Vysoce účinné odvzdušňování kapalin pomocí ultrazvuku

Zatímco odplyňování nebo odplyňování je často extrémně časově náročným procesním krokem, ultrazvuku může urychlit koalescenci plynových bublin a jejich vzestup výrazně. Ultrazvukové odplyňování lze použít v dávkovém a inline nastavení a lze jej také kombinovat s konvenčními odplyňovacími technikami, jako je stříkání inertními plyny, odplyňovače oběžného kola, ohřev nebo vakuum, aby se zvýšila účinnost a rychlost odstraňování plynu.

Odstranění plynu z kapalin

Pojmy odvzdušnění, odplyňování a odplyňování se vztahují k odstranění volných a rozpuštěných plynů, zejména reaktivních plynů, jako je kyslík nebo CO2, z kapaliny. Eliminace kyslíku je důležitá, aby se zabránilo škodlivým změnám konečného produktu a zlepšilo se následné zpracování. Odplyňování je nezbytným krokem zpracování pro mnoho aplikací a průmyslových odvětví. V průmyslové výrobě je odplyňování běžným procesním krokem k zajištění stability produktu, kvality a trvalých standardů produktu. Kyslík je faktor, který ovlivňuje kvalitu a stabilitu produktu na různých úrovních.
Proto je odvzdušnění zavedeným procesním krokem v potravinách & nápojový, chemický, farmaceutický a kosmetický průmysl. Ale také v laboratořích je často nutné vzorky před analýzou odplynit (např. před HPLC, testy, měřením částic atd.).
Míchací procesy, např. s vysokosmykovými lopatkovými mixéry nebo rotačními míchadly s oběžným kolem, často vyžadují následné odplynění produktu, protože tyto techniky míchání obvykle vnášejí do produktu velké množství plynů. Takové plynové a vzduchové inkluze mají obvykle negativní vliv na produkt, protože mohou způsobit žluknutí tuků a olejů, znehodnocení produktů oxidací, změnou barvy a nežádoucími změnami vůně a chuti. Vzhledem k tomu, že odplyněné produkty jsou chemicky stabilnější a mají delší trvanlivost, je odplyňování nezbytným krokem zpracování, který vyžaduje spolehlivou techniku.
 

Ultrazvukové odplyňování: Zachycené bubliny plynu jsou odstraněny z oleje pomocí ultrasonicator UP400St

Ultrazvukové odplynění a odvzdušnění

Ultrazvukové odplyňování a odvzdušňování je vysoce účinnou alternativou k tradičním metodám odplyňování kapalin, které zahrnují vaření, snížení tlaku do vakua nebo stříkání inertními plyny. Tyto tradiční metody odplyňování mají často nevýhody, jako je tepelná degradace (v důsledku zahřívání), časově a energeticky náročné zpracování a/nebo nedostatečný odvod plynu. Ultrazvukové odplyňování je založeno na pracovním principu akustické kavitace. Když jsou ultrazvukové vlny s vysokým výkonem spojeny do kapaliny, kapalina je stlačována a expandována během vysokotlakých a nízkotlakých cyklů. Během nízkotlakých cyklů vznikají nepatrné vakuové bubliny (tzv. kavitační bubliny), které rostou v průběhu několika tlakových cyklů. Během těchto cyklů růstu bublin vstupují rozpuštěné plyny v kapalině do vakuové bubliny, takže se vakuová bublina transformuje na rostoucí plynové bubliny. Kromě toho mikroturbulence a trysky kapaliny způsobují intenzivní míchání a přenos hmoty. Tyto ultrazvukem generované podmínky způsobují koalescenci plynových bublin, což je sjednocení malých bublin rozpuštěného plynu do větších bublin plynu, které rychle stoupají na povrch kapaliny, kde tam kapalinu opouštějí.
Změny teploty způsobené ultrazvukovými vibracemi a kavitací jsou omezeny na velmi malé místní prostory a nárůst teploty v celkovém objemu lze zanedbat, protože nenarušuje kvalitu produktu.
 

Pokles rozpuštěného kyslíku s časem pro ultrazvukovou frekvenci 24 kHz pomocí sonikátoru UP400ST při amplitudách 100 %, 80 %, 60 %, 40 % a 20 %.
Studie: ©Rognerud et al., 2020.

 
V závislosti na objemu, viskozitě a plynných inkluzích kapaliny nebo suspenze může být ultrazvukové odvzdušňování prováděno jako dávkový nebo inline proces. Vysoce výkonná ultrazvuková sonda vysílá akustickou kavitaci do kapaliny, takže kapalina je účinně odplyněna.
Ultrazvukové odplyňování lze také implementovat pro zlepšení již existujících odplyňovacích systémů, jako je ohřev, vakuum nebo rozstřikování.
Ultrazvukové odplyňování a odpěňování se používá v průmyslovém měřítku k odstranění rozpuštěných plynů z vody, olejů, potravin a nápojů, chemických roztoků, hydraulických kapalin, chladicích kapalin, vrtných kapalin, ropy, emulzí, barev, inkoustů, lepidel, laků, nátěrů, epoxidů, šamponů, detergentů a mnoha dalších produktů.
 

Ultrazvukové odplyňování pomocí nastavení průtokové cely. Tento experiment byl prototypem malé vodní smyčky o objemu 0,8 galonu, průtoku inertního plynu 0,2 sfcm/min a intenzitě 275 W/cm2. To ukazuje zkrácení doby odstraňování kyslíku asi o 70 %.
Studie a obrázek: Rubio et al. 2016

Ultrazvukové odplyňování v inline nastavení pomocí ultrazvuku UIP1000hdT s průtokovou buňkou.

Ultrazvukem vylepšené sparging

Rozprašování kapalin inertním plynem (známé také jako proplachování inertním plynem) je běžné ošetření k odstranění nežádoucích plynů, jako je kyslík a oxid uhličitý, z kapaliny. Pro rozstřikovací aplikace se běžně používá dusík, argon, helium a další inertní plyny. Bublání roztoku s vysoce čistým (obvykle inertním) plynem může vytáhnout nežádoucí, obvykle reaktivní rozpuštěné plyny, jako je kyslík a oxid uhličitý. Proces rozprašování závisí na přenosu hmoty a je sám o sobě poměrně pomalým postupem. Abych zintenzivnil stříkání inertními plyny, roztok kapalina-plyn se často intenzivně míchá a dlouho probublává. Ultrazvuku je technika zesilující odplynění, která výrazně zlepšuje přenos hmoty a tím i stříkání. Když jsou ultrazvukové vlny s vysokým výkonem spojeny do kapalin nebo suspenzí, vytvářejí se kavitační bubliny. Tyto kavitační bubliny rozbíjejí větší bubliny čisticího plynu na malé bubliny a bubliny rovnoměrně rozptýlí, což má za následek rychlejší a čistší odplyňovací účinky. Intenzivní neklid a turbulence způsobené ultrazvukem podporují přenos hmoty plyn-kapalina a tím rychlé odstranění nežádoucích plynů.
Aby se urychlil a zefektivnil postup rozstřikování, používá se vysoce výkonný ultrazvuk k sonomechanickému zlepšení výkonu přenosu hmoty mezi plynem a kapalinou. Sonomechanické efekty generované akustickou kavitací zahrnují místní rozdíly tlaku a teploty, mikroturbulence a míchání. Tyto síly zlepšují odplyňovací výkon tím, že přispívají ke zvýšení difuzního přenosu hmoty v důsledku rozpadu bublin, disperze a následného zvětšení mezifázové plochy, což nakonec vede k rychlému odstranění zachycených plynů z kapaliny.
K dosažení požadovaných účinků odplyňování je nutná ultrazvuku s vysokým výkonem. Když je kapalina ušetřena inertním plynem ve dvoufázovém toku, je žádoucí usměrněná difúze, aby se zvýšila rychlost přenosu a odstraňování rozpuštěných plynů. Použití rektifikované difúze může být obtížné, protože zachycené a rozpuštěné bubliny plynu mají tendenci vyhýbat se vstupu do ultrazvukového kavitačního pole při nižších intenzitách. Avšak při zvýšených intenzitách (vyšších než 300 W/cm)² při cca 20 kHz) se plynové bubliny již nevyhýbají kavitační zóně a jsou rozbíjeny sonomechanickými silami. (srov. Jagannathan et al. 2011)

Vysoce výkonné ultrazvukové odplyňovací systémy

Hielscher Ultrasonics je dlouholetým výrobcem vysoce výkonných ultrazvukových zařízení, která se používají po celém světě v laboratořích a průmyslové výrobě. Odplyňování kapalin a kalů je náročná aplikace, která vyžaduje vysoce výkonné ultrazvukové sondy, které mohou spojit zavedené amplitudy do kapalin a odstranit zachycené plynové bubliny a vzduchové kapsy. Všechna ultrazvuková zařízení Hielscher jsou navržena a vyrobena tak, aby byla provozována 24 hodin denně, 7 dní v týdnu při plném zatížení. Ultrazvukové procesory jsou k dispozici od kompaktních 50 wattových laboratorních ultrazvukových systémů až po 16 000 wattů výkonných řadových ultrazvukových systémů. Široká škála posilovacích klaksonů, sonotrod a průtokových článků umožňuje individuální nastavení ultrazvukového odplyňovacího systému v závislosti na kapalině, viskozitě a plynných inkluzích.
Pro odvzdušňování a odplyňování tekutých kovů jsou vyžadovány přesně nastavené a udržované amplitudy. Hielscher Ultrasonics vyrábí vysoce výkonné ultrazvukové sondy, které jsou specifikovány pro velmi procesně optimalizované amplitudy a teploty. Pokud vaše odplyňovací aplikace vyžaduje neobvyklé specifikace, jsou k dispozici přizpůsobené ultrazvukové sonotrody. Robustnost ultrazvukového zařízení Hielscher umožňuje provoz 24 hodin denně, 7 dní v týdnu v náročném provozu a v náročných prostředích.

Dávkové a inline

Hielscher ultrazvukové sondy pro odplynění lze použít pro dávkové a kontinuální inline odplyňování a odvzdušňování. V závislosti na objemu, viskozitě a zachycených plynech vám doporučíme nejvhodnější ultrazvukové odplyňovací zařízení.

Ultrazvukové sondy pro odplyňování všech objemů

Produktová řada Hielscher Ultrasonics pokrývá celé spektrum ultrazvukových procesorů od kompaktních laboratorních ultrasonicators přes stolní a pilotní systémy až po plně průmyslové ultrazvukové procesory s kapacitou pro zpracování nákladních automobilů za hodinu. Kompletní sortiment produktů nám umožňuje nabídnout vám nejvhodnější ultrazvukové odplyňovací zařízení pro vaši kapalinu, procesní kapacitu a výrobní cíle.

Přesně regulovatelné amplitudy pro optimální výsledky

Všechny ultrazvukové odplyňovací systémy Hielscher jsou přesně ovladatelné a tím spolehlivé pracovní koně. Amplituda je jedním z klíčových procesních parametrů, které ovlivňují účinnost a účinnost sonomechanicky indukovaného odplynění. Všechny Hielscher Ultrazvuk’ Procesory umožňují přesné nastavení amplitudy. Sonotrody a posilovací rohy jsou příslušenství, které umožňuje upravit amplitudu v ještě širším rozsahu. Hielscherovy průmyslové ultrazvukové procesory mohou dodávat velmi vysoké amplitudy a dodávat požadovanou ultrazvukovou intenzitu pro náročné aplikace. Amplitudy až 200 μm lze snadno nepřetržitě provozovat v provozu 24/7.
Přesné nastavení amplitudy a trvalé sledování parametrů ultrazvukového procesu pomocí inteligentního softwaru vám dává možnost upravit parametry ultrazvukového procesu pro co nejefektivnější ultrazvukové odplyňování. Optimální sonikace pro vysoce účinné odstranění plynu!
Robustnost ultrazvukového zařízení Hielscher umožňuje provoz 24 hodin denně, 7 dní v týdnu v náročném provozu a v náročných prostředích. Díky tomu je ultrazvukové zařízení Hielscher spolehlivým pracovním nástrojem, který splňuje vaše požadavky na proces odplyňování.

Nejvyšší kvalita – Navrženo a vyrobeno v Německu

Jako rodinný podnik Hielscher upřednostňuje nejvyšší standardy kvality svých ultrazvukových procesorů. Všechny ultrasonicators jsou navrženy, vyrobeny a důkladně testovány v našem sídle v Teltow poblíž Berlína v Německu. Robustnost a spolehlivost ultrazvukového zařízení Hielscher z něj činí pracovního koně ve vaší výrobě. Provoz 24 hodin denně, 7 dní v týdnu při plném zatížení a v náročných prostředích je přirozenou charakteristikou vysoce výkonných odplyňovačů Hielscher.