Дегазация в самоочищающихся экструдерах

Двухшнековые экструдеры находят все большее применение в специальных операциях переработки полимеров, таких как экструзия химически активных (реакционноспособных) полимеров и дегазация. Кроме того, двухшнековые экструдеры в качестве химических реакторов непрерывного действия используются для полимеризации и модификации структуры полимеров, например, введения боковых групп.

Для этой цели используют как экструдеры с двумя однонаправленно, гак и с противоположно вращающимися шнеками [55-57], а также экструдеры с зацепляющимися и незацепля- ющимися шнеками [58]. При экструзии химически активных полимеров возникают дополнительные проблемы, обусловленные изменением свойств материала по мере протекания реакций в экструдере. Если теория экструзии реакционноспособных материалов находится в стадии развитии, то непрерывная дегазация, как одна из особых операций при переработке полимеров, теоретически достаточно хорошо изучена и соответственно может быть достаточно точно описана.

Для описания дегазации в экструдере с двумя однонаправленно вращающимися шнеками Тодд [59] предложил уравнение, основанное на теории проникновения. Э го уравнение содержит число Пекле, которое описывает эффект продольного обратного смешения. Если обратный поток пренебрежимо мал, то число Пекле >> 1, в случае идеального капиллярного течения число Пекле —*-оо, а в случае идеального смешения равно нулю. Для предсказания процесса дегазации необходимо задать или знать число Пекле. Для установления корреляции между теоретическими и экспериментальными результатами Тодд выбрал значение числа Пекле, равным 40. Такому же подходу следовал Вернер [60].

Н. Хан и С. Хан [61], исследуя дегазацию визуальным методом, в частности, удаляя пену, обнаружили проникновение значительного количества пузырьков в зоне циркуляционного течения в частично заполненной зоне дегазации шнека. Коллинз, Денсон и Астарита [62] опубликовали результаты экспериментального и теоретического исследования дегазации в двухшнековых экструдерах с однонаправленно вращающимися шнеками. Экспериментально определенные ими коэффициенты переноса массы были в три раза меньше теоретических значений, предсказанных математической моделью. Поэтому они пришли к выводу, что эффективная площадь поверхности при переносе массы значительно меньше, чем сумма площадей шнека и цилиндра.

Секор [63] представил совмещенную модель для исследования процесса дегазации в двухшнековых экструдерах с однонаправленно вращающимися шнеками, которая включает основные характеристики движения жидкости. Эти характеристики были экспериментально определены с использованием экструдера с прозрачным цилиндром. Наблюдаемое ими течение состояло из периодического вращения в тангенциальном направлении шнека и осевого поступательного движения на входе в зону зацепления шнеков (рис. 2.86).

В модели Секора были приняты следующие предположения:

• • вся жидкость подвергается воздействию дегазации в течение нескольких интервалов продолжительностью X;
• • между этими интервалами происходит полное смешение вследствие осевого поступательного движения за промежуток времени, который очень мал но сравнению с Х;
• • коэффициент диффузии постоянен;
• • слои жидкости в канале шнека имеют бесконечную протяжность;
• • объемная скорость течения жидкости постоянна;
• • во время дегазации течение жидкости относительно нижележащего канала не происходит;
• • процессы образования и развития пузырьков не принимаются во внимание.

Закон сохранения массы в отношении летучего компонента может быть записан как

где С₀ — концентрация летучего компонента при загрузке экструдера, г/см; С_[ — средняя концентрация летучего компонента в жидкости в конце первого интервала дегазации, г/см³; V— объемная скорость течения жидкости, см³/с; Е — средняя скорость испарения в первом интервале дегазации, г/см³.

Рис. 2.86. Направление преобладающего течения жидкости

2. Двухшнековые экструдеры

Если поверхностная концентрация летучего компонента остается равной нулю, скорость испарения равна:

В уравнении (2.50) переменными являются следующие величины: А — площадь испарения, см²/с; О' — коэффициент диффузии, см²/с; X — продолжительность интервала, с.

Эффективная площадь испарения описывается выражением

где А — общая площадь плоской поверхности секции одношнекового экструдера при повороте шнека на 360°; / — отношение площадей канала вне и внутри зоны зацепления.

Таким образом, время дегазации X может быть записано как:

где N — скорость вращения шнеков, об/с.

С учетом уравнений (2.51) и (2.52) скорость испарения становится равной:

Подставляя уравнение (2.53) в уравнение (2.49) получим

Для п-го интервала дегазации уравнение (2.54) записывается в виде:

а для последовательности п интервалов в виде

и-і

п-і

За каждым интервалом дегазации последует короткое осевое перемещение на расстояние, равное средней толщине лопасти Ь. Если общая длина шнека равна Ь, число интервалов дегазации равно:

С учетом соотношения (2.57), уравнение (2.56) может быть записано в виде

и графически представлено на рис. 2.87

Рис. 2.87. Графическое представление уравнения (2.58)

Как видно из рис. 2.87, отношение концентраций уменьшается с увеличением коэффициента диффузии, частоты вращения шнека, площади и числа интервалов дегазации, а увеличение скорости течения, наоборот, приводит к увеличению отношения концентраций. Если выполняется неравенство

уравнение (2.40) упрощается:

При этом ошибка определения отношения концентраций составляет менее 1%.