螺杆组合对脱挥效果的影响

螺杆组合对脱挥效果的影响

自诞生以来，这种脱射式双螺杆挤出机在聚合物脱弹领域得到了广泛的应用。近年来,随着聚合物新材料的不断涌现,同向啮合脱挥挤出机因其具有优异的分散混合和分布混合能力、优良的自清洁效果、较窄的停留时间分布、良好的排气性能以及较高的生产能力等优点,在反应和脱挥领域得到了越来越多的应用,同向啮合脱挥挤出机的螺杆一般采用积木式设计,可以灵活设置不同的组合构型以满足各种不同物料的挤出工艺要求。正常工作时,挤出机通过螺杆来完成物料的混炼、塑化及脱挥等功能,组合不同则物料在挤出机内的流场、停留时间以及受到的拉伸剪切作用等都会不同,因此不同的螺杆组合构型会有不同的加工效果。笔者主要分析脱挥段的螺杆组合构型对聚合物溶液脱挥效果的影响,从而为同向啮合脱挥挤出机在脱挥领域中的应用提供了参考。1在坍塌过程中的理论分析中1.1质量流率的表征脱挥属于物质传递操作。聚合物溶液中挥发物组分的分子必先扩散到液-气界面,然后通过外力被脱除,经冷凝后回收。所有的脱挥过程(不考虑所用设备的复杂性)均能用图1来表示。图1中,m˙m˙表示质量流率;ω为挥发组分的质量分数。根据界面迁移通量可表达出挥发组分的质量流率ωgm˙m˙g,即界面法线方向单位面积的挥发组分流率:ωgm˙g=KmSmωgm˙g=ΚmSm(1)Sm=S1+∑i=1NSbiSm=S1+∑i=1ΝSbi(2)式中Km——质量传递系数;Sm——总界面面积;S1——熔体表面的界面积;Sbi——气泡的界面积。由以上分析可知,传质面积的大小直接影响脱挥的效果,能提供更大的传质面积的组合将更有利于脱挥效率的提高。1.2延长物料停留时间在其它工艺条件保持不变的情况下,物料在脱挥段停留的时间越长,则有越多的时间来脱除挥发分,因此在脱挥段的螺杆组合应该尽量延长物料在脱挥段的停留时间。另外,停留时间分布宽度可以反映物料的轴向混合能力,轴向混合能力好则物料的返混效果好,这样更有利于把物料内部的气泡带到液-气界面,加快挥发分的脱除。所以从理论上讲,脱挥段的螺杆组合应该为脱挥提供足够的脱挥时间和良好的返混效果。1.3剪切速率影响在聚合物熔体沸腾-发泡机理的研究中,LeeST和BiesenbergerJA指出单位体积上形成的起泡数量会随毛细管数线性增加,毛细管数表示气泡上的层流诱导剪切力与表面张力的比值:Ca=Rμγ˙ΓCa=Rμγ˙Γ(3)式中R——通用气体常数;μ——熔体黏度;Γ——表面张力;γ˙γ˙——剪切速率。对同一种聚合物熔体脱挥,式(3)中的熔体黏度和表面张力可认为是定值,那么毛细管数就仅取决于剪切速率,剪切速率越大,形成的气泡数量就越多。在剪切流动中,对流将挥发物液体带入气泡表面,气泡变形增加了质量传递。FavelukisM等在理论上和实践中证实了质量传递会随着剪切速率的增加而增强。同时,溶解速率da/dt为:dadt≈−RT(Cs−C∞)pD1/2γ˙1/2dadt≈-RΤ(Cs-C∞)pD1/2γ˙1/2(4)式中a——气泡的当量半径;T——绝对温度;Cs——界面的气体浓度;C∞——远离界面的气体浓度;p——气泡压力;D——扩散率;γ˙γ˙——剪切速率。显然,溶解速率随剪切速率的1/2次方增加,同样气泡的当量半径也随剪切速率的增强而增大,说明增强剪切速率有利于脱挥过程中气泡的增长。分析以上理论可知,在脱挥过程中,气泡的形成和增长都随剪切速率的增强而增强,说明能提供更强剪切速率的组合将更有利于提高脱挥效率。2比较单元件结构2.1物料在脱挥段的输送在以往的螺杆组合设计中,脱挥段一般排列大导程螺纹元件,本次实验用开槽的螺纹元件来与之进行比较。在脱挥过程中,通过脱挥口的视镜观察物料在脱挥段螺杆中的输送情况发现:在合适的转速下进行脱挥操作时,物料在元件中的分布是有明显区别的。脱挥段为纯螺纹元件时,物料仅集中在螺纹的推力面上,分布区域会随着填充度的增加而扩大;脱挥段排列开槽螺纹元件时,由于物料可以从开槽部位产生漏流,所以在螺棱的两侧都有物料,基本上布满了整个螺杆表面,明显增加了物料的分布面积。两种螺杆组合在脱挥操作中物料分布情况如图2所示。2.2螺杆组合模拟物料在两种螺杆组合中的停留时间及停留时间分布通过挤出机专用模拟软件Loduvic模拟得到。由于本次模拟只需定性的分析和比较物料在两种螺杆中的停留时间及停留时间的分布,所以模拟忽略了实际脱挥过程中的传质传热情况。在模拟中分别设置了如图3所示的螺杆组合进行比较。通过在Ludovic软件中设置挤出机参数、物料性质和操作条件,计算出物料在这两段螺杆组合中的停留时间及停留时间分布(图4、5)。在参数设置过程中,只有螺杆组合不同,其它各种所需的计算条件均相同。经过软件的模拟计算可知,物料在纯螺纹元件组合中最短停留时间为5.359s,平均停留时间为9.053s;物料在加入开槽元件的组合中的最短停留时间为12.88s,平均停留时间为35.82s。无论是最短停留时间还是平均停留时间,加入开槽元件的组合都要比纯螺纹元件的组合长很多,而且分布宽度也更宽,所以加入开槽元件的组合能使物料在脱挥段停留时间更长,轴向混合效果更好,更有利于挥发分的脱除。2.3开槽螺纹元件组合的剪切速率两组螺杆中物料流场的剪切速率通过流体动力学计算软件模拟计算得到。模拟时取3个导程上的螺纹元件和开槽元件进行比较,各自的三维模型如图6所示,螺杆转速设定为150r/min。经计算,纯螺纹元件组合的最大剪切速率为309.00s-1,平均剪切速率为6.40s-1;开槽螺纹元件组合的最大剪切速率为1126.35s-1,平均剪切速率为21.96s-1。经比较可知,螺纹元件开槽以后,最大剪切速率和平均剪切速率都明显增强。因此从剪切速率方面考虑,开槽螺纹元件组合在脱挥时更有利于气泡形成和增长,其脱挥能力明显优于纯螺纹元件组合。3开槽螺钉脱挥口实验物料是由合作厂家提供的浓度30%的PVB甲醇溶液,实验设备是由天华化工机械及自动化研究设计院设计、制造的脱挥型同向啮合双螺杆挤出机,螺杆公称直径135mm,设备长径比为56。筒体配置如图7所示。本实验在其它位置螺杆元件保持不变的情况下,以第6节筒体段脱挥口(6#)的两种螺杆组合为研究对象,进行脱挥效果的比较。实验物料以35℃的温度、0.2MPa的压力从进料口加入,进料量控制在600kg/h左右,机头敞开出料。分别收集该类型双螺杆挤出机各个脱挥口冷凝的甲醇并称其重量,测量出料口的物料固含量。实验结果见表1。由于机头敞开出料以及收集装置密封性能等方面原因,甲醇存在泄漏,因此计算所得的总脱挥量比各个口收集的总量大。以6#脱挥口为例,由表1数据可以看出使用开槽螺纹元件后,该口的脱挥量和总脱挥量都有所升高,且其脱挥量占总脱挥量的比例也有所升高。这说明开槽螺纹元件的脱挥能力要