Двухшнековые сонаправленные экструдеры
Покупка
Тематика:
Технология машиностроения
Издательство:
Профессия
Автор:
Колгрюбер К.
Год издания: 2016
Кол-во страниц: 352
Дополнительно
Вид издания:
Учебное пособие
Уровень образования:
ВО - Бакалавриат
ISBN: 978-5-91884-077-1
Артикул: 650842.01.99
Книга полностью посвящена двухшнековым сонаправленным экструдерам — экструдерам с двумя шнеками, вращающимися в одном направлении. Подробно рассмотрены конструкции цилиндра, шнеков, поведение материала и технологические процессы в различных зонах. Даны рекомендации по выбору экструдера и организации работы экструзионной линии на основе практического опыта, технологических расчетов и решений. Приведены многочисленные примеры применения экструдеров в пищевой и фармацевтической отраслях и для компаундирования полимеров.
Руководство предназначено для специалистов инженерно-технического профиля экструзионных производств, производителей компаундов, преподавателей и студентов профильных специальностей.
Тематика:
ББК:
УДК:
ОКСО:
Скопировать запись
Фрагмент текстового слоя документа размещен для индексирующих роботов.
Для полноценной работы с документом, пожалуйста, перейдите в
ридер.
Co-Rotating Twin-Screw Extruders Klemens Kohlgrüber Carl Hanser Publishers, Munich • Hanser Gardner Publications, Cincinnati With contributions by Bayer Technology Services GmbH, Leverkusen, Germany Dr.-Ing. Michael Bierdel Dr.-Ing. Jens Hepperle Dr.-Ing. Jörg Kirchhof Dr.-Ing. Thomas König Dr.-Ing. Klemens Kohlgrüber Dipl.-Ing. Ulrich Liesenfelder Dr.-Ing. Reiner Rudolf Dipl.-Ing. Martin Ullrich Coperion Werner & Pfleiderer GmbH & Co. KG, Stuttgart, Germany Dipl.-Ing. Herbert Christ, Dipl.-Ing. Ralf Davids Dr.-Ing. Peter Heidemeyer, Dipl-Ing. Frank Lechner Dipl.-Ing. Hans-Joachim Sämann Dipl.-Ing. Ulrich Weller Dr.-Ing. Werner Wiedmann Dipl.-Ing. Reinhard Wuttke Fundamentals, Technology, and Applications
Санкт-Петербург 2016 К. Колгрюбер ДВУХШНЕКОВЫЕ СОНАПРАВЛЕННЫЕ ЭКСТРУДЕРЫ Основы, технология, применение Перевод с английского языка под редакцией В. Б. Узденского
УДК 078.06 ББК 35.710Англ К60 К60 К. Колгрюбер Двухшнековые сонаправленные экструдеры : пер. с англ. яз. под ред. В. Б Узденского. — СПб. : ЦОП «Профессия», 2016. — 352 с., цв. ил. ISBN 978-5-91884-077-1 ISBN 978-1-56990-422-0 (англ.) Книга полностью посвящена двухшнековым сонаправленным экструдерам — экструдерам с двумя шнеками, вращающимися в одном направлении. Подробно рассмотрены конструкции цилиндра, шнеков, поведение материала и технологические процессы в различных зонах. Даны рекомендации по выбору экструдера и организации работы экструзионной линии на основе практического опыта, технологических расчетов и решений. Приведены многочисленные примеры применения экструдеров в пищевой и фармацевтической отраслях и для компаундирования полимеров. Руководство предназначено для специалистов инженерно-технического профиля экструзионных производств, производителей компаундов, преподавателей и студентов профильных специальностей. УДК 078.06 ББК 35.710Англ All rights reserved. Authorized translation from the original English language edition published by Carl Hanser Verlag, Munich/FRG. Все права защищены. Никакая часть данной книги не может быть воспроизведена в какой бы то ни было форме без письменного разрешения владельцев авторских прав. Информация, содержащаяся в данной книге, получена из источников, рассматриваемых издательством как надежные. Тем не менее, имея в виду возможные человеческие или технические ошибки, издательство не может гарантировать абсолютную точность и полноту приводимых сведений и не несет ответственности за возможные ошибки, связанные с использованием книги. ISBN 978-1-56990-511-1 (англ.) © Carl Hanser Verlag, Munich/ FRG, 2008 ISBN 978-5-91884-077-1 © ЦОП «Профессия», 2016 © Перевод, оформление: ЦОП «Профессия», 2016
Оглавление Предисловие к русскому изданию . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13 Предисловие . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15 1. Введение . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16 Литература . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .23 2. История развития двухшнековых экструдеров c сонаправленным вращением шнеков . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 24 2.1. Введение . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .24 2.2. Ранние разработки . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .24 2.2.1. Базовая геометрия . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 26 2.2.2. Основные патенты . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 28 2.2.2.1. Базовый патент нарезного шнека . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .29 2.2.2.2. Базовые германские и американские патенты смесительных кулачков DBP [16], USP [17], DBP [20] . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .29 2.2.2.3. Базовый патент модульного дизайна шнеков . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .33 2.3. Пионерский период . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .35 2.3.1. Разработка оборудования . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 35 2.3.2. Использование в химических процессах . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 36 2.3.3. Лицензирование . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 37 2.3.4. Признание заслуг R. Erdmenger . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 37 2.4. Новая технология высокой вязкости c применением сонаправленных экструдеров . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 38 2.4.1. Шнековые машины в технологических процессах . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 38 2.4.2. Теория подобия для шнековых машин . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 38 2.4.3. Разнообразие процессов высокой вязкости . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 40 2.5. Специальные разработки фирмы Bayer-Hochviskostechnik (группа технологий высокой вязкости) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .41 2.5.1. Расширенная кинематика, геометрия профилей . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 41 2.5.2. Методология определения зазоров . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 42 2.6. Разработки после лицензирования . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .44 2.7. Разработки после срока истечения первичных патентов . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .46 Литература . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .47 3. Реологические свойства полимерных расплавов . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 50 3.1. Введение . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .50 3.2. Классификация реологических характеристик твердых и жидких сред . . . . . . . . . . . . .50 3.3. Сравнение вязкой и вязкоупругой жидкостей . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .55 3.3.1. Вязкие жидкости . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 56 3.3.2. Вязкоупругие жидкости . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 57 3.4. Зависимость сдвиговой вязкости от температуры . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .60 3.4.1. Температурная зависимость частично-кристаллических полимеров . . . . . . . . . . 61 3.4.2. Температурная зависимость аморфных полимеров . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 62
Оглавление 6 3.5. Влияние молекулярных параметров на реологические свойства полимерных расплавов . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .63 3.6. Сдвиговое течение . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .64 3.6.1. Профили течения напорного потока в трубе . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 65 3.6.2. Профили течения простого циркуляционного потока . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 67 3.7. Продольные потоки . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .68 Литература . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .70 4. Общий обзор процесса компаундирования: задачи, избранные области применения и распределение процессов по зонам . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 71 4.1. Задачи и требования к компаундированию . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .71 4.2. Задачи и дизайн технологических зон компаундирующего экструдера . . . . . . . . . . . . . .72 4.2.1. Зона питания . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 74 4.2.2. Зона пластикации . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 75 4.2.3. Зона транспорта расплава . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 80 4.2.4. Зона дистрибутивного смешения . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 80 4.2.5. Зона дисперсионного смешения . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 82 4.2.6. Зона дегазации . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 84 4.2.7. Зона подъема давления . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 85 4.3. Характеристические параметры процесса . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .87 4.3.1. Удельный ввод энергии . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 87 4.3.2. Параметры времени пребывания . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 88 4.4. Примеры технологических процессов . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .90 4.4.1. Введение стеклянных волокон . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 90 4.4.2. Введение наполнителей . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 93 4.4.3. Производство концентратов . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 95 4.4.3.1. Предварительное смешение . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .96 4.4.3.2. Процесс c раздельным питанием . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .97 4.4.3.3. Подбор цвета смешением цветных моноконцентратов . . . . . . . . . . .97 4.4.4. Окрашивание . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 98 4.5. Технические тенденции в компаундировании . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .100 4.5.1. Шестеренчатые элементы . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 100 4.5.2. Кольцевой экструдер . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 100 4.5.3. Производство ТПЭ . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 101 4.5.4. Технология ZSK-NT . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 102 4.5.5. Литьевой компаундер . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 102 4.6. Обозначения и сокращения . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .103 Литература . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .104 5. Геометрия сонаправленных экструдеров: транспортные и смесительные элементы . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 105 5.1. Введение . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .105 5.2. Полностью очищаемый профиль из дуг . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .105 5.3. Геометрический дизайн взаимозацепляющихся профилей . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .106 5.4. Размеры элементов шнека c зазорами . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .107
Оглавление 7 5.5. Переход между различным числом заходов . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .110 5.6. Расчет профиля промышленного шнека на основе смещения в плоскости . . . . . . . . .110 5.7. Транспортирующие характеристики различных геометрий . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .112 5.8. Смесительные элементы . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .113 Литература . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .115 6. Моделирование: возможности и ограничения . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 116 6.1. Необходимость моделирования . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .116 6.2. Дизайн шнека . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .117 6.3. Принципы моделирования . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .118 6.4. Моделирование размеров . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .119 6.5. Экструдер: нольмерная модель . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .121 6.5.1. Экструдер в целом . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 121 6.5.2. Эффективность нагнетания . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 123 6.5.3. Сечение экструдера . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 124 6.6. Экструдер: двухмерная модель . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .125 6.7. Экструдер: одномерная модель . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .126 6.7.1. Экструдер: одномерная модель, сечение экструдера . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 126 6.7.2. Экструдер: одномерная модель, экструдер в целом . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 128 Сравнение коммерческих программ . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .128 6.8. Экструдер: трехмерная модель . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .129 6.8.1. Глубина модели и результаты . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 129 6.8.2. Экструдер: трехмерная модель, поля. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 131 6.8.3. Экструдер: трехмерная модель, скалярные значения . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 131 6.9. Модели: возможности и ограничения . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .131 Литература . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .132 7. Генерация давления и ввод энергии в расплав . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 133 7.1. Рабочие условия транспортных шнековых элементов . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .133 7.2. Пример безразмерных групп . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .135 7.3. Расчет длины противодавления . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .140 7.4. Эффективность генерации давления . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .141 7.5. Пример дизайна зоны подъема давления . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .142 7.6. Изменение давления и энергии в случае снижения вязкости при сдвиге . . . . . . . . . . .144 Литература . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .150 8. Расчет динамики течения . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 151 8.1. Зачем нужен расчет? . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .151 8.2. Процедура расчета динамики течения . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .152 8.2.1. Подготовка расчета . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 153 8.2.2. Расчет потока и обработка результатов . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 153 8.3. Примеры расчетов . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .154 8.3.1. Пример 1 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 154
Оглавление 8 8.3.2. Пример 2 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 160 8.4. Выводы и перспективы . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .162 9. Смешение и диспергирование: принципы . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 164 9.1. Введение . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .164 9.2. Дистрибутивное смешение . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .164 9.2.1. Смешение в ламинарном потоке . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 165 9.2.2. Осевое смешение и распределение времени пребывания . . . . . . . . . . . . . . . . . . 169 9.3. Дисперсионное смешение . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .171 9.3.1. Диспергирование твердых частиц . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 171 9.3.2. Диспергирование расплавов, капель жидкости и пузырьков газа. . . . . . . . . . . . 174 9.3.3. Типы нагрузок и частота нагрузки в экструдере . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 176 9.4. Определение качества смешения . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .179 9.4.1. Параметры . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 179 9.4.2. Экспериментальные методы определения качества смешения и распределения времени пребывания . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 180 Символы . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .183 Литература . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .184 10. Дегазация расплава в сонаправленных двухшнековых экструдерах . . . 185 10.1. Требования к дегазации . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .186 10.2. Функциональный дизайн . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .187 10.2.1. Мгновенное испарение . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 188 10.2.2. Многоступенчатый вакуум . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 190 10.2.3. Остаточная дегазация и использование дегазирующих агентов-носителей . . . 190 10.2.4. Организация процесса и дизайн зон дегазации . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 194 10.3. Ограничения процесса . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .197 10.4. Масштабирование . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .198 10.5. Примеры процессов дегазации . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .199 10.5.1. Удаление летучих растворителей из расплава ЛПЭНП . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 199 10.5.2. Дегазация растворителей из синтетического каучука (стирол-бутадиеновые компаунды) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 200 10.5.3. Дегазация винилацетата из сополимера этилена и винилацетата . . . . . . . . . . . . 200 10.5.4. Дегазация ПОМ . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 201 10.5.5. Дегазация ПК . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 201 10.5.6. Дегазация полиэфирсульфонов PES и полисульфонов PSU . . . . . . . . . . . . . . . . 202 10.5.7. Дегазация АБС . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 203 10.5.8. Дегазация невысушенного ПЭТ . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 204 10.6. Заключение . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .205 Литература . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .205 11. Моделирование или масштабирование: альтернативы для проектирования экструдера . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 206 11.1. Рабочие зоны компаундирующего экструдера . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .206 11.1.1. Зона питания и транспортирования твердых частиц . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 206
Оглавление 9 11.1.2. Зоны пластикации и гомогенизации . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 210 11.1.3. Зоны дегазации и выгрузки . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 210 11.1.4. Возможности расчета в фазе расплава . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 210 11.2. Расчетные возможности для зоны выгрузки . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .211 11.3. Масштабирование . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .214 12. Элементы шнеков для сонаправленных двухшнековых экструдеров c взаимозацеплением . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 218 12.1. Дизайн шнекового элемента . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .218 12.2. Комбинирование элементов шнека . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .222 12.3. Шнековые элементы и как они работают . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .224 12.3.1. Транспортные элементы . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 224 12.3.2. Смесительные элементы . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 227 12.3.3. Обратные элементы . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 230 12.3.4. Перемешивающие элементы . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 231 12.3.5. Специальные элементы . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 234 13. Обзор патентов на шнековые элементы . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 239 13.1. DE 813154, US 2670188 A . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .240 13.2. DE 19947967A1, EP 1121238 B1, WO 2000020188 A1 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 241 13.3. US 1868671 A . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .242 13.4. DE 10207145 B4, EP 1476290 A1, US 20050152214 A1 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .242 13.5. DE 940109 B, US 2814472 A . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .243 13.6. US 3717330 A, DE 2128468 A1 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .243 13.7. DE 4118530 A1, EP 516936 B1, US 5338112 A . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .244 13.8. US 4131371 A . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .245 13.9. DE 3412258 A1, US 4824256 A . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .245 13.10. DE 1180718 B, US 3254367 A . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .246 13.11. US 3900187 A . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .247 13.12. US 3216706 A . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .248 13.13. EP 2131 A1 B2, JP 54072265 AA, US 4300839 A . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .249 13.14. DE 19718292 A1, EP 875356 A1, US 6048088 A . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .250 13.15. DE 4239220 A1 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .250 13.16. DE 1529919 A, US 3288077 A . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .251 13.17. EP 330308 A1, US 5048971 A . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .252 13.18. US 6783270 B1, WO 2002009919 A2 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .253 13.19. DE 10114727 B4, US 6974243 B2, WO 2002076707 A41 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .253 13.20. DE 4329612 A1, EP 641640 B1, US 5573332 A . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .254 13.21. DE 19860256 A1, EP 1013402 A2, US 6179460 B1 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .255 13.22. DE 4134026 A1, EP 537450 B1, US 5318358 A . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .256 13.23. DE 19706134 A1 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .256
Оглавление 10 13.24. WO 1998013189 A1, US 6022133 A, EP 934151 A1 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .257 13.25. WO 1999025537 A1, EP 1032492 A1 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .257 13.26. US 6116770 A, EP 1035960 A1, WO 2000020189 A1 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .258 13.27. DE 29901899 U1 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .258 13.28. US 6170975 B1, WO 2000047393 A1 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .259 13.29. DE 10150006 A1, EP 1434679 A1, US 7080935 B2 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .259 13.30. DE 4202821 C2, US 5267788 A, WO 9314921 A1 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .260 13.31. DE 3014643 A1, EP 37984 A1, US 4352568 A . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .260 13.32. DE 2611908 A1, US 4162854 A . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .261 13.33. WO 1995033608 A1, US 5487602 A, EP 764074 A1 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .261 13.34. DE 102004010553 A1 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .262 13.35. DE 4115591 A1, EP 513431 B1 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .262 14. Серии экструдеров ZSK и их применение в химической промышленности и для возобновляемого сырья . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 263 14.1. Разработка экструдеров c высоким крутящим моментом, свободным объемом и высокими скоростями шнеков . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .263 14.2. Ограничения производительности по крутящему моменту и по объему . . . . . . . . . . . .268 14.3. Расход энергии в зависимости от технологического процесса . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .270 14.3.1. Диаграмма «производительность — энергия» . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 270 14.3.2. Высокий крутящий момент для стеклонаполненных полимеров . . . . . . . . . . . . 272 14.3.3. Высокий крутящий момент для экструзии пленок из невысушенного ПЭТ или ПЛА . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 272 14.3.4. Области применения, требующие низкого крутящего момента и большого объема . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 273 14.4. Применение в химической и фармацевтической отраслях . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .274 14.4.1. Силиконовые герметики . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 274 14.4.2. Адгезивы, чувствительные к давлению . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 275 14.4.3. Керамические носители для катализаторов . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 276 14.4.4. Шумозащитные пленки . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 279 14.4.5. Сепараторные пленки для аккумуляторов . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 279 14.4.6. Металлические и керамические смеси . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 281 14.4.7. Фармацевтические смеси . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 282 14.5. Применение для возобновляемого сырья в полимерной и пищевой промышленности . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .283 14.5.1. Древесно-полимерные композиции . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 283 14.5.2. Биоразлагаемые материалы из термопластичного крахмала и ПЛА . . . . . . . . . 285 14.5.3. Экструзионное приготовление круп для пищевых продуктов и кормов для животных . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 287 14.5.4. Применение в кондитерской промышленности . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 289 15. ZSK-NT — новая двухстадийная технологическая линия с высокой производительностью . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 291 15.1. Современные требования к переработке полиолефинов . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .291
Оглавление 11 15.2. Двустадийные крупномасштабные установки для переработки бимодального полиэтилена . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .292 15.3. Оценка качества бимодальных труб . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .294 15.4. Сравнение ZSK-NT со стандартной технологией . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .295 15.5. Дизайн зон подъема давления . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .298 15.6. Перспективы развития . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .301 15.7. Обозначения . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .302 Литература . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .303 16. Выбор материала для компонентов двухшнекового экструдера, контактирующих c полимером . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 304 16.1. Введение . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .304 16.2. Что такое износ? . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .304 16.3. Износ в технологической практике . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .305 16.4. Выбор материалов для цилиндра экструдера и элементов шнека . . . . . . . . . . . . . . . . . .308 16.4.1. Материалы для цилиндра . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 308 16.4.1.1. Конструкция цилиндра . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .308 16.4.1.2. Применяемые материалы . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .308 16.4.2. Материалы для элементов шнеков . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 311 16.4.2.1. Конструкция . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .311 16.4.2.2. Применяемые материалы . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .311 Литература . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .316 17. Приводы для двухшнековых сонаправленных экструдеров . . . . . . . . . . 317 17.1. Введение . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .317 17.2. Приводы для малых и средних экструдеров . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .317 17.2.1. Электродвигатели . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 318 17.2.2. Проектирование привода . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 319 17.2.3. Приводы постоянного тока (DC) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 322 17.2.3.1. Преобразователи мощности . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .322 17.2.3.2. Двигатели постоянного тока (DC) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .324 17.2.4. Асинхронные электроприводы . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 325 17.2.4.1. Преобразователи частоты . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .325 17.2.4.2. Асинхронные двигатели . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .327 17.2.5. Сетевой отклик и ЭМС (электромагнитная совместимость) . . . . . . . . . . . . . . . . 328 17.2.6. Контроль двигателя . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 329 17.2.7. Измерение крутящего момента . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 329 17.2.7.1. Измерение крутящего момента для защиты экструдера . . . . . . . . . .329 17.2.7.2. Измерение крутящего момента для масштабирования . . . . . . . . . .330 17.2.8. Подшипниковые токи . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 330 17.2.8.1. Подшипниковые токи, вызванные асимметрией . . . . . . . . . . . . . . .330 17.2.8.2. Подшипниковые токи, вызванные синфазным напряжением . . . .332 17.2.8.3. Подшипниковые токи, вызванные кольцевым потоком . . . . . . . . .332 17.2.8.4. Источники предотвращения ошибок . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .333 17.2.8.5. Корректирующие меры . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .334
Оглавление 12 17.3. Приводы для больших сонаправленных экструдеров . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .335 17.3.1. Типы приводов . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 335 17.3.2. Асинхронные средневольтные двигатели . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 336 17.3.3. Синхронные средневольтные двигатели . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 338 17.3.4. Приводы c постоянной скоростью . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 338 17.3.4.1. Пускатели . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .339 17.3.4.2. Прямой запуск . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .339 17.3.5. Приводы c переменной скоростью . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 340 17.3.5.1. Преобразователи частоты . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .340 17.3.5.2. Конвертеры-трансформаторы. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .342 17.3.7. Чрезвычайные ситуации . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 343 17.4. Предохранительные муфты . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .343 17.4.1. Фрикционные муфты . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 344 17.4.2. Механически размыкаемые муфты . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 345 17.5. Редуктор . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .346 17.5.1. Конструкция . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 346 17.5.2. Зубья шестерен . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 347 17.5.3. Подшипники . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 348 17.5.4. Смазка . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 350
Предисловие к русскому изданию Уважаемые коллеги, вашему вниманию предлагается весьма полезное и информативное пособие по двухшнековым экструдерам, одно из очень немногих на эту тему. Книга посвящена основным принципам устройства, технологии работы и применению двухшнековых сонаправленных экструдеров, т. е. экструдеров, основным рабочим элементом которых служат два шнека, вращающихся в одном направлении. Такие экструдеры обеспечивают высокое сдвиговое воздействие на полимер, которое вызывает эффективное плавление полимерной матрицы, диспергирование перемешивание и гомогенизацию всех компонентов смеси, подлежащей компаундированию. Высокая эффективность, производительность и качество получаемой продукции сделали двухшнековые сонаправленные экструдеры основным инструментом не только в полимерной, но и в других отраслях химической промышленности, а также в фармацевтике и даже в пищевой промышленности. Книга создана высокопрофессиональной командой известных специалистов фирм «Байер» и «Коперион Вернер Пфляйдерер» во главе с Клеменсом Колгрюбером, немало лет посвятивших разработке и усовершенствованию такого рода оборудования. Во многом благодаря им фирма «Коперион» заняла лидирующее место в ряду ведущих мировых производителей экструдеров. В книге рассматривается история создания экструдеров, начиная с первых патентов фирмы «Байер», и отдается дань первопроходцам создания машин во главе с Р. Эрдменгером. В начале практической части подробно рассмотрено реологическое поведение расплавов при экструдировании и вытекающие отсюда особенности и требования к конструкции оборудования. Далее начинается самое важное: подробно рассматриваются процессы, протекающие в каждой из технологической зон цилиндра экструдера в их рабочей последовательности. Соответственно рассматривается дизайн каждой из этих зон, обеспечивающий максимальную эффективность. Только понимание того, какие процессы протекают внутри цилиндра, когда и в каких условиях, какие основные параметры характеризуют эти процессы, позволяет технологу грамотно выбрать экструдер, определить его конструкцию, оптимизировать технологический режим. Все это иллюстрируется практическими примерами организации различных технологических линий. Совершенно логично, что после дизайна цилиндра рассматривается дизайн шнеков, начиная с геометрии различных видов шнековых элементов. Описываются различные методы расчета, моделирования и масштабирования дизайна, подробно рассматриваются отдельные стадии — смешение и диспергирование, гомогенизация, дегазация, подъем давления. Рассматриваются режимы течения расплава при разных вариантах дизайна шнека. Приводится достаточно простой и компактный математический аппарат, позволяющий определить основные параметры работы. Подробно описаны различные виды элементов шнека — транспортные, смесительные, диспергирующие, перемешивающие, приведен обзор главных патентов на
Предисловие к русскому изданию 14 элементы. Только грамотный дизайн шнека позволяет полностью реализовать все возможности оборудования и получить высококачественную продукцию при максимальной производительности. Приведено достаточное количество примеров технологического решения производственных линий, применяемых как для компаундирования полимеров, так и в пищевой и фармацевтической отраслях. В заключение описаны практические вопросы выбора материального исполнения шнеков и цилиндра, основные виды приводов, включая редукторы, предохранительные муфты, электродвигатели. В целом книга представляет собой ценное практическое пособие, позволяющее понять и грамотно применить экструдер, правильно организовать конфигурацию шнеков и цилиндра под конкретную решаемую задачу и добиться максимальной эффективности работы. Тем не менее необходимо отметить некоторую односторонность изложения. Сила авторской команды в том, что они непосредственно и ежедневно участвуют в разработке и конструировании экструзионного оборудования. Но в том же кроется и их слабость — в книге практически отсутствует упоминание машин других, хорошо известных и не менее интересных производителей компаундирующих двухшнековых экструдеров. Это, конечно, не снижает ценность описания основных принципов работы экструдеров и практическую пользу книги. В заключение хотел бы выразить признательность ведущим специалистам фирмы «Барс-2», консультировавшим редактора при адаптации английской терминологии к принятой в России, в особенности Е. Ю. Сенского и А. О. Григорова, а также дипл. инженера фирмы «Коперион» М. Матта. Надеюсь, наш труд будет полезен для вас. Канд. техн. наук В.Б. Узденский
Предисловие Двухшнековые машины c однонаправленным (сонаправленным) вращением шнеков используются во многих современных отраслях промышленности, в частности, в переработке полимеров. Развитие этого вида оборудования прошло долгий путь. Основной вклад был сделан работниками химической промышленности: патент Meskat и Erdmenger 1944 года на «нарезные шнеки» был зарегистрирован в 1953 году, и в том же году фирма Bayer предоставила исключительную лицензию по всему миру на защищенное патентом право пользования фирме Werner & Pfleiderer. Первый двухшнековый компаундер (ZSK) был запущен в производство фирмой Werner & Pfleiderer в 1957 году, став началом успешной истории этого вида оборудования. Впервые двухшнековые машины c сонаправленным вращением шнеков начали широко применяться в химической промышленности. В настоящее время эти машины используются преимущественно в переработке пластмасс, например для экструзии и компаундирования. Поэтому такие шнековые машины известны как экструдеры, а двухшнековые — как двухшнековые экструдеры. В 2007 году в связи c международной торговой выставкой пластмасс и 50-летием технологии ZSK фирмы Bayer (Bayer Technology Services) и Werner & Pfleiderer (Coperion Werner & Pfleiderer) издали книгу, посвященную истории, принципам и применению, а также текущим достижениям этой технологии. Книга под названием «Двухшнековые сонаправленные экструдеры» основана на материалах регулярно проводимого редактором семинара, организуемого Ассоциацией немецких инженеров (VDI). Поскольку книга включает статьи нескольких авторов, читателю одновременно предлагаются различные точки зрения. Я хотел бы воспользоваться этой возможностью, чтобы выразить искреннюю благодарность всем авторам за их вклад. Я хотел бы особенно поблагодарить г-жу М. Stüve из Carl Hanser Publishers и моего коллегу г-на J. Hepperle за их неоценимую помощь в компоновке и редактировании. Я хотел бы также поблагодарить г-на W. Wiedmann из Coperion Werner & Pfleiderer за организацию статей CWP и за то, что он являлся основной движущей силой проекта. Клеменс Колгрюбер Август 2007
1. Введение Клеменс Колгрюбер (Klemens Kohlgruber) Двухшнековые экструдеры c плотно зацепляющимися сонаправлено вращаю щимися шнеками занимают главенствующее положение среди экструдеров и используются в самых различных областях — не только в производстве, компаундировании и переработке пластмасс, но и во многих других отраслях промышленности, например в резиновой и пищевой. Существуют и другие виды шнековых машин, или экструдеров, которые могут быть классифицированы по числу их валов (рис. 1.1). Одновальные (одношнековые) машины c гладкоствольным корпусом (цилин дром), а также c канавками и/или штифтами в корпусе используются в переработке g Sing Twin screw extrude p Multiple screw extruder + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + Обзор экструдеров Одношнековые экструдеры Двухшнековые экструдеры Многошнековые экструдеры Гладкий цилиндр Цилиндр с канавками или штифтами Сонаправленное вращение Встречное вращение Вращение центрального вала Неподвижный центральный вал Защепляющиеся Незащепляющиеся SSE Helibar Transfer Mix Co-Kneader TSE TSE Planetary roller Multiple Screw Extruder FCM Ring extruder SSE — одношнековый экструдер Helibar Transfer Mix — смеситель со спиральным перемешиванием Co-Kneader — кокнетер TSE — двухшнековый экструдер FCM — непрерывный смеситель Фаррелла Planetary roller — планетарный смеситель Ring extruder — кольцевой экструдер Multiple Screw Extruder — многошнековый экструдер Рис. 1.1. Классификация шнековых машин/экструдеров по числу валов
1. Введение 17 полимеров, главным образом для плавления и выдавливания расплава. Поскольку смесительная способность одношнековых экструдеров ограничена, то для задач компаундирования чаще используются двухшнековые сонаправленные экструдеры (с двумя валами). Были разработаны и многовальные (многошнековые) экструдеры, имитирующие некоторым образом геометрию двухшнековых устройств. Сонаправленные шнеки изготавливаются, как правило, наборными и могут быть легко адаптированы к разнообразным технологическим требованиям и характеристикам продукции. Разработка оптимального дизайна вращающихся в одном направлении шнеков для конкретной задачи и продукта требует глубокого знания оборудования (каковы его характеристики?) и процесса (каким образом продукт ведут себя в машине?). Именно c этого начинается эта книга. Мы не делаем здесь упор на специальных процессах, нашей задачей является представление основных принципов (а не специальных процессов), которые могут затем быть использованы для разработки шнека и масштабирования. Во введении мы касаемся некоторых представлений, обсуждаемых в последующих главах. В отличие от одношнековых машин, важным аспектом сонаправленных шне ков c плотным зацеплением является то, что за исключением необходимого зазора объем между витками замкнут. Шнеки и, таким образом, машина определяются как кинематически «самоочищающиеся». По сравнению c обычной одношнековой машиной, где нарезка очищает внутреннюю часть корпуса (при сохранении определенного зазора между шнеком и корпусом), витки конструкции c плотнозацепляющимися двумя шнеками очищают друг друга. В принципе, двухшнековую компоновку можно понимать как основной шнек и «очищающий шнек». Первые двухшнековые экструдеры c плотным зацеплением шнеков были созданы фирмой Bayer на основе собственной конструкции (раздел 2.1), отличавшейся вертикальным расположением шнеков. На рис. 1.2 и 1.3 показан агрегат c таким расположением шнеков, созданный фирмой Bayer для проведения химических реакций. Рис. 1.2. Исторический реакционный лабораторный экструдер Bayer c вертикальным расположением шнеков
1. Введение 18 Экструдер, показанный на рис. 1.2 и 1.3, был реставрирован Coperion Werner & Pfleiderer и демонстрируется как экспонат. Как указано в предисловии, первые двухшнековые экструдеры c сонаправленным вращением шнеков серии ZSK были введены в эксплуатацию в 1957 году. Согласно Херрманну [1], ZSK является аббревиатурой немецкого названия «двухвальный смесительный червячный пресс» (Zweiwellige Kniescheibe-Schneckenpresse). Сейчас большее распространение получил термин «двухшнековый компаундер», используемый в предисловии. Другие компании используют свои аббревиатуры для этого типа компоновки шнеков. Машина, показанная на рис. 1.2 и 1.3 (как лабораторная и опытная), не имеет ограждения для обеспечения легкого доступа и легкости трансформации. Машины, продающиеся фирмой WP (тогда известной как Werner & Pfleiderer, а сегодня называемой CWP (Coperion Werner & Pfleiderer), были полностью закрыты «по моде» того времени (см. рис. 1.4, на котором показаны две машины ZSK 1950-х годов). Вначале фирма WP создавала машины ZSK c вертикальным расположением шнеков, как показано в разрезе на рис. 1.5. На рисунке видно, что зона реальной переработки очень мала по сравнению c приводом. В то время в проспектах машины рекламировался в качестве преимущества надежной работы «привод больших габаритов». По правде говоря, доступный крутящий момент машин уже тогда был высо ким, но c течением времени стало возможным увеличить его еще больше. В главе 14 представлено дальнейшее развитие конструкций, в том числе современный мегакомпаундер PLUS. Кроме крутящего момента, выросли также скорости вращения шнеков (до 1000 об/мин). В главе 2 представлено изложение дальнейшего исторического развития двухшнековых сонаправленных экструдеров. Подробно описан модульный подход к конфигурации шнека. Нарезной шнек больше не производят «из одного куска», он состоит из вала c нанизанными на него транспортными и смесительными элементами. В главе 12 представлен обзор многих применяемых элементов шнека Рис. 1.3. Шнековая машина, показанная на рис. 1.2 (вид сверху)