掌握两级排气单螺杆挤出机泵比设计

两级排气单螺杆挤出机常用于许多应用和树脂。排气在许多苯乙烯树脂和大多数涉及消费后回收（PCR）树脂应用中常见。妥善设计的挤出机和螺杆能通过排气口移除90%以上挥发分，在模头处稳定运行无流量脉动，且无物料从排气口流出。

满足这些加工目标需几个设计特征，含：

核心内容

• 排气段长度和深度
• 排气导流器设计
• 二级计量槽长度
• 泵比

图1示意图展示两级排气挤出机。

图1：两级排气单螺杆挤出机示意图。来源（均）：M.A. Spalding

泵比是二级计量段泵送能力相对一级计量段泵送能力之比。通常泵比在1.1至1.5之间。等导程螺杆泵比为二级计量槽深度除一级计量槽深度。图2展示6英寸直径螺杆用聚苯乙烯（PS）典型槽深度和长度。

此设计中，一级计量段控制产率。泵比1.44。仅颗粒原料进料时，压缩比为3。等导程螺杆压缩比为加料槽深度除一级计量槽深度。压缩比必须足够高以维持一级计量槽充满树脂并加压。

轴向压力分布对泵比的意义

解释泵比前，讨论螺杆轴向压力分布有启发。图2所示PS螺杆设计轴向压力分布经数值模拟确定，条件为产率1500 lb/hr、螺杆转速55 rpm，比率27.3 lb/(hr·rpm)。比率即产率除螺杆转速。轴向压力分布见图3。此产率下，PS树脂需1600 psi模头压力驱动下游设备。仅因螺杆旋转无施加压力梯度时，一级计量段计算比率23 lb/(hr·rpm)。因二级计量槽更深，仅旋转计算比率更高达32.7 lb/(hr·rpm)。

图2：6英寸直径螺杆PS树脂典型槽深度。压缩比3，泵比1.44。机筒壁为图顶部水平线。

如图3所示，压力在一级计量段起始处最大1800 psi，排气前降至零压。排气处压力必须为零否则树脂会从排气口流出。因此一级计量槽有负压力梯度。此负压力梯度导致槽内流量高于仅旋转比率。此处流量27.3 lb/(hr·rpm)，回顾仅旋转计算比率23.0 lb/(hr·rpm)。

图3：图2 PS挤出机在产率1500 lb/hr、螺杆转速55 rpm下轴向压力分布。

额外4.3 lb/(hr·rpm)由负压力梯度导致。此负压力梯度对妥善设计两级挤出机必然发生，因一级计量段入口因固体输送和熔融压力较高，而排气槽压力须为零。

排气槽压力必须为零以移除挥发分并防止树脂流出排气口。防止排气流出也依赖排气口定位的导流器。排气流在2023年2月《Plastics Technology》讨论过。通过使槽极深使压力降至零。这导致槽部分充满，暴露大面积熔融聚合物表面供挥发分质量传输至槽空隙部分。挥发分再通过排气口移除。

排气槽下游是短过渡段，槽深变浅最终等同二级计量槽深。熔融树脂移向二级计量段时，发生槽流量从零压部分充满转为完全充满的位置。这常称填充位置。填充位置可发生在过渡段或二级计量段。一旦槽充满，压力产生可发生。图3填充位置在二级计量段入口。

二级计量槽入口（或填充位置）压力近零，压力增至最大模头压力1600 psi，形成正轴向压力梯度。正压力梯度导致比率低于仅旋转计算比率。回顾比率27.3 lb/(hr·rpm)，二级计量槽仅旋转计算比率32.7 lb/(hr·rpm)。因此速率因正压力梯度减少5.4 lb/(hr·rpm)。

恒定负梯度

两级排气挤出机将始终有一级计量段负压力梯度和二级计量段正梯度。因排气段螺杆必须零压力且部分充满槽运行。既然一级计量槽控制速率，二级计量段必须能按一级计量速率泵送加压。

因这种运行和计量槽压力梯度，二级计量段必须能比一级计量泵送更高速率。等导程螺杆二级计量必须比一级计量深。如前所述，二级深度比一级深度即等导程泵比。

泵比非树脂或工艺独有。而取决于二级计量段长度、计量段导程、树脂粘度、下游压力要求。例如图2螺杆二级计量段6直径长、槽深0.360英寸、排出压力1600 psi。若二级计量段长8直径，槽深可设0.330英寸得泵比1.32。

若齿轮泵紧随挤出机后，排出压力可降至400 psi，泵产生驱动下游设备所需压力。此处二级计量槽6直径长、槽深0.310英寸得泵比1.24。更高泵比和填充位置在二级计量段入口下游也是可接受运行。

不良设计、不良固体输送

不良设计排气挤出机可放大不良固体输送诱发的流量脉动。流量脉动始于固体输送段设计不当或螺杆/加料套筒过热运行。流量脉动在2024年8月期讨论过。图4展示流量脉动两级排气挤出机轴向压力。图中实线为脉动中点。虚线显示脉动高低点压力。

图4：具有高压和低压脉动部分的两级排气挤出机轴向压力。

若固体输送变差，一级计量段入口压力降低。这减小计量段负压力梯度幅度，降低速率。较低流量通过部分充满排气、二级过渡、二级计量段前部。填充位置下移，降低模头排出压力和速率。

当固体输送高，一级计量段入口压力高，导致负压力梯度幅度高并增加速率。此处较高速率致填充位置上移如图4所示。上游填充位置导致模头排出压力和速率增加。

阻尼压力脉动

图4排出压力脉动±250 psi——约平均值。不良固体输送总会导致此类脉动，但某些二级设计可阻尼脉动。例如，长二级计量槽配低泵比可阻尼脉动，而短计量槽配高泵比可加剧脉动严重性。缓解脉动最佳途径在源头消除。此处固体输送工艺需改进。

对现有挤出机，设计师无移动排气或延长计量段奢侈。此处主要设计参数为一级计量槽深度和泵比。如前讨论，一级计量槽深度设定运行比率，泵比提供运行下游设备所需压力。一级计量段深度也是设定排出温度关键设计特征。

设计两级排气挤出机和螺杆关键在于一级计量槽深度、二级计量槽长度和泵比。挤出机设计师知如何为新装置和现有挤出机优化这些参数。妥善设计应最大化速率、产生必要模头压力无排气流并提供稳定模头压力。

作者简介：Mark A. Spalding为Dow Inc.米德兰密歇根包装与特种塑料及烃类研发资深研究员。40年陶氏生涯专注聚合物工艺开发、设计和故障排查，尤其单螺杆挤出。合著《单螺杆挤出机分析与故障排查》与Gregory Campbell。联系：989-636-9849; maspalding@dow.com; dow.com.