ES2127648T5

ES2127648T5 - Procedimiento para la realizacion de procesos continuos de tratamiento en maquinas de extrusion de dos tornillos sin fin gemelos que giran en un mismo sentido y engranan en forma estanca entre si.

Info

Publication number: ES2127648T5
Application number: ES96929231T
Authority: ES
Inventors: Peter Heidemeyer; Erwin Haring; Rainer Munz; Rainer Herter; Ulrich Burkhardt
Original assignee: Coperion GmbH; Coperion Werner and Pfleiderer GmbH and Co KG
Current assignee: Coperion GmbH; Coperion Werner and Pfleiderer GmbH and Co KG
Priority date: 1995-09-29
Filing date: 1996-08-09
Publication date: 2006-04-01
Anticipated expiration: 2016-08-09
Also published as: KR19990063835A; ES2127648T3; CA2231353C; CN1058217C; WO1997012746A1; EP0852533B1; JP4229217B2; ATE176622T1; NO310762B1; TR199800439T1; JPH11512666A; EP0852533A1; NO981327L; DE19536289A1; AU6871896A; CA2231353A1; EP0852533B2; DE19536289C2; US6042260A; CN1198124A

Abstract

EN UN PROCEDIMIENTO PARA LA REALIZACION DE PROCESOS DE PREPARACION CONTINUOS EN EXTRUSORAS ENGRANADAS QUE GIRAN EN EL MISMO SENTIDO TALES COMO EXTRUSORAS DE DOS HELICES Y EXTRUSORAS DE HELICES DE VARIOS ARBOLES, LA EXTRUSORA ES ACCIONADA CON UN NUMERO DE REVOLUCIONES DE LA HELICE DE AL MENOS 800 UPM, AUMENTANDO AL MISMO TIEMPO LA LLAMADA "DENSIDAD DEL PAR DE GIRO" APLICABLE (M D /A 3 ) A AL MENOS 11 NM/CM 3 Y EL VO LUMEN (D A /D I ) A AL MENOS 1,5.

Description

Procedimiento para la realización de procesos continuos de tratamiento en máquinas de extrusión de dos tornillos sin fin gemelos que giran en un mismo sentido y engranan en forma estanca entre sí.

La invención se refiere a un procedimiento para la realización de procesos continuos de tratamiento en máquinas de extrusión de dos tornillos sin fin gemelos que giran en el mismo sentido y engranan en forma estanca entre sí, según el preámbulo de la reivindicación 1.

Las máquinas de extrusión de dos tornillos sin fin gemelos y las de tornillos sin fin de varios árboles, que giran en un mismo sentido y engranan en forma estanca entre sí, se emplean para procesos continuos de amasado con o sin fusión del material. En estos casos se integran en el proceso frecuentemente también operaciones continuas de desgasificación, mezcla y expansión y en algunos casos se utilizan también las máquinas de extrusión para realizar reacciones.

Los productos que pueden ser sometidos a tratamiento comprenden plásticos, resinas, líquidos, masas plástico-viscosas, materiales adicionales en forma de polvos y de fibras, así como masas de productos alimenticios. El producto final obtenido se puede conseguir, por ejemplo, por medio de procesos de filtrado y de conformación o moldeo, como operaciones de granulado o extrusión en forma de perfil.

Son ya conocidas máquinas de extrusión de la clase mencionada anteriormente, en las que el diámetro del tornillo sin fin es de hasta 340 mm. Los rendimientos de paso de producto son de entre 5.000 y 35.000 kg/hora para una relación entre el diámetro exterior del tornillo sin fin y el diámetro interior del tornillo sin fin (D_{a}/D_{i}) de entre 1,18 y 1,25 o bien entre 1,4 y 1,6. La relación entre el par de giro y la distancia de ejes (M_{d}/a^{3}), la denominada "densidad del par de giro", tiene valores de entre 5 y 10. Según sea el tamaño de la máquina de extrusión, se alcanzan números de revoluciones de entre 300 y 500 rpm y en casos excepcionales también hasta 600 rpm.

La construcción de la máquina de extrusión se realiza habitualmente según el principio de la similitud geométrica y de la similitud en relación con el par de giro. Existe similitud geométrica, si la relación D_{a}/D_{i} es constante; existe similitud en relación con el par de giro, si la relación M_{d}/a^{3} es constante.

Un factor decisivo para la calidad de dispersión, de mezcla y de homogeneización del producto sometido a tratamiento es la velocidad de cizallamiento en el canal del tornillo sin fin lleno de material fundido.

Para muchos procesos rige la norma de que la calidad de mezcla, dispersión y homogeneización es tanto mayor, cuanto mayor sea la velocidad de cizallamiento. En el estado actual de la tecnología de las máquinas de extrusión, en los procesos de tratamiento standard son habituales velocidades medias de cizallamiento de entre 20 y 150 1/seg. en la zona del material fundido y tiempos medios de permanencia del producto de entre 15 y 60 segundos en toda la zona del tornillo sin fin.

En las máquinas de extrusión convencionales, el límite superior de las velocidades medias de cizallamiento está regido por el número de revoluciones del tornillo sin fin y por la relación D_{a}/D_{i}. Sin embargo, al aumentar las velocidades de cizallamiento se obtienen también valores específicos más elevados de la incorporación de energía, lo cual puede ocasionar temperaturas inaceptablemente elevadas del material fundido. Junto con tiempos medios elevados de permanencia del producto en la máquina de extrusión, esto puede ocasionar daños en el producto, que reducen su calidad, concretamente en lo relativo a la configuración térmica y a la reticulación.

Por el documento JP -A- 05 116 140 es conocida una amasadora de extrusión biaxial continua, que trabaja con números de revoluciones de hasta 1.300 rpm y con una temperatura de salida de hasta 320ºC de la resina que debe ser sometida a tratamiento. En base de los procesos descritos en dicho documento, se deduce que el mismo se refiere a una máquina de extrusión de dos tornillos sin fin gemelos que giran en sentidos opuestos y que no engranan en forma estanca entre sí.

El artículo técnico de Fumio Aida en "JAPAN PLASTICS", tomo 9, Nº 1, Enero 1975, Tokio, páginas 18 a 25 con el título "Investigation of Ultra-High Speed Extruder Based on Entirely New Design Concept" (Investigación de máquinas de extrusión de velocidad ultra-alta basadas en un concepto de diseño totalmente nuevo), ha dado a conocer un procedimiento que se realiza con una máquina de extrusión de un solo árbol. En ella se alcanza un número de revoluciones de 1.000 rpm del tornillo sin fin. Sin embargo, las máquinas de extrusión de un solo árbol básicamente no son comparables con las máquinas de extrusión de tornillo sin fin de varios árboles. Por lo tanto, el documento mencionado sirve únicamente como estudio de base tecnológico y no requiere una explicación más a
fondo.

La presente invención tiene por objeto realizar campos medios de velocidades de cizallamiento de \geq 1.000 1/seg., que aumentan la calidad, acortando al mismo tiempo la duración de la actuación de las puntas de temperatura en el producto, sin que se produzcan las dificultades, descritas anteriormente.

El objeto planteado se soluciona haciendo que la máquina de extrusión funcione con un número de revoluciones de los tornillos sin fin de por lo menos 800 rpm, aumentando simultáneamente la denominada "densidad del par de giro" (M_{d}/a^{3}) de por lo menos 11 Nm/cm^{3} que se puede incorporar por cada tornillo sin fin, en la que "a" es la distancia [cm] entre ejes de los árboles de los tornillos sin fin.

Con la densidad del par de giro (M_{d}/a^{3}) aumentada, de por lo menos 11 Nm/cm^{3}, elegida según la invención, la máquina de extrusión puede funcionar sin problemas con los elevados números de revoluciones de los tornillos sin fin, sin que se produzca una incorporación específica de energía intolerablemente elevada. Como ventaja adicional, se consigue un rendimiento de paso de producto muy elevado por unidad de tiempo.

El tiempo de permanencia del producto en la máquina de extrusión es convenientemente inferior a 10 segundos.

En otra realización de la invención, la máquina de extrusión funciona con un número de revoluciones de los tornillos sin fin de hasta 3.000 rpm, aumentando al mismo tiempo la denominada "densidad del par de giro" (M_{d}/a^{3}) de hasta 15 Nm/cm^{3} que se puede incorporar y con una relación (D_{a}/D_{i}) igual o mayor de 1,55 y un tiempo medio de permanencia inferior a 2 segundos. De este modo, por medio de los elevados rendimientos de paso que entonces son posibles, resultan unos tiempos (medios) de permanencia del producto en la máquina de extrusión especialmente bajos.

Los bajos tiempos de permanencia del producto de entre 1 y 10 segundos, resultantes de los elevados números de revoluciones de los tornillos sin fin y de los altos rendimientos de paso del producto, disminuyen al mismo tiempo la tendencia a una desintegración térmica o a la reticulación de los productos.

Es posible un aumento del número de revoluciones de los tornillos sin fin dentro de unos límites determinados también sin aumentar la densidad del par de giro (M_{d}/a^{3}). Sin embargo, el número máximo de revoluciones de los tornillos sin fin queda limitado por el límite superior máximo de la incorporación específica de energía existente en cada procedimiento, el cual corresponde a la temperatura máxima tolerable de la masa fundida (sin que se produzcan daños en el producto).

Por medio de la configuración del procedimiento de la clase descrita al principio, realizada de acuerdo con la invención, se consiguen otros campos nuevos de aplicación.

Así, por ejemplo, el procedimiento preconizado en la invención puede ser empleado también para realizar la mezcla previa continua en el medio de transporte de materiales sólidos y para moler materiales a granel de grano grueso para obtener polvo. Pero, también es posible una combinación de los dos procesos antes mencionados, es decir un proceso de homogeneización de materiales sólidos, que necesita claramente menos energía en comparación con la homogeneización en fase plástica.

El empleo del procedimiento preconizado en la invención en máquinas de reacción hace posible además una mezcla previa efectiva de monómeros y catalizador antes de la reacción, en el tiempo de incubación.

Otra ventaja del procedimiento preconizado en la invención consiste en que, por ejemplo, los pigmentos se pueden dispersar esencialmente mejor en la fabricación de mezclas básicas de caucho.

A continuación se explica la invención por medio de una representación gráfica en los dibujos adjuntos, en los que se muestra:

- en la figura 1 la "Incorporación específica media de energía";

- en la figura 2 el "Rendimiento de paso de masa y el tiempo medio de permanencia del producto en la máquina de extrusión".

Se han realizado ensayos según el procedimiento preconizado en la invención en máquinas "ZSK" amasadoras de tornillos sin fin de dos árboles, con árboles de los tornillos sin fin que giran en un mismo sentido y que engranan en forma estanca entre sí, que se encuentran habitualmente en el mercado, habiéndose dejado la construcción de la máquina (en cuanto a geometría de los tornillos sin fin y elementos de mezcla y amasado) en el mismo estado en el que se utilizaba hasta ahora para el respectivo proceso de tratamiento de plásticos, con números de revoluciones habituales de entre 200 y 400 rpm.

En los ensayos se han alcanzado números de revoluciones de los tornillos sin fin muy superiores a 1.000 rpm y se ha comprobado sorprendentemente que con ellos y aumentando al mismo tiempo la densidad del par de giro incorporada hasta valores de entre 11 y 14 Nm/cm^{3}, no se produce ningún aumento esencial de la temperatura de la masa. Incluso aumentando la temperatura de la masa (p. ej., PC > 350ºC) hasta una temperatura del material fundido inusualmente elevada, no se produce ningún daño en el producto, puesto que, gracias al procedimiento preconizado en la invención, los tiempos de permanencia en la máquina de extrusión son muy inferiores a 10 segundos.

La figura 1 muestra esquemáticamente la relación entre el número de revoluciones de los tornillos sin fin (velocidad de cizallamiento) y 1a incorporación específica de energía para diferentes densidades del par de giro M_{d}/a^{3}. Presuponiendo que se alcance el par de giro máximo disponible, al aumentar la densidad del par de giro (con un número de revoluciones constante) se producen mayores rendimientos de paso de producto. Puede verse que, partiendo de una elevada densidad del par de giro, resultan menores incorporaciones de energía y por lo tanto también menores temperaturas del material fundido. Por otra parte puede verse que un aumento del número de revoluciones de los tornillos sin fin ocasiona también generalmente un mayor rendimiento de paso de la masa, pero esto va unido sin embargo a una mayor incorporación de energía para una densidad dada del par de giro.

En la figura 2 se representa la dependencia entre el rendimiento de paso de masa y el tiempo de permanencia. Aquí se ve claramente que, al aumentar el rendimiento de paso, se reduce claramente el tiempo, durante el cual el material está expuesto a altas temperaturas.

Los ensayos realizados han demostrado que también una temperatura de la masa, que según experiencias anteriores debía ocasionar una reducción de la calidad del producto, no produce ahora,ningún daño en la calidad, si el tiempo de actuación de la temperatura es suficientemente corto. Sin embargo, tiempos de permanencia suficientemente cortos solo pueden conseguirse por medio de elevados rendimientos de paso del producto, los cuales a su vez solo se pueden realizar aumentando el par de giro posible, puesto que en caso contrario, con un número de revoluciones (elevado) dado, no es ya suficiente la potencia de accionamiento de la máquina.

Por la figura 1 puede verse también que es posible aumentar el número de revoluciones dentro de unos límites determinados también sin aumentar la densidad del par de giro. Este número de revoluciones está limitado por el límite superior máximo de la incorporación específica de energía correspondiente a cada procedimiento (e_{specmax}, que corresponde a la temperatura máxima soportable de la masa fundida sin que se dañe el producto durante un tiempo de permanencia prefijado).

Las máquinas que pueden adquirirse hoy día tienen por regla general valores D_{a}/D_{i} de entre 1,4 y 1,6, así como valores M_{d}/a^{3} de entre 5 y 10. Los números de revoluciones de servicio, según sea el tamaño de construcción de la máquina, son de entre 200 y 500 rpm, pero en casos excepcionales también hasta 600 rpm.

El rendimiento de paso de material y la calidad del producto compuesto dependen aquí de la geometría utilizada en los tornillos sin fin, del número de revoluciones y del par de giro máximo de la máquina.

Cualquier proceso para obtener un material compuesto tiene por objeto lograr un producto final homogéneo, por regla general incorporando materiales adicionales. Por lo tanto, los materiales adicionales y los defectos de homogeneidad existentes tienen que ser dispersados en la máquina y mezclados a fondo en forma distributiva. Para triturar partículas se necesitan tensiones de cizallamiento más o menos grandes, que deben ser transmitidas a las partículas a través de la matriz que las rodea. La tensión de cizallamiento \tau se obtiene según la fórmula siguiente:

(1)\tau = \eta \ \times \ \overline{\ring{\gamma}}

a partir de la viscosidad \eta del medio de la matriz y la velocidad de cizallamiento \overline{\ring{\gamma}} impuesta allí forzadamente. Por lo tanto, un factor decisivo para la calidad de la dispersión, de la mezcla y de la homogeneización del producto sometido a tratamiento, además de la temperatura del material fundido y del tiempo de permanencia, es la velocidad de cizallamiento \overline{\ring{\gamma}} [1/seg] en el canal del tornillo sin fin lleno de masa fundida.

Si se considera esto en forma simplificada como valor medio a partir del cociente entre la velocidad de giro del tornillo sin fin y la profundidad del paso helicoidal (presuponiéndose el 100% del grado de llenado en el canal del tornillo sin fin), se aplica la fórmula siguiente:

(2)\overline{\ring{\gamma}} = \frac{v_{u}}{\overline{h}} = \frac{D_{a} \ \times \ \pi \ \times \ n_{s}}{(D_{a} - D_{1}) / 2}

o bien

\overline{\ring{\gamma}} = 2\pi \ \times \ n_{s} \ \times \ \frac{(D_{a} / D_{1})}{(D_{a} / D_{1}) - 1}

Para muchos procesos tiene valor la definición siguiente: cuanto mayor sea la velocidad de cizallamiento, tanto mayor es la calidad de mezcla, dispersión y homogeneización. En el estado actual de la tecnología de las máquinas de extrusión, en procesos de tratamiento standard son habituales velocidades medias de cizallamiento de entre 20 1/seg y 150 1/seg en la zona del material fundido y tiempos medios de permanencia del producto de entre 15 y 60 segundos en toda la zona de los tornillos sin fin.

En las máquinas de extrusión convencionales, las velocidades medias de cizallamiento están limitadas por arriba por el número de revoluciones de los tornillos sin fin y por la relación D_{a}/D_{i}, como puede verse por la fórmula (2).

Al aumentar las velocidades de cizallamiento, sin embargo, resultan también valores más altos de la incorporación específica de energía e_{spec} por medio de la fórmula:

(3)\overline{e}_{spec} = \frac{1}{P_{s}} \times \eta (\ring{\gamma}) \times \overline{\ring{\gamma^{2}}} * \overline{t}

o bien

\overline{e}_{spec} = \frac{1}{P_{s}} \times \eta (\ring{\gamma}) \times \overline{t} \times 4 \pi^{2} \times n_{s} \times \left[\frac{(D_{a} / D_{1})}{(D_{a} / D_{1}) - 1}\right]^{2}

lo cual a su vez puede ocasionar temperaturas inaceptablemente elevadas del material fundido, puesto que el aumento de temperatura del material fundido se calcula a partir de la fórmula

\hskip0,2cm

\DeltaT = e_{spec}/C_{p}

\hskip0,2cm

(C_{p} = capacidad térmica específica). Por lo tanto, junto con grandes tiempos medios de permanencia del producto en la máquina de extrusión, una elevada velocidad de cizallamiento puede ocasionar también daños en el producto, que reducen su calidad (desintegración térmica o reticulación). Símbolos utilizados en las fórmulas

\overline{e}_{spec}	Incorporación específica media de energía [kWh/kg]
\overline{t}	Tiempo medio de permanencia del producto en la máquina de extrusión [seg]
p	Densidad de la masa fundida [kg/m^{3}]
\overline{\ring{\gamma}}	Velocidad media de cizallamiento [1/seg]
\overline{\eta}	Viscosidad dinámica media [Pa/seg]
D_{a}	Diámetro exterior del tornillo sin fin [mm]
D_{i}	Diámetro interior del tornillo sin fin [mm]
\overline{h}	Profundidad de paso helicoidal, valor medio
n_{s}	Número de revoluciones de los tornillos sin fin [min^{-1}] ([s^{-1}])
M_{d}	Par de giro del árbol, referido a 1 árbol [Nm]
a	Distancia entre ejes de los árboles de los tornillos sin fin [cm]
v_{u}	Velocidad de giro de los árboles de los tornillos sin fin [m/seg]
M_{d}/a^{3}	Densidad del par de giro, referida a 1 árbol [Nm/cm^{3}]
\overline{\tau}	Tensión de cizallamiento [Nm/mm^{2}]
c_{p}	Entalpía específica [kJ/kg*K]
\ring{m}	Rendimiento de paso de la masa [kg/h]
\DeltaT	Aumento de la temperatura de la masa [K].

Claims

1. Procedimiento para la realización de procesos continuos de tratamiento en máquinas de extrusión de dos tornillos sin fin gemelos que giran en el mismo sentido y que engranan en forma estanca entre sí, que tienen una relación D_{a}/D_{i} del diámetro exterior D_{a} del tornillo sin fin respecto al diámetro interior D_{i} del tornillo sin fin de entre 1,5 y 1,6, caracterizado porque la máquina de extrusión de dos tornillos sin fin gemelos funciona con un número de revoluciones de por lo menos 800 rpm de los tornillos sin fin con un aumento simultáneo de la denominada "densidad de pares de giro" M_{d}/a^{3} de por lo menos 11 Nm/cm^{3} que puede ser introducida por cada tornillo sin fin, siendo "a" la distancia [cm] entre ejes de los árboles de los tornillos sin fin.

2. Procedimiento según la reivindicación 1, caracterizado porque el tiempo medio de permanencia del producto es de entre 1 y 10 segundos.

3. Procedimiento según la reivindicación 1, caracterizado porque la máquina de extrusión funciona con un número de revoluciones de los tornillos sin fin de hasta 3.000 rpm con un aumento simultáneo de la denominada "densidad del par de giro" M_{d}/a^{3} que puede ser introducida de hasta 15 Nm/cm^{3} y con una relación D_{a}/D_{i} entre el diámetro exterior D_{a} del tornillo sin fin y el diámetro interior D_{i} del tornillo sin fin de entre 1,55 y 1,6 y con un tiempo medio de permanencia del producto de menos de 2 segundos.

4. Aplicación del procedimiento realizado según una o varias de las reivindicaciones 1 a 3, caracterizada porque el procedimiento se utiliza para la mezcla continua en la zona de transporte de los materiales sólidos y/o para moler materiales a granel de grano grueso para obtener polvo.

5. Aplicación del procedimiento según la reivindicación 4, caracterizada porque se incorporan y mezclan pigmentos en la fabricación de mezclas básicas de caucho.