ДВУХШНЕКОВЫЕ ЭКСТРУДЕРЫ

Основные этапы развития конструкций двухшнековых экструдеров различного типа

История развития и применения двухшнековых экструзионных машин начинается со второй половины XIX века [17]. В 1869 году Койгнетом описывается двухшнековый экструдер с однонаправленным вращением шнеков, который использовался в качестве насоса для перекачки сырья в керамической промышленности (рис. 2.1).

Первая конструкция двухшнекового экструдера с однонаправленным вращением шнеков

Рис. 2.1. Первая конструкция двухшнекового экструдера с однонаправленным вращением шнеков

Первые конструкции самоочищающихся двухшнековых экструдеров с однонаправленным вращением шнеков были представлены в патентной литературе в начале XX века Вунчем (Германия) и Истоном (Великобритания) (рис. 2.2). Такие конструкции использовались в основном в промышленности, где нежелательные продукты накапливались на поверхности рабочих органов машин, например, в качестве непрерывного смесителя для гипсовой массы.

Однако двухшнековые экструдеры, используемые для переработки полимеров, впервые были разработаны и внедрены в производство только в конце 30-х годов XX века года в Италии. Роберто Коломбо (компания ЬМР, г. Турин) сконструировал экструдер с двумя однонаправленно вращающимися шнеками для переработки поливинилхлорида.

Конструкции самоочищающихся двухшнековых экструдеров с однонаправленным вращением шнеков

Рис. 2.2. Конструкции самоочищающихся двухшнековых экструдеров с однонаправленным вращением шнеков: а — конструкция Винча, 1901, Германия; б — конструкция Истона, 1916-1920, Великобритания

Данная конструкция имела увеличенный внутренний диаметр шнека и уменьшенный внутренний диаметр цилиндра, что позволяло уплотнить полимер и обеспечивало его лучшее плавление. В годы Второй мировой войны компания 1.С. РагЬетгнЫь- Ые (Германия) запатентовала экструдеры в качестве непрерывных реакторов для процессов полимеризации, дегазации и смешения (рис. 2.3).

Ранние конструкции зацепляющихся двухшнековых экструдеров одностороннего вращения Меската и Эрдменгера

Рис. 2.3. Ранние конструкции зацепляющихся двухшнековых экструдеров одностороннего вращения Меската и Эрдменгера

Основные разработки велись Вальтером Мескатом и Рудольфом Эрдменгером, которые после окончания войны были вынуждены бежать в Британскую оккупационную зону и начали работать во вновь созданной компании Bayer АС. Начиная с 1949 года, Мескаг и Эрдменгер представляют ряд патентных заявок на различные конструкции нового поколения зацепляющихся двухшнековых экструдеров с однонаправленным вращением шнеков, в том числе конструкцию, содержащую блок смесительных дисковых элементов и экструдер для дегазации.

Первая модульная конструкция двухшнекового экструдера с однонаправленным вращением шнеков была представлена в 1950 году Мескатом и Павловски (рис. 2.4). Данная конструкция имела два право- и левосторонних шнековых элемента, которые обеспечивали лучшее смешение.

Конструкция модульного двухшнекового экструдера Меската и Павловски, где 1,2 — правосторонние (прямые) и левосторонние (обратные) транспортные элементы

Рис. 2.4. Конструкция модульного двухшнекового экструдера Меската и Павловски, где 1,2 — правосторонние (прямые) и левосторонние (обратные) транспортные элементы

В 1958 году в Германии, а в 1959 году в США Эрдменгер подает патентные заявки на модульную конструкцию двухшнекового экструдера со шнековыми и смесительными дисковыми элементами. Был одобрен американский патент на модульную конструкцию двухшнекового экструдера (рис. 2.5).

Представленная конструкция имела комбинированную шнековую зону, содержащую два право- и левосторонних транспортных элемента и смесительный дисковый блок на одном шнековом валу. Эти машины оказались еще более успешными.

В середине 1950-х годов Bayer AG передает лицензию на технологию производства двухшнековых экструдеров с однонаправленно вращающимися шнеками компании Wemer&PfleidererGmb в Штутгарте (в настоящее время данная технология принадлежит компании Сорепоп). Первые машины Werner&Pfleiderer

производит в 1957 году и достаточно успешно реализует экструдеры с различным диаметром шнека, в том числе и для компаундирования полимеров [18].

Модульная конструкция двухшнекового экструдера однонаправленного вращения Эрдменгера

Рис. 2.5. Модульная конструкция двухшнекового экструдера однонаправленного вращения Эрдменгера

Если ранние конструкции модульных двухшнековых экструдеров сонаправленного вращения имели вертикальную ориентацию шнеков (рис. 2.2-2.5), то создание компанией Wemer&Pflei- derer горизонтально ориентированной шнековой конструкции с улучшенными характеристиками позволило успешно использовать данные машины для транспортировки твердых сыпучих материалов (порошков) в качестве питателей компаундирующих экструдеров.

В послевоенный период компания LMP (Италия) также продолжает совершенствовать конструкции экструдеров для переработки поливинилхлорида. По лицензии LMP начинают производить двухшнековые экструдеры с однонаправленным вращением шнеков многие компании, в том числе CAFL (Франция), Ikegai Iron Works (Япония), R.II. Windsor (Великобритания).

В 1964 г. компания Krauss Maffei разрабатывает и начинает производство двухшнекового экструдера с зацепляющимися шнеками, вращающимися в одном направлении, под названием DSM (Doppel Schnecken Mischer) как смеситель непрерывного действия (рис. 2.6).

Смеситель DSMявлялся «потомком» более ранней конструкции «Микструдера» Эска [19], которую по лицензии Krauss

Maffei использовала в своем производстве компания Japan Steel Works [20].

Смеситель непрерывного действия DSM

Рис. 2.6. Смеситель непрерывного действия DSM

В 1965 году, Ломанс и Бреннан разрабатывают конструкцию двухшнекового экструдера с зацепляющимися шнеками одностороннего вращения для использования в качестве смесителя непрерывного действия. Смеситель Ломанса и Бреннана имел модульную конструкцию шнека, включающую дисковые смесительные и транспортные шнековые элементы, подобно конструкции Эрдменгера. Данная конструкция стала основой смесителя компании Teledyne-Readco (США) (рис. 2.7). Смеситель был предназначен преимущественно для смешения низковязких композиций в пищевой промышленности (видеоприложение 1).

В начале 1970-х, когда истек срок действия патентных документов Bayer AG, другие производители также активно начинают производство двухшнековых экструдеров модульной конструкции с однонаправленным вращением шнеков, среди которых: Berstorff (Ганновер, Германия), Leisttitz (Нюренберг, Германия), FarrelInc. (США) Japan Steel Works, Kobe Steel, Toshiba Machine (Япония) и еще более 50 производителей по всему миру.

Конструкция двухшнекового экструдера с противоположно вращающимися зацепляющимися шнеками впервые была представлена в 1874 году Вигартом и использовалась в качестве объемного насоса. Шнек имел широкие лопасти, размер которых соответствовал ширине шнекового канала (рис. 2.8).

Промышленный смеситель Те1ес1упе-Р1еас1со

Рис. 2.7. Промышленный смеситель Те1ес1упе-Р1еас1со

Двухшнековый насос со взаимозацепляющимися шнеками, вращающимися в противоположных направлениях (Холдевей, 1915 г.)

Рис. 2.8. Двухшнековый насос со взаимозацепляющимися шнеками, вращающимися в противоположных направлениях (Холдевей, 1915 г.)

В 1920-х экструзионные двухшнековые насосы использовались для перекачки низковязких жидкостей, таких как смазки и масла. Конструкции экструдеров не ограничивались только двухшнековыми, использовались также машины с тремя и более шнеками. Среди производителей двухшнековых экструзионных взаимоза- цепляющихся насосов с противоположным вращением шнеков того времени следует отметить производственную компанию Пола Ляйстрица(в настоящее время 1еЫп1г АС) в Нюренберге [21,221.

Оригинальная конструкция двухшнековых насосов Ляйстрица показана на рис. 2.9. Работы по созданию машин для непрерывной подачи и смешения композиций на основе синтетических каучуков и порошкообразных наполнителей были начаты в 30-х годах также компанией І.С. РагЬеп 'тйияЫе (Франкфурт).

Конструкция зацепляющегося двухшнекового экструзионного насоса Ляйстрица и Бургхаузера с противоположным

Рис. 2.9. Конструкция зацепляющегося двухшнекового экструзионного насоса Ляйстрица и Бургхаузера с противоположным

вращением шнеков

В результате была разработана совместная программа, руководителями которой были Зигфред Кискальт от I.G. Farbenindus- trie и Пол Ляйстриц и Франц Бургхаузер от компании Maschi- nenfabrik Paul Leistritz.

В период 1930-40-х гг. обе компании представили целый ряд патентов, в частности, по новым конструкциям смесительных насосов с противоположным вращением шнеков Кискальта (1947 г.) [23, 24], Риса и Эрдменгера (1951 г.) [25]. Конструкция смесительного насоса Кискальта представлена рис. 2.10, а, а более поздняя конструкция Ляйстрица и Бургхаузера — на рис. 2.10, б.

В 1941 г. выходит патент Эйлерманна, а компания Friederich Ктрр& Со начинает производство двухшнекового экструдера с зацепляющимися шнеками, вращающимися в противоположные стороны, как смеситель непрерывного действия, известный иод названием Knetwolf (рис. 2.11, а).

Конструкцию двухшнекового экструдера с зацепляющимися шнеками, вращающимися в противоположные стороны, называемого Esk Mixtruder [26], представили Эйлерманн и Эск (рис. 2.11, б).

Смесительные двухшнековые насосы

Рис. 2.10. Смесительные двухшнековые насосы: а — конструкция Кискальта, Тампке, Виннекера и Вернгартнера; б — конструкция Ляйстрица и Бургхаузера

Смесители непрерывного действия

Рис. 2.11. Смесители непрерывного действия: КпеЯл/оК(а) и Еэк МЬЛгибег (б)

Следует отметить, что конструкции МЪс1гис1ег Эйлерман- на-Эска и КпеШоЦ не получили дальнейшего развития.

В 1950 г. Карло Паскуэтти разрабатывает свою конструкцию двухшнековых экструдеров со взаимозацепляющимися шнеками, вращающимися в противоположном направлении. Данный тип экструдеров использовался в основном для переработки поливинилхлорида при производстве профилей и труб (рис. 2.12,а). Позже схожие конструкции экструдеров данного типа были представлены и другими разработчиками (рис. 2.12, 6 и в) |27|.

Двухшнековые экструдеры со взаимозацепляющимися шнеками, вращающимися в противоположных направлениях, для профилирования композиций на основе поливинилхлорида

Рис. 2.12. Двухшнековые экструдеры со взаимозацепляющимися шнеками, вращающимися в противоположных направлениях, для профилирования композиций на основе поливинилхлорида: а — конструкция Паскуэтти; б — конструкция Марте; в — конструкция

Селбаха

Первые модульные конструкции двухшнековых экструдеров со взаимозацепляющимися шнеками, вращающимися в противоположных направлениях, для компаундирования полимеров были представлены Хельмутом Теннером и внедрены в производство в компании ЬеЫгИг АС в 1970-х [28-30].

Эти машины получили название СС серии, поскольку СС — это аббревиатура немецкого слова «Gegenlau/igen» (противоположного вращения). Конструкция шнека имела широко- и узколопастные элементы прямого направления и транспортно-смесительные и специальные смесительные элементы, разработанные Кискальтом. Смесительные элементы (рис. 2.13) были двух типов: сдвиговые и разделяющие закладочные элементы.

Сдвиговые элементы (рис. 2.13, а) представляли собой пару зацепляющихся дисков, поэтому материал, проходя через область сдвиговых элементов, претерпевал интенсивные сдвиговые усилия. Данные элементы рекомендовалось использовать для эффективного диспергирования агломерированных структур. Разделяющие закладочные элементы (рис. 2.13, 6) конструктивно представляли собой диск с радиальными выступами и позволяли реализовать как диспергирующее, так и распределительное смешение.

Смесительные элементы Теннера

Рис. 2.13. Смесительные элементы Теннера: а — сдвиговые; б — разделяющие закладочные элементы

Новая конструкция двухшнековых экструдеров серии ССС была представлена в 1994 году Тилем [31 ], представляющим американское подразделение компании ЬеЫШг АС. Конструкция шнека содержала также два типа смесительных элементов: винтовые диспергирующие и распределительные комби-элементы, представленные на рис. 2.14.

Соответственно, винтовые элементы предназначались для диспергирующего, а комби-элементы — для распределительного смешения. Эти элементы имели большее межшнековое расстояние, чем ранние конструкции Теннера.

Конструкция смесительных шнековых элементов экструдера компании LeistritzAG серии GGC

Рис. 2.14. Конструкция смесительных шнековых элементов экструдера компании LeistritzAG серии GGC

В 1980-х года компания Japan Steel Works (Хиросима, Япония) представила свою конструкцию модульного взаимозацепляюще- гося двухшнекового экструдера [32, 33]. Транспортные и смесительные дисковые элементы модульного шнека, подобные элементам, используемым в двухшнековом экструдере однонаправленного вращения, обеспечивали как диспергирующее, так и распределительное смешение.

Интенсивное развитие модульных конструкций двухшнековых компаундирующих экструдеров с зацепляющимися шнеками противоположного вращения продолжалось в период с 1960-х до 1990-х годов, но затем резко замедлилось. Свидетельством этому является график продаж двухшнековых компаундирующих экструдеров различной конструкции производства компании Japan Steel Works, представленный на рис. 2.15. Очевидно, что, начиная с 1998 г., более 90% продаж всех компаундирующих экструдеров составляли продажи машин с однонаправленным вращением шнеков.

Аналогичная закономерность наблюдается практически для всех основных производителей экструзионной техники, поэтому в настоящее время в промышленности переработки полимеров для компаундирования полимеров преимущественно используются конструкции экструзионных машин с однонаправленным вращением шнеков.

График продаж компаундирующих двухшнековых экструдеров различного типа производства компании Japan Steel Works

Рис. 2.15. График продаж компаундирующих двухшнековых экструдеров различного типа производства компании Japan Steel Works

Первым разработчиком двухшнекового экструдера с незаце- пляющимися шнеками противоположного вращения был Пол Пфляйдерер, который в 1882 году запатентовал данную конструкцию как смеситель непрерывного действия (рис. 2.16). Конструкция аппарата имела шнековые транспортирующие секции и сигмовидные роторные элементы и предназначалась для смешения теста в крупных пекарнях.

В октябре 1925 года Лумис представил смеситель непрерывного действия с двумя незацепляющимися шнеками, вращающимися в противоположные стороны, причем один шнек был длиннее другого. Эти конструкции не получили коммерческого развития.

Двухшнековый смеситель непрерывного действия П. Пфляйдерера

Рис. 2.16. Двухшнековый смеситель непрерывного действия П. Пфляйдерера

В 1940-х годах конструкцию двухшнекового экструдера с не- зацепляющимися шнеками, вращающимися в противоположном направлении, представила компания Welding Engineers (США, Филадельфия) но патенту Л. Фуллера. В двухшнековой машине шнеки были смещены относительно друг друга в осевом направлении и, таким образом, машина имела как двухшнековую, так и одношнековую секции (рис. 2.17).

Конструкция экструдера Фуллера с незацепляющимися шнеками, вращающимися в противоположные стороны

Рис. 2.17. Конструкция экструдера Фуллера с незацепляющимися шнеками, вращающимися в противоположные стороны

В 1945 году Фуллер запатентовал первую модульную конструкцию двухшнекового экструдера с незацепляющимися шнеками, вращающимися в противоположные стороны (рис. 2.18), как смеситель непрерывного действия.

Модульная конструкция двухшнекового экструдера Фуллера с незацепляющимися шнеками, вращающимися в противоположные стороны

Рис. 2.18. Модульная конструкция двухшнекового экструдера Фуллера с незацепляющимися шнеками, вращающимися в противоположные стороны

Модульная конструкция экструдера Фуллера имела прямые и обратные транспортные шнековые элементы, что позволяло контролировать перепады давления но всей длине секции обратных модульных транспортных элементов и область неполного заполнения, где производилась дегазация либо нодача добавки. Компания Welding Engineers, которая успешно использовала данную конструкцию в химической индустрии для компаундирования термопластов, дегазации и реактивной экструзии [34, 35], и в настоящее время продает двухшнековые экструдеры с незацепляющимися шнеками противоположного вращения модульной конструкции.

Конструкция двухшнекового экструдера с незацепляющими- ся коническими шнеками, вращающимися в противоположные стороны, была представлена в 1946 г. Деленбаргером (США).

В 1950 г. Альберт Лаш из компании Wemer&Pfeiderer GmbH патентует непрерывный смеситель на основе двухшнекового экструдера с незацепляющимися шнеками противоположного вращения, имеющими так называемые «лопасти» или «барьеры» по всей длине шнека. Эти барьеры не только способствовали смешению, но еще и создавали перепады давления, что позволяло добавлять материалы в последующих точках по всей длине машины. Компанией Wemer&Pfeiderer этот смеситель был выведен на рынок под названием Kammerkneter КК;ля использования при производстве усовершенствованных керамических или резиновых смесей.

В дальнейшем конструкция Каттегкпеіег КК была неоднократно усовершенствована. В 1955 году Лаш и Стобел запатентовали модифицированную машину с самоочищающимися шнековыми элементами, что достигалось дизайном конструкции барьеров, которые зацепляли нижние части шнековых лопастей противоположного шнека. В 1956 году появляется патент Лаша на конкретную модификацию Каттегкпеіег (рис. 2.19) для производства резиновых смесей, включающую стадию двухроторного смешения, предшествующую входу в двухшнековый Кат- тегкпеіег.

Двухшнековый экструдер с незацепляющимися шнеками противоположного вращения конструкции Лаша (Каттегкпеіег КК)

Рис. 2.19. Двухшнековый экструдер с незацепляющимися шнеками противоположного вращения конструкции Лаша (Каттегкпеіег КК)

Эта первая стадия позволяла добавлять ингредиенты в прерывистом режиме для предварительного смешения. Заполнение шнека материалом было неполным из-за отсутствия фильеры в конце машины, давление не создавалось, и резиновые смеси выгружались из машины вертикально иод действием силы тяжести. Kammerkneter КК компания Wemer&Pfeiderer прекратила выпускать в I960 году после разработки собственных модульных двухшнековых экструдеров с однонаправленным вращением зацепляющихся шнеков серии ZSK (Zweiwelliger Schneckenkneter) на основе конструкции Эрдменгера.

В 1963 году производство смесителей непрерывного действия начинает компания Panel Inc. (США). Это смеситель типа FCM (Farellcontinuous mixer) [36] с двумя незацепляющимися роторами (шнеками), вращающимися в противоположном направлении (рис. 2.20).

Непрерывный смеситель FCM

Рис. 2.20. Непрерывный смеситель FCM

В конструкции ротора имеются шнековая транспортная и смесительная область с геометрией, подобной смесителю Бенбери, что позволяет использовать экструдер FCM не только как непрерывный смеситель для шинной промышленности, но и для компаундирования полимеров и в нолимеризационных процессах.

Машины подобной конструкции также производились компаниями Kobe Steel (Япония) и Pomini (Италия). Различными исследователями были проведены расчеты для анализа потоков при смешении, в том числе но степени заполнения шнеков и определение профилей давления [37, 38].

 
Посмотреть оригинал
< Пред   СОДЕРЖАНИЕ ОРИГИНАЛ   След >