Високоефективна деаерация на течности с ултразвук

Въпреки че дегазирането или отделянето на газове често е изключително времеемък технологичен етап, ултразвуковата обработка може значително да ускори сливането на газовите мехурчета и издигането им. Ултразвуковото отделяне на газове може да се използва в периодични и проточни конфигурации и може също да се комбинира с конвенционални техники за дегазиране, като продухване с инертни газове, дегазатори с работно колело, нагряване или вакуум, за да се повишат ефективността и скоростта на отстраняване на газовете.

Отстраняване на газове от течности

Термините деаерация, дегазиране и отделяне на газове се отнасят до отстраняването на свободни и разтворени газове, особено на реактивни газове като кислород или CO2, от флуид. Отстраняването на кислорода е важно за предотвратяване на неблагоприятни промени в крайния продукт и за подобряване на последващата обработка. Дегазирането е необходим технологичен етап за много приложения и отрасли. В промишленото производство дегазирането е обичаен технологичен етап за осигуряване на стабилност и качество на продукта и постоянно спазване на продуктовите стандарти. Кислородът е фактор, който влияе върху качеството и стабилността на продукта на различни нива.
Затова деаерацията е утвърден технологичен етап в хранително-вкусовата промишленост, производството на напитки, химическата, фармацевтичната и козметичната промишленост. Но и в лабораториите пробите често изискват дегазиране преди анализ (напр. преди HPLC, аналитични тестове, измервания на частици и др.).
Процесите на смесване, използващи например лопаткови смесители с високо срязване или смесители с въртящо се работно колело, често налагат последващо дегазиране на продукта, тъй като тези техники на смесване обикновено въвеждат големи количества газове в продукта. Такива газови и въздушни включвания обикновено имат отрицателно въздействие върху продукта, тъй като могат да предизвикат гранясване на мазнините и маслата и да влошат продуктите чрез окисление, промяна на цвета и нежелани изменения на мириса и вкуса.  Тъй като дегазираните продукти са химически по-стабилни и имат по-дълъг срок на годност, дегазирането е съществен технологичен етап, изискващ надеждна техника.
 

Ултразвуково дегазиране: Задържаните газови мехурчета се отстраняват от масло с помощта на ултразвуковия апарат UP400St

Ултразвуково дегазиране и деаерация

Ултразвуковото дегазиране и деаерация е много мощна алтернатива на традиционните методи за дегазиране на течности, които включват кипене, понижаване на налягането до вакуум или продухване с инертни газове. Тези традиционни методи за дегазиране често имат недостатъци, като термично разграждане (поради нагряване), обработка, изискваща много време и енергия, и/или недостатъчно отстраняване на газовете. Ултразвуковото дегазиране се основава на принципа на действие на акустичната кавитация. Когато ултразвукови вълни с висока мощност се предават в течност, течността се свива и разширява съответно по време на циклите на високо и ниско налягане. По време на циклите на ниско налягане се създават миниатюрни вакуумни мехурчета (т.нар. кавитационни мехурчета), които нарастват в продължение на няколко цикъла на налягане. По време на тези цикли на нарастване на мехурчетата разтворените в течността газове навлизат във вакуумното мехурче, така че вакуумното мехурче се превръща в нарастващи газови мехурчета. Освен това микротурбулентността и течните струи предизвикват интензивно разбъркване и масообмен. Тези условия, създадени чрез ултразвук, предизвикват коалесценция на газовите мехурчета, която представлява сливането на малки мехурчета от разтворен газ в по-големи газови мехурчета, които бързо се издигат до повърхността на течността, където я напускат.
Температурните промени, причинени от ултразвуковите вибрации и кавитацията, са ограничени до много малки локални области, а повишаването на температурата в общия обем може да се пренебрегне, тъй като не влияе върху качеството на продукта.
 

Намаляване на разтворения кислород с времето при ултразвукова честота 24 kHz с използване на ултразвуковия апарат UP400St при амплитуди 100 %, 80 %, 60 %, 40% и 20 %.
Изследване: ©Rognerud et al., 2020.

 
В зависимост от обема, вискозитета и газовите включвания в течността или суспензията ултразвуковата деаерация може да се извършва като периодичен или проточен процес. Ултразвукова сонда с висока мощност излъчва акустична кавитация в течността, така че течността се дегазира ефективно.
Ултразвуковото дегазиране може да се приложи и за подобряване на вече съществуващи системи за дегазиране, като нагряване, вакуум или продухване с газ.
Ултразвуковото дегазиране и обезпенване се използва в промишлен мащаб за отстраняване на разтворени газове от вода, масла, храни и напитки, химически разтвори, хидравлични течности, охлаждащи течности, сондажни течности, суров нефт, емулсии, бои, мастила, лепила, лакове, покрития, епоксидни смоли, шампоани, детергенти и много други продукти.
 

Ултразвуково дегазиране с използване на конфигурация с проточна клетка. Този експеримент представляваше прототипен воден циркулационен контур с малък мащаб, с обем 0,8 галона, дебит на инертния газ 0,2 sfcm/min и интензитет 275 W/cm2. Това показва намаляване на времето за отстраняване на кислорода с около 70%.
Изследване и изображение: Rubio et al. 2016

Ултразвуково дегазиране в проточна конфигурация с използване на ултразвуковия апарат UIP1000hdT с проточна клетка.

Продухване с газ, интензифицирано чрез ултразвук

Продухването на течности с инертен газ (известно също като промиване с инертен газ) е обичаен метод за отстраняване на нежелани газове като кислород и въглероден диоксид от течността. За продухване обикновено се използват азот, аргон, хелий и други инертни газове. Пропускането на мехурчета от газ с висока чистота (обикновено инертен) през разтвор може да извлече нежелани, обикновено реактивни разтворени газове като кислород и въглероден диоксид. Процесът на продухване се основава на масообмена и сам по себе си е доста бавна процедура. За да се интензифицира продухването с инертни газове, течно-газовият разтвор често се разбърква енергично и през него продължително се пропускат газови мехурчета. Ултразвуковата обработка е техника за интензифициране на дегазирането, която значително подобрява масообмена и съответно продухването. Когато ултразвукови вълни с висока мощност се предават в течности или суспензии, се образуват кавитационни мехурчета. Тези кавитационни мехурчета раздробяват по-големите мехурчета на продухващия газ на малки мехурчета и ги диспергират равномерно, което води до по-бързо и по-чисто дегазиране. Интензивното разбъркване и турбулентността, създадени от ултразвуковата обработка, подпомагат масообмена между газ и течност и по този начин бързото отстраняване на нежеланите газове.
За да се ускори и направи по-ефективна процедурата на продухване, се използва високопроизводителен ултразвук за сономеханично подобряване на масообмена между газ и течност. Сономеханичните ефекти, създадени от акустичната кавитация, включват локални разлики в налягането и температурата, микротурбулентност и разбъркване. Тези сили подобряват ефективността на дегазирането, като допринасят за увеличаване на дифузионния масообмен поради раздробяването на мехурчетата, диспергирането и последващото увеличаване на междуфазната повърхност, което в крайна сметка води до бързо отстраняване на задържаните газове от течността.
За постигане на желаните ефекти на отделяне на газове е необходима ултразвукова обработка с висока мощност. Когато течност се продухва с инертен газ в двуфазен поток, е желателна насочена дифузия, за да се увеличат масообменът и скоростта на отстраняване на разтворените газове. Прилагането на насочена дифузия може да бъде трудно, тъй като задържаните мехурчета и мехурчетата от разтворен газ са склонни да избягват навлизането в полето на ултразвуковата кавитация при по-ниски интензитети. При повишени интензитети обаче (по-високи от 300 W/cm² при прибл. 20 kHz) газовите мехурчета вече не избягват кавитационната зона и се раздробяват от сономеханични сили. (вж. Jagannathan et al. 2011)

Ултразвукови системи с висока мощност за дегазиране

Hielscher Ultrasonics е производител с дългогодишен опит на високопроизводително ултразвуково оборудване, което се използва в лаборатории и промишлено производство по целия свят. Дегазирането на течности и суспензии е взискателно приложение, което изисква ултразвукови сонди с висока мощност, способни да предават в течностите колебания с установени амплитуди, за да отстраняват задържани газови мехурчета и въздушни джобове. Всички ултразвукови устройства на Hielscher са проектирани и произведени за работа 24/7 при пълно натоварване. Ултразвуковите процесори се предлагат от компактни лабораторни ултразвукови апарати с мощност 50 вата до мощни проточни ултразвукови системи с мощност 16,000вата. Голямото разнообразие от усилващи рупори, сонотроди и проточни клетки позволява индивидуално конфигуриране на система за ултразвуково дегазиране според течността, вискозитета и газовите включвания.
За деаерацията и отделянето на газове от течни метали са необходими прецизно зададени и поддържани амплитуди. Hielscher Ultrasonics произвежда високопроизводителни ултразвукови сонди, чиито спецификации предвиждат амплитуди и температури, оптимизирани в много висока степен за процеса. Ако Вашето приложение за дегазиране изисква необичайни спецификации, се предлагат ултразвукови сонотроди по индивидуална поръчка. Здравината на ултразвуковото оборудване на Hielscher позволява работа 24/7 при тежък режим и в трудни условия.

Периодична и проточна обработка

Ултразвуковите сонди на Hielscher за дегазиране могат да се използват за периодично и непрекъснато проточно дегазиране и деаерация. В зависимост от обема, вискозитета и задържаните газове ще Ви препоръчаме най-подходящата конфигурация за ултразвуково отделяне на газове.

Ултразвукови сонди за дегазиране на всякакъв обем

Продуктовата гама на Hielscher Ultrasonics обхваща целия спектър от ултразвукови процесори – от компактни лабораторни ултразвукови апарати през настолни и пилотни системи до изцяло промишлени ултразвукови процесори с капацитет за обработка на количества, равняващи се на товари от камиони, на час. Пълната продуктова гама ни позволява да Ви предложим най-подходящото оборудване за ултразвуково дегазиране за Вашата течност, технологичен капацитет и производствени цели.

Прецизно управляеми амплитуди за оптимални резултати

Всички системи на Hielscher за ултразвуково дегазиране се управляват прецизно и поради това са надеждни работни машини. Амплитудата е един от решаващите параметри на процеса, които влияят върху ефективността и резултатността на сономеханично предизвиканото дегазиране. Всички процесори на Hielscher Ultrasonics позволяват прецизно задаване на амплитудата. Сонотродите и усилващите рупори са принадлежности, които позволяват промяна на амплитудата в още по-широк диапазон. Промишлените ултразвукови процесори на Hielscher могат да осигуряват много високи амплитуди и необходимия ултразвуков интензитет за взискателни приложения. Амплитуди до 200µm могат лесно да се поддържат непрекъснато при работа 24/7.
Прецизното задаване на амплитудата и постоянното наблюдение на параметрите на ултразвуковия процес чрез интелигентен софтуер Ви дават възможност да настройвате параметрите на ултразвуковия процес за най-ефективно ултразвуково дегазиране. Оптимална ултразвукова обработка за високоефективно отстраняване на газове!
Здравината на ултразвуковото оборудване на Hielscher позволява работа 24/7 при тежък режим и в трудни условия. Това прави ултразвуковото оборудване на Hielscher надежден работен инструмент, който изпълнява изискванията на Вашия процес на деаерация.

Най-високо качество – проектирано и произведено в Германия

Като семеен бизнес, притежаван и управляван от семейството, Hielscher дава приоритет на най-високите стандарти за качество на своите ултразвукови процесори. Всички ултразвукови апарати се проектират, произвеждат и изпитват щателно в нашата централа в Teltow, близо до Берлин, Германия. Здравината и надеждността на ултразвуковото оборудване на Hielscher го правят издръжлива работна машина във Вашето производство. Работата 24/7 при пълно натоварване и в трудни условия е присъща характеристика на високопроизводителните дегазатори на Hielscher.