Menguasai Rasio Pompa pada Ekstruder Sekrup Tunggal Berventilasi Dua Tahap

Ekstruder sekrup tunggal berventilasi dua tahap umum digunakan untuk banyak aplikasi dan resin. Ventilasi umum dilakukan pada banyak resin stirena dan sebagian besar aplikasi yang melibatkan resin daur ulang pascakonsumen (PCR). Ekstruder dan sekrup yang dirancang dengan baik akan mampu menghilangkan hingga 90% zat mudah menguap melalui ventilasi, beroperasi secara stabil tanpa aliran melonjak pada cetakan, dan tidak ada material yang mengalir keluar melalui bukaan ventilasi.

Beberapa fitur desain diperlukan untuk memenuhi tujuan pemrosesan ini, termasuk:

Konten Unggulan

• panjang dan kedalaman bagian berventilasi
• desain pengalih ventilasi
• panjang saluran pengukuran tahap kedua
• rasio pompa

Skema Gambar 1 menunjukkan ekstruder berventilasi dua tahap.

Gambar 1: Skema untuk ekstruder sekrup tunggal berventilasi dua tahap. Sumber (semua):M.A. Spalding

Rasio pompa adalah perbandingan kemampuan pemompaan bagian pengukuran tahap kedua relatif terhadap kemampuan pemompaan bagian pengukuran tahap pertama. Biasanya, rasio pompa berkisar antara 1,1 dan 1,5. Rasio pompa untuk sekrup dengan panjang lead konstan adalah kedalaman saluran saluran pengukuran tahap kedua dibagi dengan kedalaman saluran pengukuran tahap pertama. Kedalaman dan panjang saluran untuk sekrup tipikal yang dibuat untuk polistiren (PS) ditunjukkan pada Gambar 2 untuk sekrup berdiameter 6 inci.

Untuk desain ini, bagian pengukuran tahap pertama mengontrol laju. Rasio pompa adalah 1,44. Untuk bahan baku pelet saja, rasio kompresinya adalah 3. Rasio kompresi untuk sekrup dengan panjang timah konstan adalah kedalaman saluran umpan dibagi dengan kedalaman saluran pengukuran tahap pertama. Rasio kompresi harus cukup tinggi untuk mempertahankan saluran pengukuran tahap pertama saat penuh resin dan bertekanan.

Apa Arti Profil Tekanan Aksial untuk Rasio Pompa

Sebelum rasio pompa dijelaskan, penting untuk membahas profil tekanan aksial sekrup. Profil tekanan aksial untuk desain sekrup PS yang ditunjukkan pada Gambar 2 ditentukan menggunakan simulasi numerik untuk laju 1.500 lb/jam dan kecepatan sekrup 55 rpm untuk laju spesifik 27,3 lb/(jam rpm). Laju spesifiknya hanyalah laju dibagi dengan kecepatan sekrup. Profil tekanan aksial ditunjukkan pada Gambar 3. Pada laju ini, resin PS memerlukan tekanan pelepasan sebesar 1.600 psi untuk menjalankan peralatan hilir. Laju spesifik yang dihitung hanya karena perputaran sekrup tanpa gradien tekanan yang ditentukan adalah 23 lb/(jam rpm) untuk bagian pengukuran tahap pertama. Karena saluran pengukuran tahap kedua lebih dalam, laju putaran yang dihasilkan lebih tinggi yaitu 32,7 lb/(jam rpm).

Gambar 2: Kedalaman saluran tipikal untuk sekrup berdiameter 6 inci untuk resin PS. Rasio kompresinya adalah 3, dan rasio pompanya adalah 1,44. Dinding laras adalah garis horizontal atas gambar.

Seperti yang ditunjukkan Gambar 3, tekanan mencapai maksimum pada 1.800 psi pada awal bagian pengukuran tahap pertama, dan tekanan tersebut menurun hingga tekanan nol sebelum ventilasi. Tekanan pada lubang ventilasi harus nol atau resin akan mengalir keluar dari lubang ventilasi. Dengan demikian, saluran pengukuran tahap pertama memiliki gradien tekanan negatif. Gradien tekanan negatif ini menyebabkan aliran dalam saluran menjadi lebih tinggi dari laju spesifik karena rotasi saja. Di sini aliran berada pada 27,3 lb/(jam rpm) dan ingat bahwa laju spesifik yang dihitung karena rotasi saja adalah 23,0 lb/(jam rpm).

Gambar 3: Profil tekanan aksial untuk ekstruder PS pada Gambar 2 dengan laju 1.500 lb/jam pada kecepatan sekrup 55 rpm.

Tambahan 4,3 lb/(jam rpm) disebabkan oleh gradien tekanan negatif. Gradien tekanan negatif ini harus terjadi untuk ekstruder dua tahap yang dirancang dengan baik karena tekanan harus relatif tinggi pada saluran masuk ke meteran tahap pertama karena pengangkutan dan peleburan padatan dan tekanan nol pada saluran ventilasi.

Tekanan dalam saluran ventilasi harus nol untuk menghilangkan zat-zat yang mudah menguap dan mencegah aliran resin melalui lubang ventilasi. Mencegah aliran ventilasi juga bergantung pada pengalih yang ditempatkan di port ventilasi. Aliran ventilasi dibahas dalam Teknologi Plastik edisi Februari 2023 . Tekanan di dalam ventilasi berkurang menjadi nol dengan membuat saluran menjadi sangat dalam. Hal ini menyebabkan saluran terisi sebagian, memperlihatkan area permukaan besar dari polimer cair untuk pengangkutan massal zat-zat yang mudah menguap ke bagian saluran yang kosong. Bahan-bahan yang mudah menguap kemudian dikeluarkan melalui ventilasi.

Bagian hilir saluran ventilasi merupakan bagian transisi pendek dimana kedalaman saluran menjadi lebih dangkal dan akhirnya setara dengan kedalaman saluran pengukuran tahap kedua. Saat resin cair bergerak menuju meteran tahap kedua, terjadi lokasi di mana aliran saluran berubah dari terisi sebagian pada tekanan nol menjadi terisi penuh. Ini biasa disebut dengan posisi pengisian. Posisi pengisian dapat terjadi pada bagian transisi atau pada meter tahap kedua. Setelah saluran terisi, timbulnya tekanan dapat terjadi. Posisi pengisian pada Gambar 3 berada pada pintu masuk bagian meteran tahap kedua.

Saluran pengukuran tahap kedua memiliki tekanan mendekati nol pada titik masuk (atau posisi pengisian) dan tekanan meningkat hingga tekanan pelepasan maksimum 1.600 psi, menciptakan gradien tekanan aksial positif. Gradien tekanan positif menyebabkan laju spesifik menjadi lebih kecil dari laju spesifik yang dihitung karena rotasi. Ingatlah bahwa laju spesifiknya adalah 27,3 lb/(jam rpm) dan laju spesifik yang dihitung akibat rotasi untuk saluran pengukuran tahap kedua adalah 32,7 lb/(jam rpm). Dengan demikian, lajunya berkurang sebesar 5,4 lb/(jam rpm) karena gradien tekanan positif.

Selalu Negatif

Ekstruder berventilasi dua tahap akan selalu memiliki gradien tekanan negatif pada bagian pengukuran tahap pertama dan gradien positif pada bagian pengukuran tahap kedua. Hal ini karena bagian ventilasi sekrup harus beroperasi pada tekanan nol dan saluran terisi sebagian. Karena saluran pengukuran tahap pertama mengontrol laju, bagian pengukuran tahap kedua harus mampu memompa dan memberi tekanan pada laju pengukuran tahap pertama.

Karena operasi ini dan gradien tekanan dalam saluran pengukuran, bagian pengukuran tahap kedua harus mampu memompa dengan kecepatan yang lebih tinggi daripada pengukuran tahap pertama. Untuk sekrup dengan panjang timah konstan, meteran tahap kedua harus lebih dalam dari meteran tahap pertama. Seperti yang telah disebutkan sebelumnya, rasio kedalaman tahap kedua dengan kedalaman tahap pertama adalah rasio pompa untuk panjang kabel yang konstan.

Rasio pompa tidak unik untuk resin atau proses. Sebaliknya, hal ini bergantung pada panjang bagian pengukuran tahap kedua, panjang timbal dalam meter, viskositas resin, dan persyaratan tekanan hilir. Misalnya, sekrup pada Gambar 2 memiliki bagian pengukuran tahap kedua dengan panjang 6 diameter, kedalaman saluran 0,360 inci, dan pelepasan pada tekanan 1,600 psi. Jika bagian pengukuran tahap kedua lebih panjang yaitu 8 diameter, kedalaman saluran dapat diatur ke 0,330 inci untuk rasio pompa 1,32.

Jika pompa roda gigi diposisikan tepat setelah ekstruder, tekanan pelepasan dapat dikurangi hingga 400 psi, dan pompa akan menghasilkan tekanan yang diperlukan untuk mengoperasikan peralatan hilir. Di sini saluran pengukuran tahap kedua akan memiliki panjang 6 diameter dan memiliki kedalaman saluran 0,310 inci untuk rasio pompa 1,24. Rasio pompa dan posisi pengisian yang lebih tinggi di bagian hilir dari entri tahap kedua juga merupakan pengoperasian yang dapat diterima.

Desain Buruk, Penyampaian Padat Buruk

Extruder berventilasi yang dirancang dengan buruk dapat memperkuat lonjakan aliran yang disebabkan oleh pengangkutan padatan yang buruk. Lonjakan aliran dimulai dengan bagian pengangkutan padatan yang tidak dirancang dengan benar atau dioperasikan dengan sekrup atau selubung umpan yang terlalu panas. Arus melonjak dibahas dalam edisi Agustus 2024. Gambar 4 menunjukkan profil tekanan aksial untuk ekstruder berventilasi dua tahap aliran bergelombang. Garis tekanan padat pada gambar adalah titik tengah lonjakan. Garis putus-putus menunjukkan tekanan pada titik tertinggi dan terendah lonjakan.

Gambar 4: Tekanan aksial untuk ekstruder ventilasi dua tahap dengan bagian lonjakan tekanan tinggi dan tekanan rendah.

Jika pengangkutan zat padat menjadi buruk, tekanan pada saluran masuk meteran tahap pertama berkurang. Hal ini mengurangi besarnya gradien tekanan negatif di bagian pengukuran, sehingga menurunkan laju. Tingkat aliran yang lebih rendah melewati ventilasi yang terisi sebagian, transisi tahap kedua, dan bagian pertama dari bagian pengukuran tahap kedua. Posisi pengisian bergerak ke hilir, menurunkan tekanan pelepasan dan laju pada cetakan. 

Ketika pengangkutan padatan tinggi, tekanan pada pintu masuk ke bagian pengukuran tahap pertama tinggi, menyebabkan besarnya gradien tekanan negatif menjadi tinggi dan meningkatkan laju. Di sini, laju yang lebih tinggi menyebabkan posisi pengisian bergerak ke hulu seperti yang ditunjukkan oleh Gambar 4. Posisi pengisian di hulu menyebabkan tekanan pelepasan dan laju meningkat pada cetakan.

Peredam Lonjakan Tekanan

Lonjakan tekanan pada pelepasan pada Gambar 4 adalah ±250 psi — kira-kira merupakan nilai rata-rata. Pengangkutan padatan yang buruk akan selalu menyebabkan lonjakan seperti ini, namun beberapa desain tahap kedua dapat meredam lonjakan tersebut. Misalnya, saluran meteran tahap kedua yang panjang dengan rasio pompa yang lebih rendah dapat meredam lonjakan arus, sedangkan saluran meteran pendek dengan rasio pompa yang lebih tinggi dapat meningkatkan intensitas lonjakan. Cara terbaik untuk memitigasi lonjakan adalah dengan menghilangkannya dari sumbernya. Dalam hal ini, proses pengangkutan padatan perlu ditingkatkan.

Untuk ekstruder yang ada, perancang tidak mempunyai kemewahan untuk memindahkan ventilasi atau memperpanjang bagian pengukuran. Dalam hal ini, parameter desain utama adalah kedalaman saluran pengukuran tahap pertama dan rasio pompa. Seperti yang telah dibahas sebelumnya, kedalaman saluran pengukuran tahap pertama akan menentukan laju operasi tertentu, dan rasio pompa akan memberikan tekanan yang diperlukan untuk menjalankan peralatan hilir. Kedalaman bagian pengukuran tahap pertama juga merupakan fitur desain utama untuk mengatur suhu pelepasan.

Kunci untuk merancang ekstruder dan sekrup dua tahap berventilasi adalah kedalaman saluran pengukuran tahap pertama, panjang saluran pengukuran tahap kedua, dan rasio pompa. Perancang ekstruder mengetahui cara mengoptimalkan parameter ini untuk instalasi baru dan ekstruder yang sudah ada. Desain yang tepat harus memaksimalkan laju, menghasilkan tekanan pelepasan yang diperlukan tanpa aliran ventilasi, dan memberikan tekanan pelepasan yang stabil.

TENTANG PENULIS:Mark A. Spalding  adalah rekan dalam Penelitian dan Pengembangan Plastik Khusus dan Hidrokarbon di Dow Inc. di Midland, Michigan. Selama 40 tahun di Dow, beliau berfokus pada pengembangan, desain, dan pemecahan masalah proses polimer, terutama pada ekstrusi sekrup tunggal. Dia ikut menulis Menganalisis dan Memecahkan Masalah Pengekstrusi Sekrup Tunggal  dengan Gregory Campbell. Hubungi:989-636-9849; maspalding@dow.com; dow.com.