Строительный инструмент

Одношнековые и двухшнековые экструдеры: описание, характеристика, различия

рис. 1 Ряд элементов модульного шнека для экструде¬ра с однонаправленно вращающимися шнеками

Первые двухшнековые экструдеры, используемые для переработки полимеров, были разработаны в конце 30-х годов XX века года в Италии. Роберто Коломбо разработал экструдерс двумя однонаправленно вращающимися шнеками, а Карло Паскуэтти — экструдер с двумя шнеками, вращающимися в противоположных направлениях. Первые двухшнековые экструдеры имели ряд проблем, наиболее серьезной из которых была конструкция упорного подшипника, поскольку из-за ограниченности пространства трудно спроектировать упорный подшипник, воспринимающий большие осевую и радиальные нагрузки. Первые упорные подшипники не были достаточно прочными и, соответственно, не могли обеспечить достаточную механическую надежность. В конце 60-х годов XX века были разработаны модифицированные упорные подшипники специально для использования в двухшнековых экструдерах, и механическая надежность последних сравнялась с механической надежностью одношнековых экструдеров. Однако производительность двухшнековых экструдеров до сих пор все еще ниже производительности одношнековых.

В настоящее время двухшнековые экструдеры занимают достойное место в промышленности переработки полимеров и используются главным образом для экструзии профильных изделий из материалов с низкой термостабильностью (таких как жесткий ПВХ) и для особых операций при переработке полимеров, таких как смешение, дегазация, химические реакции и т. д. Двухшнековые экструдеры, используемые для профильной экструзии, имеют малый шаг нарезки шнеков и работают при относительно низкой частоте вращения шнека: около 20 об/мин. По сравнению с одношнековыми экструдерами они имеют лучшие характеристики по загрузке и транспортировке, что дает возможность перерабатывать даже плохо сыпучие материалы. Кроме того, они обеспечивают небольшую продолжительность переработки, а также узкое распределение времени пребывания. Улучшенные характеристики смешения и теплопередачи позволяют обеспечить хороший контроль за температурой перерабатываемого материала и временем переработки, что является очень важным для экструзии профильных изделий из материалов с ограниченной термостабильностью. Большинство двухшнековых экструдеров, используемых для профильной экструзии, имеют шнеки, вращающиеся в противоположных направлениях, с нарезкой с плотным зацеплением витков, хотя используются также двухшнековые экструдеры с однонаправленно вращающимися шнеками.

Двухшнековых экструдеры различных конструкций используют также для специальных операций по переработке полимеров. Так, высокоскоростные экструдеры с двумя зацепляющимися однонаправленно вращающимися шнеками используют при смешении и дегазации, а также как химические реакторы. Они работают при высокой частоте вращения шнеков, обычно от 300 до 600 об/мин, хотя существуют экструдеры такого же типа, которые могут работать при еще большей частоте — от 1200 до 1400 об/мин. Очевидно, не все полимеры могут быть переработаны при таких высоких скоростях.

Экструдеры с незацепляющимися шнеками используют при смешении, проведении химических реакций и дегазации. Механизм транспортировки в таких экструдерах существенно отличается от механизма транспортировки в экструдерах с зацепляющимися шнеками и ближе к механизму подачи в одношнековых экструдерах, хотя между ними имеются также значительные различия. Поэтому двухшнековые экструдеры с незацепляющимися шнеками не обладают существенными преимуществами транспортировки. Однако следует отметить, что при хороших характеристиках по транспортировке обычно имеют место плохое качество осевого (аксиального) смешения. Следовательно, если необходимо провести осевое смешение, то положительные характеристики подачи могут стать недостатком. В таблице 1 приведено сравнение высокоскоростных и низкоскоростных двухшнековых экструдеров.

Таблица 1: Сравнение высокоскоростных и низкоскоростных двушнековых экструдеров

Высокоскоростные двухшнековые экструдерыНизкоскоростные двухшнековые экструдеры
Используются в основном для смешенияИспользуются в основном для экструзии профильных изделий
Частота вращения шнека от 200 до 1400 об/минЧастота вращения шнека от 10 до 40 об/мин
Всегда работают при неполной загрузкеМогут работать при неполной загрузке
Работают при низкой степени заполнения, обычно около 20-40%Работают при высокой степени заполнения
Хорошие характеристики смешения в большинстве случаевПлохая способность смешения в большенстве случаев
Удовлетворительные характеристики транспортировки, ограниченная сособность создания давленияХорошие характеристики транспортировки, хорошая способность создания давления
Удовлетворительная стабильность работыХорошая стабильность работы
Давление в экструдере обычно низкоеДавление может быть относительно высоким
Большое отношение L/D, обычно более 30Небольшое отношение L/D, обычно меньше 30
Используется последовательная загрузка сырьяПоследовательная загрузка сырья обычно не используется
Наличие модульных шнеков и цилиндраОбычно отсутствуют модульные шнеки и цилиндр
Загрузка жидкости невозможнаВ некоторых случаях возможна подача жидкости
Высокая стоимость, намного выше, чем стоимость одношнековых экструдеров того же диаметраНизкая стоимость, ближе к стоимости одношнековых экструдеров
Параллельные шнеки используются в высокоскоростных экструдерах, конические шнеки не используютсяЭкструдеры с малым диаметром могут иметь конические шнеки, экструдеры с большим диаметром всегда параллельны
рис. 2 Модульные элементы для экструдера со шнеками, вращающимися в противоположных направлениях


Сравнение двухшнековых и одношнековых экструдеров

Характеристики работы двухшнековых экструдеров могут быть лучше оценены при рассмотрении принципиальных различий между одношнековыми и двухшнековыми экструдерами. Одним из основных отличий является способ транспортировки материала в экструдере. Транспортировка материала в одношнековых экструдерах инициируется силой трения — трением в зоне транспортировки твердой фазы и вязкостным сопротивлением в зоне транспортировки расплава. Поэтому характер транспортировки в большей степени определяется фрикционными свойствами твердого материала и вязкостными свойствами расплавленного материала. Существует множество материалов с нежелательными фрикционными свойствами, которые не могут быть загружены в одношнековые экструдеры без предварительного изучения возникающих при загрузке проблем. Транспортировка в экструдерах с зацепляющимися шнеками в некоторой степени представляет собой пример транспортировки с вытеснением материала вдоль машины. Качество транспортировки зависит от того, насколько близко лопасть одного шнека входит в канал другого. Наибольшее перемещение материала наблюдается при использовании шнеков, вращающихся в противоположных направлениях, с нарезкой с плотным зацеплением витков. Например, шестеренчатый насос может быть рассмотрен в качестве двухшнекового экструдера с противонаправленным вращением шнеков и углом нарезки витков шнека, равным 90 0С или близким к нему. Однако даже шестеренчатый насос не является идеальным устройством для транспортировки, так как никакое устройство не может быть сконструировано с нулевым зазором. Поэтому утечки (обратные потоки) будут снижать высокое качество транспортировки, которого можно достичь в двухшнековых экструдерах.

Другим важным различием между одношнековыми и двухшнековыми экструдерами является различие профилей скорости. Профили скорости в двухшнековых экструдерах являются весьма сложными и их гораздо труднее описать аналитически. Ряд исследователей анализировали течение полимера без учета течения в зоне зацепления шнеков, хотя известно, что характеристики смешения и другие характеристики определяются утечками в зоне зацепления. Поэтому результаты анализа, которые не учитывают течение в зоне зацепления, имеют ограниченную практическую применимость. С другой стороны, описание течения с учетом утечек в зоне зацепления становится очень сложным.

Модели течения полимера в двухшнековых экструдерах с учетом утечек в зоне зацепления шнеков имеют ряд существенных преимуществ. Например, они дают возможность описать хорошее смешение, хорошую теплопроводность, высокую способность плавления и дегазации и хорошую регулировку температуры сырья. Недостатком моделей является их чрезмерная сложность. Теория процессов в двухшековых экструдерах разработана не так хорошо, как для одношнековых экструдеров. Поэтому трудно предсказать работу двухшнекового экструдера, основываясь лишь на знании геометрии шнека, свойствах полимера и условиях переработки; и наоборот, трудно подобрать оптимальную геометрию шнека, когда требуется определенный режим работы в конкретных случаях Применения одношнековых экструдеров. Такая непростая ситуация приводит к использованию двухшнековых экструдеров модульной конструкции. Эти машины имеют съемные элементы шнека и цилиндра. Конструкция шнека может быть изменена путем изменения порядка установки элементов шнека вдоль оси. Таким образом, может быть соединено практически неограниченное число различных геометрий шнека. Следовательно, модульная конструкция обеспечивает отличную гибкость машины, что позволяет оптимизировать геометрию шнека и цилиндра для каждого конкретного случая использования экструдера. К сожалению, использование модульных шнеков и цилиндра приводит к значительному увеличению стоимости экструдера.