2단계 벤티드 싱글 스크류 압출기 펌프 비율 마스터하기

2단계 벤티드 싱글 스크류 압출기는 많은 애플리케이션과 수지에 흔합니다. 벤팅은 많은 스티렌 수지와 포스트 컨슈머 재활용(PCR) 수지 관련 대부분의 애플리케이션에서 일반적입니다. 적절히 설계된 압출기와 스크류는 벤트를 통해 휘발분의 90% 이상을 제거하고, 다이에서 유동 서징 없이 안정적으로 작동하며, 벤트 개구부를 통한 소재 유출이 없습니다.

이러한 가공 목표를 달성하기 위해 몇 가지 설계 특징이 필요합니다:

주요 내용

• 벤티드 섹션의 길이와 깊이
• 벤트 디버터 설계
• 2단계 미터링 채널 길이
• 펌프 비율

그림 1 개요도는 2단계 벤티드 압출기를 보여줍니다.

그림 1: 2단계 벤티드 싱글 스크류 압출기 개요도. 출처 (모두): M.A. 스팔딩

펌프 비율은 2단계 미터링 섹션의 펌핑 능력 대비 1단계 미터링 섹션의 펌핑 능력 비율입니다. 일반적으로 펌프 비율은 1.1~1.5 사이입니다. 일정한 리드 길이를 가진 스크류의 펌프 비율은 2단계 미터링 채널 깊이를 1단계 미터링 채널 깊이로 나눈 값입니다. 폴리스티렌(PS)용 일반적 스크류의 채널 깊이와 길이는 6인치 직경 스크류 기준 그림 2에 나와 있습니다.

이 설계에서 1단계 미터링 섹션이 속도를 제어합니다. 펌프 비율은 1.44입니다. 펠릿 단독 피드스톡의 경우 압축 비율은 3입니다. 일정한 리드 길이 스크류의 압축 비율은 피드 채널 깊이를 1단계 미터링 채널 깊이로 나눈 값입니다. 압축 비율은 1단계 미터링 채널이 수지로 가득 차 있고 가압될 때 유지될 수 있을 만큼 충분히 높아야 합니다.

축 방향 압력 프로파일이 펌프 비율에 의미하는 것

펌프 비율을 설명하기 전에 스크류의 축 방향 압력 프로파일을 논의하는 것이 유익합니다. 그림 2에 표시된 PS 스크류 설계의 축 방향 압력 프로파일은 1,500 lb/hr 속도, 55 rpm 스크류 속도, 27.3 lb/(hr rpm) 특정 속도에 대해 수치 시뮬레이션으로 결정되었습니다. 특정 속도는 단순히 속도를 스크류 속도로 나눈 값입니다. 축 방향 압력 프로파일은 그림 3에 표시됩니다. 이 속도에서 PS 수지는 다운스트림 장비 가동을 위해 1,600 psi 토출 압력을 필요로 했습니다. 단순히 스크류 회전에 의한, 부과된 압력 구배 없는 계산된 특정 속도는 1단계 미터링 섹션에서 23 lb/(hr rpm)입니다. 2단계 미터링 채널이 더 깊기 때문에 단순히 회전에 의한 속도는 32.7 lb/(hr rpm)으로 더 높습니다.

그림 2: PS 수지용 6인치 직경 스크류의 일반적인 채널 깊이. 압축 비율은 3, 펌프 비율은 1.44. 배럴 벽은 그림의 최상단 수평선입니다.

그림 3에서 보듯 압력은 1단계 미터링 섹션 시작에서 최대 1,800 psi이고 벤트 전 0 압력으로 감소합니다. 벤트 압력은 0이어야 하며 그렇지 않으면 수지가 벤트 개구부를 통해 흐를 것입니다. 따라서 1단계 미터링 채널은 음의 압력 구배를 가집니다. 이 음의 압력 구배는 채널 내 유동이 단순히 회전에 의한 특정 속도보다 높게 만듭니다. 여기서는 유동이 27.3 lb/(hr rpm)이고, 단순히 회전에 의한 계산된 특정 속도는 23.0 lb/(hr rpm)임을 상기하세요.

그림 3: 그림 2의 PS 압출기 축 방향 압력 프로파일, 1,500 lb/hr 속도, 55 rpm 스크류 속도.

추가 4.3 lb/(hr rpm)는 음의 압력 구배에 의해 발생했습니다. 이 음의 압력 구배는 적절히 설계된 2단계 압출기에서 반드시 발생해야 합니다. 고체 이송과 용융으로 인해 1단계 미터 진입부에서 압력이 상대적으로 높고 벤트 채널에서 0 압력이 필요하기 때문입니다.

벤트 채널 압력은 휘발분 제거와 벤트 개구부를 통한 수지 유출 방지를 위해 0이어야 합니다. 벤트 유출 방지는 벤트 포트에 위치한 디버터에도 의존합니다. 벤트 유출은 2023년 2월 Plastics Technology 호에서 논의되었습니다. 채널을 매우 깊게 만들어 벤트 압력이 0으로 감소합니다. 이는 채널이 부분적으로 채워지게 하여 용융 폴리머의 넓은 표면적을 휘발분의 공극 부분으로의 물질 이동에 노출시킵니다. 휘발분은 벤트를 통해 제거됩니다.

벤트 채널 다운스트림에는 채널 깊이가 얕아져 결국 2단계 미터링 채널 깊이와 동등해지는 짧은 트랜지션 섹션이 있습니다. 용융 수지가 2단계 미터로 이동함에 따라 채널 유동이 0 압력에서 부분적으로 채워진 상태에서 완전히 채워진 상태로 변하는 위치가 발생합니다. 이는 일반적으로 필 포지션이라 불립니다. 필 포지션은 트랜지션 섹션 또는 2단계 미터에서 발생할 수 있습니다. 채널이 채워지면 압력 생성이 발생할 수 있습니다. 그림 3에서 필 포지션은 2단계 미터링 섹션 진입부에 있습니다.

2단계 미터링 채널은 진입부(또는 필 포지션)에서 0에 가까운 압력을 가지며 압력이 최대 토출 압력 1,600 psi로 증가해 양의 축 방향 압력 구배를 생성합니다. 양의 압력 구배는 특정 속도가 회전에 의한 계산된 특정 속도보다 낮게 만듭니다. 특정 속도는 27.3 lb/(hr rpm)이고 2단계 미터링 채널의 회전에 의한 계산된 특정 속도는 32.7 lb/(hr rpm)임을 상기하세요. 따라서 양의 압력 구배로 인해 속도가 5.4 lb/(hr rpm) 감소했습니다.

항상 음수

2단계 벤티드 압출기는 1단계 미터링 섹션에서 항상 음의 압력 구배를, 2단계 미터링 섹션에서 양의 구배를 가집니다. 이는 벤트 섹션이 0 압력과 부분적으로 채워진 채널로 작동해야 하기 때문입니다. 1단계 미터링 채널이 속도를 제어하므로 2단계 미터링 섹션은 1단계 미터링 속도로 펌핑하고 가압할 수 있어야 합니다.

이 작동과 미터링 채널의 압력 구배 때문에 2단계 미터링 섹션은 1단계 미터링보다 더 높은 속도로 펌핑할 수 있어야 합니다. 일정한 리드 길이 스크류의 경우 2단계 미터가 1단계 미터보다 깊어야 합니다. 앞서 언급했듯 2단계 깊이 대비 1단계 깊이 비율이 일정한 리드 길이에 대한 펌프 비율입니다.

펌프 비율은 특정 수지나 공정에 고유하지 않습니다. 대신 2단계 미터링 섹션 길이, 미터 리드 길이, 수지 점도, 다운스트림 압력 요구사항에 의존합니다. 예를 들어 그림 2의 스크류는 6직경 길이의 2단계 미터링 섹션, 0.360인치 채널 깊이, 1,600 psi 토출 압력을 가집니다. 2단계 미터링 섹션이 8직경으로 더 길다면 채널 깊이는 0.330인치로 설정되어 펌프 비율 1.32가 될 수 있습니다.

기어 펌프가 압출기 직후에 위치하면 토출 압력을 400 psi로 줄일 수 있고, 펌프가 다운스트림 장비 가동에 필요한 압력을 생성합니다. 여기서는 2단계 미터링 채널이 6직경 길이, 0.310인치 채널 깊이로 펌프 비율 1.24가 됩니다. 더 높은 펌프 비율과 2단계 진입부 다운스트림의 필 포지션도 허용 가능한 작동입니다.

불량 설계, 불량 고체 이송

불량하게 설계된 벤티드 압출기는 불량한 고체 이송으로 유도된 유동 서징을 증폭시킬 수 있습니다. 유동 서징은 올바르게 설계되지 않았거나 너무 뜨거운 스크류나 피드 케이싱으로 작동하는 고체 이송 섹션에서 시작됩니다. 유동 서징은 2024년 8월 호에서 논의되었습니다. 그림 4는 유동 서징 2단계 벤티드 압출기의 축 방향 압력 프로파일을 보여줍니다. 그림의 실선 압력은 서징의 중간점입니다. 점선은 서징의 고압점과 저압점 압력을 보여줍니다.

그림 4: 고압 부분과 저압 부분을 가진 서징 2단계 벤트 압출기의 축 방향 압력.

고체 이송이 불량해지면 1단계 미터 진입부 압력이 감소합니다. 이는 미터링 섹션의 음의 압력 구배 크기를 감소시켜 속도를 낮춥니다. 낮은 유동 레벨은 부분적으로 채워진 벤트, 2단계 트랜지션, 2단계 미터링 섹션 초반을 통과합니다. 필 포지션이 다운스트림으로 이동해 토출 압력과 다이 속도를 감소시킵니다.

고체 이송이 높으면 1단계 미터링 섹션 진입부 압력이 높고, 음의 압력 구배 크기가 높고 속도가 증가합니다. 여기서 높은 속도는 그림 4에서 보듯 필 포지션을 업스트림으로 이동시킵니다. 업스트림 필 포지션은 토출 압력과 다이 속도를 증가시킵니다.

압력 서징 감쇠

그림 4의 토출 압력 서징은 ±250 psi — 평균값 정도입니다. 불량한 고체 이송은 항상 이런 서징을 유발하지만, 일부 2단계 설계는 서징을 감쇠시킬 수 있습니다. 예를 들어 낮은 펌프 비율의 긴 2단계 미터링 채널은 서징을 감쇠시킬 수 있고, 높은 펌프 비율의 짧은 미터링 채널은 서징 심각도를 증가시킬 수 있습니다. 서징을 완화하는 최선의 방법은 근원에서 제거하는 것입니다. 이 경우 고체 이송 공정을 개선해야 합니다.

기존 압출기의 경우 설계자는 벤트를 이동하거나 미터링 섹션을 연장할 수 없습니다. 이 경우 주요 설계 파라미터는 1단계 미터링 채널 깊이와 펌프 비율입니다. 앞서 논의했듯 1단계 미터링 채널 깊이는 작동 특정 속도를 설정하고, 펌프 비율은 다운스트림 장비 가동에 필요한 압력을 제공합니다. 1단계 미터링 섹션 깊이는 토출 온도 설정을 위한 핵심 설계 특징이기도 합니다.

2단계 벤티드 압출기와 스크류 설계의 핵심은 1단계 미터링 채널 깊이, 2단계 미터링 채널 길이, 펌프 비율입니다. 압출기 설계자는 신규 설치와 기존 압출기 모두에 대해 이 파라미터들을 최적화하는 방법을 압니다. 적절한 설계는 속도를 최대화하고, 벤트 유출 없이 필요한 토출 압력을 생성하며, 안정된 토출 압력을 제공해야 합니다.

저자 소개: 마크 A. 스팔딩(Mark A. Spalding)은 미들랜드, 미시간 소재 다우(Dow Inc.) 패키징 & 스페셜티 플라스틱 및 탄화수소 R&D 펠로우입니다. 다우에서 40년 동안 폴리머 공정, 특히 싱글 스크류 압출 분야의 개발, 설계, 트러블슈팅에 집중했습니다. 그레고리 캠벨과 싱글 스크류 압출기 분석 및 트러블슈팅을 공동 저술했습니다. 연락처: 989-636-9849; maspalding@dow.com; dow.com.