Smelten in enkelschroefextruders

Smelten in enkelschroefextruders

Citation for published version (APA):

Meijer, H. E. H. (1982). Smelten in enkelschroefextruders. Pt-Procestechniek, 37(1), 23-29.

Document status and date:

Gepubliceerd: 01/01/1982

Document Version:

Uitgevers PDF, ook bekend als Version of Record

Please check the document version of this publication:

• A submitted manuscript is the version of the article upon submission and before peer-review. There can be

important differences between the submitted version and the official published version of record. People

interested in the research are advised to contact the author for the final version of the publication, or visit the

DOI to the publisher's website.

• The final author version and the galley proof are versions of the publication after peer review.

• The final published version features the final layout of the paper including the volume, issue and page

numbers.

Link to publication

General rights

Copyright and moral rights for the publications made accessible in the public portal are retained by the authors and/or other copyright owners and it is a condition of accessing publications that users recognise and abide by the legal requirements associated with these rights. • Users may download and print one copy of any publication from the public portal for the purpose of private study or research. • You may not further distribute the material or use it for any profit-making activity or commercial gain

• You may freely distribute the URL identifying the publication in the public portal.

If the publication is distributed under the terms of Article 25fa of the Dutch Copyright Act, indicated by the “Taverne” license above, please follow below link for the End User Agreement:

www.tue.nl/taverne

Take down policy

If you believe that this document breaches copyright please contact us at:

openaccess@tue.nl

providing details and we will investigate your claim.

Smelten in enkelschroefextruders

Het rendement van een enkelschroefextruder Is te verbeteren door een

schroef toe te passen die het korrelbed in de smeltzone comprimeert,

en die meergangig is uitgevoerd waardoor de warmte-overdracht ver~

betert. Het breken van de prop smeltend materiaal wordt voorkomen

door de schroef van een fasenscheidingsrug te voorzien. De combinatie

van deze maatregelen resulteert in een schroef die duidelijk beter vol~

doet aan de eisen die aan een functioneel schroefontwerp gesteld

moe-ten worden.

Inlaiding

[;01'1 oxtrudor is 001'1 sleoppornp dio bostll!lluil

(Jon schroof die in oon cilindor (frunit. Do vo()·

dintl is rno()slol 0(11) korrolvorrnio motoriaul,

bijvoorboolcJ oon kUI'1HtS\ofnrutlulaol. dnt vin (Jon trochtor wClrtH ICloonv(Jol'd, Tijdo/ls hot pompon nflar hot VCHIl1~lovorHJ!l dool (do kop)

wordt hot rnlltoriaal vordicilt, f1CHHlwlton, no,

1ll0n~Jd on OOi1olllogol1i!loord, Do kop hoolt,

ufhllnkolijk van IHll produkt, vor!l(;hillonrlo

V(}rtlHlfl 01'1 hoaft (lon f:jwtaro ()f kloinorf)

WC)()I'II t!HHi.

ECHl ooruto ilIH11YHO

111

vun do oxtru(Jor !IIH

IIInoltpeJn'lp IltUtllt III uit 1U22 on neHlft do pompkul'flkWrIHtiok(1f1, (Jilt wil lOmltHl op'

1>r!H1I1St tOHol1 drukoplwuw bij v(Hllr.ililltll1do OIIlI(Jdinpton on t()(i I' ul1l1l 11011 , Mot £Jt)fl HI'lrin· Ufol ItNnpuflllinn Vllfl (Itt flHuJV()OrWUlll'd(ll1lu do

h(mlkol1inO tlClk tCHlPIl!l1 11111 I' voot' fltl kop em iI)" velrt <llIn elf! wClurlltltl1dllkur'uktorltltlnkOfl op:

drukvul V(!!rIWIl (lphr()I1U~t. Hot wnrkpuJ1t VIlli do c()tllilinlitiC! i6 dlllWrHHllwko('l(1, mUHr niot do lJonillv(wrwllilrdn: do druk op do pilI/III!

WeillI' 01 hot mElloriHll1 {lflllf1loltoll ill un WIIIlI'

ell! borokel1inn atllr!,

In H1(ltl vflrl:lt:hllon OIm lHwlyfio viln dn oxlnl'

dell' 1I1!1 V!Hltfl'!lWfp()I'np

121.

[)o OJ) wri;vil1ll flO-bCHitHlrdo pnmpkllrllktrJri!lliokofl vtlrlonorl in

hun vonI' {JIlinI'! IlnnlClglu mot clio von do vis" GOllitoitsllfhllnkolijko Ntmlltpomp. In 1966

wUt'd 001'1 mudol vnor (in tusuunlitllJonclo

HtlHlIIWI1U, WIlliI' towol VllSto lilt)! til!! 'IOSl'llOl, ton InlJturitwl !HH1wolllJ ill, HOpuhli(;(wrd

131.

Dil

moclnllovlH't, ovunrnin III!! dol!ltom !loUin'

,)(,Hl, flon hmrouwblln1 hmokoninu vlln rtf)

druk{JpIH.HIW In "Ult'! lont). Dllfll'(HfI ()l1tllrookt voornl!IIlCJH Ofm VUIWlltlrdiU modol Vt)()r (Iu Wtalo (lxtmdorkop(!()mbirliitio.

Vorhtllorintlon von do ilUflilllhoori(J{Hl hohbon hClClfdzlIkolijk botrokkinll up hot inbmngon In do rnodollfHl vIm <llim'lni niot Clnllolanurijko ani!lOtwrHI, nio( linolliro (11'1 nifll IIIClthorrno of· foct(lIl. Tusson do ar1l1lytHHI VlHl invoar' fm pClrnpt.one blilft hat pro bloom van do

(lClloiclo-lijko f(lso'(Jvorg!lng vlls\lvlooibalir bost!l!lll,

dio zicl1 IUllt kontnorken door een

uwr

stork Dit 'lrlikol is lit/btl-stwrcl O{J 11(11

{)I'Otno-U(H.ltlC/f)flCWk vlln cil',

iI',

rU:.rI.

Maiial', (lio !hulls workt'lIflnl ib'

l)il

OSM.

PTIPROCESTECHNIEK 37 (1982) NR, 1

dr.

ir.

H.E.H.

Meijer

vOrlH1domndo vis(:ositoit. Elko (lxtnHJor lOU

tonon oon voor olk fllutori,wl vnrschillondo knruktnristioku touondruk in bohoroll to wor-kon, Dil llotokol1t niow ur1eJors dan (lilt non vorhooudu to(lIHHJruk do opbrnllllHt vnn do pomp zcHJanlu ton.!IJ moot bronoon on do

VtH'-blijftljd vorgroton !lut or binl10n do IUI'1[Jt() vun

do

(lxlrudtH' volludill

nosrnnlton

wordt. 13M'

ril)ros, Wills (JOIl cornpl'tl!lSIOlOlH! in (lOll schron!, rOtlUlttlr(l/1 in oon vormindordo oanH' dioptCl on drHllflll dUllt'\oo bij, rnmJo (j()(H Of:Hl

vClrIl1indfJrdo trllllspottworkinu, D(~ vis(!Clui·

t(lit bnpunlt tlo druk VOClr dfl kop, WUIJ rd()cJr

hot Ilytl !flo t1l , IllnMll I:Hlporkto rJrlHWJrl. :wlf· r(Inlllorond Ill.

Bli

d(l inv(j()rino vun ilXillUI of HClilroMvClrrnlu ,l(,uroclfdn InV{)tlWHHI" vnftll1dort

elit

benld

voliocii(J, Do wnrklnu illorvml hemHlt op ~wn

kUrH1tnHltin Iltork voromtn. tlftric:hto wrij· vin\lHknu:llt dio h(1\ ronrJdrlllliol1 V!ltl hot

ma-torifHIl mot do !H:hmol (CLW,l, I) {)ill I Of)-Ilronustl Illoot vlJorkomnn on to{/flliJkortijd uxillio (of rf1flfjr rutwl: IH:llrCJO(VOfI1lI,/()) vor·

plfllltsin~J tonlilOt. "0 opvnllondsto nlSlIltllt!Hl tijn do stork vorhocJ{jclo ophrcm(lfl!. do wotCI

drtlkophouw(!!lPIWiIClII 011 volimJig

vorllndor-do I)OfllpkllrllktoriutioKon. WllIirilij dt) op·

lmlnt/Ill tWIll' OWl woot unbind voll(ldi~) Oflllf·

hllllkolijk iii VlIIl do oovrlltl(l(JO uindclwk, H(lt flC)rmlllu rtJI10IMYHtu0tl1 workl till/IWIll ni~lt moor (If Ill()chlffl hi] lOM hO{ltl drukkorl. WlllJI'"

bij do opbron(JsUdlllkkaroktoristiokon begin-non af to buigon, Extroom ilooo drukkon tre-dOll don ook Of) vlak no do inv(}erwne, even-als ~Jroto nooatiove druknnldienten over de rast van dEl extruder, Deze raakt volledig

Clvorvoord, COl1v£H1tiotwlo smelt- en trans-portcapacitoit zijn niet meer in ovoreenstern-mint) Inet deze invoorcopacitoit en onge-slT10lten motElriaol wordt uit do kop gepers!.

Wordt dit \joomotriseh Clnrnogelijk gemaakt. bijv()orbnold door toepassillg vlln nauwe sploton, dan stort elf! opbronf:jst in elkaardoor to vmo(Jo smeltvorminn in do invoerzone, ondunks d(l oxtro kooling dio hier moestal te-nolijk mot do £lwcJVon is aanoobracht.

Door VOI'!H1CJO/'iI1U(1t) in do Gonstructio

wor-don dozo

pmlllon1oll ondorvongon, De ver-110l1(lifltl Vlln IOl1oto on dimnntor van extru-(lor!l noomt too tot moor dan 33. Do gangdiep-to in do inVOOrZCltlO wendt vElrkleimj en gllot

bij up!lchalon mindor diln proportioneol mat

do diorr1otol' omh()og, Dil wordl optimaal He-l100md on b()tokont clot de Clplm'ilngst 01 in het !:lChroofcHltworp ornlIHI'J {lobrllcht wordt om do blijkbl,lur nog stonds of1voldoond(l smalt· <:apncitoit flint to vool to Clvor!lchrijdan on

datlrmuo do kana Oil vollodig inslortol1 VM cia invoart()tH) to vormljcJon. Ann hot olnd vnn do anlollwrHI W()f'(joll brokers Ot1 plnMt1 '10-pltHltllt dio do rOlltorondo vllslo IItof in klolno-ro Iltukj(IS datun in (10

hclCJp

dut hut !lmolten duur(i(wr affcwtiuvor vorlo()pt.

()ok hOi IIITloltpotnlloodnoltfl vonllulrm VIIn {J(}()I)'lcltri(), Do miltiOo kWlllitoitnf'l van de go-wono schroo(vorm mot lHllrokkif19 tot de nial Onhflhltl0rijko (jooilokan van dlt lantsto

ge-d()(jlto von flo B(:I1f()Or., lOClls hotnOtJorlisoron door mOntlOn on flfsc:i'lllivol1, ~iln allaf1{Joron-c;iorkunrL Omclllt dOlO !)()rnpwordt ovorvoerd

on !Hln tlrukvorbrllikof ill lIowordan. kunnon drlJkv(lrbfllikfJrS w()rdan 'l(lk()zoll dio bator t()O~IOIm()dClf'1 zijt1 <lP hun moor bOPflrkto teak: ni"t pompon, wol Ilfschllivon of rt'HlI1{Jon,

Do kCJrI1 vem 01 dOlt) ontwikko1intJM lI~lt in de !mH1UCllplH:itoit clio is llc;htoronblov(lll bij df! i IWOfm:opIIGiHI ii,

Smelttheorle

Mllddue;:k 14) nn Struot 15) WlHCHl do IIOr6101)

I

I

J

PROCESTECHNOLOGIE

die het smeltproces in extruders visueel on-derzochten. Ze vroren het proces plotseling in, trokken de schroef en onderzochten de in-houd van de extruder. Voor de eenvoudigste schroefvorm, met constante spoed en gang-diepte, leverde dit een eenvoudig beeld van de geleidelijke overgang van vast naar vloei-baar op. Een 'taartpunt' van vaste stof zit om de schroef gewikkeld. Grofweg lijkt het erop alsof de prop aan de zijkant afsmelt. De smelt circuleert in een steeds breder wordende poel aan de actieve flank van de schroef, dat is de flank die het materiaal naar de uitgang duwt, en de steeds smaller wordende prop vaste stof zit aan de er tegenoverliggende passieve flank (fig. 1).

Gebaseerd op deze onderzoekingen, die zich goed laten reproduceren mits de schroef wordt gekoeld, stelde Tadmor in 1966 het eerste smeltmodel op [3]. Hij onderkende dat v~~r het afsmelten van de vaste stof aan de zijkant niet voldoende warmtebronnen aan-wezig zijn en verklaarde het gevonden resul-taat met behulp van een eis van totale ver-vormbaarheid van het korrelbed.

Het belangrijkste smeltmechanisme vindt plaats in een dun filmpje tussen korrelbed en cilinderwand. Warmtegeleiding door de film vanuit de hete wand naar de koude massa en warmtedissipatie in de film tengevolge van vernietiging van de mechanische energie van de aandrijving zijn hier maximaal vanwe-ge de dunne laag en de grote relatieve snel-heden. De laag blijft dun, omdat de cilinder-wand, die schuin over het materiaal in het schroefkanaal beweegt*, het vers afgesmol-ten materiaal meesleurt (Engels: Drag remo-val). Het meegesleepte materiaal bereikt de aetieve flank, die het van de cilinderwand schraapt en in een smeltpoel dwingt. Deze smeltpoel heeft ruimte nodig en duwt tegen het korrelbed, dat daardoor vervormt. De breedte ervan neemt af, het stuikt en wordt naar boven tegen de hete, bewegende eilin-derwand aangeduwd en vervangt zo de afge-voerde smelt (fig. 2).

Enige inconsequentie valt hierbij op. Als er aan de zijkant tegen het korTelbed wordt ge-duwd kan dit zowel naar boven bewegen, zoals net omschreven, als naar voren. Dit laatste zou impliceren dat de snelheid waar-mee de vaste stof door het sehroefkanaal be-weegt toeneemt. In weerwil hiervan stelt Tadmor dat deze snelheid, die moeilijk te me-ten valt, constant is over de hele smeltzone.

V~~r het verloop van dit betoog is dit pro-* Dit is voor te stellen door de schroef als stilstaand te beschouwen en de cilinderwand roterend in te-genovergestelde richting, vervolgens het schroef-kanaal 'af te wikkelen', zodat een rechle goot ont-staat wearover zich schuin aen oneindige plaat be-weegt.

** Er zij ook interessante [7,8], maar nog niel geheel correcte modellen voorgesteld waarin de laagdikte niet (aileen) in dwarskanaal-, maar (tevens) in langskanaalrichting toeneemt. Het afgesmo\ten materiaal wordt dan, net als bij de smeltlagen aan de schroef, gebufferd in deze lagen en niet (of nau-welijks) afgevoerd naar een smeltpoel.

24

bleem, waarover velen zich hebben gebo-gen, niet van bijzonder belang.

Deze wijze van smeltafvoer is zeer effectief, zoals ook iedereen weet die een klontje boter in de koekepan over de bodem beweegt. Tad-mor stelt oorspronkelijk dat het smeltfilmpje tussen korrelbed en cilinderwand overa) even dun is en dit bevat een tweede, veel be-langrijker onjuistheid [6]. Van de passieve flank, waar de laagdikte gelijk is aan de spe-ling tussen schroefflank en cilinderwand, neemt de laagdikte toe omdat er steeds meer materiaal meegesleept moet worden. Het is een stroming met voeding van onderaf. Daar waar de smeltpoel bereikt wordt bevat de laag al het materiaal dat over de breedte van de prop is afgesmolten. Aangezien reele drukgradienten in deze hoog visceuse stro-ming in een zeer dunne laag (ca. 0,3 mm) geen enkele noemenswaardige invloed op het massatransport hebben, is aileen de sleepstroom verantwoordelijk voor het transport. Omdat de sleepsnelheid constant is, moet de laagdikte toenemen om meer ma-teriaal getransporteerd te krijgen. Het gevolg is een parabolisch toenemende laagdikte en een daardoor in breedterichting** afnemen-de smelteffectiviteit.

De kracht van Tadmors model is dat het met al zijn vereenvoudigingen een simpele, ana-Iytische, kwantitatieve beschrijving van het smeltproces geeft, waarmee de invloed van verwerkingsparameters, materiaalparame-ters en schroefgeometrie op de smelteapaei-teit kunnen worden afgeschat.

Invloed schroefgeometrie

In het bovengeschetste smeltmodel vallen twee oorzaken van een verminderd smeltren-dement op:

- Doordatde breedtevan hetvastestofbed in de kanaalrichting afneemt, vermindert gaan-deweg het warmte-overdragend oppervlak tussen cilinderwand en korrelbed. Aan het eind van de smeltzone domineren dan zelfs de, hier niet behandelde, secundaire smelt-processen aan de zijkanten en onderkantvan de prop, alsmede het doorwarmen van de prop.

- Door de in breedterichting toenemende laagdikte tussen cilinderwand en prop ver-minderen beide brontermen (warmtegelei-ding en dissipatie) in deze richting en dus de smelteffeetiviteit.

Beide nadelen kunnen door middel van geo-metrische maatregelen gedeeltelijk opgehe-ven worden.

.. - - - -..•.

__

. _

-

r·r~~~'·--L ____ .. ___ .

_ _ _ _

---'-2. Tadmor's model.

Door de gangdiepte in de smeltzone te laten afnemen wordt het resterende korrelbed ge-plet over de beschikbare kanaalbreedte en blijft het warmte-overdragend oppervlak groot. De werking van de compressieschroef is hiermee verklaard. De smeltpoel krijgt min-der ruimte en de smelt hierin moet dan ook door drukgradienten versneld naar voren worden getransporteerd. UitTadmors analy-se blijkt dat in het hypothetische extreme ge-val, waarin de prop zijn oorspronkelijke breedte behoudt en er dus in het geheel geen ruimte meer is voor smeltafvoer in een poel, de smeltcapaciteit verdubbeld wordt ten op-zichte van de compressieloze schroef met constante gangdiepte.

Door de schroef in de smeltzone meergangig uit te voeren splitsen we het vastestofbed in meerdere proppen. Er ontstaan meer smelt-poelen. De weg die het net afgesmolten ma-teriaal moet afleggen, in hetfilmpjetussen ci-linderwand en prop, naar de smeltpoel ver-mindert. Elke smeltfilm hoeft nog maar een gedeelte van de smelt te transporteren. De gemiddelde filmdikte is geringer dan in de enkelgangige schroef (fig. 3). De smelteapa-cite it blijkt toe te nemen met de wortel uit het aantal aangebrachte gangen.

Beide maatregelen hebben hun beperking. Een normale lange compressieschroef heeft voldoende ruimte voor de smeltafvoer en zal dus wat smeltcapaciteit betreft ergens tussen die van de compressieloze (1) en extreme compressieschroef (2 x zo hoog) inzitten. Een meergangige schroef geeft (afhankelijk van de schroefdiameter) transportproble-men door te nauwe kana len en het aanbren-gen van extra, remmende flanken. Daarom 3. Meergangige schroeven .

~---..

standaard Barr

~llJ~~~~

~'I\J~~

meergangig Kim

~~~~-~

~~

I

4.

Schroeven ontworpen om de smeltea-paciteit te verhogen.

wordt deze constructie in de praktijk nauwe-/ijks toegepast.

Een ander interessant probleem in de smelt-zone is het opbreken van het korrelbed. Dit is onderhevig aan schuit- en drukspanningen en de nettokracht in de aan aile kanten door smelt omgeven prop, kan, afhankelijk van zijn positie in het kanaal, groter worden dan zijn eventuele vermogen trekspanningen op te vangen. De prop breekt en een brok stroomt versneld naar voren. Ook al zou de berekende smeltcapaciteit voldoende zijn, zodra een stuk koude prop niet genegen is de toebedeelde verbliJftijd in de smeltzone door te brengen maar ontsnapt, is de kans op niet of slecht gesmolten materiaal in de kop gro-ter. De resulterende viseositeitsverschillen veroorzaken drukvariaties en - bij niet stijve invoerzones - daarmee de automatisch ge-paard gaande ongewenste variaties in de op-brengst; een onregelmatig lopende extruder

5.

'Afgewikkelde' schroefgangen.

~~-g ~~

~c::J ~

is het resultaat ('surging'). Door fasenschei-ding is getracht dit probleem op te lossen.

Fasenscheiding

Fasenscheiding wordt verkregen door het aanbrengen van een extra schroefrug op de schroef. Deze rug moet hoog genoeg zijn om de vaste stof tegen te houden maar lager dan de afsluitingen schroefflank, omdat de smelt over de rug heen getransporteerd moet kun-nen worden. Normaal is de spe/ing tussen deze rug en de cilinderwand circa 0,4 mm (de speling van de schroefflank is 0,05 mm). Maillefer[9j introduceerde de fasenschei-dingsrug in 1959. Hij legde hem langs de taartpunt van het vastestofbed, zoals ge-schetst in figuur 1. Hiermee wordt verhinderd dat het korrelbed openbreekt, want er is een scheiding gemaakt tussen vaste stof en smeltpoel. De extra rug begint aan de actieve flank en bereikt door zijn gratere spoed aan het eind van de smeltzone de passieve flank. De smeltzone is hiermee volledig geome-trisch vastgelegd (fig. 4). Een nadeel is dat de rug slechts optimaal ligt voor sen toerental, opbrengst en materiaal. Dit bezwaar geldt in

~LI_~~

n

·nn

n~J L ==-=."~J LU." _~ ___ "_ ~ ... -.''''11.' l --.~--:-'J

[LJ~

iets mindere mate ook voor de compressie-schroef. Daar moet de afname van de gang-diepte evenredig zijn met de hoeveelheid af-gesmolten materiaal, die sterk van toe rental, opbrengst en vooral materiaal afhangt. Met het hiervoor behandelde kan getracht worden iets verstandigs te zeggen over re-cente schroefconcepten die zijn voorgesteld om de smeltzone te verbeteren (fig. 4 en 5). De schroef met constante kanaaldjepte, de compressieschroef, de meergangige schroef en deMailleferschroefzijnalbehandeld.De volgende drie schroeven, van Barr, Dray & Lawrence en Kim[10, 111 kunnen gelijktijdig behandeld worden, daar deze hetzelfde doel hebben. Bij aile drie wordt het fasenschei-dingsprincipe toegepast om het vaste stot-bed naar wens te vormen. Het probleem van het verminderde warmte-overdragend op-pervlak in de Mailleferschroef is echter on-derkend. Daarom wordt getracht het korrel-bed breed te houden door de gangdiepte in de invoerkanalen te laten afnemen, in een po-ging de dubbele smeltcapaeiteitvan de extre-me compressieschroefte benaderen. Slechts de methode om ruimte te creeren voor het af-voerkanaal verschilt. Barr start met de extra Mailleferrug maar laat deze, zodra een ge-wenste breedte van het afvoerkanaal bereikt is, parallel lopen aan de oorspronkelijke schroefflank. Vanaf dit punt begint de com-pressie in het invoerkanaal, gecombineerd met een decompressie (= toenemende gang-diepte) in het uitvoerkanaal, waarin gaande-weg meer materiaal getransporteerd moet worden. Dray & Lawrence achten de afname van de oorspronkelijke kanaalbreedte onge-wenst an scheppan ruimte voor het afvoarka-naal door een plotselinge, eenmalige en be-perkte spoedtoename. Kim laat de spoed ge-leidelijk toeneman, waardoor deze schroef bijzonder duur wordt. Bovendien neemt In zijn oorspronkelijk ontwerp de spoed toe tot de breedte van het afvoerkanaal ge/ijk is aan die van het invoerkanaal waarna in de pomp-zone verder een tweegangige schroef wordt toegepast. Deze verspilling van ruimte en warmteoverdragend oppervlak is te voorko-men door als bij Dray & Lawrence en Barr de diepte van het uitvoerkanaal te laten toene-men. Uit berekeningen blijkt inderdaad dat al deze schroeven bij gelijke axiale lengte de ga-wenste verdubbeling van de smeltcapaciteit

r--l'.f\

J'.f\_~..t1

~lF1f-1]

standaard compressie meergangig Maillefer Barr Dray & Lawrence Kim Ingen Housz

PROCESTECHNOLOGIE

6.

Compressieschroef 240 (1) en prototy-pe 160 (2)

ten opzichte van de eenvoudigste schroef niet halen vanwege de ruimte die nodig is voor de afvoerkanalen. Zij zijn in slechts een opzicht beter dan een compressieschroef, omdat propbreuk niet kan optreden, hetgeen een belangrijk voordeel is.

Spoedvergroting

Het zou nu nuttig zijn als beide rendements-verhogende effecten (grootwarmte-overdra-gend oppervlak door compressie en dunnere warmtedoorgevende en -genererende lag en door meergangigheid) met de fasenschei-ding in €len schroefvorm verenigd zouden worden: een soort meergangige Dray & Law-rence schroef. Zoals gesteld bij de behande-ling van de meergangige schroef ontstaan hier dan zeker problemen met het materiaal-transport in de (te) nauwe gangen. Door een forse vergroting van de spoedhoek toe te passen - tot 900 _{in figuur4en 5 bijvoorbeeld,}

maar beter is 600

- neemt de beschikbare

gangbreedte aanzienlijk toe en vervalt dit be-zwaar. Spoedvergroting heeft op de

smeltca-7.

Opbrengst/toerentalcurves. a, LDPE b, pp c. HOPE 1, compressiesehroef 2. prototype --- invoerkarakteristiek .c:

"

Of 180 ~120

'"

60 o 50 100

paciteit van een schroef, bij gelijkblijvende axiale lengte, geen of nauwelijks invloed[10, 11]. Het komt erop neer dat aile effeeten waarop de spoedhoek invloed heeft (breedte, snelheid van vaste stof in kanaal-riehting, smeltafvoersnelheid en helixlengte versus axiale langte) elkaar ophaffen. Er res· teert een vargroting van het relatieva snel-heidsversehil tussen eilinderwand en vaste-stofbed, dat verantwoordelijk is voor de op-gewekte dissipatiewarmte in de smeltfilm. De invloed daarvan op de smeltcapaciteit hangt af van het Brinkman-getal, dat een maat is voor de verhouding van geleiding en dissipatie.

Door een sterke spoedvergroting kan bij-voorbeeld een verviervoudiging van de smeJtcapaeiteit bereikt worden, weer ten op-ziehte van de eenvoudigste sehroef, door een viergangige fasanseheidingsschroef (factor 2) met extreme compressie (factor 2) te com-bineren. Hierdoor neemt het aantal kanalen tot acht toe (vier voor de invoer, vier voor de afvoer). Voor de 60 mm extruder, die ge-bruikt werd bij dit onderzoek, was dit te vee I en is gekozen voor een driegangige (6 kana-len) uitvoering.

Orie faetoren spelen een rol bij de bepaling van de optimala hoek van de spoed.

- Bij een toenemende spoedhoek wordt de totaal beschikbare breedte voor meergangi-ge uitvoerinmeergangi-gen groter.

- De sleepcomponent van de eilinderwand ten opzichte van het materiaal in de sehroef-gang neemteehter aftot nul in het axiale (900

)

o 50

N(rpmJ- 100

geval. Zowel vaste stat als smelt zullen dan volledig door drukstromingen naar de uit-gang moeten worden geperst. Drukgradien-ten zorgen voor hettransport in de smeltzone; de totaal benodigde drukval is gelijk aan de drukgradiiint maal de lengte waarover die moet worden aangelegd.

- De helixlengte in kanaalrichting vermin-dert eveneens (bij gelijkblijvende axiale leng-tel bij vergroting van de spoed.

Oeze drie taetoren bernvloeden met het geko-zen aantal gangen de weerstand van de smeltseetie en dus de hoogte van de druk v66r deze sectie, die gegenereerd dient te worden in de invoerzone. Gegroetde invoer-zones kunnen dat, tot een bepaalde hoogte, zeer goed. Voor een minimale weerstand bij de keuze voor driegangigheid lijkt 600

een re-delijk compromis.

Experimenten

Bij het onderzoek zijn twee schroeven met el-kaar vergeleken: een traditionele compres-sieschroef (diameter 0, lengte 24 0 waarvan

80 invoer 7 mm diep, 8 D compressie en 8 D

pompzone 3 mm diep) en een schroef met een lengte van 16 D waarvan 8 0 invoer (7 mm diepte, eengangig) en 8 D smeltzone (driegangig, spoedhoek 600

) (figuur 6). Ais

vergelijkingscriterium werd de opbrengsU toerentalcurve gebruikt: hoeveel komt erult, De drie onderzochte materialen waren lage-en hogedichtheid polyethelage-en lage-en polypro-peen (LOPE, HDPE en PP). Er werd in aile ex-perimenten een gegroefde invoerzone ge-bruikt en de resultaten staan uitgezet in fi-guur 7.

Ondanks de mindere lengte levert de nieuwe schroef meer; maximaal circa 30 % voor LOPE en PP, en 100 % voor HDPE. De grote verschillen tussen de drie materialen kunnen niet vanuit de smeltcapaciteit worden ver· klaard en zijn een gevolg van verschillen

,I.

,

l

,

o

50 ₁₀₀ PTlpROCESTECHNIEK 37 (1982) NR. 1

160

t

a

130+---~

o

R

r ( m )

-in -invoercapaciteit. Hetfeit dat de lijnen recht zijn, duidt hier al op (smelteapaeiteit als fune-tie van toerental levert een kromme) en dit wordt bevestigd door de stippellijnen in fi-guur 7. Deze geven de maxima Ie transportea-paeiteit van de gegroefde invoerzone voor de drie materialen aan, die werd gemeten met een aparte opstelling: korte stukjes schroef met aan het eind een knobbel die de karakte-ristieke weerstand van de niet aanwezige rest van de sehroef en de kop vervangt. De korrels kunnen ongesmolten (maar wei sterk ver-vormd) de knobbel passeren. Uit deze experi-menten blijkt dat het prototype telkens al het materiaal verwerkt dat door de invoerzone wordt aangeboden; dit in tegenstelling tot de eompressiesehroef.

Uitgebreide proeven met het opmeten van invoerkarakteristieken tonen onder andere* aan dat deze maximale opbrengst van de in-voerzone sterk afhankel ijk is van de korrel-grootte. De groeven geven het beste resul-taat bij grote korrels, dan verloopt het trans-port goed. Worden korrels van dezelfde grootte (4 mm) gebruikt, dan leveren de drie materialen dezelfde, hoge opbrengsten. Het prototype geeft eenzelfde stijging in op-brengst als gevoed wordt met grof granulaat (fig. 8), geheel volgens verwaehting. Aileen voor PP wordt bij 60 rpm de smelteapaciteit te gering. Het invoermeehanisme stort in en herstelt zieh niet.

Met deze sehroef is de kwantiteit (opbrengst van de machine) aanzienlijk opgevoerd, maar hoe zit het met de kwaliteit van de smelt? Deze wordt beoordeeld aan de hand van de temperatuurprofielen (fig. 9). Deze ge-meten temperaturen zijn opvallend laag, bij hoge opbrengsten slechts zo'n 20 K boven het smeltpunt. Daar moet nog wei het een en ander aan gebeuren en dat kan. De schroef is

*)Voor ssn gegroefde invoerzone apart blijken te-vens normale regels te gelden: naarmate de gang-diepte groter wordt neemt de opbrengst toe en daalt de drukopbouwcapaciteit. PTIPROCESTECHNIEK 37 (1982) NR. 1

200

t

oU

190

....

180

b

170

0

R

r(m) ___

sleehts 160, in de resterende 8 0 kunnen met eenvoudige afsehuif- en mengelementen de temperaturen verhoogd en gehomogeni-seerd worden.

Opvallend is dat de smelteapaeiteit van de smeltzone groter is en de smelttemperaturen lager zijn dan theoretiseh verwaeht. De fasen-seheiding werkt blijkbaar niet

voor

de volle honderd procent. Gedeeltelijk wordt niet vol-ledig gesmolten (maar wei plastiseh) mate-riaal over de nauwe rug meegeperst. De hoge optredende drukken in de invoerkanalen ('" 100 MPa). die overigens ook een behoorlijk aandrijfkoppel vragen ('" 4000 Nm) wijzen daar tevens op.

8.

Opbrengst/toerentaleurves met ver-sehillen in korrelgrootte van het granulaat. a. grate korre/ b. kleine korrel 180 .<: "-~120

t

140

c

130~---~

o

R

rem)

-9.

Radiale temperatuurprofiel aan het einde van de smeltzone (parameter: toerental). a. LDPE

b. PP e. HDPE

Orienterende proeven met drie nieuwe ver-/engde driegangige prototypes,

12

D smelt-seetie, spoedhoek 45°,60° en 90°, gaven inte-ressante resultaten. Kwantitatief ontstond ongeveer een gelijk beeld, met dien verstan-de dat verstan-de opbrengsten bij lagere toerentallen al beginnen af te buigen van de reehte OIN-curve (fig. 10). De 45°-seh roef geeft steeds de hoogste opbrengst; drukval en koppel ziJn eehter minimaal bij de 600_{-schroef. Het}

ver-waehte herstel van de OIN-eurve van PP blijft niet aileen aehterwege, maar het verloop wordt nog sleehter. Het beste resultaat voor PP is tot nu toe behaald met kleine korrels in

f"

If

p

50 100 0 50 100 N'(rpm)

-27

PROCESTECHNOLOGIE

180 E "-~ 120 60 50 100

10.

Opbrengstltoerentalcurves van het 20D-prototype.

a. LOPE 1. 45"

b. PP 2. 60"

c. HOPE 3. 90"

de 16 D-schroef. Blijkbaarzijn daarinvoer-en smeltcapaciteit, en invoerdrukopbouw en smeltsectieweerstand het gunstigst op el-kaar afgestemd. De gemiddelde smelttempe-raturen liggen ongeveer 40 K boven het smeltpunt (fig. 11). Erzijn echter nog grote ra-diale temperatuurverschillen aanwezig.

Conclusies en vooruitzichten

Gebaseerd op detheorie van het smeltproces is een schroef ontwikkeld die drie voordelen

160 170

f

16 oU

_....,

10.. 150

a

140 0 R rem) -50 100 N (rpm)

in zich verenigd: maximale benutting van warmte-overdragend oppervlak, minimale weerstand tegen warmteaverdracht door dunne smeltlaagjes en fasenscheiding. Op een 60 mm extruder zijn een aantal driegan-gige prototypes getest. Zij voldeden aan de verwachting. Slechts door een ander schroefontwerp wardt de opbrengst van de extruder aanzienlijkverhoogd, met maximaal een factortwee. De temperatuurvan de uit de smeltzone komende smelt is laag.

Hiermee is een verdere stap in de richting van functioneel schroefontwerp gezet. De ge· groefde invoerzone bepaalt de opbrengst en genereert de benodigde druk. De smeltzone brengt al het aangeboden materiaal tot bo-ven het smeltpu nt, beperkt de opbrengst niet

220

t

210 o _

I

U 0

200.~

0 I-190

"f.

b

180 0 R rem)

-c

o

50

\

\

_'-.

100

en leidt niet tot lakaal excessieve en onnodi-ge verhitting van de smelt. De temperatuur van de smelt kan, indien gewenst, worden verhoogd, door verlenging van de smeltzone of door het aanbrengen van afschuifdelen in de daarvoor nag beschikbare ruimte, even-tueel aangevuld met mengdelen.

Verlenging van de smeltsectie leidt theore-tisch tot vergroting van de smeltcapaciteit. Praktisch zijn er grenzen, waarvan nag

aan-11.

Radiaaltemperatuurprofiel van het 20D-prototype met een spoedhoek van 60° (parameter: toe rental).

a. LOPE b. PP c. HOPE 170 160 150

c

140 0 _R rem) -PTIPROCESTECHNIEK 37 (1982) NR. 1

getoond moet worden of dit een gevolg is van een te hoge weerstand.

Door de functionele scheiding van, ook ont-werptechnisch te onderscheiden en afgeba-kende, delen (invoer, smelten, homogenise-ren) kan elk deel apart geoptimaliseerd wor-den. De meest gunstige combinatie kan dan voor elk materiaal worden samengesteld. In-voer-onderzoek dient zich bezig te houden met invloed van korrelgrootte, gangdiepte, groefgeometrie en groefhoek (helixvormige groeven zijn te prefereren). De invloed op op-brengst en drukopbouw moet worden geme-ten (pompkarakteristieken) omdat de

invoer-Grundlagen der Verfahrenstechnik

Sinds Arthur D. Little in 1915 het beg rip unit operation introduceerde, worden proces-technologen geschoold in het beheersen van deze unit operations. Destillatie, extractie en dergelijke zijn handelingen waarmee gere-kend kan worden. Ten grondslag aan deze bewerkingen liggen fysische verschijnselen, zoals stof- en energieoverdracht, die zeer ge-detailleerd zijn bestudeerd, maar die niet tot de normale kennis van de procestechnoloog behoren.ln 'Grundlagen der Verfahrenstech-nik' worden deze verschijnselen, dat wil zeg-gen, massa-, warmte- en impulsbalansen, stofoverdracht en wat genoemd wordt 'Ahn-lichkeitsphysik', behandeld. Dit laatste on-derwerp gaat over methoden om experimen-tele resultaten te verwerken in rekenregels, modelonderzoek en het opstellen en gebrui-ken van dimensieloze gebrui-kentallen en schaalre-gels. Het boek is gebaseerd op de colleges die de auteurs sinds 1966 aan de Technische Un iversitat van Graz (Oostenrijk) hebben ver-zorgd. Daarbij is de nadruk gelegd op een systematische opbouw en aanpak.

Catalysis and chemical processes

Katalyse is een belangrijk hulpmiddel in de procesindustrie. Voor veel processen is ge-tracht, en vaak met succes, door katalyse een efficientere procesvoering te vinden. Mo-menteel wordt ongeveer80 % van de synthe-tische chemical ian met behulp van katalyti-sche processen gemaakt. In 'Catalysis and Chemical processes' wordt de katalytische vervaardiging van organische verbindingen behandeld. De titel van het boek is mislei-dend, want de beperking tot organische pro-dukten betekent dat belangrijke katalytische procede's, zoals de fabricage van zwavel- en salpeterzuur, niet ter sprake komen. Het boek bestaat uit drie delen: 'the catalyst as part of the chemical process', 'from raw materials to chemical building blocks' en 'from chemical building blocks to end pro-ducts'.ln het eerste dee I worden katalyse als verschijnsel, katalysatoreigenschappen en -bereiding, beheersing van katalytische pro-cessen en economische aspecten behandeld. Het tweede deel gaat over de verwerking van PTlpROCESTECHNIEK 37 (1982) NR. 1

zone het opbrengstgedrag van de extruder bepaalt, zodra de smeltzone niet meer beper-kend is. Smeltwne-onderzoek kan zich be-perken tot het gebied met 45° ... 600

spoed-hoek en moet de invloed van aantal kana len-paren en axiale lengte op de totale weerstand en smeltcapaciteit vaststellen (weerstands-karakteristieken). Deze is sterk diameteraf-hankelijk; bij grote diameters kunnen meer kanalenparen worden aangebracht zonder dat de kanalen te nauw worden ten opzichte van de korrelafmetingen. Tot slot resteert het onderzoek naar de eftectiviteit van de hulp-middelen om het materiaal extra af te schui-yen en te mengen.

Het boek bestaat uit drie delen:

- een inleiding, waarin onder andere de analyse van processtappen ter sprake ko-men, evenals de grondslagen van de stof-overdracht en het opstellen van balansen (in algemene, differentiale en integra Ie vorm). - 'Ahnlichkeitsphysik', onder andere de theoretische achtergronden, het opstellen van kentallen, modelonderzoek en het wer-ken met analogons zoals het Reynoldsmodel voor impuls- en warmte-overdracht en het Lewismodel voorwarmte- en stofoverdracht. - stofoverdracht, waaraan bijna de helft van het boek is gewijd. In zes hoofdstukken wor-den een-fasesystemen (diffusie), stofover-dracht aan vaste grensvlakken (absorptie, oplossen), stofoverdracht door grensvlakken (adsorptie, extractie, destillatie), stofover-dracht door grensvlakken (adsorptie, extrac-tie, destillatie), stofoverdracht in vloeistof-films, bellen en druppels, en de invloed van chemische reacties behandeld. Hierbij wordt niet naar de processen maar naar de fysische verschijnselen die de processen veroorzaken gekeken.

aardolie, steenkool en aardgas, waarbij niet aileen katalytische processen (katalytisch re-formen, kraken, hydrocracking en de synthe-se van methanol uit CO en H20) maar ook niet-katalytische (thermisch kraken, fabrica-ge van synthesegas) en fabrica-gemengde proces-sen (steenkoolliquefactie) ter sprake kom en. Het derde deel, dat meer dan de helft van het boek beslaat, behandelt de bereiding van een groot aantal belangrijke produkten uit halffa-brikaten. Deze 'chemical building blocks zijn: etheen, propeen, benzeen, tolueen, xyleen en butadieen. Drie hoofdstukken zijn gewijd aan de verschillende wijzen waarop verbin-dingen tussen koolstofatomen kunnen wor-den aangebracht (carboxylatie, oligomerisa-tie, isomerisaoligomerisa-tie, metathese, hydrocyanatie en polymerisatie). In de overige hoofdstuk-ken worden (de)hydrogenatiEj, selectieve oxydatie van koolwaterstoffen (o.a. voor de bereiding van ethe en propeenoxyde), en-zymatische katalyse en katalytische proces-sen bij de fabricage van speciale chemicalien besproken.

Literatuur

1. Anonymous: Engineering, London 114 (1922) 606.

2. Darnell, W.H. en E.A.J. Mol: SPE J.12(1956)4. 3. Tadmor, Z.: Pol. Eng. Sci 6 (1966) 185. 4. Maddock, S.H.: SPE J. 15 (1959) 383. 5. Street, L.F.: In!. Plastics Eng. 1 (1961) 289. 6. Vermeulen, J.R. c.s.: Chem. Eng. Sci 46 (1971) 1457.

7. Lindt, T.J.: Pol. Eng. Sci. 16 (1976) 291. 8. Edmondson, I.R. en R.T. Fenner: Polymer 16 (1975) 49.

9. Maillefer, Ch.: Swiss Pat. 363.149.

10. Meijer, H.E.H.: Oissertatie TH Twente, Ensche-de (1980).

11. Ingen Housz,J.F. en H.E.H. Meijer: Pol. Eng. Sci. 21 (1981) 352.

12. Idem: Pol. En(J. Sci., 21 (1981).

Het boek heeft uiteraard een sterk theoretisch en mathematisch karakter. De lezer moet over een behoorlijke wiskundige achter-grond beschikken, die bij de meesle ing's niet aanwezig zal zijn en die menige ir evenmin zal bezitten of alweer vergeten is. Voor hen die theoretisch werk op het gebied van warmte- en stofoverdracht verrichten is het een nuttig naslawerk. Een bezwaar hierbij is het ontbreken van een symbolenlijst. Een schoonheidsfoutje vormt de vaak onduidelij-ke fluxiepunt en het gebruik van

x

en dx/dt door elkaar. De prijs van het boek is alleszins redelijk, gezien de uitvoering en de grote hoeveelheid formules.

ing. J.E. Boswijk

Grundlagen der Verfahrenstechnik; door: B. Kogi

en F. Moser; uitg.: Springer-Verlag, Wenen, 1981; formaat: 17 x 25 cm; 377 pagina's; 99 figuren; prijs: OM 138,- (gebonden).

Het boek is, onder redactie van R. Pearce en W.R. Patterson, 9 rotendeels geschreven door medewerkers van ICI; slechts een van de elf auteurs is niet uit dit bedrijf afkomstig. Het biedt vooral een overzicht van katalyti-sche processen bij de produktie van organi-sche verbindingen. Er ontbreekt een bespre-king van belangrijke katalysatoren, zoals de platinametalen, nikkel en Friedel-Craftskata-Iysatoren. Evenmin treft de lezer beschou-wing en aan over de theoretische achterg ron-den van de katalyse. Dit is er mede de oorzaak van dat het boek goed leesbaar is; het is niet aileen geschikt om geraadpleegd, maar ook om gelezen te worden. De afwerking is goed, al zijn in een aantal figuren de inschriften scheef geplaatst. Het verdient een plaats in elke studiebibliotheek, ook van HTS'en.

ing. J.E. Boswijk

Catalysis and Chemical Processes; door: R. Pearce 'Eirl'W.R. Patterson (ed.); uitg.: Leonard Hill, Glas-gow/Londen, 1981; formaat: 16,5 x 24 em; 348 pa-gina's; prijs: £ 25,- (gebonden).