نکات مهم برای هواکشی تحت خلاء کارا در رانشگرهای دو ماردان

برگردان: مهندس فاطمه خودکار
[email protected]
بسپار- در این مقاله، نکات مفیدی برای بهبود گازگیری یا هواکشی در رانشگرهای دوماردان گزارش شده است. مطالعه ی فرارزدایی (devolatilization) رانشگرها بین حوزه های فیزیک و مهندسی شیمی قرار می گیرد. خوشبختانه نیاز نیست که برای هواکشی خلاء¬دار موفقیت آمیز، محاسبات تقطیر حلال را درک کنید.

چرا باید هواکشی کرد؟
اکثر بسپارها در دمای بیش از °C 100 فرایندکاری می¬شوند. این بدین معنی است که هر گونه رطوبتی در فاز بخار حضور دارد. حضور بخار و اکثر ترکیبات شیمیایی فرار با جرم مولکولی کم نامطلوب است. زیرا آنها می¬توانند موجب اسفنجش و ایجاد نقایص در سطح شوند. هنگامی که بسپار سرد می¬شود، ممکن است حباب¬های گاز بسیار کوچک در قطعه نهایی بدام بیافتد و موجب خواص فیزیکی ضعیفی بشود. ساده¬ترین روش این است که با باز کردن بخش منفذدار در بالای سیلندر رانشگر، بخار از مذاب خارج شود. این هواکشی جوی نامیده می¬شود و بازدهی هواکش می¬تواند از طریق بکارگیری خلاء در بخش منفذدار، افزایش یابد. درستی این مطلب می¬تواند هنگام رانشگری فیلم یا ورق دیده شود. همچنین هنگامی که خواص فیزیکی آزمایش شود، موادی که تحت هواکش خلاء¬دار قرار گرفتند، خواص مکانیکی بهتری نشان می¬دهند.

چگونه هواکش رانشگر دو ماردان کار می¬کند؟
اکثر کاربران فکر می¬کنند که خلاء تنها در طول mm 100 یا در طول ماردان مستقیما زیر بخش منفذدار کار می¬کند. اما در حقیقت، از آن جایی که رانشگر دوماردان، یک وسیله¬ی خوراک¬دهی گرسنه است و به صورت جزئی پرشده عمل می¬کند و خلاء به بخش بسیار بلندتر طول ماردان (از زمان آب¬بندی دینامیکی مذاب (dynamic melt seal) تا هنگامی که ماردان¬ها پیش از تخلیه، پر شده است) دسترسی دارد. در اکثر رانشگرها L/D 10-6 از طول دستگاه است.
از آن¬جایی که رانشگر تنها به طور جزئی پر می¬شود، فشار در این ناحیه صفر است. این دلیلی است که شما می¬توانید بدون آنکه بسپار خارج شود، بخش بالایی را باز کنید.

آب¬بندی دینامیکی مذاب چیست؟
به منظور ایجاد خلاء در هر مجرایی (vessel) باید آن سامانه بسته باشد. در رانشگر، انتهای پایین جریان سیلندر از طریق بسپار خروجی از دای، بسته می¬شود. بالاجریان در طراحی ماردان، روشی برای ایجاد آب¬بندی دینامیکی مذاب است. آب¬بندی دینامیکی مذاب، نوعی از قطعه ماردان است که محدودیت کافی برای آب¬بندی بالاجریان بسپار را ایجاد می¬کند. به خاطر قطعات محدودکننده، ماردان¬ها 100% در این ناحیه پر می¬شوند و اگرچه ماردان¬ها می¬چرخند و بسپار به سمت جلو حرکت می¬کند، یک آب¬بندی دینامیکی مذاب بی منفذ (air-tight) را داریم (شکل 1).

شکل 1: آب¬بندی دینامیکی مذاب، یک سامانه¬ی بسته برای ایجاد خلاء فراهم می¬کند.

قطعات ماردان متنوعی وجود دارند که برای ایجاد آب¬بندی مذاب استفاده می¬شوند. برای مثال آشوبنده¬های °90 (kneaders)، آشوبنده¬ها¬ی °60، حلقه¬های تاول¬دار (blister rings) یا قطعات برگشتی (reversing)، همگی می¬توانند به عنوان آب¬بندی دینامیکی مذاب استفاده شوند.

چگونه رانشگر منفذدار شبیه یک لیوان لیموناد عمل می¬کند؟
از مطالعه¬ی نوشیدنی غیر الکلی تازه ریخته شده (شکل 2) 2 مشکل عمده در هواکشی رانشگر مشخص می¬شود.
1) پس از بازکردن نوشیدنی غیرالکلی و ریختن درون لیوان، گاز CO2 حل شده شروع به تشکیل حباب در سطح و گاز کردن می¬کند. برای خارج شدن کل CO2 از محلول، 2 یا 3 دقیقه یا بیشتر زمان می¬برد. آیا در رانشگر، 3 دقیقه زمان اقامت در ناحیه¬ی منفذدار داریم؟ معمولا نه. در واقع، در اکثر رانشگرها زمان اقامت تحت هواکشی، تنها 15-10 ثانیه است. بنابراین اولین مشکلی که ما داریم زمان اقامت بسیار محدود است.
2) گرفتن حباب¬های CO2 از نوشیدنی غیرالکلی آسان است. حتی بدون همزدن نوشیدنی (آنهایی که ضرورتا آب دارند)، تنها حباب¬های CO2 در سطح خارج می¬شود. حالا یک آمیزه¬ی بسیار گرانرو را در نظر بگیرید. به منظور خارج کردن حباب¬های فرار از آمیزه، شما باید آنها را به سطح مرزی بیاورید. در بسپار گرانرو، شبیه یک لیوان نوشیدنی، ترکیبات فرار به طور خودکار به سطح مهاجرت نمی¬کنند. برای آوردن حباب¬ها به سطح مرزی، نوعی از برهمکنش سیلندر/ماردان برای اعمال نیرو لازم است. بنابراین مشکل دوم این است که چگونه ترکیبات فرار را به سطح مرزی بیاوریم؟

شکل 2: نوشیدنی در حال ریختن، دو مشکل عمده در هواکشی رانشگر را نشان می¬دهد

چرا برخی اوقات منفذها طغیان می¬کنند؟
منفذها به گونه¬ای طراحی شده است که در ناحیه¬ای از رانشگر، جایی که فشار صفر است عمل کند. هرگاه منفذی طغیان کرد، دلیل¬اش همیشه مشابه است: وجود فشار. این ممکن است در محلی موقتی ایجاد شود. اما اگر بسپار وارد منفذ شود شما می¬توانید یقین کنید که فشار در آن ناحیه وجود دارد. در اکثر رانشگرها هنگامی که رانشگر برای اولین بار شروع به کار می¬کند، تمایل به طغیان وجود دارد. دلیل این است که آمیزه در دای و رابط¬ها (adapter) به صورت یک تیکه فلز بسیار گرانرو (Slug) می¬سوزد در حالی¬که رانشگر بیکار نشسته است. هنگامی که رانشگر دوباره شروع به کار می¬کند، آمیزه¬ی جدیدی که به خروجی رابط رسیده، گرانروی کم¬تری دارد و فشار دادن بسپار سوخته به خارج از دای مشکل است. این موجب فشار زیاد و در نتیجه جاری شدن بسپار به درون منفذ می¬شود. پس از یک مدت کوتاه، آمیزه¬ی جدید معمولا با پمپاژ از طریق دای کنترل می¬شود، در نتیجه فشار کاهش می¬یابد و طغیان در منفذ متوقف می¬شود. این یک وضعیت طبیعی است و واقعا هیچ کاری نمی¬توان انجام داد مگر برای حداقل کردن این اثر، روش-های راه¬اندازی و خاموش کردن را پیشرفته کرد.
چنان چه طغیان ادامه داشت، مشکل طراحی فرایند یا ماشین (برای مثال ناحیه سرد) را نشان می¬دهد. اگر مقداری طغیان در منفذ اجتناب¬ناپذیر بود، شما می¬توانید یک سینی آب¬ریز (drool-tray) نصب کنید (شکل 3).

شکل 3: سینی آب¬ریز زاویه¬دار می¬تواند به کنترل طغیان منفذ کمک کند.

رانشگرهای جدید با سینی آب¬ریز زاویه¬دار در دودکش هواکش (Vent Stack) مجهز شده است. این سینی، جریان منفذ را بدون آسیب رساندن به بدنه رانشگر، به درون استوانه متصل می¬ریزد بجای آنکه روی سیلندرها و اتصالات گرمکن بریزد. این نوع سینی معمولا می¬تواند به روز شود. روش دیگر برای تمیز کردن منفذ کثیف، پوشاندن دودکش هواکش در فواصل معین با مواد رهاساز قالب است. با این کار تمیز کردن آمیزه¬ی انجماد یافته آسان¬تر می¬شود.

قطعات ماردان برای هواکشی
شما باید قطعات جلوبرنده¬ی پره¬دار در زیر منفذ و پایین جریان بخش منفذدار استفاده کنید. هر قطعه¬ای که موجب ایجاد فشار ناحیه¬ای شود، موجب طغیان خواهد شد. قطعات پره¬دار با گام زیاد به طور سنتی در زیر منفذ استفاده می-شوند تا در نتیجه¬ی میزان پرشدگی کم ماردان، منفذ تمیز نگهداشته شود. قطعات پره¬دار با گام کوتاه¬تر اغلب بهتر عمل می¬کنند. زیرا زمان اقامت و خصوصیات تجدید سطح (surface renewal) زیر منفذ را افزایش می¬دهند. این نکته به ویژه برای مواد با گرانروی کم درست است.

قطعات سامانه¬ی خلاء- دودکش هواکش
اتصالات داخلی لوله (Interconnection piping)- این می¬تواند در برخی موارد به گرمایش طول لوله از دودکش هواکش تا دیگ Knock-out pot و جلوگیری از انجماد مذاب و در نتیجه انسداد لوله کمک ¬کند. به طور مطلوب اگر لوله به طرف پایین دیگ Knock-out نصب شود، لوله گرم شده می¬تواند خودتمیزشونده نیز باشد و در نتیجه مذاب به آسانی از طریق ثقل به درون دیگ جریان یابد.
دیگ Knock-out – به عنوان یک قانون، اولین مجرای بخار هواکش پس از ترک هواکش رانشگر روبرو می¬شود با اکثر جامداتی که جمع خواهد شد (همراه با مقادیر کوچک مایعات در برخی موارد). دیگ Knock-out دو محفظه-ای با موانع (baffles) داخلی، ایده¬آل است (شکل 4). موانع موجب می¬شود هرگونه مواد جامد در جریان بخار در نقطه-ای که آنها به انتهای مجرا می¬چکند، مجبور به توقف و تغییر جهت شوند.

شکل 4: دیگ Knock-out دو محفظه¬ای برای جمع¬آوری جامدات

چگالنده مایع (Liquid condenser)- چگالنده مایع (شکل 5) هنگامی نیاز است که انتظار می¬رود مقدار معینی بخار مایع در بخار هواکش وجود دارد، به ویژه اگر مایع برای پمپاژ یا محیط زیست سمی باشد. معمولا چگالنده از طریق آب سرد، سرد می¬شود. در اکثر موارد، آب سردتر، چگالنده موثرتری دارد. وابسته به اینکه چگونه مایع خالی خواهد شد، چندین طراحی برای محفظه وجود دارد. برخی مایعات با گرانروی کم از طریق باز کردن شیر انتهایی، به آسانی از محفظه تخلیه می¬شوند. برخی مایعات ژل شده به مجرایی باز نیاز دارند که به طور دستی با زداینده (Scraper) تمیز شود. برای همین مهم است که پیش از طراحی سامانه، نوع مواد باقیمانده را بدانید.

شکل 5: چگالنده مایع
صافی خشک (Dry filter)- وابسته به نوع پمپ خلاء و چگونه بودن ذرات جامد باقیمانده در بخار هواکش، صافی خشک ممکن است نیاز باشد یا نیاز نباشد. چنان چه ذرات بتوانند به پمپ آسیب برسانند، صافی مذاب به عنوان آخرین خط مدافع نیاز است. صافی خشک یک قطعه صافی درون محفظه ورق فلزی با گیره¬های سریع بازشو برای قادر ساختن تعویض آسان قطعه صافی است. قطعات صافی معمولا پلی¬استر هستند اما از مواد دیگر نیز موجود است.

پمپ خلاء چه اندازه¬ای نیاز است؟
اشتباهات زیادی در مورد اندازه¬ی درست برای پمپ¬های خلاء وجود دارد. زیرا هیچ محاسباتی برای تعیین اینکه چه اندازه¬ای برای هر رانشگر درست است وجود ندارد. برای مثال پمپ خلاء HP 1 می¬تواند 2/28 اینچ جیوه (955/0 بار) فشار ایجاد کند. همچنین پمپ HP 100 همان خلاء را ایجاد می¬کند. تفاوت چیست؟ پمپ با قدرت بیشتر تنها ظرفیت حجمی پمپاژ بزرگ¬تری دارد. در اکثر کاربردهای هواکشی رانشگر به جز ظرفیت معین، مقدار HP/CFM بیشتر مزیت نیست. زیرا پمپ، خلائی را که در یک سامانه بسته ضروری است ایجاد می¬کند. زیرا آب¬بندی دینامیکی مذاب که در بالا اشاره شد و فضای محدودی که پمپ، خلاء را ایجاد می¬کند معادل پمپی است که خلاء را در سبد 5 گالونی ایجاد می¬کند.
در جدول 1، مزایا و معایب انواع پمپ خلاء بکار رفته برای هواکشی رانشگر و در جدول 2، اندازه¬ی پمپ پیشنهاد شده توسط شرکت Leistritz برای رانشگرها آورده شده است.

جدول 1- انواع پمپ خلاء بکار رفته برای هواکشی رانشگر
نوع پمپ مزایا معایب
حلقه آبی با تخلیه برای زهکشی
(Water ring, with discharge to drain) ساده، قوی، قابل اعتماد، ارزان * استفاده از آب زیاد،
* پساب آلوده که امروزه امکان تخلیه به اکثر جاها را ندارد.
حلقه آبی با سامانه¬ی گردش آب قوی، قابل اعتماد * تعمیر و نگهداری سامانه گردش زیاد است، به علاوه هنوز پساب تولید می¬کند.
گردش روغن (Oil recirculating) ساده، نسبتا قابل اعتماد * به تعمیر و نگهداری نیاز دارد.
* ضایعات روغن ایجاد می¬کند که به دفع دوره¬ای نیاز دارد.
پره چرخان خشک (dry rotary vane) ارزان، ساده برای بازسازی
این پمپ¬ها معمولا در انبار بسیاری از تامین-کنندگان موجود است. * تنها برای رانشگرهای کوچک¬تر
* قوی نیست و به محافظت بیشتر بالا جریان نیاز است.
* سر وصدای نسبتا بیشتری دارد.
پره چرخان روغن روان¬کاری نسبتا ارزان، خلاء عمیق¬تری را نسبت به سایر پمپ¬های تک مرحله¬ای ایجاد می¬کند. * قوی نیست. به محافظت بالا جریان کارایی نیاز دارد.
چنگال چرخان خشک (dry rotary claw) گران¬تر، اما به خوبی کار می¬کند. * نیاز به چرخه¬های راه اندازی و تخلیه بعد از خاموشی خودکار دارد.
* به محافظت بالا جریان کارایی نیاز دارد.

جدول2- اندازه¬ی پمپ خلاء پیشنهاد شده توسط شرکت Leistritz
اندازه رانشگر HP پمپ CFM در فشار 20 اینچ جیوه
mm 27/18 1 11
برونداد زیاد mm 27، mm 34 5/1 16
mm 40 2 21
mm 60/50 3 33
mm 75 5 76
mm 110/90 5 76
mm 140 5/7 100

آیا باید پمپ خلاء بسیار عمیق دو مرحله¬ای خرید؟
در 98% موارد جواب منفی است. برخی مردم روی این متمرکز می¬شوند که پمپ بتواند به 941/0 یا 955/0 بار برسد. برای اکثر فرایندکاری¬ها، اختلاف در خواص نهایی مواد قابل اندازه¬گیری نیست. هر پمپی با بیش از 9/0 بار، خلاء بسیار زیادی ایجاد می¬کند. تنها استثناء ممکن است فرایندکارانی باشند که از منفذها برای فرایندکاری پلی¬استر خشک نشده استفاده می¬کنند. در این مورد خاص، افزایش کوچک در میزان خلاء از یک پمپ دو مرحله¬ای ممکن است که سرمایه¬گذاری با ارزشی باشد.

فنون و اجزای هواکش خلاء
Vent stuffer: این یک وسیله با ماردان¬های همسوگرد متداخل است که به علت سرعت هواکشی زیاد، موادی که ممکن است از رانشگر خارج شود را فشار می¬دهد. بخاطر هزینه¬ی نسبتا زیاد آن، معمولا Vent stuffer استفاده نمی-شود مگر واقعا راه دیگری برای جلوگیری از ورود جریان به درون منفذ وجود نداشته باشد. اما این سامانه بخوبی کار می¬کند و در مواردی، برونداد بیشتر از طریق Vent stuffer امکان پذیر است. چنان چه میزان رطوبت زیاد برای فراورش ذاتی باشد (برای مثال هنگام فرایندکاری ترکیبی از الیاف-چوب خشک نشده)، سیلندر برای Vent stuffer می¬تواند با زهکشی طراحی شود.
موقعیت منفذ: سی سال پیش، در اکثر رانشگرهای دوماردان، بخش منفذ در حدود D6 از خروجی توپی (Flange) قرار داشت. اما امروزه اکثر رانشگرها با فشار دای psi 1200-800 رانشگری می¬کنند تا موجب شوند اجزای ماردان انتهایی کاملا پر شود. برخی اوقات D6 از پشت خروجی، محل بهینه¬ای برای گذاشتن منفذ نیست. زیرا طول دسترسی به منفذ بسیار کوتاه است. اغلب D10 از پشت خروجی، دسترسی بیشتر، زمان اقامت بیشتر و بازدهی کلی بیشتر هواکش را فراهم می¬کند.
چندین هواکش: این آرایش نیز کار می¬کند اما مجدد بخاطر هزینه¬های اضافی انجام نمی¬شود مگر اینکه مزیت بزرگی داشته باشد. با افزودن هر مرحله هواکشی، L/D کلی رانشگر باید بزرگ¬تر شود. L/D 60 برای اکثر رانشگرهای دوماردان همسوگر متداخل محدودیت عملی دارد.
اگر هواکشی برای فرایندکاری ضروری باشد، افزودن تراگردان (transducer) خلاء¬دار برای لوله¬ی هواکشی را در نظر بگیرید. تراگردان می¬تواند همراه با سامانه¬ی کنترلی PLC برای جمع¬آوری داده¬ها و هشدار به کاربر برای وجود نقص استفاده شود.
به کاربر خود آموزش دهید که تنها از زداینده¬های چوبی هنگام تمیزکاری داخل/دودکش هواکش رانشگر استفاده کند. ماردان¬ها، شفت¬ها و حتی جعبه دنده¬ها ممکن است توسط کاربران هنگام تمیزکاری هواکش با پیچ¬گوشتی یا کاردک برنجی با چرخش ماردان شکسته شوند.
چنان چه شما باید محفظه هواکش را ببینید، از چراغ قوه و آینه متصل به پایه استفاده کنید. این کار از تنفس در بخارات سمی و سوختگی جلوگیری می¬کند.

بهینه¬سازی شرایط برای هواکشی
عواملی وجود دارد که بر بازدهی فرارزدایی تاثیر می¬گذارد:
• گرانروی مذاب کم¬تر بهتر از بیشتر است (به همان خاطر لیوان نوشیدنی)
• میزان پرشدگی کم¬تر بهتر از بیشتر است.
• دمای مذاب بیشتر بهتر است.
• RPM ماردان بیشتر بهتر از RPM کم¬تر است.
• مواد با گرانروی کم¬تر ممکن است برای مقدار خلاء کم¬تر نیاز باشد.
• زمان اقامت بیشتر تحت هواکشی، فرارزدایی کامل¬تری فراهم می¬کند. اگرچه اکسیژن، برش، زمان و دما می¬تواند موجب تخریب و واکنش¬های جانبی شود.
• سرعت بیشتر برای تجدید سطح بهتر است. تجدید سطوح از طریق چندبار غلتیدن (rolling pools) و کانال-های ماردان که به طور جزئی پر شده است، ایجاد می¬شود.
• حباب¬ها کلیدی هستند: هسته¬زایی، رشد و گسیختگی (rupture). در برخی فرایندکاری¬ها عوامل نوارشدن (stripping agents) می¬تواند برای تسهیل تشکیل حباب تزریق شود.
منبع:
Top tips for effective vacuum venting of twin-screw extruders, compounding world, September 2014.