控制两级通风单螺杆挤出机中的泵比

两级通风单螺杆挤出机常见于许多应用和树脂。许多苯乙烯树脂和大多数涉及消费后回收 (PCR) 树脂的应用都存在排气问题。设计合理的挤出机和螺杆能够通过排气口去除90%以上的挥发物，运行稳定，口模不会出现流量涌动，不会有物料通过排气口流出。

为了满足这些处理目标，需要几个设计功能，包括：

特色内容

• 通风部分的长度和深度
• 通风换向器的设计
• 第二级计量通道长度
• 泵速比

图 1 示意图显示了两级排气挤出机。

图 1： 两级通风单螺杆挤出机示意图。来源（全部）：M.A.斯伯丁

泵比是第二级计量段的泵送能力与第一级计量段的泵送能力的比值。通常，泵速比范围在 1.1 到 1.5 之间。具有恒定导程长度的螺杆的泵送比是第二级计量通道的通道深度除以第一级计量通道的深度。图 2 显示了 6 英寸直径螺杆的典型聚苯乙烯 (PS) 螺杆的通道深度和长度。

对于此设计，第一级计量部分控制速率。泵速比为1.44。对于纯颗粒原料，压缩比为 3。导程长度恒定的螺杆的压缩比等于进料通道的深度除以第一级计量通道的深度。压缩比必须足够高，以保证第一级计量通道充满树脂并加压。

轴向压力曲线对泵比意味着什么

在解释泵比之前，讨论螺杆的轴向压力分布是有启发性的。图 2 所示的 PS 螺杆设计的轴向压力分布是通过数值模拟确定的，速率为 1,500 lb/hr，螺杆转速为 55 rpm，具体速率为 27.3 lb/(hr rpm)。具体速率就是速率除以螺杆转速。轴向压力分布如图 3 所示。在此速率下，PS 树脂需要 1,600 psi 的排出压力才能运行下游设备。对于第一级计量部分，计算出的仅由于螺杆旋转而没有施加压力梯度的比速率为 23 lb/(hr rpm)。由于第二级计量通道更深，仅因旋转而产生的速率更高，为 32.7 磅/（小时 rpm）。

图 2： PS 树脂直径 6 英寸螺杆的典型通道深度。压缩比为3，泵比为1.44。桶壁就是图中的顶部水平线。

如图 3 所示，第一级计量部分开始时压力最大为 1,800 psi，在排气之前压力降至零。排气口处的压力必须为零，否则树脂将从排气口流出。因此，第一级计量通道具有负压力梯度。由于旋转，这种负压梯度导致通道中的流量高于特定速率。这里的流量为 27.3 磅/（小时 rpm），并且回想一下，仅由于旋转而计算出的比速率为 23.0 磅/（小时 rpm）。

图3： 图 2 中 PS 挤出机的轴向压力分布，速率为 1,500 磅/小时，螺杆转速为 55 rpm。

额外的 4.3 磅/（小时/分钟）是由负压梯度引起的。对于正确设计的两级挤出机来说，必须出现这种负压梯度，因为由于固体输送和熔化以及排气通道处的零压力，第一级计量器入口处的压力需要相对较高。

排气通道中的压力必须为零，以除去挥发物并防止树脂流过排气口。防止排气流还取决于位于排气口中的分流器。 2023 年 2 月号《塑料技术》讨论了排气流 。通过使通道非常深，排气口中的压力降至零。这导致通道被部分填充，暴露出熔融聚合物的大表面积，用于将挥发物质量传输到通道的空隙部分。然后挥发物通过排气口排出。

排气通道的下游是一个短的过渡段，通道深度变浅，最终等于第二级计量通道深度。当熔融树脂移向第二级流量计时，会出现一个位置，通道流量从零压力下部分填充变为完全填充。这通常称为填充位置。填充位置可以出现在过渡部分或第二级流量计中。一旦通道被填满，就会产生压力。图3中的灌装位置位于第二级计量段入口处。

第二级计量通道的入口（或填充位置）压力接近于零，并且压力增加至最大排出压力 1,600 psi，从而形成正轴向压力梯度。由于旋转，正压力梯度导致比速率小于计算的比速率。回想一下，比速率为 27.3 磅/（小时 rpm），计算出的由于第二级计量通道旋转而产生的比速率为 32.7 磅/（小时 rpm）。因此，由于正压力梯度，速率降低了 5.4 lb/(hr rpm)。

始终为负

两级排气挤出机在第一级计量段中始终具有负压力梯度，在第二级计量段中始终具有正压力梯度。这是因为螺杆的排气部分必须在零压力和部分填充的通道下运行。由于第一级计量通道控制流量，因此第二级计量段必须能够以第一级计量的流量进行泵送和加压。

由于该操作和计量通道中的压力梯度，第二级计量部分必须能够以比第一级计量更高的速率进行泵送。对于导程长度恒定的丝杠，第二级米必须比第一级米深。如前所述，第二级深度与第一级深度的比率是引线长度恒定时的泵浦比。

泵速比并非树脂或工艺所独有。 相反，它取决于第二级计量段的长度、仪表的引线长度、树脂的粘度以及下游压力要求。例如，图2中的螺杆具有第二级计量段，长度为6个直径，通道深度为0.360英寸，排出压力为1,600 psi。如果第二级计量段更长，为 8 个直径，则通道深度可设置为 0.330 英寸，泵比为 1.32。

如果将齿轮泵安装在挤出机后面，则排出压力可降低至 400 psi，并且泵将产生操作下游设备所需的压力。这里，第二级计量通道的长度为 6 个直径，通道深度为 0.310 英寸，泵比为 1.24。第二级入口下游较高的泵比和填充位置也是可接受的操作。

设计不良，固体输送不良

设计不良的排气挤出机会放大因固体输送不良而引起的流量波动。流量波动始于固体输送部分，该部分设计不正确，或者使用过热的螺杆或进料箱进行操作。 2024 年 8 月号讨论了流量激增。图 4 显示了流量涌动两级排气挤出机的轴向压力分布。图中的实线压力线是浪涌的中点。虚线表示波动高点和低点的压力。

图 4： 具有浪涌高压部分和低压部分的两级排气挤出机的轴向压力。

如果固体输送变差，第一级流量计入口处的压力就会降低。这减小了计量部分中负压梯度的大小，从而降低了速率。较低的液位流过部分填充的排气口、第二级过渡部分和第二级计量部分的第一部分。填充位置向下游移动，降低了模头的排出压力和速率。 

当固体输送量较高时，第一级计量段入口处的压力较高，导致负压梯度较大，速率增大。此处，较高的速率导致填充位置向上游移动，如图 4 所示。上游填充位置导致模具处的排出压力和速率增加。

抑制压力浪涌

图 4 中排放处的压力波动为 ±250 psi — 大约是平均值。不良的固体输送总是会导致这样的浪涌，但一些二级设计可以抑制浪涌。例如，具有较低泵比的长第二级计量通道可以抑制喘振，而具有较高泵比的短计量通道可以增加喘振的严重性。缓解浪涌的最好方法是从源头上消除它。在这种情况下，固体输送过程需要改进。

对于现有的挤出机，设计者无法移动通风口或加长计量部分。本例中主要设计参数为第一级计量通道深度和泵速比。如前所述，第一级计量通道深度将设定具体的运行速率，泵比将提供运行下游设备所需的压力。第一级计量段的深度也是设定排出温度的关键设计特征。

设计两级排气式挤出机和螺杆的关键是第一级计量通道的深度、第二级计量通道的长度和泵比。挤出机设计人员知道如何针对新安装和现有挤出机优化这些参数。正确的设计应该最大限度地提高速率，在没有排气流量的情况下产生必要的排放压力，并提供稳定的排放压力。

作者简介：马克·A·斯伯丁  是密歇根州米德兰陶氏公司包装与特种塑料和碳氢化合物研发部门的研究员。在陶氏工作的 40 年间，他专注于聚合物工艺的开发、设计和故障排除，尤其是单螺杆挤出工艺。他与人合着了单螺杆挤出机的分析和故障排除  与格雷戈里·坎贝尔。联系方式：989-636-9849； maspalding@dow.com； 陶氏化学公司。