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. DEMANDE DE BREVET D'INVENTION la Société dite : COSDEN TECHNOLOGY INC. pour CHANGEUR DE CHALEUR UTILISE LORS DE L'EXTRUSION DE COMPOSITIONS THERMOPLASTIQUES.
Inventeurs : MMs Granville J. HAHN, Raleigh N. RUTLEDGE, Alonzo H. SEARL et Walter E. SOMMERMAN.
Priorité d'une demande de brevet déposée aux Etats-Unis d'Amérique le 13 septembre 1982 sous le numéro 416.811, au nom des inventeurs ci-dessus, dont la Demanderesse est l'ayant-droit.
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ECHANGEUR DE CHALEUR UTILISE LORS DE L'EXTRUSION
DE COMPOSITIONS THERMOPLASTIQUES.
La présente invention se rapporte à un échangeur de chaleur utilisé lors de l'extrusion de compositions thermoplastiques, notamment de mousses de compositions thermoplastiques. L'échangeur de chaleur décrit convient pour extruder des compositions contenant une majeure partie d'au moins une résine thermoplastique qui est soit de nature amorphe, soit de nature cristalline.
Selon les procédés conventionnels utilisés dans l'industrie des plastiques pour l'extrusion de compositions thermoplastiques, on introduit des billes ou des granules d'au moins une résine thermoplastique et divers additifs dans la zone d'alimentation d'une extrudeuse à vis. Dans cette extrudeuse, on chauffe et on mélange la résine thermoplastique et les additifs pour former une composition pratiquement homogène, continue, fluide et qui est poussée par la vis à travers la filière d'extrusion pour donner un produit ayant la forme et les dimensions désirées.
Lorsque la composition thermoplastique traverse l'extrudeuse, sa température s'accroît fortement à cause de la combinaison des forces de compression et de cisaillement qui sont appliquées au matériau par l'intermédiaire de la vis en rotation de l'extrudeuse. Pour une extrudeuse donnée, l'importance de l'accroissement de
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température varie selon la vitesse de rotation de la vis de l'extrudeuse et selon les propriétés de cisaillement de la résine thermoplastique particulière qui est traitée. Bien que de la chaleur soit souhaitable et nécessaire pour obtenir une extrusion satisfaisante, il faut enlever l'excès de chaleur du matériau sortant de l'extrudeuse de manière à maintenir la forme et l'intégrité du produit extrudé.
Généralement, cela est réalisé en faisant passer le produit extrudé, dans certains cas à plus faible vitesse, sur des rouleaux refroidisseurs ou dans des cuves de refroidissement situées en aval de la filière d'extrusion.
Du fait que la température du produit extrudé sortant de la filière d'extrusion est proportionnelle à la vitesse de rotation de la vis de l'extrudeuse lorsqu'elle fonctionne dans des conditions normales (notamment, un accroissement de production requiert une température plus élevée), les lignes d'extrusion conventionnelles ont été limitées du point de vue débit de production, par la capacité du dispositif de refroidissement situé en aval de la filière d'extrusion. Même si la capacité de ce dispositif de refroidissement est adéquate, le produit extrudé peut subir un choc thermique si on réduit sa température trop rapidement sur un important gradient de température, ce qui affecterait défavorablement ses propriétés mécaniques.
On a d'autre part rencontré des problèmes particuliers lors de l'extrusion de compositions de mousses thermoplastiques. Les extrudeuses pour compositions de mousses thermoplastiques fonctionnent généralement à des pressions élevées pour maintenir l'agent gonflant condensé jusqu'au moment où la composition sort de la filière d'extrusion. Si la température du produit expansé qui sort de la filière d'extrusion est nettement plus
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élevée que celle requise pour obtenir une extrusion satisfaisante, l'agent gonflant peut causer une surexpansion une fois la pression relâchée, et il en résulte une rupture des cellules ainsi qu'une perte de la stabilité dimensionnelle et de l'intégrité de la composition. Si la température est trop basse, l'expansion sera incomplète et on n'obtiendra que de piètres propriétés du point de vue densité.
Pour certains polymères, comme le poly- éthylène, la tolérance de température est seulement d'environ 1 C.
De plus, le problème n'est pas seulement d'obtenir une température absolue spécifique, mais une température uniforme. S'il existe des gradients de température dans la masse de polymère, il se produit une expansion inégale, causant de nouveau une rupture des cellules et de piètres valeurs de densité. A des débits élevés, les gradients de température apparaissent plus fréquemment.
Par conséquent, lors de l'extrusion de produits expansés, il est très difficile d'obtenir un accroissement du débit de production pour une ligne d'extrusion, sans provoquer une détérioration des propriétés physiques du produit résultant, comme par exemple la dimension, l'uniformité et l'intégrité des cellules, et la densité du polymère expansé. De plus, ces problèmes sont encore plus prononcés lorsque l'on incorpore divers additifs dans le produit expansé, comme par exemple un agent ignifugeant.
On a déjà proposé diverses solutions dans le passé pour résoudre ces problèmes. Par exemple, on peut utiliser deux vis d'extrusion séparées reliées en série. Dans cette conception, la vis de la seconde extrudeuse agit simplement pour envoyer la composition thermoplastique à travers l'ex- trudeuse qui est munie d'une double enveloppe et qui est refroidie par cir-
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culation d'un fluide de refroidissement. Cependant, l'utilisation d'une seconde extrudeuse de cette capacité est très coûteuse, aussi bien du point de vue équipement que du point de vue énergétique, et ne paraît pas être une méthode efficace pour refroidir un produit expansé. Des gradients de température apparaissent alors dans cette seconde extrudeuse parce que la chaleur est dégagée à la vis, tandis que le refroidissement est appliqué de l'extérieur.
De plus, à cause des pressions élevées utilisées lors de l'extrusion de mousses, on rencontre souvent des problèmes avec les joints arrières de la seconde vis d'extrudeuse. Un défaut des joints arrières peut entraîner des dommages à l'engrenage à cause du polymère qui s'échappe, ainsi que des fuites indésirables d'agent gonflant.
Une autre solution consiste à diminuer la vitesse de rotation de la vis d'extrusion, nais cette solution représente l'antithèse d'un accroissement du débit de production.
D'autres solutions consistent à inclure des dispositifs de refroidissement soit dans la partie située en aval de l'extrudeuse, soit conjointement avec la filière d'extrusion elle-même. Cependant, ces types de filières sont très coûteux, et comme ils ne comportent pas d'éléments d'échange de chaleur efficaces, ils ne permettent pas d'obtenir un accroissement significatif du débit de production.
On peut encore augmenter la capacité du dispositif de refroidissement situé en aval de la filière d'extrusion. Cependant, cela donne lieu à des problèmes de choc thermique, comme mentionné ci-dessus, et de plus le refroidissement le plus essentiel est requis en amont de l'orifice de la fil filière afin que la résine puisse être extrudée dans l'intervalle de tempéra-
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ture requis. Ceci est essentiel quand on extrude de la mousse.
D'autres tentatives ont été faites pour interposer un dispositif de refroidissement entre l'extrudeuse et la filière d'extrusion. Ces efforts ont en fait permis d'améliorer le transfert de chaleur total ou la capacité de refroidissement de la ligne d'extrusion. Cependant, ils n'ont pas permis de résoudre le problème d'u niformité de température, comme montré, par exemple, parla nécessité d'introduire un dispositif de mélange supplémentaire après l'échangeur de chaleur ou le dispositif de refroidissement.
De plus, bien que l'on soit parvenu à augmenter le débit de production à l'aide de ces premières mesures, il n'a pas été possible de dépasser un certain niveau tout en maintenant un produit expansé ayant les propriétés physiques requises.
On voit donc que, pour l'extrusion de compositions thermoplastiques, il serait nécessaire de disposer d'une technique qui permette un accroissement du débit de production de l'extrudeuse tout en ne détériorant pas les propriétés physiques du produit extrudé. En particulier, il est souhaitable de disposer d'une technique pour extruder des compositions de mousses thermoplastiques, à des débits de production plus élevés et ayant d'excellentes propriétés physiques.
De préférence, on devrait atteindre ce but en utilisant une extrudeuse à simple vis.,
La présente invention a pour objet un appareil amélioré pour l'extrusion de résines thermoplastiques, et notamment un échangeur de chaleur qui permet : - d'accroître sensiblement les débits de résine dans une ligne d'extrusion, ne comportant de préférence qu'une seule extrudeuse à vis ;
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- d'obtenir des produits extrudés ayant d'excellentes propriétés physiques ; - de réaliser des économies d'énergie, pouvant dépasser 30%.
A cet effet, le dispositif d'échange thermique pour contrôler la température d'une résine quittant une extrudeuse et avant son passage dans une filière d'extrusion, comprend : - un échangeur de chaleur avec une entrée et une sortie pour une résine ex- trudée, plastifiée à chaud, et une entrée et une sortie pour un agent d'échange thermique circulant en relation d'échange thermique avec la ré- sine extrudée ; - un réchauffeur sélectif recevant le produit d'échange thermique provenant de l'échangeur de chaleur, ce réchauffeur portant l'agent d'échange ther- mique à une température déterminée pendant la phase de démarrage du dis- positif d'échange thermique ;
- un refroidisseur conçu pour recevoir une partie de l'agent d'échange ther- mique provenant du réchauffeur, ce refroidisseur comportant une entrée et une sortie pour cet agent d'échange thermique, ainsi qu'une entrée et une sortie pour un agent de refroidissement circulant en relation d'échange thermique avec cet agent d'échange thermique ; - un dispositif de contrôle interposé entre le réchauffeur et le refroidis- seur pour diriger sélectivement une partie de l'agent d'échange thermique vers le refroidisseur en réponse à une condition de température déterminée et pour diriger le reste de cet agent vers l'échangeur de chaleur ; et - une pompe pour faire circuler l'agent d'échange thermique entre l'échangeur de chaleur, le réchauffeur, le refroidisseur et le dispositif de contrôle.
D'après un mode d'exécution de l'invention, le dispositif d'échange
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thermique consiste en un coffre, qui peut être portable, et qui contient tout l'équipement nécessaire, ainsi qu'une entrée et une sortie pour l'agent de refroidissement et une entrée et une sortie avec connections à la filière d'extrusion.
Les caractéristiques et avantages de l'invention ressortiront de la description de modes d'exécution, donnés à titre d'illustration et ne comportant aucun caractère limitatif. Pour cette description, on se réfère aux dessins annexés qui montrent respectivement : Fig. l : une vue en perspective simplifiée d'un appareil pour extruder des compositions thermoplastiques sous forme de mousse ; Fig. 2 : une vue en perspective de l'échangeur de chaleur pour contrôle exact de la température ; Fig. 3 : une vue schématique de l'arrangement et des relations entre les divers composants de l'appareil ; Fig. 4 : une vue en élévation longitudinale, agrandie, de l'échangeur de chaleur du dispositif de refroidissement, suivant la ligne 4-4 de la Figure 1 ; Fig. 5 : une vue en élévation transversale, agrandie, de cet échangeur, sui- vant la ligne 5-5 de la Figure 1 ;
Fig. 6 : une vue en élévation, agrandie, d'une tuyère de sortie à l'échangeur représenté aux Figures 1 et 4-6 ; Fig. 7 : une vue en élévation, agrandie, d'une tuyère d'entrée de cet échan- geur ; Fig. 8 : une vue en élévation longitudinale d'un autre mode d'exécution de l'échangeur de chaleur du dispositif de refroidissement de l'inven-
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tion ; Fig. 9 : une vue en élévation longitudinale d'une partie de plaque tubulaire de l'échangeur représenté à la Figure 8 ; Fig. 10 : une vue en élévation transversale de l'extrémité d'entrée de l'échan- geur représenté à la Figure 8 ; Fig. ll : une vue en élévation transversale de l'extrémité d'entrée de la par- tie de plaque tubulaire de l'échangeur représenté à la Figure 8 ; Fig. 12 : idem que la Figure 10 pour l'extrémité de sortie ;
Fig. 13 : idem que la Figure 11 pour l'extrémité de sortie ; Fig. 14 : une vue en élévation, agrandie de l'assemblage de valve d'entrée de l'échangeur représenté à la Figure 8 ; Fig. 15 : une vue en élévation transversale et isolée d'une plaque d'entrée, pouvant être utilisée dans un mode d'exécution de l'échangeur de chaleur du type représenté à la Figure 8 ; et Fig. 16 : une vue schématique de l'échangeur, illustré sous sa forme de coffre.
Si on se réfère à la Figure 1, on voit un mode d'exécution de l'invention sous forme d'un ensemble comprenant une extrudeuse 2, un échangeur de chaleur ou plus simplement un dispositif de refroidissement 10 et une filière d'extrusion 70, en tant qu'éléments principaux. Ces éléments sont placés et installés de telle sorte que l'orifice d'entrée 14 du dispositif de refroidissement 10 communique avec l'orifice de sortie 6 de l'extrudeuse 2, et la filière d'extrusion 70 communique avec l'orifice de sortie 16 du dispositif de refroidissement 10. Dans cette figure, on a représenté un tube extrudé 74 sortant de l'orifice 72 de la filière d'extrusion. Sur le dessin, une partie de l'extrudeuse 2 a été enlevée pour montrer le tambour 4
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contenant une simple vis d'extrusion 8 tournant autour de son axe longitudinal.
On introduit la matière thermoplastique dans l'extrudeuse 2 par l'orifice d'alimentation 5. Quand on veut produire des mousses thermoplastiques, on introduit un agent gonflant par l'orifice 7 dans le tambour 4 autour de la vis d'extrusion 8. L'extrudeuse 2 est du type classique, à vis, à un étage, avec entraînement par moteur.
La Figure 2 est une vue schématique, détaillée, de l'échangeur de chaleur ou dispositif de refroidissement 10, suivant l'invention. Ce dispositif de refroidissement 10 comprend un échangeur de chaleur 12 pour résine, comprenant un orifice d'entrée 14 en aval et près de l'extrudeuse 2 ainsi qu'un orifice de sortie 16 reliant l'extrudeuse 2 à la filière d'extrusion 70. Le dispositif de refroidissement 10 comprend de plus un réchauffeur 20 et un refroidisseur 22, pour réglage de la température de l'agent d'échange circulant dans l'échangeur 12. Cet agent d'échange peut être tout liquide approprié dont le point d'ébullition est supérieur au point de fusion de la résine chaude introduite dans l'échangeur. On utilise avantageusement l'huile Thermanol 55 (produit vendu par Monsanto).
Le réchauffeur 20 sert à chauffer l'huile lors du démarrage, afin de faire fondre toute résine résiduaire, solide, d'une opération précédente, ainsi que pendant les périodes où la température de la résine sortant par l'orifice 16 est trop basse. Le réchauffeur 20 chauffe l'huile qui est renvoyée à l'échangeur 12, de sorte que le transfert de chaleur entre la résine froide et l'huile est accru, du fait que l'huile est plus chaude. Il en résulte que la température de la résine est augmentée jusqu'à la température pré-déterminée. Quant au refroi- disseur 22, il opère à l'inverse du réchauffeur, c'est-à-dire qu'il fournit
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de l'huile plus froide, d'où baisse de la température de la résine à l'orifice de sortie 16.
Un instrument 18 de contrôle de la température d'huile (indiqué à la Figure 3) permet de régler la température du système.
La Figure 3 illustre aussi, schématiquement, l'arrangement du dispositif de refroidissement 10. Au démarrage, l'instrument 18 de contrôle de la température agit sur le réchauffeur 20 en établissant un voltage suffisant pour que l'huile soit à température telle qu'il y ait fusion de toute résine solidifiée restant dans l'échangeur de chaleur après une opération précédente. L'huile est envoyée par la pompe 24, commandée par le moteur 26, à travers l'échangeur et elle sort par la conduite 28 vers la connection en T 30. A cette connection 30, l'huile est séparée : la majeure partie de cette huile est envoyée parpompe et par la conduite 32 vers l'échangeur 12, tandis que l'autre partie est envoyée par pompe et par la conduite 34 vers la filière d'extrusion 70, qui est ainsi chauffée à température suffisante pour faire fondre toute résine résiduelle.
Inversement, si la filière doit être à température plus élevée, cette filière peut être by-passée par l'huile et, dans ce cas, on chauffe à l'électricité. La répartition par la connection en T 30 varie en fonction des conditions opératoires ; cependant, en régime normal, environ 90% ou même plus de l'huile chaude retourne à l'échangeur de chaleur par la conduite 32, tandis que le reste de l'huile va à la filière d'extrusion 70. Le passage d'un faible courant d'huile à la filière n'est qu'un exemple.
Ce faible courant peut être coupé, de sorte que toute l'huile va à l'échangeur par la conduite 32, il peut être utilisé pour des besoins externes, par exemple des pompes à pression, ou on peut l'envoyer à l'échan- geur par une autre conduite, d'où deux orifices d'entrée dans l'échangeur,
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comme cela sera expliqué ci-après. Cependant, dans un but d'illustration, la conduite est, dans le cas présent, reliée à la filière, d'extrusion. Comme montré à la Figure 3, la conduite 34 et la conduite de retour 50 de la tuyère d'extrusion peuvent être équipées de vannes 33 et 35, qui permettent de couper le passage par la conduite 34 vers la filière d'extrusion 70, quand c'est nécessaire. Grâce à ces vannes, on peut effectuer la séparation sans qu'il soit nécessaire de purger tout le système.
L'huile chaude est envoyée par pompe dans l'échangeur de chaleur 12 où elle échange de la chaleur avec la résine. L'huile s'écoule avantageusement en contre-courant par rapport à la résine, ce qui améliore le transfert de chaleur. La résine fond et s'écoule dans l'échangeur 12 vers la filière d'extrusion 70. L'huile chaude, ayant transféré sa chaleur à la résine froide, quitte l'échangeur 12 par la conduite 36 et elle est donc refroidie. Elle retourne au réchauffeur 20, où elle est à nouveau chauffée, et le cycle recommence.
Dès que la résine s'écoule normalement, le réglage par l'instrument 18 de contrôle de température peut être moins strict et la production en continu peut s'établir.
A ce moment, le moyen de refroidissement 10 agit pour enlever de la chaleur à la résine chaude sortant de l'extrudeuse 2 et pour am ener cette résine à une température pré-déterminée. Quand la résine chaude commence à s'écouler dans l'échangeur 12, les indicateurs de température signalent toute augmentation de température de la résine fondue et, dans ce cas, l'instrument de contrôle de température d'huile 18 coupe le réchauffeur. Le dispositif de refroidissement 10 entre en action pour fournir de l'huile plus froide à
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l'échangeur 12.
D'après le cycle d'écoulement de l'huile, l'huile chaude sort de l'échangeur 12 par la conduite 36 près de l'extrémité d'entrée 14. L'huile, par passage en contre-courant dans l'échangeur, a agi en tant que capteur de chaleur pour enlever des calories à la résine fondue, qui est source de chaleur, et par conséquent la température de l'huile a augmenté. L'huile chaude est alors envoyée par la conduite 36, via la pompe 24, au réchauf- feur 20. Le passage dans la conduite 36 provoque déjà un certain échange thermique entre l'huile chaude et l'atmosphère ambiante.
L'huile pouvant avoir une température de l'ordre de plusieurs centaines de degrés Celsius, alors que l'atmosphère ambiante est à une température de l'ordre de 10 à 40 C, l'échange thermique peut intervenir pour enlever environ 90 à 95% du total de calories à éliminer.
Comme mentionné ci-dessus, le réchauffeur 20 a été coupé. Cependant, le passage à travers ce réchauffeur protège l'huile contre tout choc thermique, grâce à la chaleur restant dans le réchauffeur. L'huile, partiellement refroidie par échange avec l'atmosphère ambiante, sort du réchauffeur 20 et va vers la seconde connection en T 38. Le courant d'huile est séparé : une petite quantité va par la conduite 40 vers le refroidisseur d'huile 22, tandis que la majeure partie va par la conduite 28 vers la connection en T 30, où l'huile est séparée, comme expliqué ci-dessus, la majeure partie retournant à l'échangeur 12. La proportion relative d'huile qu'on laisse passer vers le refroidisseur 22 est déterminée par la vanne solenoide 42, en fonction de signaux provenant de l'instrument 18 de con- trôle de température d'huile.
Les proportions relatives dépendent des
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conditions opératoires ; cependant, la quantité d'huile allant par la conduite 28 vers l'échangeur 12 varie de 80 à 95% environ et elle est de préférence d'au moins 90%. Cela signifie que la source externe de refroidissement, par exemple une source d'eau froide venant du refroidisseur 22, ne doit supporter qu'une faible charge. Une vanne de limitation 41, placée près de la vanne à solénoïde 42, agit en limitant l'écoulement d'huile par la conduite 40, qui serait provoqué par une montée en pression dans la conduite 28.
L'huile quittant la connection en T 38 par la conduite 28 va vers la connection en T 30. La vanne à pression 43, placée dans la conduite 28, règle la quantité d'huile retournant par cette conduite vers l'échangeur 12 et la filière d'extrusion 70. La séparation à la connection en T 30 a été décrite ci-dessus ; la différence entre la fonction de refroidissement et celle de chauffage réside dans le fait que l'huile agit comme agent de refroidissement pendant le cycle présent, tandis qu'elle agit, lors du démarrage, comme agent de chauffage pour faire fondre la résine et assurer son écoulement dans la filière d'extrusion et l'échangeur de chaleur. A partir de la connection en T 30, la majeure partie de l'huile passe à travers la conduite 32 vers l'échangeur 12.
D'après un mode d'exécution de l'invention, dont il sera discuté ci-après au sujet de la Figure 4, l'huile est introduite dans deux chambres différentes de l'échangeur 12, respectivement par les conduites 32 et 33. Comme indiqué ci-dessus, la conduite 33 correspond à la conduite 34 des Figures 2 et 3, qui assure la liaison avec la filière d'extrusion. Dans le mode d'exécution actuellement décrit, la conduite est enlevée de la filière d'extrusion et est reliée directement à l'échangeur pour fournir deux écoulements individuels d'huile vers cet échangeur. Le
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courant d'huile, lors de son entrée dans l'échangeur de chaleur 12, a traversé le cycle chauffage-refroidissement, passant d'une huile chaude, sortant de l'échangeur à l'orifice d'entrée de résine 14, à une huile froide, à l'orifice de sortie de résine 16.
La majeure partie du refroidissement pendant le cycle a lieu par échange de chaleur entre l'huile et l'air ambiant.
En se référant à nouveau à la connection en T 38 située à la sortie du réchauffeur 20, la quantité moindre du courant d'huile chaud va, par la conduite 40 et la vanne à solénoïde 42, vers le refroidisseur d'huile z L'huile chaude y circule en contre-courant de l'agent d'échange plus froid.
On peut utiliser tout agent d'échange adéquat, en particulier l'eau. L'agent d'échange entre dans le refroidisseur d'huile 22 parla conduite 44 à une température inférieure à celle de l'huile chaude et absorbe des calories à cette huile. Il est ensuite envoyé par la conduite 46 à un dispositif de refroidissement, par exemple une tour de refroidissement (non représentée).
L'huile ainsi refroidie sort du refroidisseur par la conduite 48 et on la réunit avec l'huile revenant de la filière d'extrusion 70 par la conduite 50, ce qui donne le courant 52 d'huile de refroidissement. L'huile envoyée à la filière d'extrusion 70 permet de contrôler la température de cette filière, en évitant tout accroissement de température dû au procédé d'extrusion.
Du fait que le courant d'huile retournant de la filière d'extrusion est faible en comparaison du reste du courant d'huile, et que la température de la résine fondue est plus basse à la filière d'extrusion que celle de la résine fondue lors de son passage dans l'échangeur de chaleur, et aussi grâce à l'échange thermique huile-air ambiant, l'introduction de l'huile de retour par la conduite 50 n'affecte pas sensiblement la température de l'huile re-
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froidie sortant du refroidisseur d'huile par la conduite 48.
Le courant d'huile 52 va à la connection en T 54 où il est réuni à l'huile chaude de la conduite 36, d'où refroidissement de cette huile chaude.
Le courant combiné 36 est ensuite renvoyé, par la vanne 58 et la pompe 24, vers le réchauffeur et le cycle recommence.
Le réservoir à huile 60 fournit de l'huile additionnelle quand cela est nécessaire, par exemple quand il y a perte d'huile par suite de fuite ou lorsqu'il faut refroidir davantage l'huile chaude venant de l'échangeur.
De plus, la vanne 62 de relâchement de pression agit quand il se produit une montée en pression dans le système. Cela peut se produire au moment du démarrage, quand la fusion de la résine froide provoque une élévation de pression d'huile. Le système fonctionne normalement à des pressions
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2 2 d'huile de 4-5, 5 environ, mais la pression peut atteindre 6 au démarrage. Ces valeurs varient en fonction du type de matière à extruder ainsi que de l'agent de refroidissement utilisé. La pression de la résine fondue à l'entrée peut atteindre 350 kg/cm au démarrage. Si la pression dépasse cette valeur, on élève la température de l'huile à l'Åaide de l'instrument 18 de contrôle de température d'huile.
Dès que le procédé est devenu thermiquement stable, le dispositif de refroidissement 10 agit pour contrôler la température de la résine fondue sortante dans des limites très étroites, définies. Par exemple, si la résine fondue sortant de l'échangeur 12 est à une température trop élevée, l'instrument 18 de contrôle de la température d'huile entre en action, ce qui fournit plus d'huile de refroidissement. Cet instrument 18 agit sur la vanne à solé- noïde 42 pour permettre l'introduction d'une plus grande quantité d'huile
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dans le refroidisseur à huile 22. L'huile retourne ensuite à l'échangeur 12 pour augmenter la capacité de transfert thermique de cet échangeur à l'aide de l'huile plus froide.
Dans le cas opposé, où la résine sortant de l'échangeur 12 par l'orifice 16 est plus froide que prévu, l'instrument 18 de contrôle de température d'huile agit sur la vanne à solénoïde 42 pour réduire le débit dans le refroidisseur 22, d'où réduction de la capacité d'échange thermique dans l'échangeur et accroissement de la température de la résine. La température de l'huile est contrôlée continuellement en des endroits de vérification (non représentés).
Ce système permet l'établissement d'une température pratiquement uniforme de la résine fondue, avec une exactitude d'environ 1 C. Ce contrôle assure aussi un gradient de température constant à travers cette résine fondue. La stabilité dimensionnelle du produit moulé est améliorée et, en cas de produit en mousse, les dimensions des cellules sont plus petites.
La quantité de chaleur enlevée dépend des conditions opératoires.
En général, cependant, on a démontré avec l'échangeur qu'on pouvait enlever
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à la résine fondue jusque 37. 500 calories/heure, ou environ 210. 000cal./ 2 heure/m. L'échangeur thermique de l'invention peut permettre des réductions de température d'environ 100-150 C.
La Figure 4 représente un agrandissement d'une vue en élévation d'une coupe longitudinale suivant la ligne 4-4 de la Figure 1 d'un mode d'exécution du dispositif échangeur de chaleur 12 selon l'invention. Cet échangeur de chaleur 12 comprend de préférence une cuve pratiquement cylin- drique, composée de trois compartiments, adaptée pour transférer de la cha-
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leur d'une composition thermoplastique, qui provient de l'orifice de sortie 6 de l'extrudeuse 2, comme représenté à la Figure 1, et qui pénètre dans cet échangeur 12 par son orifice d'entrée 14. L'échangeur de chaleur 12 comprend de préférence trois cuves, disposées de manière concentrique et coaxiale, identifiées sur la Figure 1 comme étant la cuve extérieure 102, la cuve intermédiaire 104 et la cuve intérieure 106.
Ces trois cuves sont de forme pratique cylindrique et présentent une section transversale annulaire comme représenté à la Figure 5, qui donne une vue en élévation d'une coupe transversale selon la ligne 5-5 de la Figure 1. Les longueurs et diamètres des cuves sont de préférence choisis de telle sorte que la paroi interne 110 de la cuve extérieure 102 et la paroi externe 112 de la cuve intermédiaire 104 soient équidistantes en tous points. Bien que cela ne soit pas représenté à la Figure4, il est évident que l'on peut utiliser des boulons de positionnement où cela est nécessaire pour aider à maintenir l'alignement des cuves.
L'écartement exact dans une réalisation particulière dépendra du débit nominal et des propriétés des fluides utilisés. L'espace interne qui est ainsi défini est identifié comme étant la chambre extérieure 122 dans les Figures 4 et 5. D'une manière similaire, la paroi interne 116 de la cuve intermédiaire 104 et la paroi externe 118 de la cuve intérieure 106 sont de préférence équidistantes en tous points, et définissent de la sorte une chambre intermédiaire 124, pour l'écoulement de la résine thermoplastique plastifiée à chaud. Finalement, la chambre intérieure 126 est définie par la paroi interne 120 de la cuve intérieure 106.
On adapte l'échangeur de chaleur 12 pour recevoir la composition thermoplastique de l'extrudeuse 2 en attachant l'orifice d'entrée 14 de l'échangeur à proximité de l'extrémité
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de la cuve intermédiaire 104 de telle sorte que l'intérieur de l'orifice d'en- trée 14 de l'échangeur communique avec la chambre intermédiaire 124. De préférence, comme indiqué à la Figure 4, la paroi extérieure 128 de l'orifice d'entrée 14 de l'échangeur est filetée pour recevoir l'injecteur d'entrée 130.
De même, la paroi extérieure 132 de l'orifice de sortie 16 est de préférence filetée pour recevoir l'injecteur de sortie 134.
Les injecteurs d'entrée 130 et de sortie 134 sont décrits par la suite en se référant aux Figures 7 et 6, respectivement. Les injecteurs d'entrée et de sortie 130 et 134 comprennent chacun une partie filetée 136,138 et un manchon 140,142. Les manchons allongés 140,142 comprennent en plus un alésage longitudinal 144,146 ayant un diamètre adéquat pour permettre le passage du flux de matière thermoplastique. La longueur des manchons 140, 142 est de préférence telle que lorsque la partie filetée 136 de l'injecteur d'entrée 130 ou la partie filetée 138 de l'injecteur de sortie 134 est vissée respectivement sur l'orifice d'entrée 14 ou l'orifice de sortie 16 de l'échangeur de chaleur, les faces extrêmes 145,147 des manchons viennent en contact avec la paroi d'extrémité de la cuve intérieure 106, comme représenté à la Figure 4.
Pour permettre à la composition thermoplastique de s'écouler de l'injecteur d'entrée 130 dans la chambre intermédiaire 124 et de cette dernière vers l'injecteur de sortie 134, chaque injecteur comprend plusieurs petits orifices 148,150 qui sont forés, dans une direction radiale, dans la partie des manchons 140,142 qui est située à l'intérieur de la chambre intermédiaire 124 lorsque les parties filetées 136,138 de l'injecteur d'entrée 130 ou de l'injecteur de sortie 134 sont vissées dans leurs orifices respec- tifs et que les faces extrêmes 145,147 des manchons s'appuient contre l'ex-
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trémité de la paroi de la cuve intérieure 106.
Selon la présente invention, on a trouvé d'une manière inattendue que l'on pouvait augmenter le débit de production d'une ligne d'extrusion, telle que représentée à la Figure 1, d'un facteur important par rapport à des lignes d'extrusion similaires connues dans l'état de la technique, si l'on prend des mesures pour maintenir un équilibre hydraulique de la résine thermoplastique lorsqu'elle s'écoule dans l'échangeur de chaleur 12. Ceci est obtenu selon le mode d'exécution décrit dans les Figures 4-7 par un placement et un dimensionnement adéquats des orifices 148,150 dans les injecteurs d'entrée et de sortie 130,134.
Les orifices 148,150 sont distribués d'une manière uniforme sur la circonférence des manchons 140,142 de manière à assurer que la composition thermoplastique pénètre uniformément dans la cuve intermédiaire 124 sur toute sa circonférence, et ensuite puisse converger uniformément de nouveau dans l'injecteur de sortie 134. Pour favoriser une distribution et une récupération uniforme, on a avantage à introduire plusieurs chicanes ou ailettes 152 distribuées tout autour de la paroi externe 118, généralement circulaire, de la cuve intérieure 106 et qui généralement émanent radialement du voisinage immédiat des injecteurs d'entrée et de sortie 130-134.
Ces chicanes ou ailettes 152 peuvent être placées entre chaque groupe d'orifices circulaires adjacents 148,150 ou entre des groupes d'orifices circulaires adjacents 148,150. De préférence, les chicanes ou ailettes 79 traversent toute la largeur de la chambre intermédiaire 124 et en particulier elles couvrent une partie importante de la distance radiale définie par les faces extrêmes de la cuve intérieure 106, par exemple au moins la
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moitié de cette distance et de préférence la distance totale, ou même le long d'une partie de la surface extérieure 118 de la cuve intérieure 106, disposée parallèlement à l'axe de progression de la matière.
La surface totale des orifices 150 dans l'injecteur de sortie 134 est quelque peu plus grande que celle des orifices 148 dans l'injecteur d'entrée 130. Cette légère augmentation de surface des orifices 150 de l'injecteur de sortie 130 est suffisante pour créer une contre-pression uniforme et un équilibre hydraulique dans la chambre intermédiaire 124, ce qui favorise la formation d'une masse fluide uniforme de composition thermoplastique, dans la chambre intermédiaire 124. Il n'est pas possible de donner une relation quantitative précise entre les dimensions des orifices 150 & 148, puisque cette relation dépend de la résine thermoplastique particulière qui est traitée ainsi que des températures d'entrée et de sortie de la résine.
Généralement, les orifices 150 dans l'injecteur de sortie 134 auront une surface totale d'environ 5 à 15%, et de préférence 8 à 10% plus grande que celle des orifices 148 dans l'injecteur d'entrée 130.
Il est préférable d'avoir le même nombre d'orifices d'entrée 148 et d'orifices de sortie 150, ces derniers ayant un plus grand diamètre. Les orifices de sortie doivent être dimensionnés de telle sorte qu'ils ne créent pas des canaux préférentiels dans le dispositif de refroidissement, dus à des points de surchauffe de la résine. Une fois que des points de surchauffe apparaissent, et qu'il se crée des canaux préférentiels, l'efficacité du dispositif de refroidissement est considérablement réduite. Les orifices 148,150 dans l'injecteur d'entrée 130 et dans l'injecteur de sor- tie 134 favorisent également le mélange de la composition thermoplastique
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qui y passe.
Comme décrit dans les Figures 1, 4 et 5, le dispositif de refroidissement 10 comprend des moyens pour recevoir et pour faire circuler un fluide de refroidissement de chaque côté de la chambre intermédiaire 124, qui est traversée par la composition thermoplastique. En particulier, la conduite d'entrée 32 est reliée à la cuve interne 106 de telle manière qu'elle soit en communication avec la chambre intérieure 126 de l'échangeur de chaleur 12. D'une manière similaire, la seconde conduite d'entrée 33, représentée sur les Figures 1 et 4, est reliée à la cuve externe 102 de telle manière qu'elle soit en communication avec la chambre extérieure 122.
Les conduites d'entrée 32,33 de fluide de refroidissement sont de préférence reliées aux cuves 102 et 106 respectivement de telle sorte que le fluide de refroidissement s'écoulant dans l'échangeur de chaleur 12, entre d'abord en contact avec la paroi externe 112 de la cuve intermédiaire 104 et la paroi interne 120 de la cuve intérieure 106 à côté de la sortie de la chambre intermédiaire 124. Lorsque le dispositif est construit de cette manière, l'écoulement du fluide de refroidissement à travers la chambre extérieure 122 et la chambre intérieure 126 s'effectue pratiquement à contre-courant de l'écoulement de la composition thermoplastique traversant la chambre intermédiaire 124.
Comme déjà mentionné, un fluide de refroidissement approprié pour être utilisé dans l'échangeur de chaleur 12 est une huile ayant un point éclair supérieur à la température de la composition thermoplastique qui pénètre par l'injecteur d'entrée 130. Comme autres fluides appropriés pour échanger de la chaleur, on peut également citer les fluides hydrauliques.
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Après avoir quitté l'échangeur de chaleur 12, le fluide de refroidissement est recyclé en passant par l'appareil de contrôle de température de refroidissement, comme indiqué ci-dessus.
Pour favoriser le transfert de chaleur entre la composition thermoplastique et le fluide de refroidissement, il faut contrôler l'écoulement de ce fluide qui circule dans les chambres extérieure 122 et intérieure 126 ; on maintient ainsi une surface d'échange suffisante avec la paroi externe 122 de la cuve intermédiaire 104 et la paroi interne 120 de la cuve intérieure 106.
A cet effet, divers moyens peuvent être utilisés. On a cependant obtenu des résultats satisfaisants avec le système de contrôle décrit dans les Figures 4 et 5. En particulier, on a disposé des chicanes verticales 92 à l'intérieur de la chambre intérieure 126, et on les a fixées à la paroi interne 120 de la cuve intérieure 106. D'une manière similaire, on a entouré en spirale la paroi externe 112 de la cuve intermédiaire 104 avec une bande de métal 94 qui y a été soudée, de manière à diriger l'écoulement du fluide de refroidissement entrant dans la chambre extérieure 122 par la conduite d'entrée 32 vers les orifices de sortie 39,41 situés dans la conduite de sortie 36 de l'agent de contrôle de température.
En se référant de nouveau à la Figure 1, l'orifice de sortie 16 du dispositif de refroidissement est relié et mis en communication avec l'orifice d'entrée de la filière d'extrusion. A la sortie de l'échangeur 12, la composition thermoplastique refroidie est envoyée à travers l'orifice d'entrée de la filière d'extrusion et l'orifice annulaire 72 de la filière d'extrusion 70. Dans le cas où l'on extrude des résines contenant un agent gonflant, le profil extrudé subit une expansion rapide en sortant de l'orifi-
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ce 72 de la filière.
Il se produit une expansion de l'extrudat 74, du fait que la pression externe est ramenée à la pression atmosphérique, lorsque la composition sort de la filière d'extrusion 70, ce qui permet à l'agent gonflant de s'expanser autour de chaque particule d'agent nucléant, formant ainsi des cellules individuelles. A la Figure 1, le produit extrudé 74 est représenté sous forme de tube thermoplastique en mousse, mais il est évident que la forme et les dimensions du produit extrudé 74 peuvent varier de façon à réaliser la configuration désirée ; il suffit à cet effet de changer la filière d'extrusion.
Bien que la description détaillée qui précède soit basée sur un mode d'exécution de l'appareil de l'invention utilisé pour la production d'articles en matière thermoplastique mousse, il est évident que cet appareil est également utile pour la production de compositions thermoplastiques ne contenant pas d'agent gonflant. C'est ainsi que, par exemple, on peut extruder une feuille thermoplastique avec cet appareil, en fermant l'orifice 7 d'introduction d'agent gonflant et en utilisant une filière d'extrusion à fente horizontale. De même, si on n'a pas l'intention de produire de compositions thermoplastiques en mousse, il n'est pas nécessaire d'avoir un orifice d'entrée d'agent gonflant dans l'extrudeuse.
Les avantages résultant de la présente invention concernant l'augmentation de débit de résine sont également obtenus dans le cas d'extrusion de produit qui n'est pas en forme de mousse. Cependant, ces avantages sont moins significatifs du fait que les exigences concernant le contrôle de température sont moins sévères.
Les résines thermoplastiques qui conviennent pour le procédé de la présente invention sont choisies parmi les polymères cristallins et les
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polymères amorphes. On utilise notamment du polystyrène, du polychlorure de vinyle, des copolymères acrylonitrile-butadiène-styrène, du polyéthylène, du polypropylène, des polyesters tels que les téréphtalates, et similaires. Il est évident que divers autres copolymères et terpolymeres des polymères cristallins et amorphes qui viennent d'être mentionnés peuvent être utilisés dans l'appareil de la présente invention. De plus, les compositions amenées à l'extrudeuse peuvent aussi contenir des additifs, tels que des lubrifiants, agents nucléants, matières caoutchouteuses, résines ionomères, colorants, stabilisants U-V, agents ignifugeants et similaires.
Quand l'appareil est employé pour la production de compositions thermoplastiques en mousse, on utilise avantageusement, comme agent gonflant, de l'air, du chlorure de méthyle, du C0-, de l'ammoniac, du n-pentane, de l'isopentane, des hydrocarbures fluorés ou leurs mélanges.
Les Figures 8-15 se rapportent à la description d'un autre mode d'exécution de la présente invention. La Figure 8 représente une vue longitudinale en élévation de l'échangeur 160, qui est adapté pour faire circuler de l'huile autour de plusieurs tubes 162 disposés à l'intérieur de l'enveloppe 164. En plus de l'enveloppe 164, l'échangeur 160 comprend une vanne d'entrée 166, un thermocouple 168 placé à la sortie et une partie en plaque tubulaire 170 qui est normalement placée à l'intérieur de l'enveloppe 164, mais qui pour les besoins d'illustration est représentée à la Figure 9, séparée de l'enveloppe 164.
L'-enveloppe 164 est de préférence une cuve pratiquement cylindrique, adaptée pour être utilisée dans l'échangeur 160 de l'invention en ajou- tant la bride d'entrée 172 de l'enveloppe, la bride de sortie 174 de l'en-
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veloppe, l'orifice d'entrée 176 et l'orifice de sortie 178. La partie en plaque tubulaire 170 est adaptée pour être placée à l'intérieur de l'enveloppe 164 et être boulonnée à cette dernière au moyen de la bride d'entrée 180 et de la bride de sortie 182 de la plaque tubulaire, ou par tout autre moyen connu de l'homme de métier. La partie en plaque tubulaire 170 comprend plusieurs tubes 162 adaptés pour transporter une composition thermoplastique, depuis l'orifice d'entrée 184 jusqu'à l'orifice de sortie 186, à contre-courant de l'écoulement de l'huile traversant l'enveloppe 164.
On peut contrôler l'écoulement de l'huile traversant l'enveloppe 164, en ajoutant des chicanes 188 ou des dispositifs analogues dans la partie plaque tubulaire 170, comme représenté à la Figure 9. Selon un mode d'exécution préféré décrit dans les Figures 8-14, la partie en plaque tubulaire 170 comprend six tubes métalliques disposés à intervalles réguliers sur un pourtour autour de l'axe longitudinal de l'échangeur 160.
Comme dans les modes d'exécution représentés dans les Figures 1, 4-7, on a trouvé que le débit de production d'un échangeur du type à enveloppe tubulaire représenté aux Figures 8 et 9, peut également être fortement accru en maintenant un équilibre hydraulique dans toute la section transversale de l'échangeur qui est destinée au transport de la composition de polymère thermoplastique. Il en résulte également un accroissement du débit de production pour toute ligne d'extrusion qui utilise un tel échangeur.
On maintient un équilibre hydraulique dans le dispositif de refroidissement en contrôlant soigneusement la perte de charge dans les tubes individuels 162. On réalise cette opération en créant un orifice dans l'ex- trémité d'entrée de chaque tube 162. Ces orifices peuvent avoir des dimen-
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sions fixes ou variables, comme on le montrera dans la discussion ci-après.
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On a trouvé que la relation suivante devait être satisfaite pour que l'équilibre hydraulique soit maintenu pour la matière polymère plastifiée à chaud :
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Longueur du tube longueur de l'orifice..--, Diamètre du tube diamètre
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Ce rapport est de préférence compris entre environ 40/1 et en- viron 100 : 1, et plus particulièrement entre environ 50 : 1 et 100 : 1.
Ceci signifie que la perte de charge à travers l'orifice est au moins 25 fois plus grande que la perte de charge dans chaque tube individuel, et de préférence 50 fois plus grande.
Pour réaliser ce mode d'exécution de l'invention, on préfère utiliser des tubes qui ont un diamètre intérieur compris entre 1,25 cm et environ 5 cm. Si le diamètre du tube est beaucoup plus petit que 1, 25 cm, l'orifice doit être extrêmement petit pour satisfaire la relation mentionnée cidessus. Ceci provoque une importante montée en pression qui contribue à un accroissement de la température lorsque le polymère traverse le dispositif de refroidissement, dû à l'énergie de travail qui en résulte.
Si les tubes ont un diamètre de plus d'environ 5 cm, le coefficient de transfert de chaleur entre le polymère situé à côté du centre du tube et le fluide de refroidissement devient trop faible pour assurer un transfert de chaleur efficace. 6n a trouvé que des tubes d'environ 2,5 cm de diamètre offrent un bon compromis entre la perte de charge et le coefficient de transfert de chaleur.
Un moyen pour réaliser un orifice à l'extrémité d'entrée de chaque tube 162 consiste à placer une vanne dans chaque tube, ce qui permet d'avoir un orifice de dimensions variables. On a illustré ce mode d'exécution de l'invention dans les Figures 8 et 10. Dans ces figures, la vanne d'admission
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166 comprend l'orifice d'entrée 184 du polymère, la bride d'admission plate 190 et plusieurs vannes 192, une pour chaque tube 162. La Figure 10 représente une vue de profil de la vanne d'entrée 166.
La Figure 11 représente la configuration du dispositif d'entrée 200 pour la distribution du polymère, selon lequel on divise l'écoulement de la composition de polymère thermoplastique traversant l'orifice d'entrée 184, en plusieurs écoulements qui sont dirigés par les voies de passage 194 vers les tubes 162. En plaçant une vanne 192 sur chaque tube 162 pour constituer l'ensemble de la vanne d'entrée 166 détaillée à la Figure 14, il est possible de contrôler l'écoulement de la composition thermoplastique dans les tubes 162 selon la relation définie ci-dessus, de manière à maintenir un équilibre hydraulique dans le dispositif de refroidissement et à maximiser le transfert de chaleur vers le fluide de refroidissement circulant dans l'enveloppe 164.
La Figure 13 représente le dispositif de sortie 202 pour la récupération de polymère, au moyen duquel on collecte, par les canaux 196, les écoulements de polymère provenant des tubes 162, pour les envoyer vers l'orifice de sortie 186.
Selon un mode d'exécution préféré de la présente invention en ce qui concerne l'échangeur 160, la température de la composition thermoplastique sortant de chaque tube 162 est contrôlée au moyen de thermocouples 198 disposés dans le dispositif de sortie 168 représenté aux Figures 8 et 12.
Par exemple, les thermocouples 198 peuvent être placés dans les canaux 196 du dispositif de sortie pour la récupération du polymère indiqué sur la Figure 13. Lorsque la température de la composition thermoplastique sortant
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d'un tube 162 devient trop élevée, ceci indique que ce tube particulier n'est plus en équilibre hydraulique avec les autres tubes. Ceci signifie que le polymère a commencé à passer principalement par ce tube particulier. Il est alors possible de replacer ce tube en équilibre hydraulique et d'abaisser la température de sortie en réduisant le débit de la composition thermoplastique traversant ce tube en fermant partiellement la vanne 192 correspondante dans l'ensemble de vanne d'entrée 166.
Ce contrôle peut être effectué aussi bien automatiquement que manuellement au moyen d'instruments conventionels reliant directement les vannes 192 avec leurs thermocouples respectifs 198.
Généralement, une fois que l'équilibre est atteint, il est relativement stable, de sorte qu'une manipulation manuelle des vannes est entièrement satisfaisante.
Selon un autre mode d'exécution, on peut avoir un orifice à l'extrémité d'entrée de chaque tube 162 par insertion d'une plaque d'entrée 210 à la place des vannes 166. Un tel plateau est représenté à la Figure 15.
Ce plateau 210 comprend plusieurs ouvertues 212 en nombre égal au nombre de tubes 162 et disposées dans ce plateau 210 selon la même configuration spatiale que celle des tubes 162, fixés dans la plaque tubulaire 180. La dimension de ces ouvertures 212 doit être prédéterminée pour satisfaire la relation définie ci-dessus concernant la perte de charge, en tenant compte de la dimension du tube particulier et du polymère qui doit être traité, ce dernier donnant les conditions de viscosité, qui sont très importantes pour le calcul de la perte de charge.
Selon ce mode d'exécution, il suffit d'adapter l'appareillage d'extrusion pour traiter différentes matières polymériques, puisque l'on peut avoir un certain nombre de plateaux 210
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interchangeables ayant des ouvertures de dimensions différentes, le plateau adéquat étant facilement inséré dans l'échangeur de chaleur 160 au moment opportun.
Selon un autre aspect important de la présente invention, on construit l'échangeur de chaleur 12 de sorte qu'il contienne, à tout moment, un volume de polymère plus grand que le volume de polymère plastifié à chaud contenu dans l'extrudeuse 2. De préférence, le volume de polymère dans le dispositif de refroidissement est d'au moins 2 fois et plus particulièrement d'au moins 5 ou 6 fois le volume contenu dans l'extrudeuse. Ceci permet de faire fonctionner l'extrudeuse à des débits très élevés, tout en permettant simultanément au polymère d'avoir un temps de séjour suffisamment long dans le dispositif de refroidissement pour être refroidi d'une manière efficace.
En faisant fonctionner l'extrudeuse à vitesse plus élevée, le polymère qui sort de celle-ci aura une température plus élevée. Dans le cas d'un procédé d'extrusion d'un polymère expansé, cette température élevée présente un avantage pendant que le polymère se trouve encore dans l'extrudeuse, parce que l'on y disperse plus facilement l'agent gonflant uniformément et notamment ceux du type fréon qui sont plus solubles à températures plus élevées.
Par conséquent, il est donc possible, selon le procédé de la présente invention de faire fonctionner l'extrudeuse à très grande vitesse.
Non seulement, cela augmente le débit de production de la ligne d'extrusion, mais cela représente l'avantage supplémentaire de produire un produit expansé amélioré, c'est-à-dire un produit avec une distribution plus uniforme de la taille des cellules, en fonction d'une meilleure dispersion de l'agent gon- fiant dans le polymère.
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Du fait de l'accroissement d'efficacité du dispositif de l'échangeur, obtenu avec le procédé de l'invention, par suite du maintien de l'équilibre hydraulique dans l'échangeur, le polymère peut être amené à une température très uniforme, c'est-à-dire qu'il n'y a pas de gradient de température dans la masse du polymère. Cela représente un énorme avantage dans un procédé de production de produits thermoplastiques expansés, puisque l'uniformité de l'expansion qui en résulte conduit à un produit amélioré ayant une densité et une structure de cellule uniformes.
En tenant compte des caractéristiques décrites ci-dessus, l'appareillage selon la présente invention est spécialement approprié pour l'extrusion des produits expansés à partir de polymères thermoplastiques qui requièrent un contrôle exact de la température et de l'uniformité juste avant de passer dans l'orifice de la filière d'extrusion et d'être ensuite expansés. On assure l'uniformité de la température grâce à l'équilibre hydraulique dans l'échangeur, comme décrit ci-dessus, ce qui permet également un contrôle précis de la température par utilisation d'un fluide de refroidissement ayant une température maintenue à la température finale désirée pour le polymère. Cet aspect est réalisable du fait des longs temps de séjour utilisés, ce qui en plus minimise les possibilités de formation de gradients de température indésirables dans le polymère.
Il résulte de cette capacité de contrôler la température avec précision, que l'appareil de l'invention est particulièrement approprié pour l'extrusion de polymères expansés ayant des contraintes très critiques de contrôle de températures, comme c'est le cas du polyéthylène. En fait, il est possible de produire à des débits fortement ac- crus, des produits en polyéthylène expansé d'excellente qualité qui contiens
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. PATENT APPLICATION FOR THE INVENTION the company known as: COSDEN TECHNOLOGY INC. for HEAT CHANGER USED IN THE EXTRUSION OF THERMOPLASTIC COMPOSITIONS.
Inventors: MMs Granville J. HAHN, Raleigh N. RUTLEDGE, Alonzo H. SEARL and Walter E. SOMMERMAN.
Priority of a patent application filed in the United States of America on September 13, 1982 under number 416.811, in the name of the above inventors, of which the Applicant is the beneficiary.
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HEAT EXCHANGER USED DURING EXTRUSION
THERMOPLASTIC COMPOSITIONS.
The present invention relates to a heat exchanger used during the extrusion of thermoplastic compositions, in particular foams of thermoplastic compositions. The heat exchanger described is suitable for extruding compositions containing a major part of at least one thermoplastic resin which is either of amorphous nature or of crystalline nature.
According to conventional methods used in the plastics industry for the extrusion of thermoplastic compositions, balls or granules of at least one thermoplastic resin and various additives are introduced into the feed zone of a screw extruder. In this extruder, the thermoplastic resin and the additives are heated and mixed to form a practically homogeneous, continuous, fluid composition which is pushed by the screw through the extrusion die to give a product having the desired shape and dimensions. .
When the thermoplastic composition passes through the extruder, its temperature rises sharply due to the combination of compression and shear forces which are applied to the material via the rotating screw of the extruder. For a given extruder, the magnitude of the increase in
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temperature varies with the speed of rotation of the extruder screw and with the shear properties of the particular thermoplastic resin being processed. While heat is desirable and necessary for satisfactory extrusion, excess heat must be removed from the material exiting the extruder to maintain the shape and integrity of the extruded product.
Generally, this is achieved by passing the extruded product, in some cases at a lower speed, on cooling rollers or in cooling tanks located downstream of the extrusion die.
Because the temperature of the extruded product leaving the extrusion die is proportional to the speed of rotation of the extruder screw when it is operating under normal conditions (in particular, an increase in production requires a higher temperature) , conventional extrusion lines have been limited from the production flow point of view, by the capacity of the cooling device located downstream of the extrusion die. Even if the capacity of this cooling device is adequate, the extruded product can undergo thermal shock if its temperature is reduced too quickly over a large temperature gradient, which would adversely affect its mechanical properties.
On the other hand, particular problems have been encountered during the extrusion of thermoplastic foam compositions. Extruders for thermoplastic foam compositions generally operate at high pressures to keep the blowing agent condensed until the composition leaves the extrusion die. If the temperature of the expanded product leaving the extrusion die is significantly higher
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higher than that required for satisfactory extrusion, the blowing agent may cause over-expansion when the pressure is released, resulting in cell rupture and loss of dimensional stability and integrity of the composition. If the temperature is too low, the expansion will be incomplete and only poor density properties will be obtained.
For certain polymers, such as polyethylene, the temperature tolerance is only around 1 C.
In addition, the problem is not only to obtain a specific absolute temperature, but a uniform temperature. If there are temperature gradients in the polymer mass, uneven expansion occurs, again causing cell rupture and poor density values. At high flow rates, temperature gradients appear more frequently.
Consequently, during the extrusion of expanded products, it is very difficult to obtain an increase in the production rate for an extrusion line, without causing a deterioration in the physical properties of the resulting product, such as for example the size, uniformity and integrity of cells, and density of the expanded polymer. In addition, these problems are even more pronounced when incorporating various additives in the expanded product, such as a flame retardant.
Various solutions have already been proposed in the past to solve these problems. For example, two separate extrusion screws connected in series can be used. In this design, the screw of the second extruder acts simply to send the thermoplastic composition through the extruder which is provided with a double jacket and which is cooled by cir-
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culation of a cooling fluid. However, the use of a second extruder of this capacity is very expensive, both from the equipment point of view and from the energy point of view, and does not appear to be an effective method for cooling an expanded product. Temperature gradients then appear in this second extruder because heat is given off to the screw, while cooling is applied from the outside.
In addition, due to the high pressures used during foam extrusion, problems are often encountered with the rear seals of the second extruder screw. Failure of the rear seals can result in damage to the gear due to escaping polymer, as well as undesirable blowing agent leakage.
Another solution consists in reducing the speed of rotation of the extrusion screw, but this solution represents the antithesis of an increase in the production rate.
Other solutions consist in including cooling devices either in the part located downstream of the extruder, or jointly with the extrusion die itself. However, these types of dies are very expensive, and since they do not include effective heat exchange elements, they do not make it possible to obtain a significant increase in the production rate.
We can further increase the capacity of the cooling device located downstream of the extrusion die. However, this gives rise to thermal shock problems, as mentioned above, and in addition the most essential cooling is required upstream of the die orifice so that the resin can be extruded in the interval of temperature-
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ture required. This is essential when extruding foam.
Other attempts have been made to interpose a cooling device between the extruder and the extrusion die. These efforts have in fact improved the total heat transfer or the cooling capacity of the extrusion line. However, they have not solved the problem of temperature uniformity, as shown, for example, by the need to introduce an additional mixing device after the heat exchanger or the cooling device.
In addition, although it was possible to increase the production rate using these first measures, it was not possible to exceed a certain level while maintaining an expanded product having the required physical properties.
It is therefore seen that, for the extrusion of thermoplastic compositions, it would be necessary to have a technique which allows an increase in the production rate of the extruder while not deteriorating the physical properties of the extruded product. In particular, it is desirable to have a technique for extruding thermoplastic foam compositions, at higher production rates and having excellent physical properties.
Preferably, this goal should be achieved by using a single screw extruder.,
The subject of the present invention is an improved apparatus for the extrusion of thermoplastic resins, and in particular a heat exchanger which makes it possible: - to substantially increase the resin flow rates in an extrusion line, preferably comprising only one screw extruder;
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- to obtain extruded products having excellent physical properties; - to achieve energy savings, which can exceed 30%.
For this purpose, the heat exchange device for controlling the temperature of a resin leaving an extruder and before it passes through an extrusion die, comprises: - a heat exchanger with an inlet and an outlet for a resin ex- extruded, hot plasticized, and an inlet and an outlet for a heat exchange agent circulating in heat exchange relationship with the extruded resin; a selective heater receiving the heat exchange product coming from the heat exchanger, this heater bringing the heat exchange agent to a determined temperature during the start-up phase of the heat exchange device;
a cooler designed to receive part of the heat exchange agent coming from the heater, this cooler comprising an inlet and an outlet for this heat exchange agent, as well as an inlet and an outlet for a heat exchange agent cooling circulating in heat exchange relationship with this heat exchange agent; - a control device interposed between the heater and the cooler to selectively direct a part of the heat exchange agent to the cooler in response to a determined temperature condition and to direct the rest of this agent to the exchanger heat ; and - a pump for circulating the heat exchange agent between the heat exchanger, the heater, the cooler and the control device.
According to one embodiment of the invention, the exchange device
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thermal consists of a safe, which can be portable, and which contains all the necessary equipment, as well as an inlet and an outlet for the coolant and an inlet and an outlet with connections to the extrusion die.
The characteristics and advantages of the invention will emerge from the description of embodiments, given by way of illustration and not comprising any limiting character. For this description, reference is made to the appended drawings which respectively show: FIG. 1: a simplified perspective view of an apparatus for extruding thermoplastic compositions in the form of foam; Fig. 2: a perspective view of the heat exchanger for exact temperature control; Fig. 3: a schematic view of the arrangement and of the relationships between the various components of the apparatus; Fig. 4: a view in longitudinal elevation, enlarged, of the heat exchanger of the cooling device, along line 4-4 of Figure 1; Fig. 5: an enlarged cross-sectional view of this exchanger, following line 5-5 of FIG. 1;
Fig. 6: an enlarged elevation view of an outlet nozzle at the exchanger shown in Figures 1 and 4-6; Fig. 7: an enlarged elevation view of an inlet nozzle of this exchanger; Fig. 8: a view in longitudinal elevation of another embodiment of the heat exchanger of the inventive cooling device.
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tion; Fig. 9: a view in longitudinal elevation of a part of the tube plate of the exchanger shown in FIG. 8; Fig. 10: a view in transverse elevation of the inlet end of the exchanger shown in FIG. 8; Fig. 11: a view in transverse elevation of the inlet end of the tube plate part of the exchanger shown in FIG. 8; Fig. 12: same as Figure 10 for the outlet end;
Fig. 13: same as Figure 11 for the outlet end; Fig. 14: an enlarged view in elevation of the inlet valve assembly of the exchanger shown in FIG. 8; Fig. 15: a transverse and isolated elevation view of an inlet plate, which can be used in one embodiment of the heat exchanger of the type shown in FIG. 8; and Fig. 16: a schematic view of the exchanger, illustrated in the form of a trunk.
If we refer to Figure 1, we see an embodiment of the invention in the form of an assembly comprising an extruder 2, a heat exchanger or more simply a cooling device 10 and an extrusion die 70 , as the main elements. These elements are placed and installed so that the inlet orifice 14 of the cooling device 10 communicates with the outlet orifice 6 of the extruder 2, and the extrusion die 70 communicates with the outlet orifice 16 of the cooling device 10. In this figure, there is shown an extruded tube 74 leaving the orifice 72 of the extrusion die. In the drawing, part of the extruder 2 has been removed to show the drum 4
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containing a simple extrusion screw 8 rotating around its longitudinal axis.
The thermoplastic material is introduced into the extruder 2 through the feed orifice 5. When it is desired to produce thermoplastic foams, a swelling agent is introduced through the orifice 7 into the drum 4 around the extrusion screw 8. The extruder 2 is of the conventional type, screw, single-stage, with motor drive.
Figure 2 is a schematic, detailed view of the heat exchanger or cooling device 10 according to the invention. This cooling device 10 comprises a heat exchanger 12 for resin, comprising an inlet orifice 14 downstream and near the extruder 2 as well as an outlet orifice 16 connecting the extruder 2 to the extrusion die 70 The cooling device 10 further comprises a heater 20 and a cooler 22, for adjusting the temperature of the exchange agent circulating in the exchanger 12. This exchange agent can be any suitable liquid whose point d boiling is above the melting point of the hot resin introduced into the exchanger. Advantageously, Thermanol 55 oil is used (product sold by Monsanto).
The heater 20 is used to heat the oil during startup, in order to melt any residual resin, solid, from a previous operation, as well as during periods when the temperature of the resin leaving through the orifice 16 is too low. The heater 20 heats the oil which is returned to the exchanger 12, so that the heat transfer between the cold resin and the oil is increased, because the oil is hotter. As a result, the temperature of the resin is increased to the predetermined temperature. As for the cooler 22, it operates in reverse of the heater, that is to say it provides
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cooler oil, resulting in lower resin temperature at outlet 16.
An instrument 18 for controlling the oil temperature (indicated in FIG. 3) makes it possible to adjust the temperature of the system.
FIG. 3 also schematically illustrates the arrangement of the cooling device 10. At start-up, the temperature control instrument 18 acts on the heater 20 by establishing a voltage sufficient for the oil to be at a temperature such that there is fusion of any solidified resin remaining in the heat exchanger after a previous operation. The oil is sent by the pump 24, controlled by the motor 26, through the exchanger and it exits through the pipe 28 towards the T-connection 30. At this connection 30, the oil is separated: most of this oil is sent by pump and by line 32 to the exchanger 12, while the other part is sent by pump and by line 34 to the extrusion die 70, which is thus heated to a temperature sufficient to melt any residual resin.
Conversely, if the die must be at a higher temperature, this die can be bypassed by oil and, in this case, it is heated with electricity. The distribution by the T 30 connection varies depending on the operating conditions; however, in normal operation, about 90% or even more of the hot oil returns to the heat exchanger through line 32, while the rest of the oil goes to the extrusion die 70. The passage of a small stream of oil at the die is just one example.
This weak current can be cut, so that all the oil goes to the exchanger via line 32, it can be used for external needs, for example pressure pumps, or it can be sent to the sample. - nozzle by another pipe, hence two inlet openings in the exchanger,
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as will be explained below. However, for purposes of illustration, the pipe is, in this case, connected to the die, extrusion. As shown in Figure 3, the pipe 34 and the return pipe 50 of the extrusion nozzle can be equipped with valves 33 and 35, which make it possible to cut the passage through the pipe 34 towards the extrusion die 70, when It's necessary. Thanks to these valves, separation can be carried out without the need to purge the entire system.
The hot oil is pumped into the heat exchanger 12 where it exchanges heat with the resin. The oil advantageously flows against the current with respect to the resin, which improves the heat transfer. The resin melts and flows in the exchanger 12 to the extrusion die 70. The hot oil, having transferred its heat to the cold resin, leaves the exchanger 12 via line 36 and is therefore cooled. It returns to the heater 20, where it is again heated, and the cycle begins again.
As soon as the resin flows normally, the setting by the temperature control instrument 18 may be less strict and continuous production may be established.
At this time, the cooling means 10 acts to remove heat from the hot resin leaving the extruder 2 and to bring this resin to a predetermined temperature. When the hot resin begins to flow in the exchanger 12, the temperature indicators indicate any increase in temperature of the molten resin and, in this case, the oil temperature control instrument 18 cuts the heater. The cooling device 10 comes into action to supply cooler oil to
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the exchanger 12.
According to the oil flow cycle, the hot oil leaves the exchanger 12 via the line 36 near the inlet end 14. The oil, by passing against the current in the exchanger, acted as a heat sensor to remove calories from the molten resin, which is a heat source, and consequently the oil temperature increased. The hot oil is then sent via line 36, via pump 24, to the heater 20. The passage through line 36 already causes some heat exchange between the hot oil and the ambient atmosphere.
The oil can have a temperature of the order of several hundred degrees Celsius, while the ambient atmosphere is at a temperature of the order of 10 to 40 C, heat exchange can intervene to remove about 90 to 95 % of total calories to be eliminated.
As mentioned above, the heater 20 has been shut down. However, the passage through this heater protects the oil against any thermal shock, thanks to the heat remaining in the heater. The oil, partially cooled by exchange with the ambient atmosphere, leaves the heater 20 and goes to the second connection at T 38. The oil stream is separated: a small amount goes through line 40 to the oil cooler 22, while the major part goes through line 28 to the T connection 30, where the oil is separated, as explained above, the major part returning to the exchanger 12. The relative proportion of oil that allowed to pass to the cooler 22 is determined by the solenoid valve 42, as a function of signals from the instrument 18 for controlling the oil temperature.
The relative proportions depend on
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operating conditions; however, the amount of oil going through line 28 to the exchanger 12 varies from about 80 to 95% and is preferably at least 90%. This means that the external cooling source, for example a source of cold water coming from the cooler 22, should only support a small load. A limiting valve 41, placed near the solenoid valve 42, acts by limiting the flow of oil through the line 40, which would be caused by a rise in pressure in the line 28.
The oil leaving the T connection 38 via line 28 goes to the T connection 30. The pressure valve 43, placed in line 28, regulates the quantity of oil returning via this line to the exchanger 12 and the extrusion die 70. The separation at the T connection 30 has been described above; the difference between the cooling and heating functions is that the oil acts as a cooling agent during the present cycle, while it acts, when starting up, as a heating agent to melt the resin and ensure its flow in the extrusion die and the heat exchanger. From the connection at T 30, most of the oil passes through line 32 to the exchanger 12.
According to an embodiment of the invention, which will be discussed below with respect to FIG. 4, the oil is introduced into two different chambers of the exchanger 12, respectively through the pipes 32 and 33. As indicated above, the pipe 33 corresponds to the pipe 34 of Figures 2 and 3, which provides the connection with the extrusion die. In the embodiment currently described, the pipe is removed from the extrusion die and is connected directly to the exchanger to provide two individual oil flows to this exchanger. The
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current of oil, upon entering the heat exchanger 12, has passed through the heating-cooling cycle, passing from a hot oil, leaving the exchanger at the resin inlet orifice 14, to a cold oil, at the resin outlet 16.
Most of the cooling during the cycle takes place by heat exchange between the oil and the ambient air.
Referring again to the T connection 38 located at the outlet of the heater 20, the lesser amount of hot oil flow goes, through line 40 and the solenoid valve 42, to the oil cooler z L ' hot oil flows in countercurrent to the cooler exchange agent.
Any suitable exchange agent can be used, especially water. The exchange agent enters the oil cooler 22 by the pipe 44 at a temperature lower than that of the hot oil and absorbs calories from this oil. It is then sent via line 46 to a cooling device, for example a cooling tower (not shown).
The oil thus cooled leaves the cooler via line 48 and is combined with the oil returning from the extrusion die 70 through line 50, which gives the stream 52 of cooling oil. The oil sent to the extrusion die 70 makes it possible to control the temperature of this die, avoiding any increase in temperature due to the extrusion process.
Because the oil stream returning from the extrusion die is low compared to the rest of the oil stream, and the temperature of the molten resin is lower in the extrusion die than that of the molten resin during its passage through the heat exchanger, and also thanks to the oil-ambient air heat exchange, the introduction of the return oil via the line 50 does not appreciably affect the temperature of the oil
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cooling leaving the oil cooler via line 48.
The oil stream 52 goes to the connection at T 54 where it is combined with the hot oil from line 36, hence the cooling of this hot oil.
The combined current 36 is then returned, through the valve 58 and the pump 24, to the heater and the cycle begins again.
The oil tank 60 supplies additional oil when necessary, for example when there is loss of oil due to leakage or when it is necessary to cool the hot oil coming from the exchanger more.
In addition, the pressure relief valve 62 acts when there is a pressure rise in the system. This can happen at start-up, when the melting of the cold resin causes an increase in oil pressure. The system operates normally at pressures
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2 2 of oil of 4-5, 5 approximately, but the pressure can reach 6 at start-up. These values vary depending on the type of material to be extruded as well as the coolant used. The pressure of the molten resin at the inlet can reach 350 kg / cm at start-up. If the pressure exceeds this value, the oil temperature is raised using the oil temperature control instrument 18.
As soon as the process has become thermally stable, the cooling device 10 acts to control the temperature of the outgoing molten resin within very narrow, defined limits. For example, if the molten resin leaving the exchanger 12 is at a too high temperature, the instrument 18 for controlling the oil temperature comes into action, which provides more cooling oil. This instrument 18 acts on the solenoid valve 42 to allow the introduction of a larger quantity of oil
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in the oil cooler 22. The oil then returns to the exchanger 12 to increase the heat transfer capacity of this exchanger using the cooler oil.
In the opposite case, where the resin leaving the exchanger 12 through the orifice 16 is cooler than expected, the instrument 18 for controlling the oil temperature acts on the solenoid valve 42 to reduce the flow rate in the cooler 22, hence a reduction in the heat exchange capacity in the exchanger and an increase in the temperature of the resin. The temperature of the oil is continuously monitored at check points (not shown).
This system allows the establishment of a practically uniform temperature of the molten resin, with an accuracy of approximately 1 C. This control also ensures a constant temperature gradient through this molten resin. The dimensional stability of the molded product is improved and, in the case of a foam product, the dimensions of the cells are smaller.
The amount of heat removed depends on the operating conditions.
In general, however, it has been demonstrated with the exchanger that it can be removed
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with melted resin up to 37,500 calories / hour, or about 210,000,000 / 2 hours / m. The heat exchanger of the invention can allow temperature reductions of about 100-150 C.
Figure 4 shows an enlargement of an elevational view of a longitudinal section along line 4-4 of Figure 1 of an embodiment of the heat exchanger device 12 according to the invention. This heat exchanger 12 preferably comprises a practically cylindrical tank, composed of three compartments, suitable for transferring heat.
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their thermoplastic composition, which comes from the outlet orifice 6 of the extruder 2, as shown in Figure 1, and which enters this exchanger 12 through its inlet orifice 14. The heat exchanger 12 preferably comprises three tanks, arranged concentrically and coaxially, identified in FIG. 1 as being the external tank 102, the intermediate tank 104 and the internal tank 106.
These three tanks are of practical cylindrical shape and have an annular cross section as shown in Figure 5, which gives an elevational view of a cross section along line 5-5 of Figure 1. The lengths and diameters of the tanks are preferably chosen so that the inner wall 110 of the outer tank 102 and the outer wall 112 of the intermediate tank 104 are equidistant at all points. Although not shown in Figure 4, it is obvious that positioning bolts can be used where necessary to help maintain the alignment of the tanks.
The exact spacing in a particular embodiment will depend on the nominal flow rate and the properties of the fluids used. The internal space which is thus defined is identified as being the external chamber 122 in FIGS. 4 and 5. In a similar manner, the internal wall 116 of the intermediate tank 104 and the external wall 118 of the internal tank 106 are of preferably equidistant at all points, and thus define an intermediate chamber 124, for the flow of the hot-plasticized thermoplastic resin. Finally, the internal chamber 126 is defined by the internal wall 120 of the internal tank 106.
The heat exchanger 12 is adapted to receive the thermoplastic composition from the extruder 2 by attaching the inlet orifice 14 of the exchanger near the end.
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of the intermediate tank 104 so that the interior of the inlet orifice 14 of the exchanger communicates with the intermediate chamber 124. Preferably, as indicated in FIG. 4, the outer wall 128 of the inlet port 14 of the exchanger is threaded to receive the inlet injector 130.
Likewise, the external wall 132 of the outlet orifice 16 is preferably threaded to receive the outlet injector 134.
The inlet 130 and outlet 134 injectors are described below with reference to Figures 7 and 6, respectively. The inlet and outlet injectors 130 and 134 each comprise a threaded portion 136,138 and a sleeve 140,142. The elongated sleeves 140,142 additionally comprise a longitudinal bore 144,146 having an adequate diameter to allow the passage of the flow of thermoplastic material. The length of the sleeves 140, 142 is preferably such that when the threaded part 136 of the inlet injector 130 or the threaded part 138 of the outlet injector 134 is screwed respectively on the inlet port 14 or l 'outlet orifice 16 of the heat exchanger, the end faces 145, 147 of the sleeves come into contact with the end wall of the inner tank 106, as shown in Figure 4.
To allow the thermoplastic composition to flow from the inlet injector 130 into the intermediate chamber 124 and from the latter to the outlet injector 134, each injector comprises several small orifices 148, 150 which are drilled in a radial direction , in the part of the sleeves 140, 142 which is situated inside the intermediate chamber 124 when the threaded parts 136, 138 of the inlet injector 130 or of the outlet injector 134 are screwed into their respective orifices and that the 145,147 end faces of the sleeves lean against the former
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end of the wall of the inner tank 106.
According to the present invention, it has been unexpectedly found that the production throughput of an extrusion line, as shown in Figure 1, can be increased by an important factor compared to lines d similar extrusions known in the state of the art, if steps are taken to maintain a hydraulic balance of the thermoplastic resin when it flows in the heat exchanger 12. This is obtained according to the method of execution described in Figures 4-7 by an adequate placement and dimensioning of the orifices 148,150 in the inlet and outlet injectors 130,134.
The orifices 148, 150 are distributed in a uniform manner around the circumference of the sleeves 140, 142 so as to ensure that the thermoplastic composition penetrates uniformly into the intermediate tank 124 over its entire circumference, and then can uniformly converge again in the outlet injector 134 To promote uniform distribution and recovery, it is advantageous to introduce several baffles or fins 152 distributed all around the external wall 118, generally circular, of the internal tank 106 and which generally emanate radially from the immediate vicinity of the inlet injectors. and outlet 130-134.
These baffles or fins 152 can be placed between each group of adjacent circular holes 148,150 or between groups of adjacent circular holes 148,150. Preferably, the baffles or fins 79 pass through the entire width of the intermediate chamber 124 and in particular they cover a large part of the radial distance defined by the end faces of the inner tank 106, for example at least the
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half of this distance and preferably the total distance, or even along a part of the outer surface 118 of the inner tank 106, arranged parallel to the axis of progression of the material.
The total area of the openings 150 in the outlet injector 134 is somewhat larger than that of the openings 148 in the inlet injector 130. This slight increase in area of the openings 150 of the outlet injector 130 is sufficient to creating a uniform back pressure and a hydraulic balance in the intermediate chamber 124, which promotes the formation of a uniform fluid mass of thermoplastic composition, in the intermediate chamber 124. It is not possible to give a precise quantitative relationship between the dimensions of the orifices 150 & 148, since this relationship depends on the particular thermoplastic resin which is treated as well as on the inlet and outlet temperatures of the resin.
Generally, the orifices 150 in the outlet injector 134 will have a total surface of approximately 5 to 15%, and preferably 8 to 10% larger than that of the orifices 148 in the inlet injector 130.
It is preferable to have the same number of inlet ports 148 and outlet ports 150, the latter having a larger diameter. The outlet orifices must be dimensioned so that they do not create preferential channels in the cooling device, due to overheating points of the resin. Once overheating points appear, and preferential channels are created, the efficiency of the cooling device is considerably reduced. The orifices 148, 150 in the inlet injector 130 and in the outlet injector 134 also favor the mixing of the thermoplastic composition.
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who goes there.
As described in Figures 1, 4 and 5, the cooling device 10 comprises means for receiving and circulating a cooling fluid on each side of the intermediate chamber 124, which is crossed by the thermoplastic composition. In particular, the inlet pipe 32 is connected to the internal tank 106 in such a way that it is in communication with the inner chamber 126 of the heat exchanger 12. In a similar manner, the second inlet pipe 33, shown in FIGS. 1 and 4, is connected to the external tank 102 so that it is in communication with the external chamber 122.
The coolant inlet pipes 32, 33 are preferably connected to the tanks 102 and 106 respectively so that the coolant flowing in the heat exchanger 12, first comes into contact with the wall external 112 of the intermediate tank 104 and the internal wall 120 of the internal tank 106 next to the outlet of the intermediate chamber 124. When the device is constructed in this way, the flow of the coolant through the external chamber 122 and the internal chamber 126 takes place practically against the flow of the flow of the thermoplastic composition passing through the intermediate chamber 124.
As already mentioned, a coolant suitable for use in the heat exchanger 12 is an oil having a flash point higher than the temperature of the thermoplastic composition which penetrates through the inlet injector 130. As other fluids suitable for exchanging heat, we can also cite hydraulic fluids.
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After leaving the heat exchanger 12, the cooling fluid is recycled through the cooling temperature control apparatus, as indicated above.
To promote the transfer of heat between the thermoplastic composition and the cooling fluid, it is necessary to control the flow of this fluid which circulates in the exterior 122 and interior 126 chambers; a sufficient exchange surface is thus maintained with the external wall 122 of the intermediate tank 104 and the internal wall 120 of the internal tank 106.
Various means can be used for this purpose. However, satisfactory results have been obtained with the control system described in FIGS. 4 and 5. In particular, vertical baffles 92 have been placed inside the internal chamber 126, and they have been fixed to the internal wall 120 of the inner tank 106. Similarly, the outer wall 112 of the intermediate tank 104 has been spirally surrounded with a strip of metal 94 which has been welded thereto, so as to direct the flow of the incoming coolant in the outer chamber 122 via the inlet pipe 32 to the outlet orifices 39, 41 situated in the outlet pipe 36 of the temperature control agent.
Referring again to Figure 1, the outlet orifice 16 of the cooling device is connected and placed in communication with the inlet orifice of the extrusion die. At the outlet of the exchanger 12, the cooled thermoplastic composition is sent through the inlet orifice of the extrusion die and the annular orifice 72 of the extrusion die 70. In the case where one extruded resins containing a swelling agent, the extruded profile undergoes rapid expansion out of the orifice
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this 72 in the industry.
An expansion of the extrudate 74 occurs, because the external pressure is reduced to atmospheric pressure, when the composition leaves the extrusion die 70, which allows the blowing agent to expand around each particle of nucleating agent, thus forming individual cells. In Figure 1, the extruded product 74 is shown in the form of a thermoplastic foam tube, but it is obvious that the shape and dimensions of the extruded product 74 can vary so as to achieve the desired configuration; it suffices to change the extrusion die.
Although the above detailed description is based on an embodiment of the apparatus of the invention used for the production of articles of foam thermoplastic material, it is obvious that this apparatus is also useful for the production of thermoplastic compositions not containing blowing agent. Thus, for example, it is possible to extrude a thermoplastic sheet with this apparatus, by closing the orifice 7 for introducing a blowing agent and by using an extrusion die with a horizontal slot. Likewise, if it is not intended to produce thermoplastic foam compositions, it is not necessary to have a blowing agent inlet port in the extruder.
The advantages resulting from the present invention concerning the increase in resin flow rate are also obtained in the case of extrusion of product which is not in the form of foam. However, these advantages are less significant because the requirements for temperature control are less stringent.
The thermoplastic resins which are suitable for the process of the present invention are chosen from crystalline polymers and
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amorphous polymers. Polystyrene, polyvinyl chloride, acrylonitrile-butadiene-styrene copolymers, polyethylene, polypropylene, polyesters such as terephthalates, and the like are used in particular. It is obvious that various other copolymers and terpolymers of the crystalline and amorphous polymers which have just been mentioned can be used in the apparatus of the present invention. In addition, the compositions fed to the extruder can also contain additives, such as lubricants, nucleating agents, rubbery materials, ionomer resins, dyes, U-V stabilizers, flame retardants and the like.
When the apparatus is used for the production of thermoplastic foam compositions, it is advantageous to use, as blowing agent, air, methyl chloride, CO 2, ammonia, n-pentane, isopentane, fluorinated hydrocarbons or mixtures thereof.
Figures 8-15 relate to the description of another embodiment of the present invention. FIG. 8 represents a longitudinal elevation view of the exchanger 160, which is suitable for circulating oil around several tubes 162 arranged inside the casing 164. In addition to the casing 164, l exchanger 160 comprises an inlet valve 166, a thermocouple 168 placed at the outlet and a tubular plate part 170 which is normally placed inside the casing 164, but which for the purposes of illustration is shown in Figure 9, separated from the envelope 164.
The casing 164 is preferably a practically cylindrical tank, suitable for use in the exchanger 160 of the invention by adding the inlet flange 172 of the casing, the outlet flange 174 of the en -
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veloppe, the inlet orifice 176 and the outlet orifice 178. The tubular plate part 170 is adapted to be placed inside the casing 164 and to be bolted to the latter by means of the flange inlet 180 and outlet flange 182 of the tube plate, or by any other means known to those skilled in the art. The tubular plate part 170 comprises several tubes 162 adapted to transport a thermoplastic composition, from the inlet port 184 to the outlet port 186, against the flow of the oil flowing through the envelope 164.
The flow of oil passing through the casing 164 can be controlled by adding baffles 188 or similar devices in the tubular plate part 170, as shown in Figure 9. According to a preferred embodiment described in the Figures 8-14, the tubular plate part 170 comprises six metal tubes arranged at regular intervals around a periphery around the longitudinal axis of the exchanger 160.
As in the embodiments shown in Figures 1, 4-7, it has been found that the production rate of a heat exchanger of the tubular casing type shown in Figures 8 and 9, can also be greatly increased by maintaining a balance hydraulic throughout the cross section of the exchanger which is intended for the transport of the thermoplastic polymer composition. This also results in an increase in the production rate for any extrusion line which uses such an exchanger.
Hydraulic balance is maintained in the cooling device by carefully controlling the pressure drop in the individual tubes 162. This is accomplished by creating an orifice in the inlet end of each tube 162. These orifices can have dimen-
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fixed or variable, as will be shown in the discussion below.
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It has been found that the following relationship must be satisfied for the hydraulic balance to be maintained for the hot plasticized polymeric material:
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Tube length orifice length ..--, Tube diameter diameter
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This ratio is preferably between approximately 40/1 and approximately 100: 1, and more particularly between approximately 50: 1 and 100: 1.
This means that the pressure drop across the port is at least 25 times greater than the pressure drop in each individual tube, and preferably 50 times greater.
To carry out this embodiment of the invention, it is preferred to use tubes which have an internal diameter of between 1.25 cm and approximately 5 cm. If the diameter of the tube is much smaller than 1.25 cm, the orifice must be extremely small to satisfy the relationship mentioned above. This causes a significant increase in pressure which contributes to an increase in temperature when the polymer passes through the cooling device, due to the working energy which results therefrom.
If the tubes are more than about 5 cm in diameter, the coefficient of heat transfer between the polymer located next to the center of the tube and the coolant becomes too low to ensure efficient heat transfer. 6n has found that tubes of about 2.5 cm in diameter offer a good compromise between the pressure drop and the heat transfer coefficient.
One way to make an orifice at the inlet end of each tube 162 is to place a valve in each tube, which makes it possible to have an orifice of variable dimensions. This embodiment of the invention has been illustrated in Figures 8 and 10. In these figures, the inlet valve
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166 comprises the polymer inlet 184, the flat intake flange 190 and several valves 192, one for each tube 162. FIG. 10 represents a profile view of the inlet valve 166.
Figure 11 shows the configuration of the inlet device 200 for the distribution of the polymer, according to which the flow of the thermoplastic polymer composition passing through the inlet port 184 is divided into several flows which are directed by the channels of passage 194 towards the tubes 162. By placing a valve 192 on each tube 162 to constitute the assembly of the inlet valve 166 detailed in FIG. 14, it is possible to control the flow of the thermoplastic composition in the tubes 162 according to the relationship defined above, so as to maintain a hydraulic balance in the cooling device and to maximize the transfer of heat to the cooling fluid circulating in the casing 164.
FIG. 13 shows the outlet device 202 for the recovery of polymer, by means of which the polymer flows coming from the tubes 162 are collected through the channels 196, to send them to the outlet orifice 186.
According to a preferred embodiment of the present invention with regard to the exchanger 160, the temperature of the thermoplastic composition leaving each tube 162 is controlled by means of thermocouples 198 disposed in the outlet device 168 shown in FIGS. 8 and 12.
For example, the thermocouples 198 can be placed in the channels 196 of the outlet device for the recovery of the polymer indicated in Figure 13. When the temperature of the thermoplastic composition leaving
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of a tube 162 becomes too high, this indicates that this particular tube is no longer in hydraulic equilibrium with the other tubes. This means that the polymer has started to pass mainly through this particular tube. It is then possible to replace this tube in hydraulic equilibrium and to lower the outlet temperature by reducing the flow rate of the thermoplastic composition passing through this tube by partially closing the corresponding valve 192 in the inlet valve assembly 166.
This control can be carried out both automatically and manually by means of conventional instruments directly connecting the valves 192 with their respective thermocouples 198.
Generally, once equilibrium is reached, it is relatively stable, so that manual manipulation of the valves is entirely satisfactory.
According to another embodiment, there may be an orifice at the inlet end of each tube 162 by insertion of an inlet plate 210 in place of the valves 166. Such a plate is shown in Figure 15 .
This plate 210 comprises several openings 212 in number equal to the number of tubes 162 and arranged in this plate 210 according to the same spatial configuration as that of the tubes 162, fixed in the tubular plate 180. The dimension of these openings 212 must be predetermined to satisfy the relation defined above concerning the pressure drop, taking into account the size of the particular tube and of the polymer which must be treated, the latter giving the viscosity conditions, which are very important for the calculation of the pressure drop.
According to this embodiment, it suffices to adapt the extrusion apparatus to process different polymeric materials, since there can be a number of trays 210
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interchangeable having openings of different dimensions, the appropriate tray being easily inserted into the heat exchanger 160 at the appropriate time.
According to another important aspect of the present invention, the heat exchanger 12 is constructed so that it contains, at all times, a volume of polymer greater than the volume of hot plasticized polymer contained in the extruder 2. Preferably, the volume of polymer in the cooling device is at least 2 times and more particularly at least 5 or 6 times the volume contained in the extruder. This makes it possible to operate the extruder at very high flow rates, while simultaneously allowing the polymer to have a residence time long enough in the cooling device to be cooled effectively.
By operating the extruder at a higher speed, the polymer emerging from it will have a higher temperature. In the case of an extrusion process for an expanded polymer, this high temperature has an advantage while the polymer is still in the extruder, because it is easier to disperse the blowing agent uniformly there and in particular those of the freon type which are more soluble at higher temperatures.
Consequently, it is therefore possible, according to the method of the present invention, to operate the extruder at very high speed.
Not only does this increase the production rate of the extrusion line, but it has the added benefit of producing an improved expanded product, i.e. a product with a more uniform distribution of cell size, depending on a better dispersion of the blowing agent in the polymer.
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Due to the increased efficiency of the exchanger device, obtained with the process of the invention, as a result of maintaining the hydraulic balance in the exchanger, the polymer can be brought to a very uniform temperature, that is to say that there is no temperature gradient in the mass of the polymer. This represents a huge advantage in a process for producing expanded thermoplastic products, since the uniformity of the resulting expansion leads to an improved product having a uniform density and cell structure.
Taking into account the characteristics described above, the apparatus according to the present invention is especially suitable for the extrusion of expanded products from thermoplastic polymers which require an exact control of the temperature and the uniformity just before passing into the orifice of the extrusion die and then be expanded. Uniformity of temperature is ensured by the hydraulic balance in the exchanger, as described above, which also allows precise control of the temperature by the use of a coolant having a temperature maintained at the temperature desired final for the polymer. This aspect is achievable because of the long residence times used, which in addition minimizes the possibilities of formation of undesirable temperature gradients in the polymer.
It follows from this ability to control the temperature with precision, that the apparatus of the invention is particularly suitable for the extrusion of expanded polymers having very critical constraints of temperature control, as is the case of polyethylene. In fact, it is possible to produce, at greatly increased rates, high quality expanded polyethylene products which contain