Pautas para seleccionar el sistema correcto de peletizado

¿Qué sistema de peletizado es el adecuado para su aplicación? ¿Su elección actual es la elección correcta en el futuro? Aquí hay un análisis que puede ayudarlo a decidir entre las tres opciones principales.

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Las compañías que planean invertir en equipos de peletizado pueden seleccionar el sistema correcto al hacer un inventario completo de sus necesidades operativas y de aplicación, además de la consideración básica del costo. Hay tres tipos principales de sistemas de peletizado disponibles, cada uno con diferentes fortalezas y debilidades. Con el crecimiento de la industria de los plásticos y la continua aparición de nuevos requisitos en el mercado, incluso una empresa que ha usado un sistema en particular puede necesitar considerar una alternativa cuando llegue el momento de agregar capacidad.

Los peletizadores son componentes esenciales en la fabricación de resina, compuestos, masterbatch y reciclados. Un sistema de alto volumen que sea apropiado para una planta de polimerización será muy diferente de uno que se adapte a las necesidades de un fabricante de compuestos. Una que puede producir micropellets para uso en masterbatch puede no ser la mejor opción para procesar el remolido post consumo. Lo que sigue es una evaluación de cada tipo.

PELETIZADORES BAJO AGUA

El peletizador bajo agua (underwater pelletizer, UWP) es un peletizador que corta el polímero fundido en pellets a medida que sale de los orificios del cabezal, que están dispuestos en un patrón circular. La diferencia crucial con el peletizador de anillo de agua (también con corte al final del cabezal) es que la cámara de corte está completamente llena de agua, de modo que las gotas de polímero se sumergen en agua cuando salen de los orificios del cabezal. Debido a las fuerzas que minimizan la tensión superficial, cada gota adquiere una forma esférica, que es exclusiva de los UWP.

El agua de proceso transporta los pellets esféricos desde la cámara de corte a un colector de aglomerado (que elimina grumos de plástico) y luego a un secador centrífugo. Los pellets entran en el secador en la parte inferior de la unidad y un eje giratorio con paletas de elevación seca los pellets, que salen del secador por la parte superior. Un tipo similar de secador se utiliza con el peletizador de anillo de agua.

Al igual que con otros sistemas de peletizado, el agua de enfriamiento en el UWP es suministrada por una unidad de agua de proceso, que atempera el agua, es decir, mezcla agua caliente y fría para garantizar una temperatura constante, además de filtrar el polvo y los finos. La temperatura del agua se debe controlar y ajustar cuidadosamente de acuerdo con las propiedades del polímero que se está peletizando. De lo contrario, se pueden producir pellets mal formados o interrupciones del proceso.

En los UWPs, el agua de refrigeración se transporta hacia y desde la cámara de corte por medio de tuberías, lo que hace que los bebederos o los toboganes de agua que se encuentren en otros sistemas de granulación sean innecesarios. Como resultado, el secador de pellets centrífugo y el equipo de tratamiento de agua se pueden instalar a cierta distancia del peletizador, por ejemplo, en otra habitación o en otro piso.

Otra característica posible gracias a las tuberías de agua es el sistema de bypass de agua, que permite que el agua continúe circulando para mantener la temperatura requerida mientras se desvía el flujo de la cámara de corte. Esto permite al operador desconectar el peletizador de la cámara de corte para realizar tareas como cambiar el cabezal de corte.

El sistema de bypass funciona en coordinación con una válvula desviadora de polímero para detener e iniciar el flujo de polímero en los orificios del cabezal. Antes de la puesta en marcha de la peletizadora, la válvula se cambia a la posición de "producción" para el lavado de la placa del cabezal. Luego, con la válvula en la posición de "desvío", se limpia el polímero de la cámara de corte. Finalmente, la peletizadora se vuelve a acoplar a la cámara de corte. El bypass del agua se ajusta para enviar agua a la cámara de corte, la válvula de desvío se cambia a la posición de producción y comienza la peletización. Todo el proceso está automatizado, se realiza en segundos y se inicia mediante un botón de encendido / apagado en el controlador PLC.

Hay varias opciones disponibles para controlar la presión de las cuchillas de corte contra la placa del cabezal. Entre estos se encuentran un sistema manual, en el cual el operador usa una rueda manual y sistemas hidráulicos controlados por PLC. Otras opciones incluyen sistemas accionados por resorte y accionados neumáticamente.

Los sistemas de agua están disponibles con diversos grados de capacidad. Un sistema de entrada que está completamente montado sobre patines tiene una capacidad de hasta 4400 lb / hr y se puede proporcionar con un filtro de correa opcional para la filtración automatizada continua de finos de hasta 150 µ. Los sistemas más elaborados ofrecen auto limpieza automatizada, filtran hasta 70 µ y tienen capacidades de hasta 77,000 lb / hr.

Como lo sugieren las características anteriores, el UWP es el sistema de peletizado más complejo pero tiene el mayor costo de inversión. A su vez, ofrece ventajas sobre otros sistemas de peletizado en estas áreas:

Automatización. El UWP tiene el mayor potencial de automatización, con un control PLC que maneja muchas de sus características. Las funciones tales como el afilado de las cuchillas y la limpieza en línea del cabezal pueden pre programarse, minimizando el tiempo de inactividad.

Rendimiento. Los UWP se pueden diseñar con capacidades hasta de 70,000 / hr, en comparación con 44,000 lb / h para los peletizadores de filamento y 11,000 lb / hr para los peletizadores de anillo de agua.

Versatilidad. El UWP puede procesar virtualmente cualquier polímero y puede usarse para una gama completa de aplicaciones, incluyendo compuestos, hot melts, masterbatches, polimerización, reciclaje y recuperación. Los peletizadores de filamento se pueden usar para todas estas aplicaciones, excepto para hot melts. Los peletizadores de anillo de agua, debido a su menor capacidad de producción y limitación a los materiales de alta resistencia de fundido, se recomiendan principalmente para el reciclaje y la recuperación.

Vida de las cuchillas. Extendido a través del control sobre la presión del cortador.

Diámetro de los pellets. Ofrecen un gran rango de diámetros; incluyen micropellets, que se utilizan en la producción de masterbatch y poliestireno expando, así como en el rotomoldeo.

Consistencia y geometría de los pellets. Además de ser más uniformes en tamaño, los pellets hechos en UWPs tienen una forma esférica que mejora el flujo hacia las tolvas y gargantas de alimentación y aumenta la densidad aparente.

Polvo y finos.  Se presentan en baja cantidad como resultado del corte del polímero en forma fundida.

Integración con equipos aguas arriba. El operador puede usar una sola interfaz en el sistema de peletizado para acceder al extrusor, al equipo de alimentación, al cambiador de mallas y a la bomba de fundido.

Huella. Pequeña en comparación con peletizadores de filamento.

Junto con el costo y la complejidad, el sistema UWP tiene otra desventaja: el potencial de “bloqueo o taponamiento” del cabezal cuando se trabajan ciertos materiales. Esto ocurre cuando una variación del proceso aguas arriba causa un flujo de polímero reducido o desigual en el cabezal, de modo que el polímero se solidifica en los orificios del mismo. Este congelamiento puede causar distorsiones o mala uniformidad en los pellets producidos. Un nivel constante y alto de presión de masa en el cabezal es esencial para prevenir el congelamiento o bloqueo.

PELETIZADORES DE ANILLO DE AGUA

En los peletizadores de anillo de agua (water ring pelletizers, WRP), como en los UWP, el polímero fundido fluye en múltiples orificios dispuestos en un patrón circular y se corta en pellets a medida que salen del cabezal. El corte se realiza mediante una serie de cuchillas giratorias que también están dispuestas en un patrón circular. La cara del cabezal está hecha de metal endurecido, por lo que el desgaste tiene lugar principalmente en las cuchillas. La presión se aplica hidráulicamente al conjunto de corte para garantizar un contacto adecuado con la cara del cabezal.

Los WRP producen pellets que son redondeados pero planos, similares a las tabletas de aspirina. A medida que el polímero sale de los orificios del cabezal y se corta con las cuchillas giratorias, los pellets resultantes se lanzan hacia un anillo de agua que se alimenta tangencialmente a la cámara de corte. El agua enfría los pellets y los transporta a una canal de agua para un mayor enfriamiento y transporte a un secador centrífugo que funciona de la manera ya descrita. El agua se devuelve a un sistema de atemperado y filtración, y se recicla al proceso de peletizado.

El WRP es el más compacto de los tres procesos principales de peletizado y proporciona cierto grado de automatización. Un operador puede controlar fácilmente el sistema, usando un control de botón pulsador para detener e iniciar el sistema y ajustar las rpm del cortador para controlar el tamaño del pellet. El sistema cuesta menos que los UWP. Es significativamente menos sensible a las variaciones del proceso, como la temperatura de masa y presión, y no presenta problemas de congelamiento o bloqueo del cabezal.

Debido a que los pellets se cortan del polímero fundido antes de que encuentre agua de refrigeración, el WRP se limita principalmente al procesamiento de materiales de alta resistencia de fundido, como las poliolefinas y el poliestireno. El proceso es particularmente inadecuado para materiales pegajosos o de alta temperatura. También hay limitaciones de capacidad en comparación con los UWP.

PELETIZADORES DE FILAMENTO

En la peletización de filamento, el polímero se corta en pellets después de que se haya enfriado y solidificado. Por su naturaleza, este sistema se opera en línea con la extrusora. El polímero fundido se dosifica en un cabezal de filamento que se parece mucho a cabezal de lámina, excepto que el material sale a través de múltiples orificios, formando cada uno un filamento de polímero. Los filamentos entran en un baño de agua o en una cubeta, donde se enfrían, luego se secan con una unidad de secado o una cuchilla de aire, y finalmente se introducen en un peletizador de filamento, donde se cortan en pellets cilíndricos. Una desventaja de esta forma de pellet es que los extremos planos de los cilindros pueden pegarse entre sí y causar atascamientos.

Después del corte, los pellets caen en un clasificador, que elimina los pellets o aglomerados de gran tamaño y transporta el resto de los pellets aguas abajo.

Además de tener el costo más bajo, la peletización de filamentos se puede usar con una amplia gama de polímeros, es más fácil de usar que otros sistemas de peletizado, proporciona un acceso más fácil a las superficies de los componentes para la limpieza y los cambios de color, y facilita los cambios de polímeros a través de la rápida sustitución de los componentes de corte. Por lo tanto, es particularmente apropiado para los fabricantes de compuestos y otras empresas que realizan tiradas cortas con cambios de lotes frecuentes.

La peletizadora de filamentos tiene poco margen para la automatización y requiere más mano de obra que otros sistemas de peletizado. Un ejemplo claro es el trabajo involucrado en alinear hasta 75 hilos por encima y debajo de los rollos de guía con cada inicio de trabajo nuevo. Los peletizadores de filamentos también están limitados en cuanto al tamaño de los pellets, ya que los pequeños pellets requeridos en algunas aplicaciones son difíciles de obtener sin la ruptura del filamento. Otros dos puntos débiles se derivan del corte de pellets a partir de filamento solidificado: existe un mayor potencial de desgaste del cortador y hay una mayor generación de polvo y finos que con otros sistemas de peletizado. Los peletizadores de filamentos también se ven más fácilmente afectados por las variaciones del proceso, que pueden causar la ruptura del filamento y otras dificultades. Y finalmente, la necesidad de un baño de agua significa que los peletizadores de filamentos tienen una huella más grande en el piso de la fábrica.

Algunas de las debilidades de este proceso de "corte en seco" se pueden mitigar con una peletizadora de filamentos de "corte en húmedo" alternativa llamada sistema de deslizamiento de agua. En lugar de un baño de agua, los filamentos entran en un tobogán de agua, en donde unas boquillas enfrían los filamentos y proporcionan un flujo de agua en cascada que mueve los filamentos hacia el peletizador. En lugar de usar una cuchilla de aire, este sistema redirige el agua del proceso lejos de los filamentos justo antes del peletizado y luego lo deja volver a unirse a la corriente de pellets justo después para formar una suspensión de pellets / agua, que enfría aún más el polímero. Esta suspensión ingresa en un secador centrífugo de pellets en la parte inferior de la unidad, y un eje giratorio con paletas elevadoras seca los pellets, que salen del secador en la parte superior.

En el sistema de deslizamiento de agua, debido a que los pellets se cortan a partir de filamentos que aún están húmedos y más blandos que los del sistema de baño de agua, hay menos desgaste del cortador. El sistema de deslizamiento de agua también ofrece más posibilidades de automatización a través de un mayor control sobre las condiciones del agua de proceso. Además, existe la capacidad de "auto-trenzado", ya los filamentos que se rompen se reemplazan a medida que los filamentos se introducen en el tobogán de agua, lo que reduce la necesidad de intervención del operador. Por otro lado, el proceso de secado genera polvo y finos adicionales, que requieren una técnica de filtración más sofisticada. Este es también el caso de los secadores centrífugos de pellets utilizados con anillos de agua y peletizadores bajo agua.

FACTORES QUE AFECTAN LA ELECCIÓN DEL PELETIZADOR

El análisis de capacidades y los requisitos de los principales tipos de sistemas de peletizadores hace evidente que, para cada aplicación, el rango de peletizadores va desde aquellos que son ideales hasta aquellos que son totalmente inapropiados. Las diferencias entre los tipos de sistemas se resumen en tres tablas adjuntas.

Como se muestra en la Tabla 1, los pellets producidos en los sistemas disponibles difieren ampliamente en forma, consistencia, propiedades de flujo y generación de polvo y finos. Estas propiedades afectan sustancialmente el rendimiento de los pellets en los sistemas de manejo de materiales aguas abajo del proceso de peletización.

La comparación de los factores de producción en la Tabla 2 muestra diferencias aún más amplias entre los sistemas disponibles. Las principales diferencias son la inversión de capital, el rendimiento, el alcance de la automatización y la flexibilidad en la implementación. Ellos determinan si un sistema es adecuado para una planta de polimerización de alto volumen, un fabricante de compuestos personalizados o un fabricante de compuestos interno con un presupuesto limitado y una baja tolerancia a la complejidad del sistema.

Los peletizadores también varían ampliamente en los tipos de polímeros que pueden procesar de manera efectiva, como se muestra en la Tabla 3. Solo un sistema, el peletizador submarino, es capaz de manejar prácticamente cualquier tipo de polímero.

El mercado tiene espacio para todos los sistemas discutidos. Existe un gran potencial para los sistemas de peletización, impulsados por un fuerte crecimiento mundial en el consumo de productos plásticos, una creciente industria de reciclaje y una tendencia en alza hacia la producción localizada de resinas, compuestos y aditivos. Para satisfacer esta demanda, se puede contar con los proveedores de sistemas de peletización para desarrollar equipos mejorados e innovadores.

NOTA DEL EDITOR: Este artículo fue adaptado de una presentación que el autor hizo en la Conferencia de Extrusión 2018, organizada por Plastics Technology en Estados Unidos.

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