Co-Merotasi Vs. Counter-Rotating Twin-Screw Extruder: Seberapa Besar Pengaruh Arah Rotasi terhadap Kinerja?

Dalam dunia peracikan dan ekstrusi material, Twin-Screw Extruder adalah jantungnya produksi. Kinerjanya secara langsung menentukan kualitas pencampuran, efisiensi produksi, dan sifat mekanik produk akhir.

PadaJBAIK, kami memahami bahwa memilih teknologi yang tepat-Berputar-bersamaatauKontra-berputar-sangat penting untuk aplikasi spesifik Anda. Meskipun perbedaannya mungkin hanya pada arah putaran, simulasi dan uji lapangan Computational Fluid Dynamics (CFD) kami mengungkapkan perbedaan signifikan dalam karakteristik pemrosesan, kemampuan pencampuran, dan kemampuan beradaptasi produk.

Artikel ini menguraikan perbedaan teknis ini untuk membantu Anda membuat keputusan yang tepat untuk lini produksi Anda.

Perbedaan intinya terletak pada cara sekrup berinteraksi dengan material:

Pengekstrusi Sekrup Kembar yang berputar bersama:

• Rotasi: Kedua sekrup diputar ke arah yang sama.

• Mekanisme: Gaya dorong dari penerbangan sekrup ditumpangkan. Material diangkut dalam jalur "∞" (gambar - delapan), sehingga menciptakan efek pengangkutan yang dipaksakan.

Mode pemasangan sekrup kembar-berputar bersama

Pengekstrusi Sekrup Kembar yang berputar-:

Rotasi: Sekrup diputar berlawanan arah.

Mekanisme: Gaya dorong saling mengimbangi. Materi bergerak dalam lintasan berbentuk "C"-dalam ruang tertutup, mengalami pencampuran dan reaksi berulang.

Mode pemasangan sekrup-kembar-berputar

Berdasarkan peta awan tekanan (Gambar. 3) dan kurva variasi tekanan (Gambar. 4), pengamatan berikut dilakukan:

• Sekrup Kembar yang{0}}berputar bersama:Tekanan di dalam saluran aliran menunjukkan fluktuasi ritmis. Fluktuasi ini sesuai dengan posisi penerbangan sekrup (seperti terlihat pada Gambar. 4). Karena penerbangan sekrup merupakan punggungan yang ditinggikan, material mengalami gaya tekan dan geser yang kuat saat melewatinya, sehingga menghasilkan puncak tekanan yang lebih tinggi di lokasi penerbangan.

• Penghitung-Sekrup Kembar yang berputar:Tekanan awalnya naik dan kemudian menurun sepanjang arah ekstrusi, ditandai dengan fenomena tekanan tinggi-terlokalisasi yang signifikan di bagian tengah. Tekanan tinggi ini terjadi di zona intermeshing (merujuk pada Gambar. 2). Rotasi sekrup yang berlawanan menyebabkan material mengalir tidak merata atau tersumbat, menyebabkan penumpukan material di bagian tengah, yang menghasilkan tekanan tinggi yang terlokalisasi.

Diagram awan tekanan di runner selama proses ekstrusi

riwayat tekanan

Berdasarkan kontur laju geser (Gambar. 5) dan kurva variasi (Gambar. 6), pengamatannya adalah sebagai berikut:

• Perilaku Umum (Kedua Jenis):Dalam proses rotasi-bersama dan berlawanan-rotasi, laju geser secara konsisten lebih tinggi pada penerbangan sekrup dan lebih rendah pada saluran sekrup. Hal ini terjadi karena jarak bebas antara bagian ulir dan dinding laras sangat kecil, sehingga mempercepat aliran material dan menyebabkan gaya geser yang tinggi. Sebaliknya, celah yang lebih besar pada saluran sekrup menghasilkan laju geser yang lebih rendah.

• Penghitung-Sekrup Kembar yang berputar:Jenis ini menunjukkan lonjakan laju geser yang terlokalisasi. Fenomena ini secara khusus disebabkan oleh kebocoran aliran (biasanya terjadi melalui celah sempit di daerah intermeshing).

Grafik awan laju geser selama proses ekstrusi

Kurva variasi laju geser

Pencampuran dibagi menjadi dua kategori utama: Distributif dan Dispersif.

Pencampuran Distributif:Proses redistribusi dan reorientasi material untuk mencapai homogenitas.

Pencampuran Dispersif:Proses pengecilan ukuran partikel material melalui gaya regangan dan geser.

Metode Partikel Pelacak digunakan untuk kuantifikasi, menganalisis parameter lintasan seperti Waktu Tinggal (RT), Skala Pemisahan, dan Tegangan Geser Maksimum untuk mengevaluasi perbedaan pencampuran.

Kinerja Pencampuran Aksial: Distribusi Waktu Tinggal (RTD)

Distribusi Waktu Tinggal (RTD) adalah metrik penting untuk pencampuran aksial, yang menggambarkan penyebaran statistik waktu yang dihabiskan material dalam ekstruder. Hal ini diwakili oleh fungsi probabilitas dan kepadatan probabilitas.

Kurva distribusi waktu tinggal kumulatif (Gambar. 7) menggambarkan probabilitas kumulatif sisa cairan atau material di dalam ekstruder.

Dalam sistem sekrup-kembar yang berputar bersama, partikel pelacak mulai keluar dari saluran pada1.00 sdan keluar sepenuhnya54.82 s, memberikan rentang waktu tinggal53.82 s.

Dalam sistem sekrup-kembar yang berputar-berputar, partikel pelacak pertama-tama keluar pada titik1.48 sdan sepenuhnya keluar59.80 s, menghasilkan rentang waktu tinggal58.32 s.

Kurva kumulatif sekrup-kembar yang berputar bersama-tetap berada di atas kurva sistem-berputar berlawanan, yang menunjukkan proporsi partikel yang keluar dari saluran pada waktu tertentu lebih tinggi.

Distribusi waktu menginap kumulatif

Kurva kepadatan probabilitas waktu tinggal menggambarkan seberapa besar kemungkinan material tetap berada di dalam ekstruder selama interval waktu yang berbeda. Kepadatan yang lebih tinggi menunjukkan kemungkinan lebih besar material tetap berada dalam jangka waktu tertentu, sedangkan kepadatan yang lebih rendah mencerminkan lebih sedikit kejadian.

Menurut fungsi kepadatan probabilitas (Gambar. 8):

Sebagian besar partikel dalam ekstruder sekrup-kembar yang berputar bersama berada di dalamnya1.00–1.99 s, sedangkan dalam sistem{0}berputar berlawanan, mereka terkonsentrasi di dalamnya1.48–2.97 s. Kurva rotasi bersama bergeser lebih jauh ke kiri dan menunjukkan puncak yang lebih tinggi, yang menunjukkan kinerja pengangkutan yang lebih kuat. Hal ini mungkin disebabkan oleh karakteristik jalur transpor "∞-berbentuk" yang dipaksakan pada sekrup yang berputar bersama.

Sebaliknya, ekstruder-berputar berlawanan menggerakkan material sepanjang lintasan "berbentuk C-", yang mana pencampuran berulang dan-sirkulasi ulang dalam ruang C-akan memperpanjang waktu tinggal.

distribusi waktu tinggal

Indeks Distributif

Indeks distributif mencerminkan perilaku reologi dan karakteristik aliran material selama ekstrusi. Seperti yang ditunjukkan dalam kurva indeks distributif (Gambar. 9), ekstruder sekrup kembar yang berputar balik menunjukkan keseragaman distributif yang lebih baik dibandingkan dengan sistem rotasi bersama.

Indeks distribusi

Skala Pemisahan

Skala pemisahan mencirikan kemajuan pencampuran distributif. Seperti ditunjukkan pada Gambar. 10, skala pemisahan awal besar karena kedua jenis partikel masuk dari sisi yang berlawanan. Saat pencampuran berlangsung, skala pemisahan berkurang karena aksi dispersif yang diinduksi oleh sekrup, yang menunjukkan pencampuran tingkat permukaan yang lebih dalam. Fluktuasi yang diamati disebabkan oleh agregasi partikel selama aliran.

Kurva skala-pemisahan dari ekstruder sekrup-kembar yang berputar bersama tetap konsisten di bawah sistem rotasi-berputar, sehingga menunjukkan kemampuan pencampuran distributif yang lebih kuat.

Dalam ekstrusi sekrup-kembar yang berputar bersama, kedua sekrup berputar ke arah yang sama dan menghasilkan geseran yang kuat pada zona intermeshing. Hal ini mendorong pertukaran material yang sering antar sekrup, menghasilkan pencampuran distributif yang lebih seragam.

Sebaliknya, ekstrusi-berputar berlawanan mempertahankan sebagian besar material di dalam ruang berbentuk C-. Hanya sebagian kecil yang memasuki daerah celah tempat terjadinya geser dan pemanjangan. Tingkat penutup yang lebih tinggi mengurangi aliran yang tidak teratur tetapi juga menurunkan keseragaman pencampuran secara keseluruhan.

Kinerja Pencampuran Dispersif

Pencampuran dispersif ditentukan oleh pengurangan ukuran partikel secara progresif, terutama didorong oleh tegangan geser dan pemanjangan. Tegangan geser maksimum yang dialami oleh partikel pelacak mencerminkan intensitas proses dispersi. Proporsi partikel yang lebih tinggi yang terkena geseran tinggi menunjukkan kemampuan dispersi yang lebih kuat.

Seperti ditunjukkan pada Gambar. 11, sekrup-kembar yang berputar balik-memiliki kurva probabilitas yang lebih tinggi, yang menunjukkan bahwa sekrup tersebut memaparkan lebih banyak partikel pada tingkat geser yang lebih tinggi.

Kemungkinan tegangan geser maksimum

Gambar. 12 menunjukkan kepadatan probabilitas tegangan geser maksimum, dimana puncaknya menunjukkan tingkat tegangan yang paling sering dialami oleh partikel.

Karakteristik kurva untuk kedua sistem mengonfirmasi bahwa sekrup-kembar yang berputar balik-memberikan gaya geser dan perpanjangan yang lebih kuat, sehingga menghasilkan pencampuran dispersif yang lebih baik dibandingkan dengan desain putaran bersama.

Gambar. 13 dan 14 merangkum hasil uji tarik dan impak.

Bahan yang diekstrusi dengan sekrup-kembar-yang berputar menunjukkan kekuatan tarik dan perpanjangan putus yang sedikit lebih tinggi.
Sebaliknya, sampel dari sistem{0}berputar berlawanan menunjukkan penyerapan energi benturan dan kekuatan benturan yang sedikit lebih tinggi.

Data uji tarik

Data uji dampak

Keuntungan dari Pengekstrusi Sekrup-Kembar yang Berputar Bersama:

Bidang aliran lebih stabil, terutama dalam hal pengendalian tekanan.

Distribusi yang kuat-kinerja pencampuran dengan keseragaman material yang tinggi.

Waktu tinggal yang lebih singkat dan efisiensi pengangkutan yang lebih tinggi, ideal untuk formulasi yang peka terhadap panas dan meminimalkan degradasi termal.

Ekstrudat menunjukkan sifat tarik yang lebih baik.

Keuntungan dari Pengekstrusi Sekrup-Kembar Berputar-Pengekstrusi Sekrup:

Kemampuan membangun tekanan yang lebih tinggi-(dengan memperhatikan puncak tekanan yang terlokalisasi).

Efek geser dan regangan yang lebih kuat, menghasilkan pencampuran dispersif yang unggul.

Distribusi waktu tinggal-yang lebih lama dan lebih luas, cocok untuk proses yang memerlukan waktu reaksi atau pencampuran yang lebih lama.

Ekstrudat menunjukkan kekuatan impak yang lebih tinggi dan viskositas leleh yang lebih rendah karena pemotongan rantai yang lebih luas.