转速对密炼机HDPE/PS共混聚合物混合效率的影响

高 明， 陈 立， 朱向哲， 何延东, 李春辉

(辽宁石油化工大学机械工程学院，辽宁抚顺 113001)



转速对密炼机HDPE/PS共混聚合物混合效率的影响

高 明， 陈 立， 朱向哲， 何延东, 李春辉

(辽宁石油化工大学机械工程学院，辽宁抚顺 113001)

依据计算流体动力学理论，建立了密炼机内高密度聚乙烯(HDPE)和聚苯乙烯(PS)物理共混的二维理论模型，运用Fluent软件研究了共混聚合物在双转子密炼机中的混合过程，研究了密炼机在不同转速和转速比下的混合过程，并分析了密炼机局部位置的共混效率。研究表明,随着密炼机转子转速的增加，共混效率逐渐增强，且达到稳定状态的时间逐渐减小。随着转速比的增大，密炼机产生流场的非对称性逐渐增强，共混效率逐渐增强。

密炼机; HDPE/PS共混聚合物； 混合效率; 计算流体力学(CFD)

密炼机是一种对高黏度物料进行混合和搅拌操作的重要机械设备[1]，在食品、塑料、橡胶、建材等领域具有广泛的应用。同时，密炼机作为反应器，它能够进一步合成高性能塑料材料，且对环境几乎没任何污染，对于促进聚合物改性起到了巨大的作用。聚合物是一种具有高黏度的熔体，在混炼的过程中流动状态为层流流动[2]。研究聚合物在密炼机中共混时发生的物理和化学反应，有助于深入了解挤出成型工艺以及转子设计对混合过程的影响[3]。

双转子密炼机具有高效的混合性能，聚合物在密炼机中混合时，既可发生物理共混，也可在发生物理共混的同时伴随着化学反应共混[4]。目前，国内外对于密炼聚合物流体的研究主要集中单相聚合物流体的流动规律和混合效率的研究,而对于密炼机多相聚合物物理和化学反应共混的研究十分有限。

转子转速对密炼机流体剪切混合作用具有重要的影响[5-7]。另外，转速比与密炼机混合效率也有很大的关系，随着转速比的增大，密炼机产生流场的非对称性逐渐增强，流场混合强度也逐渐增大，从而缩短混炼时间[8]。本文对一种三角形转子密炼机进行研究，建立了密炼机内高密度聚乙烯(HDPE)和聚苯乙烯(PS)的物理共混二维动力学模型，运用Fluent软件对流道内HDPE和PS物理共混过程进行数值模拟[9],探讨了转子转速和转速比对密炼机物理共混效率的影响，为研发高效率密炼机提供理论依据。

1 有限元模型的建立

1.1 几何模型

双转子密炼机混合器内部有一对转子，转子开始旋转后可以对聚合物施加剪切力，使聚合物在混合室内被强制混合，几何模型可以简化为图1所示模型。其中机筒半径为21 mm，两转子均为等边三角形，转子顶端和密炼机内壁的间隙为0.3 mm。

图1 密炼机几何模型

Fig.1 Geometric element models of mixers

1.2 数学模型

实验中的聚合物采用高密度聚乙烯(HDPE)和聚苯乙烯(PS)，假设HDPE和PS为牛顿流体。其中高密度聚乙烯充满混合室的左半部分，聚苯乙烯充满混合室的右半部分，由于聚合物的雷诺数很小，所以流场为层流流动，惯性力、重力等体积力远小于黏滞力，忽略不计。本文运用的流体体积模型中，两相流的体积分数用a来表示，假设体积分数a=1代表流体1，a=0代表流体2，介于0到1之间的a值将代表两种流体的相界面，求解关于a的扩散方程就可跟踪相界面的变化。在速度场u作用下体积分数a的扩散方程为：

(1)

界面张力存在于不相容体系的共混过程中，界面张力作为受力项F引入到动量守恒方程中：

(2)

式中，ρ和u是两相密度和黏度的体积平均值，每个有限元体积中它们可以用体积分数相关的各自密度或黏度的线性加来表示：

(3)

式中，ρPE和ρPS代表HDPE和PS的密度，ηPE和ηPS代表HDPE和PS的黏度。

2 结果与分析

2.1 转速对混合效率的影响

采用计算流体力学软件Fluent，运用VOF模型对密炼机内部流场进行瞬态仿真模拟，物料的初始状态分布通过patch函数实现。混合前，HDPE和PS(红色代表HDPE，蓝色代表PS)按1∶1的体积比充满密炼机的左右流道，同时在密炼机中心处形成一层宏观相界面，如图1所示。密炼机中的左右转子分别以转速-40,40 r/min、-60,60 r/min、-80,80 r/min(逆时针为正，顺时针为负)异向进行旋转，得到图2所示的密炼机内部聚合物HDPE和PS的动态体积分数分布图。

从图2 HDPE和PS物理混合过程可以看出，混合开始后，中间的相界面产生较大变形，其变形方向和密炼机流场密切相关，在转子顶端的小间隙处，流体具有较大的流速和剪切速率，因此，界面具有向转子顶端小间隙处运动的趋势。当异相聚合物经过转子顶端小间隙时，在转子的强剪切作用下，团聚聚合物被部分打碎，分散于密炼机机筒内壁附近，从而实现初步混合。随着混合的进行，旋转转子顶端作用于相界面的次数迅速增加，相界面变形程度迅速增大，呈现不规则分布(见图2(d))，HDPE相和PS相在密炼机的分布趋于均匀，实现了聚合物在密炼机中的物理共混。从图2中还可以看出，在同样的混炼时间内，随着转速的增加，聚合物共混的均匀性也逐渐增强，聚合物达到稳定状态所用的时间也越来越短。这是因为随着转速的增大，两个转子之间产生的剪切速率增大，增加了对聚合物的剪切和捏炼次数，剪切混合作用变大，因此混合效率提高，从而缩短了混炼时间。

图2 不同时刻密炼室内部聚合物体积分布图

Fig.2 Polymer volume fraction distribution in the mixing chamber at different time

为了更好地研究不同转速密炼机混合物的混合效率，设定左转子的中心为坐标原点，在密炼机内部选取2个监测点，编号为点1和点2(见图1)，其坐标分别为(-9.7 mm,11.4 mm)和(50.3 mm,11.4 mm)，研究监测点在不同时刻PE体积分数的变化。图3所示为不同时刻点1和点2 PE的体积分数变化。从图3中可以看出，随着转速的增大，监测点1的PE体积分数逐渐减小，而监测点2的PE体积分数逐渐增大。随着转速的增大，监测点1的PE体积分数降低的速率逐渐增大，而监测点2的PE体积分数增大的速率也逐渐增大。因此，随着转速的增大，密炼机聚合物所承受的剪切速率逐渐增大，共混聚合物达到稳定状态所用的时间越短。

图3 不同时刻点1和点2 PE的体积分数变化

Fig.3 PE volume fraction of monitoring point 1 and 2 at different time

2.2 转速比对混合效率的影响

转速比是影响密炼机混合效率的重要参数。密炼机中的左右转子分别以转速-60,80 r/min、-40,80 r/min、-20,80 r/min(逆时针为正，顺时针为负)进行异向旋转，得到如图4所示的密炼机内部的体积分数分布图。从图4的演变过程可以看出，在t=1 s时，相界面聚合物拉伸变形程度比图2更明显，这是因为随着左右转子之间速度差的逐渐增大，密炼机产生的非对称流场强度也逐渐增强，从而使相界面上的聚合物更容易产生变形。随着转子速度差的增大，聚合物共混效果越来越好，这是因为随着转速比的增大，两个转子之间产生的流场不对称性增强。由不对称流场引发的混沌混合强度逐渐增强，从而更有利于聚合物的混合。从图4中还可以看出，转子顶端的混合效率好于其它位置，这是因为转子顶端的流体速度和剪切速率较高。这一点可以从图5中的速度云图可以看出，转子顶端流体速度高、剪切应力大，因此具有较高的混合效率。

图4 不同时刻点1和点2 PE的体积分数变化

Fig.4 PE volume fraction of monitoring point 1 and 2 at different time

图5所示为不同转速比密炼机中流场速度的分布云图。从图5中可以看出，随着转速比的增大，密炼机左右流道的速度差逐渐增大，流场的非对称性逐渐增强，增加了左右流道物料的相互混合能力。此外，在转子顶端物料具有较大的流动速度，混合效率较高。在3种转速比下，密炼机中部的顶端位置均出现了小流速区域，为流动和混合的死区，混合效率较低。在该位置的PE和PS动态体积分数分布图中(见图4(d))，呈现出大块PE相聚合物，只有少量的PS相，为混合的死区。在实际应用中，应当优化机筒的形状设计。

图5 不同转速时的速度云图

Fig.5 Contours of velocity at different speed

为了更好的研究不同转速比对密炼机内共混聚合物局部混合效率的影响，研究不同转速比条件下，监测点不同时刻PE体积分数的变化。图6所示为监测点不同转速比的瞬时PE体积分数的变化。从图6(a)中可以看出，监测点1在转速比为-60,80 r/min时PE体积分数在49 s达到稳定状态，而监测点1在转速比为-20,80 r/min时PE体积分数在16 s达到稳定，因此，随着转速比的增大，共混聚合物混合达到稳定状态所需时间越短，混合效率也逐渐提高。这是因为随着转速比的增大，密炼机流场的非对称性逐渐增强，流场混合强度也逐渐增强。

图6 不同时刻点1和点2 PE的体积分数变化

Fig.6 PE volume fraction of monitoring point 1 and 2 at different time

3 结论

基于计算流体动力学方法(CFD)，以Fluent数值仿真软件为平台，对双转子密炼机流道流场动力学特性进行分析。得到了流场中HDPE和PS不相容体系初期共混过程的形态演变过程。研究表明，随着混合的进行，转子顶端作用于相界面的次数迅速增加，相界面变形程度迅速增大，HDPE相和PS相在密炼机的分布趋于均匀，实现了聚合物在密炼机中的物理共混。随着转速和转速比的增大，聚合物共混的均匀性也逐渐增强，聚合物达到稳定状态所用的时间也越来越短，从而缩短了混炼时间。异步转子密炼机的混合效果要好于同步转子密炼机，因此选择合适的转速比可以有效提高密炼机的混合效率。研究结果对密炼机中结构参数的设计和优化具有重要指导意义。

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(编辑 王亚新)

Influence of Rotational Speeds on the Mixing Efficiency of HDPE/PS Blends in a Batch Mixer

Gao Ming, Chen Li, Zhu Xiangzhe, He Yandong, Li Chunhui

(SchoolofMechanicalEngineering,LiaoningShihuaUniversity,FushunLiaoning113001,China)

Based on the computational fluid dynamics theory, the physical mixing modeling of high-density polyethylene (HDPE) and polystyrene (PS) in a internal batch mixer was established. By using Fluent software, the process of the mixed polymer in the mixer with double rotor was studied. The results showed thatthe mixing efficiency and asymmetry of the flow field were improved when the twin-rotor mixer rotated in higher speed. After a period of time, the single polymer volume fraction at each position reached steady in the extruder.

Internal batch mixer; HDPE/PS blends; Mixing efficiency; Computational fluid dynamics (CFD)

1006-396X(2015)03-0086-05

2015-03-03

2015-04-26

辽宁省教育厅资助项目(LJQ2013041)。

高明(1987-)，男，硕士研究生，从事高效节能石化装备的开发与研究;E-mail:754068162@qq.com。

陈立(1971-)，男，硕士，实验师，从事聚合物加工数值模拟研究；E-mail:clclxx@163.com。

TE905

A

10.3969/j.issn.1006-396X.2015.03.018