2단 통풍 단일 스크류 압출기의 펌프 비율 마스터하기

2단계 배기 단일 스크류 압출기는 많은 응용 분야와 수지에 일반적입니다. 벤팅은 많은 스티렌계 수지와 PCR(사용 후 재활용) 수지와 관련된 대부분의 응용 분야에서 흔히 발생합니다. 적절하게 설계된 압출기와 스크류는 벤트를 통해 휘발성 물질의 90% 이상을 제거할 수 있고, 다이에서 흐름의 급증 없이 안정적으로 작동하며, 벤트 개구부를 통해 재료가 흘러나오는 일도 없습니다.

이러한 처리 목표를 달성하려면 다음을 포함한 여러 가지 디자인 기능이 필요합니다.

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• 펌프 비율

그림 1의 회로도는 2단 배기 압출기를 보여줍니다.

그림 1: 2단계 배기 단일 스크류 압출기의 개략도. 출처(전체):M.A. Spalding

펌프비는 1단계 계량부의 펌핑능력에 대한 2단계 계량부의 펌핑능력의 비율이다. 일반적으로 펌프 비율의 범위는 1.1에서 1.5 사이입니다. 리드 길이가 일정한 스크류의 펌프 비율은 2단계 계량 채널의 채널 깊이를 1단계 계량 채널의 깊이로 나눈 값입니다. 폴리스티렌(PS)용으로 제작된 일반적인 나사의 채널 깊이와 길이는 6인치 직경 나사의 그림 2에 나와 있습니다.

이 설계에서는 첫 번째 단계 측정 섹션이 속도를 제어합니다. 펌프 비율은 1.44입니다. 펠렛 전용 공급원료의 경우 압축비는 3입니다. 리드 길이가 일정한 스크류의 압축비는 공급 채널의 깊이를 1단계 계량 채널의 깊이로 나눈 값입니다. 압축비는 수지가 가득 차고 가압될 때 1단계 계량 채널을 유지할 만큼 충분히 높아야 합니다.

펌프 비율에 대한 축압 프로필의 의미

펌프 비율을 설명하기 전에 스크류의 축방향 압력 프로파일에 대해 논의하는 것이 좋습니다. 그림 2에 표시된 PS 스크류 설계의 축 압력 프로파일은 1,500lb/hr의 속도와 27.3lb/(hr rpm)의 특정 속도에 대한 55rpm의 스크류 속도에 대한 수치 시뮬레이션을 사용하여 결정되었습니다. 특정 속도는 단순히 속도를 스크류 속도로 나눈 값입니다. 축 압력 프로파일은 그림 3에 나와 있습니다. 이 속도에서 PS 수지는 하류 장비를 작동하기 위해 1,600psi의 배출 압력이 필요했습니다. 부과된 압력 구배 없이 스크류의 회전만으로 계산된 특정 속도는 1단계 계량 섹션의 경우 23lb/(hr rpm)입니다. 2단계 계량 채널이 더 깊기 때문에 회전만으로 인한 속도는 32.7lb/(hr rpm)으로 더 높습니다.

그림 2: PS 수지용 6인치 직경 나사의 일반적인 채널 깊이. 압축비는 3, 펌프비는 1.44이다. 배럴 벽은 그림의 상단 수평선입니다.

그림 3에서 볼 수 있듯이 1단계 계량 구간 시작 시 압력은 1,800psi에서 최대이고, 벤트 전에는 압력이 0으로 감소합니다. 배출구의 압력은 0이어야 합니다. 그렇지 않으면 수지가 배출구 구멍 밖으로 흘러나올 것입니다. 따라서 1단계 계량 채널은 음압 구배를 갖습니다. 이러한 음압 구배로 인해 채널의 흐름은 회전으로 인해 특정 속도보다 높아집니다. 여기서 유량은 27.3lb/(hr rpm)이고 회전으로 인해 계산된 특정 속도는 23.0 lb/(hr rpm)입니다.

그림 3: 그림 2의 PS 압출기에 대한 축 압력 프로필은 55rpm의 스크류 속도와 1,500lb/hr의 속도입니다.

4.3lb/(hr rpm)의 추가 증가는 음압 구배로 인해 발생했습니다. 이러한 부압 구배는 적절하게 설계된 2단계 압출기에서 발생해야 합니다. 왜냐하면 고체 전달 및 용융으로 인해 1단계 미터 입구에서 압력이 상대적으로 높아야 하고 배출 채널의 압력이 0이기 때문입니다.

휘발성 물질을 제거하고 수지가 통풍구를 통해 흐르는 것을 방지하려면 통풍구 채널의 압력이 0이어야 합니다. 벤트 흐름 방지는 벤트 포트에 위치한 전환기에 따라 달라집니다. 벤트 흐름은 Plastics Technology 2023년 2월호에서 논의되었습니다. . 채널을 매우 깊게 만들어 통풍구의 압력이 0으로 감소합니다. 이로 인해 채널이 부분적으로 채워지고 채널의 공극 부분으로의 휘발성 물질의 대량 이동을 위해 용융된 중합체의 넓은 표면적이 노출됩니다. 그런 다음 휘발성 물질은 통풍구를 통해 제거됩니다.

벤트 채널의 하류에는 채널 깊이가 더 얕아지고 결국 2단계 계량 채널 깊이와 동일해지는 짧은 전이 섹션이 있습니다. 용융된 수지가 2단계 계량기로 이동함에 따라 채널 흐름이 0 압력에서 부분적으로 채워지는 상태에서 완전히 채워지는 위치가 발생합니다. 이를 일반적으로 채우기 위치라고 합니다. 채우기 위치는 전환 섹션이나 2단계 계량기에서 발생할 수 있습니다. 채널이 채워지면 압력 생성이 발생할 수 있습니다. 그림 3의 충전 위치는 2단계 계량 섹션의 입구입니다.

2단계 계량 채널은 입구(또는 충전 위치)에서 거의 0에 가까운 압력을 가지며 압력은 최대 토출 압력 1,600psi까지 증가하여 양의 축 압력 구배를 생성합니다. 양압 구배로 인해 회전으로 인해 비율이 계산된 비율보다 작아집니다. 비속도는 27.3lb/(hr rpm)이고 2단계 계량 채널의 회전으로 인해 계산된 비속도는 32.7lb/(hr rpm)입니다. 따라서 양압 구배로 인해 속도가 5.4lb/(hr rpm)만큼 감소했습니다.

항상 부정적

2단계 배기 압출기는 항상 1단계 계량 섹션에서 음압 구배를 가지며, 2단계 계량 섹션에서는 양압 구배를 갖습니다. 이는 스크류의 벤트 섹션이 압력이 0이고 채널이 부분적으로 채워진 상태에서 작동해야 하기 때문입니다. 1단계 계량 채널이 속도를 제어하므로 2단계 계량 섹션은 1단계 계량 속도로 펌핑 및 가압할 수 있어야 합니다.

이러한 작동과 계량 채널의 압력 변화로 인해 2단계 계량 섹션은 1단계 계량보다 더 높은 속도로 펌핑할 수 있어야 합니다. 리드 길이가 일정한 나사의 경우 2단계 미터는 1단계 미터보다 깊어야 합니다. 앞서 언급한 바와 같이, 2단계 깊이와 1단계 깊이의 비율은 일정한 리드 길이에 대한 펌프 비율입니다.

펌프 비율은 수지나 공정에 따라 고유하지 않습니다. 대신 2단계 계량 섹션의 길이, 계량기의 리드 길이, 수지의 점도 및 하류 압력 요구 사항에 따라 달라집니다. 예를 들어, 그림 2의 스크류에는 직경 6개, 채널 깊이 0.360인치, 압력 1,600psi로 배출되는 2단계 계량 섹션이 있습니다. 2단계 계량 섹션이 직경 8로 더 길다면 펌프 비율 1.32에 대해 채널 깊이를 0.330인치로 설정할 수 있습니다.

기어 펌프가 압출기 바로 뒤에 배치되면 토출 압력이 400psi로 줄어들 수 있으며 펌프는 다운스트림 장비를 작동하는 데 필요한 압력을 생성합니다. 여기서 2단계 계량 채널은 직경이 6개이고 펌프 비율이 1.24인 경우 채널 깊이는 0.310인치입니다. 2단계 입구 하류의 더 높은 펌프 비율과 충전 위치도 허용되는 작업입니다.

형편없는 디자인, 불량한 고체 운반

잘못 설계된 통풍 압출기는 불량한 고형물 전달로 인해 발생하는 흐름 급증을 증폭시킬 수 있습니다. 흐름 서지는 올바르게 설계되지 않은 고형물 운반 섹션에서 시작되거나 너무 뜨거운 나사 또는 공급 케이스로 작동하고 있습니다. 흐름 급증은 2024년 8월호에서 논의되었습니다. 그림 4는 유동 급증 2단계 배기 압출기의 축방향 압력 프로파일을 보여줍니다. 그림의 실선은 서지의 중간 지점입니다. 점선은 급증의 최고점과 최저점의 압력을 나타냅니다.

그림 4: 서지의 고압 부분과 저압 부분이 있는 2단 벤트 압출기의 축 압력

고형물 이송이 불량해지면 1단계 유량계 입구의 압력이 감소합니다. 이는 계량 섹션에서 부압 구배의 크기를 감소시켜 속도를 감소시킵니다. 낮은 흐름 수준은 부분적으로 채워진 통풍구, 2단계 전환 및 2단계 계량 섹션의 첫 번째 부분을 통과합니다. 충전 위치가 하류로 이동하여 다이에서의 토출 압력과 유량이 감소합니다. 

고형물 이송량이 높으면 1단계 계량부 입구의 압력이 높아 부압 구배의 크기가 커지고 속도가 증가합니다. 여기서, 비율이 높을수록 충전 위치가 그림 4와 같이 상류로 이동하게 됩니다. 상류 충전 위치는 다이에서 토출 압력과 비율을 증가시킵니다.

압력 서지 완화

그림 4의 배출구에서의 압력 서지는 대략 평균값인 ±250psi입니다. 불량한 고형물 운반은 항상 이와 같은 서지를 유발하지만 일부 2단계 설계는 서지를 완화할 수 있습니다. 예를 들어, 펌프 비율이 낮은 긴 2단계 계량 채널은 서지를 완화할 수 있는 반면, 펌프 비율이 높은 짧은 계량 채널은 서지의 심각도를 높일 수 있습니다. 급증을 완화하는 가장 좋은 방법은 소스에서 이를 제거하는 것입니다. 이 경우 고형물 운반 공정을 개선해야 합니다.

기존 압출기의 경우 설계자는 벤트를 이동하거나 계량 섹션을 연장할 여유가 없습니다. 이 경우 주요 설계 매개변수는 1단계 계량 채널의 깊이와 펌프 비율입니다. 이전에 논의한 바와 같이, 첫 번째 단계의 계량 채널 깊이는 특정 작동 속도를 설정하고 펌프 비율은 하류 장비를 작동하는 데 필요한 압력을 제공합니다. 1단계 계량 섹션의 깊이도 토출 온도 설정을 위한 주요 설계 특징입니다.

2단계 배기 압출기와 스크류 설계의 핵심은 1단계 계량 채널의 깊이, 2단계 계량 채널의 길이 및 펌프 비율입니다. 압출기 설계자는 신규 설치 및 기존 압출기에 대해 이러한 매개변수를 최적화하는 방법을 알고 있습니다. 적절한 설계는 속도를 최대화하고 배기 흐름 없이 필요한 토출 압력을 생성하며 안정적인 토출 압력을 제공해야 합니다.

저자 소개:Mark A. Spalding  미시간 주 미들랜드에 있는 Dow Inc.의 포장 및 특수 플라스틱 및 탄화수소 R&D 연구원입니다. Dow에서 40년 동안 그는 특히 단일 스크류 압출 분야의 폴리머 공정 개발, 설계 및 문제 해결에 집중해 왔습니다. 그는 단일 스크류 압출기 분석 및 문제 해결의 공동 집필자입니다.  그레고리 캠벨과 함께. 연락처:989-636-9849; maspalding@dow.com; dow.com.