同向锥形双螺杆混合挤出性能的比较
合集下载
相关主题
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
0418． 收稿日期： 2011基金项目： 科研协作基金资助项目（ B2220080256 ） ． ）， 作者简介： 曹英寒（ 1982女， 博士； ）， mail： jnchen @ 陈晋南 （ 1948女， 教授， 博士生 导 师，Ebit． edu． cn． 通信作者： 陈晋南．
随着聚合物加工业的发展， 聚合物主要加工设 备双螺杆挤出机得到了飞速发展， 以其优异的加工 性能得到了越来越广泛的应用． 1967 年左右， 奥地 利 ANCER 兄弟公司制造出世界上第一台异向锥形
［4 ］
研究了壁面
wenku.baidu.com
条件对异向锥形双螺杆挤出硬聚氯乙烯过程的影 研究结果表明改善壁面条件有利于提高聚合物 响， 降低制品的残余应力， 提高 螺杆挤出过程的稳定性， 制品质量． 2008 年， 同向锥形双螺杆造粒机应用于工业生 产 ． 但是， 尚未见有关同向锥形双螺杆混合挤出 有必要研究聚合物同 聚合物性能研究的报道． 因此，
第 32 卷第 10 期 2011 年 10 月
哈 尔 滨 工 程 大 学 学 报 Journal of Harbin Engineering University
Vol． 32 №． 10 Oct． 2011
doi： 10． 3969 / j． issn． 1006 － 7043． 2011． 10． 018
同向锥形双螺杆混合挤出性能的比较
1， 2 1 曹英寒 ， 陈晋南
（ 1． 北京理工大学 化工与环境学院， 北京 100081 ； 2． 南阳理工学院 生物与化学工程学院， 河南 南阳 473004 ） 摘 要： 为了给同向锥形双螺杆的设计和实际加工提供理论依据和技术支持， 在螺杆转速为 25r / min， 进出口压差为零的
Abstract： In order to provide theoretical basis and technical support for the design and actual processing of a corotating conical twinscrew ，a study was done on the mixing performance of a corotating conical twinscrew extruder． The flow of rigid polyvinyl chloride （ RPVC ） was melted in a corotating conical twinscrew extruder． When the rotation speed was 25 r / min，the pressure difference between the entrance and exit of the extruder was zero，a corotating conical twinscrew extruder，a counterrotating conical twinscrew extruder and a parallel twinscrew extruder were simulated by using Polyflowthe finite element method software． The threedimensional isothermal flow fields of RPVC in the melting sections of the three types of twinscrew extruders were also calculated． The mixing performance of each type of twinscrew extruder was studied by using the particle tracking analysis method． The results of particle tracking analysis show that a corotating conical twinscrew extruder has the best dispersive mixing performance． Its distribution mixing performance is better than that of a counterrotating conical twinscrew extruder and smaller than that of a parallel twinscrew extruder． The results show that a corotating conical twinscrew extruder not onbut also overcomes the shortcoming of a lower shear rate compared with a ly has the advantage of compressing materials， counterrotating conical twinscrew extruder． The fluctuation of pressure in the melting section of a corotating conical twinscrew extruder is the smallest， which allows for superior stability of the polymer extrusion in the three types of twinscrew extruders． The residence time of RPVC in an HT30 combined parallel twinscrew extruder was studied through experiments and numerical simulation． The difference in results between the two methods was very small． Therefore，the mathematical and physical models as well as the numerical method in this study are reliable． Keywords： numerical simulation； particle tracking analysis； corotating conical twinscrew extruder； mixing extrusion
［5 ］
图1 Fig． 1
3 种双螺杆计量段网格和同向锥形 双螺杆计量段的网格叠加
Meshes for melting sections of three twinscrew extruders and mesh superposition of corotating conical twinscrew
实验比较研究
了由断裂和常规螺纹元件组合异向锥形双螺杆的混 与单螺杆的混合性能比较， 研究结果表明， 合性能， 断裂螺纹元件可增加漏流， 提高混合． 2003 年， 张志 ［2 ］ 莲等 使用 ANSYS 有限元软件数值计算了异向锥 形双螺杆菠萝型混合元件内熔体的三维等温流场 ， 与常规螺纹元件的性能对比， 研究结果表明， 菠萝型 混合元件比常规螺纹元件的生产率高， 分布混合能 力强， 机头压力和物料温度的波动小． 但是， 其分散 在不同转 性混合能力不如常规螺纹元件． 2006 年， ［3 ］ Kumar 等 实验和数值研究 速和机筒温度条件下， 了异向锥形双螺杆挤出中淀粉的停留时间 ， 研究结 随着螺杆转速和机筒温度的提高 ， 粒子的平 果表明， 曹英寒等 均停留时间减小． 2010 年，
本文研究对象为机筒温度恒定的双螺杆一个导 程的计量段， 在该段 RPVC 已全熔融， 忽略粘性热， 因此假设该段熔体流动为等温流动． 螺槽内熔体速 ［7 ］ 度的计算公式为 u = πDncos （ 1） 式中： D 为螺杆直径， 对于两种锥形双螺杆计量段， 取计 量 段 大 端 直 径 60． 6 mm； n 为 螺 杆 转 速， 25 r / min； 为螺纹升角， 17． 7°． 由式（ 1 ） 计算得到 3 种双螺杆计量段螺槽内熔 0． 011 ， 0． 020 m / s， 体的最大速度分别为 0． 011 ， 此时 －5 －5 3． 5 × 10 ， 6． 4 × 10 － 5 ． 的雷诺数分别为 3． 5 × 10 ， 可见， 熔体在 3 种双螺杆计量段的流动为层流． 根据 3 种双螺杆混合挤出 RPVC 的工况， 假设 螺杆流道内全充满高黏度 RPVC 熔体， 忽略惯性力 ， 和质量 力 熔 体 流 动 为 稳 定 不 可 压 缩 的 等 温 层 ． 基于以上假设， 流 描述锥形双螺杆流道内熔体 流动的控制方程为： 连续性方程： ·u = 0 ． （ 2）
向锥形双螺杆的混合挤出性能． 在相同工艺条件下， 本文使用 POLYFLOW 软件， 数值模拟了同向和异向 旋转锥形双螺杆、 组合式平行同向双螺杆 （ 简称 3 种双螺杆） 混合挤出硬质聚氯乙烯 （ RPVC ） 的过程， 数值计算了 3 种双螺杆流道内 RPVC 熔体的三维等 温流场， 比较研究同向锥形双螺杆与其他两种双螺 杆的混合挤出性能．
第 10 期
曹英寒， 等： 同向锥形双螺杆混合挤出性能的比较研究
· 1361·
双螺杆挤出机． 与平行双螺杆相比， 锥形双螺杆挤出 ． 机的问世和工业应用较晚 锥形螺杆具有压缩比大、 长径比小的结构特点， 适用于粉状聚氯乙烯 （ PVC ） 的加工， 尤其适用于 UPVC 干混粉料造粒和直接挤 VAN Zuilichem 等 出成型． 1999 年，
［1 ］
图． 使用 POLYFLOW 的网格叠加技术组合机筒和螺 杆， 以避免因螺杆运动重复划分网格． 图 1 （ d ） 给出 了同向锥形双螺杆和机筒网格的叠加图 ． 其他两种 双螺杆和机筒的网格叠加与同向锥形双螺杆和机筒 计 的叠加方法相同． 划分不同大小的网格进行试算， 同向锥形双螺杆， 异向锥形 算结果达到收敛精度时， 双螺杆和平行双螺杆的最少网格数分别为 367 322 ， 366 664 和 277 316 个． 同向和异向锥形双螺杆的机 筒网格数均为 380 508 个， 平行双螺杆机筒网格数 为54 984 个．
Study on the mixing performance of a corotating conical twinscrew extruder
2 CAO Yinghan1， ，CHEN Jinnan1
（ 1． School of Chemical Engineering and Environment，Beijing Institute of Technology，Beijing 100081 ， China； 2． School of Biology and Chemical Engineeing，Nanyang Institute of Technology， Nanyang 473004 ， China）
条件下， 使用 POLYFLOW 软件， 数值模拟了同向和异向旋转锥形双螺杆 、 平行同向双螺杆混合挤出 RPVC 的过程， 计算 用粒子示踪法统计分析了 3 种双螺杆的混合挤出性能， 将同向锥形双 了 3 种双螺杆计量段流道内熔体的三维等温流场， 螺杆的混合挤出性能与异向锥形双螺杆和平行双螺杆的混合挤出性能比较 ． 统计分析结果表明， 同向锥形双螺杆分散性 分布性混合能力比异向锥形的大， 比平行双螺杆的小． 同向锥形双螺杆既保存了异向锥形双螺杆有利于 混合能力最大， 物料的压缩的优点， 又克服了异向锥形双螺杆剪切能力小的缺点 ． 锥形双螺杆计量段流道内熔体的压力波动最小， 有利 30 平行双螺杆挤出 RPVC 的停留时间， 于挤出制品的稳定性． 用实验和数值计算 2 种方法研究了 HT验证了所采用的数 值计算方法的可靠性． 关键词： 数值模拟； 粒子示踪法； 同向锥形双螺杆； 混合挤出 中图分类号： TQ320． 66 文献标识码： A 7043 （ 2011 ） 10136007 文章编号： 1006-
随着聚合物加工业的发展， 聚合物主要加工设 备双螺杆挤出机得到了飞速发展， 以其优异的加工 性能得到了越来越广泛的应用． 1967 年左右， 奥地 利 ANCER 兄弟公司制造出世界上第一台异向锥形
［4 ］
研究了壁面
wenku.baidu.com
条件对异向锥形双螺杆挤出硬聚氯乙烯过程的影 研究结果表明改善壁面条件有利于提高聚合物 响， 降低制品的残余应力， 提高 螺杆挤出过程的稳定性， 制品质量． 2008 年， 同向锥形双螺杆造粒机应用于工业生 产 ． 但是， 尚未见有关同向锥形双螺杆混合挤出 有必要研究聚合物同 聚合物性能研究的报道． 因此，
第 32 卷第 10 期 2011 年 10 月
哈 尔 滨 工 程 大 学 学 报 Journal of Harbin Engineering University
Vol． 32 №． 10 Oct． 2011
doi： 10． 3969 / j． issn． 1006 － 7043． 2011． 10． 018
同向锥形双螺杆混合挤出性能的比较
1， 2 1 曹英寒 ， 陈晋南
（ 1． 北京理工大学 化工与环境学院， 北京 100081 ； 2． 南阳理工学院 生物与化学工程学院， 河南 南阳 473004 ） 摘 要： 为了给同向锥形双螺杆的设计和实际加工提供理论依据和技术支持， 在螺杆转速为 25r / min， 进出口压差为零的
Abstract： In order to provide theoretical basis and technical support for the design and actual processing of a corotating conical twinscrew ，a study was done on the mixing performance of a corotating conical twinscrew extruder． The flow of rigid polyvinyl chloride （ RPVC ） was melted in a corotating conical twinscrew extruder． When the rotation speed was 25 r / min，the pressure difference between the entrance and exit of the extruder was zero，a corotating conical twinscrew extruder，a counterrotating conical twinscrew extruder and a parallel twinscrew extruder were simulated by using Polyflowthe finite element method software． The threedimensional isothermal flow fields of RPVC in the melting sections of the three types of twinscrew extruders were also calculated． The mixing performance of each type of twinscrew extruder was studied by using the particle tracking analysis method． The results of particle tracking analysis show that a corotating conical twinscrew extruder has the best dispersive mixing performance． Its distribution mixing performance is better than that of a counterrotating conical twinscrew extruder and smaller than that of a parallel twinscrew extruder． The results show that a corotating conical twinscrew extruder not onbut also overcomes the shortcoming of a lower shear rate compared with a ly has the advantage of compressing materials， counterrotating conical twinscrew extruder． The fluctuation of pressure in the melting section of a corotating conical twinscrew extruder is the smallest， which allows for superior stability of the polymer extrusion in the three types of twinscrew extruders． The residence time of RPVC in an HT30 combined parallel twinscrew extruder was studied through experiments and numerical simulation． The difference in results between the two methods was very small． Therefore，the mathematical and physical models as well as the numerical method in this study are reliable． Keywords： numerical simulation； particle tracking analysis； corotating conical twinscrew extruder； mixing extrusion
［5 ］
图1 Fig． 1
3 种双螺杆计量段网格和同向锥形 双螺杆计量段的网格叠加
Meshes for melting sections of three twinscrew extruders and mesh superposition of corotating conical twinscrew
实验比较研究
了由断裂和常规螺纹元件组合异向锥形双螺杆的混 与单螺杆的混合性能比较， 研究结果表明， 合性能， 断裂螺纹元件可增加漏流， 提高混合． 2003 年， 张志 ［2 ］ 莲等 使用 ANSYS 有限元软件数值计算了异向锥 形双螺杆菠萝型混合元件内熔体的三维等温流场 ， 与常规螺纹元件的性能对比， 研究结果表明， 菠萝型 混合元件比常规螺纹元件的生产率高， 分布混合能 力强， 机头压力和物料温度的波动小． 但是， 其分散 在不同转 性混合能力不如常规螺纹元件． 2006 年， ［3 ］ Kumar 等 实验和数值研究 速和机筒温度条件下， 了异向锥形双螺杆挤出中淀粉的停留时间 ， 研究结 随着螺杆转速和机筒温度的提高 ， 粒子的平 果表明， 曹英寒等 均停留时间减小． 2010 年，
本文研究对象为机筒温度恒定的双螺杆一个导 程的计量段， 在该段 RPVC 已全熔融， 忽略粘性热， 因此假设该段熔体流动为等温流动． 螺槽内熔体速 ［7 ］ 度的计算公式为 u = πDncos （ 1） 式中： D 为螺杆直径， 对于两种锥形双螺杆计量段， 取计 量 段 大 端 直 径 60． 6 mm； n 为 螺 杆 转 速， 25 r / min； 为螺纹升角， 17． 7°． 由式（ 1 ） 计算得到 3 种双螺杆计量段螺槽内熔 0． 011 ， 0． 020 m / s， 体的最大速度分别为 0． 011 ， 此时 －5 －5 3． 5 × 10 ， 6． 4 × 10 － 5 ． 的雷诺数分别为 3． 5 × 10 ， 可见， 熔体在 3 种双螺杆计量段的流动为层流． 根据 3 种双螺杆混合挤出 RPVC 的工况， 假设 螺杆流道内全充满高黏度 RPVC 熔体， 忽略惯性力 ， 和质量 力 熔 体 流 动 为 稳 定 不 可 压 缩 的 等 温 层 ． 基于以上假设， 流 描述锥形双螺杆流道内熔体 流动的控制方程为： 连续性方程： ·u = 0 ． （ 2）
向锥形双螺杆的混合挤出性能． 在相同工艺条件下， 本文使用 POLYFLOW 软件， 数值模拟了同向和异向 旋转锥形双螺杆、 组合式平行同向双螺杆 （ 简称 3 种双螺杆） 混合挤出硬质聚氯乙烯 （ RPVC ） 的过程， 数值计算了 3 种双螺杆流道内 RPVC 熔体的三维等 温流场， 比较研究同向锥形双螺杆与其他两种双螺 杆的混合挤出性能．
第 10 期
曹英寒， 等： 同向锥形双螺杆混合挤出性能的比较研究
· 1361·
双螺杆挤出机． 与平行双螺杆相比， 锥形双螺杆挤出 ． 机的问世和工业应用较晚 锥形螺杆具有压缩比大、 长径比小的结构特点， 适用于粉状聚氯乙烯 （ PVC ） 的加工， 尤其适用于 UPVC 干混粉料造粒和直接挤 VAN Zuilichem 等 出成型． 1999 年，
［1 ］
图． 使用 POLYFLOW 的网格叠加技术组合机筒和螺 杆， 以避免因螺杆运动重复划分网格． 图 1 （ d ） 给出 了同向锥形双螺杆和机筒网格的叠加图 ． 其他两种 双螺杆和机筒的网格叠加与同向锥形双螺杆和机筒 计 的叠加方法相同． 划分不同大小的网格进行试算， 同向锥形双螺杆， 异向锥形 算结果达到收敛精度时， 双螺杆和平行双螺杆的最少网格数分别为 367 322 ， 366 664 和 277 316 个． 同向和异向锥形双螺杆的机 筒网格数均为 380 508 个， 平行双螺杆机筒网格数 为54 984 个．
Study on the mixing performance of a corotating conical twinscrew extruder
2 CAO Yinghan1， ，CHEN Jinnan1
（ 1． School of Chemical Engineering and Environment，Beijing Institute of Technology，Beijing 100081 ， China； 2． School of Biology and Chemical Engineeing，Nanyang Institute of Technology， Nanyang 473004 ， China）
条件下， 使用 POLYFLOW 软件， 数值模拟了同向和异向旋转锥形双螺杆 、 平行同向双螺杆混合挤出 RPVC 的过程， 计算 用粒子示踪法统计分析了 3 种双螺杆的混合挤出性能， 将同向锥形双 了 3 种双螺杆计量段流道内熔体的三维等温流场， 螺杆的混合挤出性能与异向锥形双螺杆和平行双螺杆的混合挤出性能比较 ． 统计分析结果表明， 同向锥形双螺杆分散性 分布性混合能力比异向锥形的大， 比平行双螺杆的小． 同向锥形双螺杆既保存了异向锥形双螺杆有利于 混合能力最大， 物料的压缩的优点， 又克服了异向锥形双螺杆剪切能力小的缺点 ． 锥形双螺杆计量段流道内熔体的压力波动最小， 有利 30 平行双螺杆挤出 RPVC 的停留时间， 于挤出制品的稳定性． 用实验和数值计算 2 种方法研究了 HT验证了所采用的数 值计算方法的可靠性． 关键词： 数值模拟； 粒子示踪法； 同向锥形双螺杆； 混合挤出 中图分类号： TQ320． 66 文献标识码： A 7043 （ 2011 ） 10136007 文章编号： 1006-