Вакуумная дегазация в процессах экструзии полимеров

Вакуумная дегазация полимеров в экструдере — сложный термодинамический процесс, который происходит в условиях вакуума и требует учитывать как внешние условия, так и состав полимера. Дегазация занимает ключевое место в технологической линии производства полимеров и напрямую влияет на получение конечного продукта высокого качества.

Удаление низкомолекулярных компонентов (мономеров, олигомеров, растворителей, продуктов реакции, воздуха или продуктов разложения) из полимерных расплавов в экструдерах является общепринятой стадией как промышленного производства пластиков, так и других процессов.

Подача компаундера осуществляется за счет системы пневмотранспорта, более подробно ознакомиться с оборудованием для данного технологического процесса вы можете по ссылке: Пневмотранспорт

Инженеры и эксперты полимерной промышленности на ряду с эксплуатационными проблемами выделаю трудности, связанные с температурными колебаниями и адгезией. Данные проблемы напрямую связаны с параметрами температуры и давления. Наряду с общеизвестными фактами, мы предлагаем также рассмотреть экономическую составляющую, что является приоритетным для многих наших заказчиков, ориентированных на будущее.

Ключевые задачи вакуумной дегазации полимеров

В частично заполненных витках шнека дегазация происходит за счет диффузии перерабатываемого материала через поверхность расплава. Летучие компоненты диффундируют через эту поверхность в свободный объем канала шнека и удаляются через отверстия в технологической зоне цилиндра.

Процессу диффузии способствуют достаточно долгое время пребывания в зоне дегазации, большая межфазная поверхность, малая толщина слоев расплава, постоянное обновление поверхности и высокая степень вакуума.

Скорость выхода газов определяется, прежде всего, доступным сечением дегазационных отверстий и вентиляционных портов, а также доступной площадью профиля шнека. Слишком высокая скорость газа снижает безопасность процесса дегазации и приводит к нежелательному выносу продукта. С учетом этого разработаны многоступенчатые вакуумные системы, которые позволяют делить газовые потоки и обеспечивать более высокий вакуум.

Кроме упомянутых выше технических причин, дегазация полимеров требуется и для удовлетворения таких требований к качеству, как например:

• улучшение запаха;
• увеличение прочности;
• сохранение внешнего вида;
• удаление пористых гранул;
• концентрация летучих компонентов (например, мономеров или растворителей) должна находиться в максимально допустимых пределах.

В зависимости от технологических задач дегазацию в сонаправленных двухшнековых экструдерах можно разделить на:

Технология и устройство зоны вакуумной дегазации в экструдерах

Устройство и конфигурация зоны дегазации в двухшнековом экструдере определяются характером технологической задачи, а также физико-химическими свойствами перерабатываемого материала. При проектировании узлов дегазации необходимо учитывать следующие ключевые параметры: тип удаляемого компонента (растворитель, мономер, вода), концентрация полимера в системе, агрегатное состояние перерабатываемой массы (раствор, расплав, твёрдое вещество), а также требуемое остаточное содержание летучих веществ — как правило, на уровне десятков ppm.

Зоны дегазации могут быть реализованы в различных конфигурациях: от простых вентиляционных участков до сложных систем с одной или несколькими ступенями вакуумирования. Применение вакуума позволяет существенно повысить эффективность удаления летучих компонентов, особенно при необходимости достижения сверхнизкого остаточного содержания и оптимальных температур нагревания полимера.

При разработке установок дегазации с целью удаления большого количества растворителей следует особенно учитывать диапазон температур воспламенения и структуру последующих зон дегазации остаточных веществ. Охлаждение раствора полимера ниже температуры воспламенения может быть приблизительно рассчитано с помощью физических характеристик, например, энтальпии испарения, она позволяет определить ожидаемые максимальные скорости испарения газа, которые вместе с геометрическими размерами экструдера составляют диапазон безопасной эксплуатации.

Остаточная дегазация также преимущественно определяется процессами диффузии. С помощью диаграмм равновесия можно определить значения минимальной температуры и давления в дегазационном экструдере для достижения заданного содержания летучих компонентов.

Теория Флори-Хаггинса

Модель Флори-Хаггинса — это термодинамическая модель, описывающая поведение полимеров в растворах и смесях. Она учитывает различие в размерах полимерных цепей и растворителя, используя решёточную модель для описания их взаимодействия. Модель позволяет предсказать такие свойства, как смешиваемость и фазовое разделение.

ln $\frac{\mathrm{p}}{\mathrm{p<sub\; style="font-size:\; 60\%;">0</sub>}}$ = ln (1 - v_pol) + v_pol + χ·v²_pol

ln $\frac{\mathrm{p}}{\mathrm{p<sub\; style="font-size:\; 60\%;">0</sub>}}$ — Отношение парциального давления растворителя над полимеров p к давлению насыщенного пара чистого растворителя p₀. Эта величина связана с активностью растворителя в полимере.

v_pol — Объемная доля полимера в смеси.

χ — Параметр взаимодействия Флори-Хаггинса, который характеризует взаимодествие между сегментами полимера и молекулами растворителя. Положительные значения χ указывают на неблагоприятные взаимодействия, способствующие разделению фаз, в то время как отрицательные значения указывают на благоприятные взаимодействия.

Графически данную зависимость можно представить в виде диаграммы Флори-Хаггинса которая показывает давление испарения р в точке равновесия GG через неопределенное время для заданной концентрации растворителя в полимере при определенной температуре. На этих диаграммах равновесная концентрация GG часто отображается как логарифм первого порядка по отношению к давлению испарения р для постоянных температур Т.

Когда температура Т возрастает, равновесная концентрация GG уменьшается, тогда как давление пара р остается постоянным. С помощью этих кривых можно оценить, будет ли (и при каком остаточном содержании) протекать дегазация.

Основываясь на теории Флори-Хаггинса можно установить следующие основные условия эффективной дегазации полимеров:

1. Превышение текущей концентрации растворителя над равновесной (GG-концентрацией):
   Для инициации процесса дегазации необходимо, чтобы фактическая концентрация растворителя в полимере превышала равновесное значение, соответствующее заданной температуре и давлению. Согласно уравнению Флори-Хаггинса, это означает, что:

$\frac{\mathrm{p}}{\mathrm{p<sub\; style="font-size:\; 60\%;">0</sub>}}$ = exp (ln (1 - v_pol) + v_pol + χ·v²_pol)

2. Достаточный термодинамический потенциал (градиент давления):
   Эффективная дегазация возможна при наличии градиента парциального давления растворителя между внутренней частью расплава и дегазационной камерой. Чем выше разность между фактическим парциальным давлением растворителя и его давлением в дегазационной зоне, тем выше скорость массопереноса.
3. Температура выше температуры равновесия GG при заданном остаточном содержании растворителя:
   Повышение температуры способствует увеличению давления насыщенного пара растворителя и снижению его растворимости в полимере. Это смещает равновесие в сторону десорбции. Таким образом, дегазация будет протекать эффективно при условии:

T > T_(GG)(c)

T_(GG)(c) — температура, при которой текущая концентрация растворителя соответствует равновесной.

4. Низкое внешнее давление (глубокий вакуум):
   Снижение абсолютного давления в дегазационной зоне приводит к уменьшению давления пара p, необходимого для достижения равновесия, что снижает равновесную концентрацию GG. Это критично для удаления остаточных количеств растворителя до нормативных пределов ppm.
5. Неблагоприятные параметры взаимодействия при χ > 0:
   Значения параметра Флори-Хаггинса χ, характеризующие слабое взаимодействие между полимером и растворителем, способствуют фазовому разделению и десорбции. При положительных и особенно высоких значениях χ растворитель хуже удерживается в полимерной матрице, что облегчает его удаление.
6. Максимизация площади межфазного контакта и времени пребывания:
   Хотя это уже относится к инженерным условиям, с термодинамической точки зрения увеличение поверхности испарения и времени нахождения в зоне дегазации позволяет системе приблизиться к термодинамическому равновесию, при котором давление растворителя стремится к значению, определяемому моделью Флори-Хаггинса.

Устройство и принцип работы вакуумных дегазационных установок

Вакуумные дегазационные установки представляют собой модульные инженерные комплексы, общий принцип работы которых заключается в создании пониженного давления (вакуума) в зоне контакта с полимером, в результате чего парциальное давление летучих компонентов снижается, и они переходят из жидкой или растворённой фазы в газовую. Затем газы и пары отводятся вакуумным насосом, проходят через систему очистки и собираются или утилизируются.

Основные функциональные узлы вакуумных установок включают:

• Зону дегазации (на экструдере или реакторе). Устанавливается в зоне пониженного давления на корпусе двухшнекового экструдера, реактора или другого перерабатывающего оборудования. Здесь расплав полимера контактирует с вакуумом, и начинается процесс испарения летучих компонентов.
• Промежуточные фильтры и сепараторы (предварительная очистка). На входе вакуумной линии устанавливаются газожидкостные фильтры-сепараторы, защищающие насос от попадания частиц полимера, капельного конденсата или агрессивных компонентов. Они также позволяют отделить жидкую фазу до компрессии.
• Вакуумный насос (или каскад насосов). Является ключевым элементом установки. В зависимости от требований к глубине вакуума, расходу и химической стойкости среды используются разные типы насосов (водокольцевые, когтевые, винтовые, пластинчато-роторные и др.).
• Систему улавливания и хранения промывочной/конденсатной жидкости. Паровоздушная смесь может конденсироваться и накапливаться в специальных резервуарах с фильтрующими элементами, предотвращающими загрязнение оборудования. Это особенно важно при наличии конденсируемых мономеров или растворителей.
• Шкаф управления и автоматику. Управление всеми узлами осуществляется с помощью ПЛК или распределённой системы управления (DCS), обеспечивающей контроль давления, температуры, расхода и уровня жидкости. Система также выполняет защитные функции (от перегрева, переуплотнения, залипания и т.д.).

В основу классификации вакуумных установок для дегазации полимеров ложится тип используемого вакуумного насоса. Выбор типа вакуумного насоса определяется технологическими задачами: требуемой глубиной вакуума, химической стойкостью, расходом газа и устойчивостью к загрязнению паро-жидкостной смесью. В практике дегазации полимеров применяются следующие типы насосов:

ELRPX

Водокольцевой
вакуумный насос

CLAW-AX

Когтевой сухой
вакуумный насос

TECLA

Винтовой сухой
вакуумный насос

RS

Пластинчато-роторный
маслосмазываемый вакуумный насос

Важным требованием для подобных систем является устойчивость к загрязнениям и химически активным добавкам. Чтобы исключить попадание капельной влаги и твёрдых частиц в проточную часть насоса, наши системы оборудуются фильтрами-сепараторами на входе системы. Система очистки и большая часть компонентов разработана совместно с европейским производителем Solberg.

Большая часть веществ улавливается и удерживается именно в них, далее газ с более низким содержанием попадает в насос. С целью сохранить надежность и долгосрочную эксплуатацию – наши системы ClawEX оборудованы баком и контуром для промывки проточной части. Система не требует подвода воды, что упрощает монтаж и исключает расходы на её фильтрацию и утилизацию, в отличие от водокольцевых установок.

Наше оборудование для вакуумной дегазации

Выбор наиболее эффективной системы вакуумной дегазации крайне ответственный процесс. Мы рекомендуем клиентам в первую очередь обращать внимание на требуемые характеристики для обеспечения наиболее эффективных условий температуры и давления в зоне дегазации.

Также крайне важно, заранее, на этапе проектирования, предусмотреть подвод воды в случае установки системы на базе водокольцевых насосов.

ClawEX

В случае, когда клиенту требуется наиболее энергоэффективное и современное решение, мы предлагаем установки на базе наших самых передовых сухих когтевых насосов Claw AX. Данное решение является универсальной системой, которая не требует использования рабочих жидкостей. Установка разработана нашими специалистами на базе популярной серии сухих когтевых насосов Erstvak ClawAX. Уникальность системы заключается в интегрированном контуре с автоматической подачей промывочной жидкости. Дополнительно возможно оснастить систему продувочным азотом и генератором, что позволит вывести все токсичные газы из системы дегазации. Высокая стойкость к химическим реагентам позволяет использовать единую промывочную жидкость для очистки экструдера и системы дегазации.

Преимущества установки ClawEX:

• Энергоэффективность
• Минимальное обслуживание и простая эксплуатация
• Безмасляная технология сухих когтевых насосов
• Предельное остаточное давление до 30 мбар
• Система автоматической промывки и продувки
• Дополнительные варианты материального исполнения PEEK или PTFE для повышенной химстойкости
• Универсальность промывочных жидкостей экструдера и насоса
• Возможность дооснастить систему фильтрами и продувочным азотом
• Высокая надежность при циклических нагрузках
• Разработано специалистами ERSTVAK

Узнать больше ->

ELRPX CLS

Наиболее популярное и проверенное временем решение разработано нашими специалистами на базе водокольцевых вакуумных насосов серии ELRPX.

Вакуумная установка имеет замкнутый контур, в контуре также предусмотрен чиллер Friona производства ERSTVAK, обеспечивающий охлаждение рабочей жидкости.

При выборе установки с незамкнутым контуром, необходимо обратить внимание, что водокольцевые системы требует подключение к системе водоснабжения, а отработанная вода является токсичной жидкость, требующей последующей фильтрации.

Преимущества установки ELRPX CLS:

• Предельное остаточное давление до 50 мбар
• Простота конструкции и модульный дизайн
• Эффективное теплоотведение
• Предельное остаточное давление до 30 мбар
• Низкий уровень шума
• Широкий модельный ряд
• Применимо для агрессивных газовых сред в случае использовать взрывозащищенного исполнения
• Разработано специалистами ERSTVAK

Узнать больше ->

Таблица итогового сравнения насосов для вакуумных систем дегазации. Таблица носит исключительно рекомендательный характер и конечный выбор должен учитывать все параметры и детали именно вашего технологического процесса.

Ваша выгода в цифрах на примере вакуумной дегазации в процессах переработки ПЭТ-сырья

Чтобы не быть голословными, мы на примере одного из недавних наших кейсов постараемся проиллюстрировать, в чём заключается ваша выгода при выборе установки ClawEX.

На многих линиях дегазацию расплава до сих пор обеспечивают только за счет повышенной температурой или прибегают к установке водокольцевых вакуумных систем. Для ПЭТ, где требуется остаточная влага на уровне десятков ppm, такой подход либо технологически недостижим, например, при атмосферном давлении, либо избыточно энергозатратен и ресурсоёмок, например, требуется вода или установка чиллера. Мы разложим задачу «по полочкам» и посчитаем полную стоимость владения для сухой когтевой системы ClawEX в сопоставимых условиях.

Если полностью отказаться от систем дегазации, то стоит учитывать несколько факторов:

1. Нагревание полимера свыше допустимых характеристик ведет к ухудшению свойств и разрушению связей молекул вещества.
2. Многие значения ppm невозможно обеспечить только за счет избыточного нагревания или более продолжительного пребывания полимера в экструдере.

В случае, когда дегазация предусмотрена, важными аспектами являются закупочная и эксплуатационная стоимости. Мы предлагаем сравнить наиболее распространенный вариант дегазации с применением водокольцевого насоса ELRPX, с современным решением в готовом исполнении: ClawEX.

Для наиболее объективного сравнения выберем рабочую точку, в которой обе установки будут обеспечивать одинаковые условия.

где,
OpEx — операционные затраты (эксплуатационные);
CapEx — капитальные вложения;
NPV — накопленные дисконтированные расходы.

Из графика накопленных эксплуатационных затрат, с учетом первоначальной закупочной стоимости видно, насколько ClawEX позволяет выиграть в стоимости уже после второго года эксплуатации. Данная разница становится более очевидной, если предположить более высокую цену электроэнергии и стоимость рабочей воды. В расчете также не учитывались расходы на фильтрацию воды в водокольцевом насосе, что также приводит к удорожанию стоимости владения системой в сравнении с ClawEX.

Наша цель не просто подобрать и продать наиболее дешевое решение, мы предлагаем нашим клиентам наиболее выгодное решение, обеспечивающее надежность, эффективность и качество, подкрепленное гарантией.

Ответы на часто задаваемые вопросы

1. Что такое вакуумная дегазация в экструдере и какую задачу качества она решает?

- Вакуумная дегазация — это технологический процесс удаление влаги, растворённых газов, остаточных мономеров и низкомолекулярных фракций из расплава за счёт снижения абсолютного давления над его свободной поверхностью в зоне(ах) дегазации. Например, для ПЭТ это критично: чтобы получить прозрачный лист/преформу без пор, со стабильной IV и низким запахом, остаток влаги должен быть на уровне 30–60 ppm; при атмосферном давлении таких значений достичь нельзя без разрушительного перегрева полимера, но при 120 мбар это значение достигается при ~260°C.

Вакуум уменьшает равновесное содержание, позволяет работать на более низких температурах, снижает образование ацетальдегида, предотвращает вспенивание и дефекты прозрачности, в компаундах — запах и выделение летучих на готовом изделии. Итог — больше высококачественного выхода продукта и стабильная спецификация по ppm при меньшем энергопотреблении нагревателей.

2. Какое оборудование наилучшим образом подходит для дегазации полимеров?

- Подбор и конфигурация установки дегазации полимера — важный процесс, требующий экспертных знаний в множестве научных областей. Выбор идеальной установки для вашего процесса экструзии в первую очередь основывается на технических и экономических требованиях. Стоит также учитывать перспективы модернизации производства, увеличения объёмов выпускаемой продукции и качества исходного сырья. Мы рекомендуем клиентам в первую очередь ознакомиться с нашими технологическими решениями на базе различных типов вакуумных насосов: Claw-AX, ELRPX, TECLA, RS.

Наша команда всегда ориентирована на клиента, готова предложить передовые решения и считает системы ClawEX (сухие когтевые) и ELRPX CLS (водокольцевые в замкнутом контуре) — передовыми решениями для дегазации полимеров на российском рынке.

3. Какие риски и типовые ошибки встречаются при выборе дегазационной системы?

- Ошибка при подборе по номинальному расходу без учёта фазового перехода воды, температуры и конденсации. Как результат - недостаточная быстрота действия подобранного вакуумного насоса, вспенивание, ppm выше нормы.

• Игнорирование теплоотведения для водокольцевых систем. Без расчёта чиллера и температуры циркулирующей воды в контуре водокольцевой системы, насос «упрётся» в давление насыщенного пара, что ведет к росту давления в системe выше требуемого, растёт OpEx и снижает срок службы.
• Недостаток или отсутствие качественных систем фильтрации. Отсутствие демистера/сепаратора и подогрева горловины приводит к попаданию полимера/конденсата в насос, аварийным остановкам и преждевременному ремонту.
• Материальная несовместимость. Растворители/кислоты/щёлочи, пыль и волокна — разрушают уплотнения и камеры, если не подобрать правильные материалы (PEEK/PTFE, нерж. сталь) и фильтрацию, может произойти преждевременный выход системы из строя.
• Безопасность и нормативы. Летучие взрывоопасные вещества требуют ATEX-исполнения, заземление, взрывозащищённые компоненты, правильный расчёт вентиляции и скрубберов.
• Выбор установки только по закупочной стоимости. Реальные затраты включаю: электроэнергию, дооснащение чиллером или подведение воды, промывка, ТО и простои. Часто более бюджетный вариант оказывается дороже на горизонте 3–5 лет.
• Несоблюдение регламентного обслуживания. Регламент промывки, замены фильтров крайне важны в процессах дегазации полимеров. Отвердевание полимера в негативно влияет на эксплуатационные характеристики и может привести к преждевременному выходу установки из строя.

4. Сколько стоят дегазационные установки и какой срок поставки?

5. Что входит в состав дегазационной установки?