桿中的輸送情況發(fā)現(xiàn):在合適的轉(zhuǎn)速下進(jìn)行脫揮操作時(shí),物料在元件中的分布是有明顯區(qū)別的。脫揮段為純螺紋元件時(shí),物料僅集中在螺紋的推力面上,分布區(qū)域會(huì)隨著填充度的增加而擴(kuò)大;脫揮段排列開槽螺紋元件時(shí),由于物料可以從開槽部位產(chǎn)生漏流,所以在螺棱的兩側(cè)都有物料,基本上布滿了整個(gè)螺桿表面,明顯增加了物料的分布面積。兩種螺桿組合在脫揮操作中物料分布情況如圖2所示。2.2螺桿組合模擬物料在兩種螺桿組合中的停留時(shí)間及停留時(shí)間分布通過擠出機(jī)專用模擬軟件Loduvic模擬得到。由于本次模擬只需定性的分析和比較物料在兩種螺桿中的停留時(shí)間及停留時(shí)間的分布,所以模擬忽略了實(shí)際脫揮過程中的傳質(zhì)傳熱情況。在模擬中分別設(shè)置了如圖3所示的螺桿組合進(jìn)行比較。通過在Ludovic軟件中設(shè)置擠出機(jī)參數(shù)、物料性質(zhì)和操作條件,計(jì)算出物料在這兩段螺桿組合中的停留時(shí)間及停留時(shí)間分布(圖4、5)。在參數(shù)設(shè)置過程中,只有螺桿組合不同,其它各種所需的計(jì)算條件均相同。經(jīng)過軟件的模擬計(jì)算可知,物料在純螺紋元件組合中最短停留時(shí)間為5.359s,平均停留時(shí)間為9.053s;物料在加入開槽元件的組合中的最短停留時(shí)間為12.88s,平均停留時(shí)間為35.82s。無論是最短停留時(shí)間還是平均停留時(shí)間,加入開槽元件的組合都要比純螺紋元件的組合長(zhǎng)很多,而且分布寬度也更寬,所以加入開槽元件的組合能使物料在脫揮段停留時(shí)間更長(zhǎng),軸向混合效果更好,更有利于揮發(fā)分的脫除。2.3開槽螺紋元件組合的剪切速率兩組螺桿中物料流場(chǎng)的剪切速率通過流體動(dòng)力學(xué)計(jì)算軟件模擬計(jì)算得到。模擬時(shí)取3個(gè)導(dǎo)程上的螺紋元件和開槽元件進(jìn)行比較,各自的三維模型如圖6所示,螺桿轉(zhuǎn)速設(shè)定為150r/min。經(jīng)計(jì)算,純螺紋元件組合的最大剪切速率為309.00s-1,平均剪切速率為6.40s-1;開槽螺紋元件組合的最大剪切速率為1126.35s-1,平均剪切速率為21.96s-1。經(jīng)比較可知,螺紋元件開槽以后,最大剪切速率和平均剪切速率都明顯增強(qiáng)。因此從剪切速率方面考慮,開槽螺紋元件組合在脫揮時(shí)更有利于氣泡形成和增長(zhǎng),其脫揮能力明顯優(yōu)于純螺紋元件組合。3開槽螺釘脫揮口實(shí)驗(yàn)物料是由合作廠家提供的濃度30%的PVB甲醇溶液,實(shí)驗(yàn)設(shè)備是由天華化工機(jī)械及自動(dòng)化研究設(shè)計(jì)院設(shè)計(jì)、制造的脫揮型同向嚙合雙螺桿擠出機(jī),螺桿公稱直徑135mm,設(shè)備長(zhǎng)徑比為56。筒體配置如圖7所示。本實(shí)驗(yàn)在其它位置螺桿元件保持不變的情況下,以第6節(jié)筒體段脫揮口(6#)的兩種螺桿組合為研究對(duì)象,進(jìn)行脫揮效果的比較。實(shí)驗(yàn)物料以35℃的溫度、0.2MPa的壓力從進(jìn)料口加入,進(jìn)料量控制在600kg/h左右,機(jī)頭敞開出料。分別收集該類型雙螺桿擠出機(jī)各個(gè)脫揮口冷凝的甲醇并稱其重量,測(cè)量出料口的物料固含量。實(shí)驗(yàn)結(jié)果見表1。由于機(jī)頭敞開出料以及收集裝置密封性能等方面原因,甲醇存在泄漏,因此計(jì)算所得的總脫揮量比各個(gè)口收集的總量大。以6#脫揮口為例,由表1數(shù)據(jù)可以看出使用開槽螺紋元件后,該口的脫揮量和總脫揮量都有所升高,且其脫揮量占總脫揮量的比例也有所升高。這說明開槽螺紋元件的脫揮能力要