Теория и практика экструзии полимеров

ИНТЕНСИВНОСТЬ ПРОЦЕССОВ СМЕШЕНИЯ В ДВУХШНЕКОВЫХ ЭКСТРУДЕРАХ

111>п математическом описании процесса смешения вдвухшне - |н|н.1 жструдерах возникает ряд трудностей, связанных в первую |" ч. со сложностью гидродинамики потока перерабатываемого Мяк риала в С-образных секциях и зазорах зацепления шнеков •1>| i другом и с материальным цилиндром. Сложная гидродина - •кн.1 создает не только неравномерное поле интенсивности сдви - tмо. in деформации расплава, но м определяет распределение вре - и. к пребывания частиц в экструдере. С некоторыми допущения­ми можно утверждать, что суммарное влияние перечисленных |м» трои может быть учтено одним — распределением времен "С кынания, так как распределение времен пребывания в конеч - ю. м i чете определяется гидродинамикой потока и, следовательно, ••т. т. милостью деформирования расплава.

И качестве одного из подходов при анализе процессов смеше­ния в двухшнсковых экструдерах, а также при оценке качества v м на выходе из них может быть использована одмопараметри - mi. ui диффузионная модель прямоточного аппарата. При ис-

и. ювании этой модели реальный двухшнековый экструдер

Иг к Iявляется в виде трубчатого аппарата, в котором имеет место и, и м» 1ыюс перемешивание в потоке текущей жидкости |55|.

Предполагая наличие в потоке жидкости идеального переме - >• 1111.111 и я в радиальном направлении, картину течения можно I» к гавить состоящей из потока идеального вытеснения, на ко - |м|>ып накладываются перемещения частиц с большей или мень - »■ и (но сравнению со средней скоростью потока идеального вы-

• пения) скоростью, возникающие вследствие сложной гидроди-

• •мики всего потока. Учет этого второго вида перемещения

частиц, по аналогии с диффузионными процессами, может Г>» выполнен введением диффузионного члена, описывающего щ дольное перемешивание через коэффициент продольного иереи шивания Dl и учитывающего неравномерность поля скорости Количественное описание процессов в однопараметричеа диффузионной модели достаточно легко выполняется анализ отклика модели на выходе из аппарата на ступенчатое или и! пульсное изменение концентрации индикатора на входе в н( [57|:

(3.141

Уравнение (3.143) связывает дисперсию а2 функции pacnpej ления времен пребывания частиц в экструдере с критерием I lei Ре = v/./Pi, аналогичным диффузионному критерию Пекле (час называется критерием Боденштейна Во), который позволяет <» ределить коэффициенты продольного перемешивания 1){ и Ре влияющие на интенсивность процесса и качество смешен! Очевидно, что чем больше l)L (меньше Ре/), тем интенсивнее п( ремешивание в экструдере. Входящие в выражение PeL величин» линейной скорости v в направлении перемещения жидкости длины аппарата L Moiyr быть взяты как характерные для двухши ковых экструдеров, а именно — скорость идеального потока в] теснения и длина экструдера соответственно.

Изучение процессов перемешивания в двухшнсковых эка дерах со встречным и односторонним вращением шнеков, атака оценка качества смешения на выходе из экструдера произво! лись на вышеописанной установке (см. рис. 3.53) с использован) ем в качестве модельной жидкости глицерина вязкостью ц -9.31 ■ 10 1 Пас.

Методика эксперимента была аналогичной методике по изу нию распределения времен пребывания. Во избежание влияния процесс смешения входовых эффектов загрузка индикатора (м точной смеси «глицерин + алюминиевая пудра») осушествля.1 непосредственно в С-образную секцию канала через отверстие (см. рис. 3.53), а измерительное устройство располагалось в ме< схода материала со шнеков. Из табл. 3.1 видно, что размеры шн^ ков для обоих направлений вращения были выбраны таким o6j: зом, чтобы можно было получить различную степень зам к нуте секций винтового канала, варьируя величинами валковых и бо» вых зазоров зацепления. Коэффициент К, хотя и не учитьн сложную гидродинамику течения жидкости в зазорах зацеплен! однако позволяет оценить интенсивность массообмена между седними С-образными секциями винтовых каналов шнеков.

Определение эффективности перемешивания с помощью к[ терия Пекле Pql производилось путем анализа кривой отклика cj стемы на импульсное изменение концентрации индикатора

w»mih и жсгрудср и в различных точках по длине шнека. С этой п. ю и канал шнека вводилось определенное (~4 см3) количество

i. ночной смеси с индикатором. Продолжительность введения ин-

IIO. нора в момент времени /о не превышала 2—3 с. Вид кривых он пн л подтвердил возможность описания процесса с использо - .1Н1Ц. м диффузионной модели (см. рис. 3.55).

11ч расчета критерия Пекле PeL было использовано уравнение

a2=^(Pci-Ue‘Pet)' (3.144)

юром безразмерная дисперсия о2 кривой отклика на импуль-

• и... возмущение на входе определяется как 1581

= ' fl I.

'Цмук, 1=1v 7 /=|

Мид использованного уравнения (3.145) определяется гранич - ... in условиями на входе и выходе из экструдера |57). Проведен­ии. исследования зависимости критерия PcL от различных пара - М 1|юи процесса экструзии показали, что величина Рс/ не зависит и и прости вращения шнеков, давления в головке и производи - п. носки экструдера в диапазоне (O, l+O,5)0nm рабочей характе - |щ. тки машины (рис. 3.59). В го же время величина 1*0/. оказа - шнейно зависящей от длины зоны перемешивания при вра-

III. мин шнеков в одном направлении (шнеки I и 2, табл. 3.1) и и. ншейно — при встречном вращении (шнек 7, рис. 3.60). Г1ри - . и и последнем случае с увеличением длины зоны перемешива­ние происходит замедление роста критерия Ре*..

>ксмсримснты показали, что для любой пары шнеков отноше - .|и« шнейной скорости v потока идеального вытеснения в осевом ни 11 p. I плени и к коэффициенту продольного перемешивания /)/. не цинк ит от параметров процесса экструзии. Это объясняется тем, ни в критерий Ре/, в качестве характерной линейной скорости | быть подставлена скорость V. Так как величина v характе­ра iwr скорость перемещения материала в осевом направлении к нмчолу из экструдера, а 1){ — интенсивность перемешивания - и Iкости, можно сделать вывод, что соотношение процессов пе-

I - .лишения материала и его перемешивания не зависит от пара - •I. ipon процесса экструзии.

I 1я двухшнсковых экструдеров с односторонним вращением " ков эксперименты показали линейное изменение давления но | nine шнеков (рис. 3.39 и рис. 3.40). Это хорошо согласуется с ли - ". иным изменением критерия Ре^ подлине экструдера (рис. 3.60, ...т ки / и 2, табл. 3.1). При линейном изменении давления по пиис экструдера перепад давления между секциями постоянен.

Ре,

Рис. 3.59. Инвариантность критерия Ре/ относительно час­тоты вращения шнеков N (а) и давления в головке />(«, «). Номера шнеков — но табл. 3.1

следовательно, постоянна интенсивность смешения и величин;! Реь характеризующая степень смешения, должна быть также лц] нейна в зависимости от пути перемещения секции.

Для экструдера со встречным вращением шнеков наблюдал< нелинейное изменение давления по длине экструдера (см. ри<

3. 39 и 3.40), причем наиболее интенсивное увеличение давлен! происходило на выходе из экструдера. Это явление приводит к тому, что критерий Ре^нелинеен подлине зоны перемешивание к тому же наблюдается уменьшение скорости его роста на выхо/ (рис. 3.60, кривая для шнека 7). Это объясняется тем, что рост ве­личины критерия Ре^ по длине зоны перемешивания меньше ci снижения вследствие увеличения коэффициента продольного пе<| ремешивания Dt, который возрастает к выходу из экструдера счет повышения градиента давления.

На процесс смешения в двухшнсковых экструдерах больш< влияние оказывает степень замкнутости К отдельных С-образж секций. Представленная на рис. 3.61 зависимость величины кри!

• • |м» I IV/ от коэффициента К. нм шнеков с односторонним и н* ци мным вращением (шнеки / г. I п| одностороннего и 7— lit I in встречного вращения,

■ •in U) показывает значи-

• • и. нпе уменьшение Ре/, с увс - шчгиием К, т. е. с уменьшени - » |. u-пени замкнутости секций.

Ип « нм «ано с тем, что с возрас - ншием величины валковых и Впюш. i зазоров зацепления •нмр. м га ют потоки утечек из « Hiipaiiibix секций, что улуч­ши I условия смешения как за фм« I юнолнительного измене - in. травления течения жид-

*•.. hi гак и за счет деформации жидкости с большей интенсивно-

• и. щ в шорах зацепления.

( Невидно, имеются два предельных значения Ре/-, соответству - не максимальной степени замкнутости (Рс/1ахнри К-*0) и ми-

• HIM. I п. ной ( Рс/П1Л — при /Г-*!), когда двухшнековый экструдер нм I е I быть представлен в виде двух параллельно работающих од - гковых экструдеров. Зависимость Ре^ от степени замкнутое-

• в » екций тесно связана с таким важным параметром рабочей ха­ри ц-ристики экструдера, как угол наклона прямой зависимости

производительности экструдера Q от давления р на выходе, т. dQ/dp (ранее было показано, что величина dQ/dp характерна} интенсивность потока утечек из отдельных С-образных сект винтовых каналов). Проведенные исследования показали раэли ную интенсивность перемешивания, при прочих равных условии* в двухшнсковых экструдерах с односторонним и встречным и шением шнеков, которая в указанных случаях определяется pai личной гидродинамикой потоков в зазорах зацепления шнек Даже при одинаковой степени замкнутости С-образных сект (см. рис. 3.61), несмотря на примерно равные величины потом утечек, интенсивность смешения весьма различна. Это связано спецификой зацепления шнеков, а именно: при односторонне их вращении на входе в валковый и боковой зазоры создается б лес интенсивная циркуляция жидкости и реализуется большая д формация сдвига при одновременно большем времени пребы ния материала в экструдере.