Les installations de recyclage du plastique passent aux extrudeuses monovis pour les lignes de granulation de PEHD.

TL;DR —Les installations de recyclage du plastique qui passent aux extrudeuses monovis pour les lignes de granulation de PEHD doivent prendre cinq décisions de processus interdépendantes : corrélation du débit avec la densité d’alimentation, sélection du rapport L/D pour l’alimentation contaminée par rapport à l’alimentation vierge, Changeur d'écran Pour les matériaux post-consommation, nous optimisons le calage de la pression, la constance de la température de la granuleuse et la configuration de l'évent de dégazage. Forts de 30 ans d'expérience en ingénierie d'extrusion chez Shanghai Jurry Plastic Machinery et des données issues de 47 installations de granulation de PEHD réparties dans 12 pays, nous fournissons des paramètres de procédé précis pour chaque étape de décision.

1. Débit de granulation du PEHD : Corrélation entre le taux de production et la densité du matériau d’alimentation

L'erreur de spécification la plus fréquente que nous constatons dans les demandes de devis pour la granulation de PEHD est de supposer que le débit de l'extrudeuse est proportionnel à la vitesse de la vis, indépendamment de la densité de l'alimentation. En réalité, le débit dépend de la masse volumique apparente du matériau d'alimentation, qui varie jusqu'à 3 fois entre les granulés vierges (550 à 600 kg/m³) et les flocons recyclés post-consommation (180 à 350 kg/m³ selon la taille des flocons et le niveau de contamination).

Depuis 2010, Shanghai Jurry Plastic Machinery a installé plus de 47 lignes de granulation de PEHD monovis à travers le monde, allant d'unités pilotes de 200 kg/h à des lignes de production de 2 000 kg/h. Notre extrudeuse monovis standard SJ-120 (diamètre de vis de 120 mm, rapport L/D de 28:1, puissance d'entraînement principale de 110 kW) traite des granulés de PEHD vierge à un débit de 450 à 500 kg/h. La même machine, traitant des paillettes de PEHD issues de bouteilles post-consommation d'une masse volumique apparente de 280 kg/m³, ne produit que 280 à 320 kg/h, soit une réduction de débit d'environ 38 %.

La corrélation utilisée pour la planification des capacités suit une équation de remplissage volumétrique modifiée : Q = (π/4) × D² × N × h × ηv × k, où D est le diamètre de la vis en mètres, N sa vitesse de rotation en tr/min, h la profondeur du canal d'alimentation en mètres, ηv le rendement volumétrique (généralement de 0,30 à 0,45 pour une alimentation optimale) et k le facteur de compensation de la masse volumique apparente. Pour une alimentation en granulés vierges, k = 1,0. Pour des flocons post-consommation de 250 kg/m³, k = 0,42 à 0,48. Cela signifie qu'une vis conçue pour une alimentation en matériaux vierges à 60 tr/min devra fonctionner à environ 125 à 143 tr/min pour obtenir le même débit qu'avec des flocons de faible densité ; or, cette augmentation de vitesse peut dépasser la limite de vitesse périphérique nominale de la vis.

Nous avons testé ce procédé en 2024 avec une machine de recyclage espagnole traitant des paillettes de bouteilles en PEHD de couleurs mélangées (densité apparente de 310 kg/m³, taille moyenne des paillettes de 8 mm) sur une vis SJ-120. À 55 tr/min, le débit était de 310 kg/h. À 85 tr/min, il atteignait 460 kg/h. Cependant, à cette vitesse, la température de fusion est passée de 215 °C à 237 °C, approchant le seuil de dégradation du PEHD (240 °C). La machine a dû réduire son débit à 400 kg/h à 75 tr/min pour maintenir la température de fusion en dessous de 230 °C, démontrant ainsi que la vitesse de la vis seule ne peut compenser une faible densité apparente sans affecter la qualité de la fusion.

Nous recommandons aux installations de recyclage de préciser la plage de densité apparente prévue pour l'alimentation dans la demande de devis, et non seulement le débit cible. Une machine conçue pour 500 kg/h de granulés vierges, mais devant fonctionner 80 % du temps avec des flocons de densité mixte, sera sous-dimensionnée de 35 à 40 % si le système d'alimentation ne comprend pas un compacteur ou un alimentateur de pré-compactage. page produit de l'extrudeuse monovis comprend un calculateur de débit qui accepte la densité apparente comme paramètre d'entrée.

2. Sélection du rapport L/D de la vis pour l'alimentation en PEHD recyclé contaminé par rapport à la résine vierge

Le rapport L/D (longueur/diamètre) de Vis d'extrusion Le rapport liquide/diamètre (L/D) détermine le temps de séjour, l'intensité du mélange et la capacité de fusion disponibles pour le traitement. Pour la granulation de PEHD vierge, un rapport L/D de 25:1 ou 28:1 est standard. Pour le PEHD recyclé post-consommation, dont la matière première contient des étiquettes en papier, des résidus d'adhésif et des fractions de masse moléculaire variable, nous recommandons un rapport L/D de 30:1 à 33:1.

L'ajout de 2 à 5 diamètres de diamètre à la longueur de la vis offre trois avantages spécifiques pour les matériaux recyclés. Premièrement, la zone de transition étendue permet une compression plus progressive des paillettes de faible densité apparente, réduisant ainsi le risque de formation de ponts dans la gorge d'alimentation. Deuxièmement, la zone de dosage plus longue permet un temps d'homogénéisation plus long pour les matériaux présentant une large gamme de viscosités. Nous avons mesuré la viscosité du PEHD post-consommation issu de flux de recyclage municipaux mixtes à l'aide d'un rhéomètre capillaire (Göttfert Rheograph 25) à 190 °C et avons constaté un indice de fluidité à l'état fondu (MFI) compris entre 0,8 et 3,2 g/10 min sur 47 échantillons provenant d'une même installation de recyclage, soit une variation d'un facteur 4. Une vis avec un rapport longueur/diamètre de 33:1 a permis de réduire l'écart type du MFI en sortie de ±0,45 g/10 min (avec une vis 25:1) à ±0,18 g/10 min, soit une amélioration de 60 % de la constance de la production.

Troisièmement, la vis plus longue permet un taux de compression plus élevé sans risque de cisaillement excessif. Notre vis standard pour PEHD recyclé utilise un taux de compression de 3,5:1 (contre 3,0:1 pour le PEHD vierge) associé à une section de barrière dans la zone de transition. Cette section de barrière sépare le bain de fusion du lit de particules solides, permettant ainsi à l'air ou aux composés volatils emprisonnés de s'échapper par le canal des solides plutôt que d'être entraînés dans le flux de fusion.

Nous avons construit une ligne de recyclage monovis de 33:1 pour un recycleur malaisien traitant des paillettes de bouteilles en PEHD avec une contamination moyenne de 3,7 % par d'autres matières (étiquettes, bouchons, fines). Après six mois d'exploitation à 420 kg/h, le système a atteint une disponibilité de 97,2 % avec seulement trois changements de tamis par poste de 8 heures. L'ancienne ligne de ce même recycleur, de 25:1, nécessitait un changement de tamis toutes les 45 minutes et affichait une disponibilité de 89 %.

La différence de coût entre un ensemble canon et vis L/D 28:1 et 33:1 pour une SJ-120 est d'environ 15 %, soit entre 12 000 et 18 000 dollars environ, selon les spécifications du canon bimétallique. D'après notre expérience, le gain en temps et en qualité de granulés permet d'amortir ce surcoût en 8 à 12 mois pour une machine de recyclage fonctionnant à plus de 400 kg/h. page sur les machines à plastique liste les options L/D disponibles pour chaque modèle d'extrudeuse.

3. Chronologie de la montée en pression du changeur de tamis : Modèle de taille de maille en fonction de la charge de contamination

La vitesse de montée en pression du changeur de tamis est le principal facteur déterminant la fréquence de changement des filtres, qui elle-même influe sur le temps de fonctionnement de la ligne de granulation. Pour la granulation de PEHD à partir d'aliments post-consommation, nous avons développé un modèle de charge de contamination qui prédit l'augmentation de pression en fonction du pourcentage de contamination de l'aliment, de la surface et de la taille des mailles du tamis.

Le modèle est : ΔP/Δt = (C × F × k) / A, où ΔP/Δt est le taux d’augmentation de la pression en bar/heure, C est la concentration de contaminants dans l’alimentation (pourcentage en poids, non fondants uniquement), F est le débit en kg/h, k est un facteur de résistance dépendant du maillage et A est la surface totale de l’écran en cm².

Nous avons validé ce modèle sur 14 installations de recyclage entre 2024 et 2025. Pour des paillettes de bouteilles en PEHD post-consommation typiques, contaminées à 2,5 % (étiquettes + fines), traitées à 400 kg/h par un changeur de tamis monoplaque de 128 cm² (maille de 80 mesh, k = 2,1), le modèle prédit ΔP/Δt = (2,5 × 400 × 2,1) / 128 = 16,4 bar/h. Les mesures effectuées sur le terrain ont donné une moyenne de 14,8 bar/h, soit une valeur à 11 % près de la prédiction. À la pression maximale typique de 350 bar pour un changeur de tamis, un cycle de pression (de 50 bar après rinçage à 350 bar) dure environ 18 heures. Avec un changeur de tamis continu à double piston, l'intervalle effectif par paquet de tamis double (36 heures) car chaque paquet traite la moitié de la charge de contamination.

Le choix de la granulométrie implique un compromis : les tamis de 40 mesh (k = 0,9) réduisent la montée en pression mais laissent passer davantage de fines vers le granulateur, produisant des granulés présentant des points noirs visibles, ce qui dépasse la limite de contamination visuelle de 10 ppm pour le PEHD de qualité extrusion. À l’inverse, les tamis de 120 mesh (k = 5,8) produisent des granulés plus propres, mais nécessitent des changements de tamis 6,4 fois plus fréquents. Pour le granulage du PEHD, nous recommandons un tamis de 80 mesh comme solution de base, avec un support de plaque de broyage de 60 mesh et un tamis de polissage secondaire de 100 mesh pour le canal de fusion final si le granulateur alimente directement une ligne de production de feuilles ou de films.

Nous recommandons également d'utiliser un changeur de filtres supportant une pression de service d'au moins 300 bars pour le PEHD post-consommation. Certains fournisseurs de matériaux indiquent une pression de 250 bars pour leurs changeurs de filtres, mais nos données montrent que le PEHD post-consommation présentant une contamination supérieure à 3 % peut atteindre 260 à 290 bars à pleine charge. L'utilisation d'un changeur de filtres de 250 bars à ce niveau réduit la durée de vie des joints d'environ 60 %. Nos changeurs de filtres standard sont conçus pour une pression de 350 bars avec un coefficient de sécurité de 1,2. Des spécifications de procédé plus détaillées sont disponibles sur [lien manquant]. Blog de Jury Top.

4. Constance de la température de fusion du granulateur à brins à une vitesse de vis de 80 tr/min

Les performances d'une presse à granulés dépendent fortement de la constance de la température de fusion à la sortie de la filière. Une variation de température de ±5 °C à la sortie de la filière entraîne une variation du diamètre des granulés d'environ ±0,3 mm, suffisante pour provoquer leur rupture ou la formation de granulés surdimensionnés bloquant l'écartement des rouleaux d'alimentation de la presse.

Nous avons testé la constance de la température de fusion sur une extrudeuse monovis SJ-100 (100 mm de diamètre, rapport L/D de 30:1, moteur de 75 kW) transformant du PEHD post-consommation à 80 tr/min, correspondant à un débit d'environ 280 kg/h. La température a été mesurée à l'aide de sept thermocouples disposés le long du fourreau et d'un pyromètre infrarouge portatif (Fluke 62 MAX, émissivité réglée à 0,95 pour le PEHD fondu) à la sortie de la filière – une mesure étant effectuée toutes les 2 minutes pendant 4 heures de fonctionnement.

Les résultats ont montré une température de 203 °C ± 5 °C dans la zone 3 du cylindre (section de compression), de 205 °C ± 3 °C dans la zone d'adaptation et de 211 °C ± 2 °C à la sortie de la filière. La température du polymère fondu à la sortie de la filière, mesurée par insertion directe du thermocouple dans le flux de polymère fondu, était en moyenne de 217 °C, avec une variation comprise entre 213 °C et 222 °C sur une période de 4 heures. Cette variation de ±4,5 °C est acceptable pour la granulation de fibres, mais sensiblement supérieure à la variation de ±2,0 °C généralement observée avec du PEHD vierge dans les mêmes conditions.

La plus grande variabilité observée dans le PEHD recyclé provient de deux sources : la variation de l’indice de fluidité (MFI) du matériau d’entrée (0,8 à 3,2 g/10 min dans nos échantillons) et le transport non uniforme des solides dû à la faible densité apparente des paillettes d’alimentation. Nous avons atténué ces deux problèmes grâce à un insert de gorge d’alimentation rainuré (3 rainures longitudinales, 4 mm de profondeur × 6 mm de largeur) dans la zone d’alimentation. Cette gorge rainurée a amélioré la stabilité du transport des solides, réduisant la variation de température dans la zone 3 du cylindre de ±5 °C à ±3 °C. Associée à une pompe à engrenages de fusion installée entre le changeur de tamis et la filière – réglée pour maintenir une pression d’entrée de 80 bar –, la plage de température à la sortie de la filière a été réduite à ±2,5 °C.

Pour les recycleurs fonctionnant à 80 tr/min ou plus, nous recommandons fortement l'utilisation d'une pompe à fusion. Le coût d'un ensemble pompe à engrenages (pompe, variateur, capteurs de pression et contrôleur) pour une ligne de 300 kg/h est d'environ 8 000 à 12 000 $ – et nos données de terrain montrent qu'il réduit la production de fines de granulés de 40 à 55 % en éliminant les surtensions qui provoquent des fluctuations du diamètre des brins.

Nous avons également constaté qu'une filière automatisée avec vannes individuelles pour chaque brin — permettant à l'opérateur de fermer un orifice de filière sans interrompre la production — améliore considérablement la disponibilité. Lorsqu'un brin se rompt suite à un pic de viscosité dû à une contamination, l'opérateur ferme l'orifice en moins de 5 secondes et la production reprend à 90-95 % du débit nominal, évitant ainsi un cycle complet de démontage et de nettoyage de la filière de 20 à 30 minutes.

5. Traitement du PEHD post-consommation : configuration des orifices de dégazage et de ventilation sous vide

Le PEHD post-consommation contient des contaminants volatils — humidité résiduelle issue du lavage, oligomères de faible masse moléculaire provenant de cycles thermiques répétés et composés organiques volatils issus de résidus alimentaires — qui doivent être éliminés avant la granulation afin d'éviter la formation de bulles lors des étapes de transformation ultérieures. Le système d'évacuation des gaz sous vide sur le fourreau de l'extrudeuse est le principal outil permettant d'effectuer ce dégazage.

Un seul orifice d'évacuation du vide, situé à environ 65-70 % de la longueur de la vis à partir de la gorge d'alimentation (à la transition entre les zones de compression et de dosage), permet généralement d'éliminer 60 à 70 % des composés volatils du PEHD recyclé. Une configuration à double orifice — le premier à 60 % et le second à 80 % de la longueur de la vis — permet d'éliminer 85 à 92 % des composés volatils, mesurés par chromatographie en phase gazeuse couplée à la spectrométrie de masse (GC-MS) sur les granulés obtenus.

Nous avons testé ce procédé sur une extrudeuse SJ-120 (rapport L/D de 33:1) traitant des paillettes de bouteilles en PEHD post-consommation présentant une teneur en humidité moyenne de 0,08 % (800 ppm, mesurée par titrage Karl Fischer) et une teneur en composés organiques volatils (COV) de 1 200 ppm (somme des hydrocarbures en C6-C16, analysée par GC-MS). Avec une seule sortie d'air fonctionnant sous un vide de -0,85 bar (635 mmHg), les granulés obtenus présentaient une humidité de 180 ppm et une teneur en COV de 340 ppm, soit des réductions respectives de 78 % et 72 %. Avec une configuration à double sortie d'air au même niveau de vide, l'humidité a chuté à 60 ppm et la teneur en COV à 140 ppm, soit des réductions de 93 % et 88 %.

Le second évent offre une seconde possibilité d'éliminer les composés volatils qui s'évaporent lorsque la pression de fusion chute entre le premier et le second évent. Dans un système à évent unique, les composés volatils qui ne parviennent pas à s'échapper par l'orifice d'évent sont entraînés par le flux de fusion et forment des bulles ou des vides dans le granulé. Pour les applications où le PEHD granulé est destiné au moulage par soufflage ou à l'extrusion de film — où les bulles entraînent des rebuts —, la configuration à double évent est indispensable.

La géométrie de l'orifice de purge est aussi importante que le système de vide. Cet orifice doit avoir une largeur minimale de 1,2 fois le diamètre de la vis et une longueur, le long du fourreau, de 2,5 à 3 fois le pas de la vis à cet endroit. Un orifice trop étroit restreint le flux de gaz ; un orifice trop long permet au métal en fusion de remonter le long de la base de la vis et de boucher l'orifice. Nous utilisons un insert de dévolatilisation statique – une grille métallique faisant office de barrière perméable aux gaz – pour empêcher la purge du métal en fusion tout en permettant l'évacuation des composés volatils. Cet insert doit être nettoyé toutes les 40 à 80 heures de fonctionnement, selon le niveau de contamination, et nous avons conçu le boîtier de l'orifice de purge avec un système de serrage rapide permettant un nettoyage en 2 minutes.

Le système de pompe à vide doit fournir une pression minimale de -0,90 bar (675 mmHg) à l'orifice de purge, mesurée à l'aide d'un manomètre étalonné au niveau du raccord du corps de pompe. Nous utilisons des pompes à vide à anneau liquide (Nash ou équivalent) plutôt que des pompes à palettes sèches, car les composés volatils du PEHD recyclé contiennent des substances acides qui corrodent les joints des pompes à palettes sèches. Une pompe à anneau liquide correctement dimensionnée pour une ligne de 400 à 600 kg/h assure un débit d'air libre de 30 à 40 m³/h sous vide. Le purgeur de condensats doit être en acier inoxydable et muni d'un voyant et d'une vanne de purge ; nous recommandons de l'inspecter et de le purger toutes les 8 heures de travail.

Les vis doivent présenter une géométrie spécifique au niveau de la zone de ventilation : une section à double spire profonde sous chaque orifice de ventilation, qui propulse un film de matière fondue mince et uniforme au-delà de l’orifice, maximisant ainsi le rapport surface/volume pour l’évacuation des composés volatils. Notre vis standard, conçue pour le recyclage, intègre une section à double spire profonde dans la zone de décompression (3,2 mm de profondeur de canal contre 2,0 mm dans la zone de dosage) à chaque emplacement de ventilation. Ceci empêche l’orifice de ventilation d’être inondé par un flux de matière fondue épais et garantit une dévolatilisation constante pour des débits allant de 60 % à 110 % de la capacité nominale.

Pour les recycleurs traitant du PEHD fortement contaminé (par exemple, des films agricoles ou des bouteilles post-consommation multicolores avec de nombreuses étiquettes), nous recommandons un système de dégazage en cascade : deux évents de vide et un évent atmosphérique (à 45 % de la longueur de la vis) avant le premier orifice de vide. L’évent atmosphérique libère la vapeur et les fractions organiques les plus volatiles avant qu’elles n’atteignent la pompe à vide, réduisant ainsi la charge de condensats sur le système de vide. page sur l'extrudeuse monovis Comprend des schémas de configuration pour les systèmes de ventilation simples, doubles et en cascade.

Biographie de l'auteur

Yufeng Ji Il est ingénieur des procédés de fabrication chez Shanghai Jurry Plastic Machinery Co., Ltd. Fort de plus de 30 ans d'expérience dans l'extrusion, il est spécialisé dans le développement et l'amélioration des procédés de fabrication afin de garantir une qualité stable et une amélioration continue.

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Sources

• ISO 1133:2011 — Matières plastiques — Détermination du débit massique à l'état fondu (MFR) et du débit volumique à l'état fondu (MVR) des thermoplastiques.
• Wikipédia — Recyclage des plastiques. https://en.wikipedia.org/wiki/Plastics_recycling
• Wikipédia — Extrusion. https://en.wikipedia.org/wiki/Extrusion
• Le recyclage aujourd'hui — Tendances et technologies de recyclage du PEHD. https://www.recyclingtoday.com/
• ISO 9001:2015 — Systèmes de management de la qualité. https://www.iso.org/standard/62085.html