Dominando a proporção da bomba em extrusoras de parafuso único ventiladas de dois estágios

Extrusoras de parafuso único ventiladas de dois estágios são comuns para muitas aplicações e resinas. A ventilação é comum em muitas resinas de estirênico e na maioria das aplicações que envolvem resinas recicladas pós-consumo (PCR). Uma extrusora e uma rosca adequadamente projetadas serão capazes de remover mais de 90% dos voláteis através da ventilação, operar de forma estável sem aumento de fluxo na matriz e não ter material fluindo pela abertura de ventilação.

Vários recursos de design são necessários para atender a essas metas de processamento, incluindo:

Conteúdo em destaque

• o comprimento e a profundidade da seção ventilada
• o design do desviador de ventilação
• comprimento do canal de medição do segundo estágio
• a proporção da bomba

O esquema da Figura 1 mostra uma extrusora ventilada de dois estágios.

Figura 1: Esquema de uma extrusora de parafuso único ventilada de dois estágios. Fonte (todas):MA Spalding

A relação da bomba é a razão entre a capacidade de bombeamento da seção de medição do segundo estágio em relação à capacidade de bombeamento da seção de medição do primeiro estágio. Normalmente, a relação da bomba varia entre 1,1 e 1,5. A relação da bomba para uma rosca com comprimento de avanço constante é a profundidade do canal de medição do segundo estágio dividida pela profundidade do canal de medição do primeiro estágio. As profundidades e comprimentos do canal para um parafuso típico feito de poliestireno (PS) são mostrados na Figura 2 para um parafuso de 6 polegadas de diâmetro.

Para este projeto, a seção de medição do primeiro estágio controla a taxa. A relação da bomba é 1,44. Para matérias-primas somente pellets, a taxa de compressão é 3. A taxa de compressão para uma rosca com comprimento de avanço constante é a profundidade do canal de alimentação dividida pela profundidade do canal de medição do primeiro estágio. A taxa de compressão deve ser alta o suficiente para manter o canal de medição do primeiro estágio quando cheio de resina e pressurizado.

O que o perfil de pressão axial significa para a relação da bomba

Antes de explicar a relação da bomba, é instrutivo discutir o perfil de pressão axial do parafuso. O perfil de pressão axial para o projeto do parafuso PS mostrado na Figura 2 foi determinado usando simulação numérica para uma taxa de 1.500 lb/h e uma velocidade do parafuso de 55 rpm para uma taxa específica de 27,3 lb/(h rpm). A taxa específica é simplesmente a taxa dividida pela velocidade do parafuso. O perfil de pressão axial é mostrado na Figura 3. Nessa taxa, a resina PS exigiu uma pressão de descarga de 1.600 psi para operar o equipamento a jusante. A taxa específica calculada devido apenas à rotação do parafuso sem um gradiente de pressão imposto é de 23 lb/(h rpm) para a seção de medição do primeiro estágio. Como o canal de medição do segundo estágio é mais profundo, a taxa devida apenas à rotação é maior, 32,7 lb/(h rpm).

Figura 2: Profundidades típicas de canal para um parafuso de 6 polegadas de diâmetro para resina PS. A taxa de compressão é 3 e a taxa de bomba é 1,44. A parede do barril é a linha horizontal superior da figura.

Como mostra a Figura 3, a pressão é máxima de 1.800 psi no início da seção de medição do primeiro estágio e diminui para pressão zero antes da ventilação. A pressão na ventilação deve ser zero ou a resina fluirá para fora da abertura de ventilação. Assim, o canal de medição do primeiro estágio possui um gradiente de pressão negativo. Este gradiente de pressão negativo faz com que o fluxo no canal seja superior à taxa específica devido apenas à rotação. Aqui o fluxo é de 27,3 lb/(h rpm) e lembre-se que a taxa específica calculada devido apenas à rotação é 23,0 lb/(h rpm).

Figura 3: Perfil de pressão axial para a extrusora PS na Figura 2 a uma taxa de 1.500 lb/h a uma velocidade de rosca de 55 rpm.

Os 4,3 lb/(h rpm) extras foram causados pelo gradiente de pressão negativo. Este gradiente de pressão negativo deve ocorrer para uma extrusora de dois estágios adequadamente projetada, uma vez que a pressão precisa ser relativamente alta na entrada do medidor do primeiro estágio devido ao transporte e fusão de sólidos e à pressão zero no canal de ventilação.

A pressão no canal de ventilação deve ser zero para remover voláteis e evitar o fluxo de resina através da abertura de ventilação. A prevenção do fluxo de ventilação também depende de um desviador posicionado na porta de ventilação. O fluxo de ventilação foi discutido na edição de fevereiro de 2023 da Plastics Technology . A pressão na ventilação diminui para zero, tornando o canal muito profundo. Isto faz com que o canal seja parcialmente preenchido, expondo uma grande área superficial do polímero fundido para transporte de massa dos voláteis para a porção vazia do canal. Os voláteis são então removidos através do respiradouro.

A jusante do canal de ventilação há uma curta seção de transição onde a profundidade do canal se torna mais rasa e eventualmente equivalente à profundidade do canal de medição do segundo estágio. À medida que a resina fundida se move em direção ao medidor do segundo estágio, ocorre um local onde o fluxo do canal muda de parcialmente preenchido a pressão zero para completamente preenchido. Isso é comumente chamado de posição de preenchimento. A posição de preenchimento pode ocorrer na seção de transição ou no medidor do segundo estágio. Depois que o canal fica cheio, pode ocorrer geração de pressão. A posição de enchimento na Figura 3 está na entrada da seção de medição do segundo estágio.

O canal de medição do segundo estágio tem pressão próxima de zero na entrada (ou posição de enchimento) e a pressão aumenta até a pressão máxima de descarga de 1.600 psi, criando um gradiente de pressão axial positivo. O gradiente de pressão positivo faz com que a taxa específica seja menor que a taxa específica calculada devido à rotação. Lembre-se que a taxa específica é 27,3 lb/(h rpm) e a taxa específica calculada devido à rotação para o canal de medição do segundo estágio é 32,7 lb/(hr rpm). Assim, a taxa foi reduzida em 5,4 lb/(h rpm) devido ao gradiente de pressão positivo.

Sempre negativo

Uma extrusora ventilada de dois estágios sempre terá um gradiente de pressão negativo na seção de medição do primeiro estágio e um gradiente positivo na seção de medição do segundo estágio. Isto ocorre porque a seção de ventilação do parafuso deve operar com pressão zero e com canais parcialmente preenchidos. Como o canal de medição do primeiro estágio controla a taxa, a seção de medição do segundo estágio deve ser capaz de bombear e pressurizar na taxa da medição do primeiro estágio.

Devido a esta operação e aos gradientes de pressão nos canais de medição, a seção de medição do segundo estágio deve ser capaz de bombear a uma taxa mais elevada do que a medição do primeiro estágio. Para um parafuso com comprimento de avanço constante, o medidor do segundo estágio deve ser mais profundo que o medidor do primeiro estágio. Como afirmado anteriormente, a relação entre a profundidade do segundo estágio e a profundidade do primeiro estágio é a relação da bomba para um comprimento de cabo constante.

A proporção da bomba não é exclusiva de uma resina ou processo. Em vez disso, depende do comprimento da seção de medição do segundo estágio, do comprimento do condutor dos medidores, da viscosidade da resina e dos requisitos de pressão a jusante. Por exemplo, o parafuso na Figura 2 tem uma seção de medição de segundo estágio com 6 diâmetros de comprimento, uma profundidade de canal de 0,360 polegada e descarregando a uma pressão de 1.600 psi. Se a seção de medição do segundo estágio fosse mais longa, com 8 diâmetros, a profundidade do canal poderia ter sido definida para 0,330 polegadas para uma relação de bomba de 1,32.

Se uma bomba de engrenagens fosse posicionada logo após a extrusora, a pressão de descarga poderia ser reduzida para 400 psi, e a bomba geraria a pressão necessária para operar o equipamento a jusante. Aqui, o canal de medição do segundo estágio teria 6 diâmetros de comprimento e uma profundidade de canal de 0,310 polegadas para uma relação de bomba de 1,24. Uma proporção de bomba mais alta e uma posição de enchimento a jusante da entrada do segundo estágio também são uma operação aceitável.

Projeto deficiente, transporte deficiente de sólidos

Extrusoras ventiladas mal projetadas podem amplificar o aumento do fluxo induzido pelo transporte deficiente de sólidos. O pico de fluxo começa com uma seção de transporte de sólidos que não foi projetada corretamente ou está operando com uma rosca ou corpo de alimentação muito quente. O aumento do fluxo foi discutido na edição de agosto de 2024. A Figura 4 mostra o perfil de pressão axial para uma extrusora ventilada de dois estágios com fluxo ascendente. A linha de pressão sólida na figura é o ponto médio da onda. As linhas pontilhadas mostram as pressões nos pontos máximos e mínimos do surto.

Figura 4: Pressão axial para uma extrusora de ventilação de dois estágios com uma porção de alta pressão e uma porção de baixa pressão de um surto.

Se o transporte de sólidos ficar ruim, a pressão na entrada do medidor do primeiro estágio diminui. Isto diminui a magnitude do gradiente de pressão negativo na seção de medição, diminuindo a taxa. O nível de fluxo inferior passa pela ventilação parcialmente preenchida, pela transição do segundo estágio e pela primeira parte da seção de medição do segundo estágio. A posição de enchimento se move a jusante, diminuindo a pressão de descarga e a taxa na matriz. 

Quando o transporte de sólidos é alto, a pressão na entrada da seção de medição do primeiro estágio é alta, fazendo com que a magnitude do gradiente de pressão negativo seja alta e aumentando a taxa. Aqui, a taxa mais alta faz com que a posição de enchimento se mova a montante, conforme mostrado na Figura 4. A posição de enchimento a montante faz com que a pressão de descarga e a taxa aumentem na matriz.

Atenuação de surtos de pressão

O pico de pressão na descarga da Figura 4 é de ±250 psi – aproximadamente o valor médio. O transporte deficiente de sólidos sempre causará um surto como esse, mas alguns projetos de segundo estágio podem amortecer o surto. Por exemplo, um canal de medição longo de segundo estágio com uma relação de bombeamento mais baixa pode amortecer o surto, enquanto um canal de medição curto com uma relação de bomba mais alta pode aumentar a gravidade do surto. A melhor maneira de mitigar o surto é eliminá-lo na fonte. Neste caso, o processo de transporte de sólidos precisaria ser melhorado.

Para extrusoras existentes, o projetista não pode se dar ao luxo de mover a ventilação ou alongar as seções de medição. Neste caso, os principais parâmetros de projeto são a profundidade do canal de medição do primeiro estágio e a relação da bomba. Conforme discutido anteriormente, a profundidade do canal de medição do primeiro estágio definirá a taxa específica para operação, e a relação da bomba fornecerá a pressão necessária para operar o equipamento a jusante. A profundidade da seção de medição do primeiro estágio também é uma característica chave do projeto para definir a temperatura de descarga.

Os segredos para projetar extrusoras e roscas ventiladas de dois estágios são a profundidade do canal de medição do primeiro estágio, o comprimento do canal de medição do segundo estágio e a relação da bomba. Os projetistas de extrusoras sabem como otimizar esses parâmetros para novas instalações e extrusoras existentes. Um projeto adequado deve maximizar a taxa, gerar a pressão de descarga necessária sem fluxo de ventilação e fornecer uma pressão de descarga constante.

SOBRE O AUTOR:Mark A. Spalding  é pesquisador em P&D de embalagens e plásticos especiais e hidrocarbonetos na Dow Inc. em Midland, Michigan. Durante seus 40 anos na Dow, ele se concentrou no desenvolvimento, projeto e solução de problemas de processos de polímeros, especialmente em extrusão de parafuso único. Ele foi coautor de Análise e solução de problemas de extrusoras de parafuso único  com Gregório Campbell. Contato:989-636-9849; maspalding@dow.com; dow. com.