Vysoce účinné odvzdušňování kapalin pomocí ultrazvuku

Zatímco odplyňování či uvolňování plynů je často mimořádně časově náročným procesním krokem, sonikace může výrazně urychlit koalescenci plynových bublin a jejich stoupání. Ultrazvukové odplyňování lze použít v dávkovém i průtokovém (inline) uspořádání a lze jej také kombinovat s konvenčními technikami odplyňování, jako je probublávání inertními plyny, odplyňovače s oběžným kolem, ohřev nebo vakuum, za účelem zvýšení účinnosti a rychlosti odstraňování plynu.

Odstraňování plynu z kapalin

Pojmy odvzdušňování, odplyňování a uvolňování plynů označují odstraňování volných a rozpuštěných plynů, zejména reaktivních plynů, jako je kyslík nebo CO2, z tekutiny. Odstranění kyslíku je důležité, aby se zabránilo nežádoucím změnám konečného produktu a zlepšilo se následné zpracování. Odplyňování je nezbytným procesním krokem pro mnoho aplikací a průmyslových odvětví. V průmyslové výrobě je odplyňování běžným procesním krokem k zajištění stability a kvality produktu a trvalého dodržování produktových standardů. Kyslík je faktorem, který ovlivňuje kvalitu a stabilitu produktu na různých úrovních.
Proto je odvzdušňování zavedeným procesním krokem v potravinářském a nápojovém, chemickém, farmaceutickém a kosmetickém průmyslu. Odplynění však často vyžadují i vzorky v laboratořích před analýzou (např. před HPLC, stanoveními, měřeními částic atd.).
Často mísicí procesy využívající např. vysokosmykové lopatkové nebo rotační mísiče s oběžným kolem často vyžadují následné odplynění produktu, protože tyto mísicí techniky běžně vnášejí do produktu velké množství plynů. Takové plynové a vzduchové inkluze mají na produkt obvykle negativní vliv, protože mohou způsobit žluknutí tuků a olejů a znehodnocovat produkty oxidací, změnou barvy a nežádoucími změnami vůně a chuti. Jelikož jsou odplyněné produkty chemicky stabilnější a mají delší trvanlivost, je odplyňování zásadním procesním krokem, který vyžaduje spolehlivou techniku.
 

Ultrazvukové odplyňování: Zachycené plynové bubliny se odstraňují z oleje pomocí sonikátoru UP400St

Ultrazvukové odplyňování a odvzdušňování

Ultrazvukové odplyňování a odvzdušňování je vysoce účinnou alternativou k tradičním metodám odplyňování kapalin, mezi něž patří var, snížení tlaku na vakuum nebo probublávání inertními plyny. Tyto tradiční metody odplyňování mají často nevýhody, jako je tepelná degradace (v důsledku ohřevu), časově a energeticky náročné zpracování a/nebo nedostatečné odstranění plynu. Ultrazvukové odplyňování je založeno na principu akustické kavitace. Když jsou do kapaliny přenášeny vysoce výkonné ultrazvukové vlny, kapalina je během cyklů vysokého tlaku stlačována a během cyklů nízkého tlaku rozpínána. Během cyklů nízkého tlaku vznikají nepatrné vakuové bubliny (tzv. kavitační bubliny), které rostou v průběhu několika tlakových cyklů. Během těchto cyklů růstu bublin vstupují rozpuštěné plyny z kapaliny do vakuové bubliny, takže se vakuová bublina mění v rostoucí plynovou bublinu. Kromě toho mikroturbulence a kapalinové proudy (jety) způsobují intenzivní promíchávání a přenos hmoty. Tyto ultrazvukem vytvořené podmínky vyvolávají koalescenci plynových bublin, tj. spojování malých rozpuštěných plynových bublin do větších plynových bublin, které rychle stoupají k hladině kapaliny, kde kapalinu opouštějí.
Teplotní změny způsobené ultrazvukovými vibracemi a kavitací jsou omezeny na velmi malé lokální prostory a nárůst teploty v celém objemu lze zanedbat, protože neovlivňuje kvalitu produktu.
 

Pokles rozpuštěného kyslíku v čase při ultrazvukové frekvenci 24 kHz s použitím sonikátoru UP400ST při amplitudách 100 %, 80 %, 60 %, 40% a 20 %.
Studie: ©Rognerud et al., 2020.

 
V závislosti na objemu, viskozitě a plynových inkluzích kapaliny nebo suspenze lze ultrazvukové odvzdušňování provádět jako dávkový nebo průtokový (inline) proces. Vysoce výkonná ultrazvuková sonda vysílá do kapaliny akustickou kavitaci, takže je kapalina účinně odplyněna.
Ultrazvukové odplyňování lze také zavést ke zlepšení již existujících odplyňovacích systémů, jako je ohřev, vakuum nebo probublávání.
Ultrazvukové odplyňování a odpěňování se v průmyslovém měřítku používá k odstraňování rozpuštěných plynů z vody, olejů, potravin a nápojů, chemických roztoků, hydraulických kapalin, chladicích kapalin, vrtných kapalin, ropy, emulzí, barev, inkoustů, lepidel, laků, nátěrových hmot, epoxidů, šamponů, detergentů a mnoha dalších produktů.
 

Ultrazvukové odplyňování v uspořádání s průtokovou celou. Tento experiment představovala prototypová malá vodní smyčka o objemu 0,8 galonu s průtokem inertního plynu 0,2 sfcm/min a intenzitou 275 W/cm2. Je patrné zkrácení doby odstraňování kyslíku přibližně o 70%.
Studie a obrázek: Rubio et al. 2016

Ultrazvukové odplyňování v průtokovém (inline) uspořádání pomocí sonikátoru UIP1000hdT s průtokovou celou.

Ultrazvukem zesílené probublávání

Probublávání kapalin inertním plynem (známé také jako proplachování inertním plynem) je běžná úprava k odstranění nežádoucích plynů, jako je kyslík a oxid uhličitý, z kapaliny. Pro probublávání se běžně používají dusík, argon, helium a další inertní plyny. Probubláváním roztoku vysoce čistým (typicky inertním) plynem lze odstranit nežádoucí, typicky reaktivní rozpuštěné plyny, jako je kyslík a oxid uhličitý. Proces probublávání závisí na přenosu hmoty a sám o sobě je poměrně pomalý. Aby se probublávání inertními plyny zintenzivnilo, je roztok kapaliny a plynu často intenzivně míchán a dlouhou dobu probubláván. Sonikace je technika zintenzivňující odplyňování, která výrazně zlepšuje přenos hmoty, a tím i probublávání. Když jsou do kapalin nebo suspenzí přenášeny vysoce výkonné ultrazvukové vlny, vznikají kavitační bubliny. Tyto kavitační bubliny rozbíjejí větší bubliny proplachovacího plynu na malé bubliny a rovnoměrně je dispergují, což vede k rychlejšímu a čistšímu odplynění. Intenzivní promíchávání a turbulence vytvářené sonikací podporují přenos hmoty mezi plynem a kapalinou, a tím rychlé odstranění nežádoucích plynů.
Aby se postup probublávání urychlil a zefektivnil, používá se vysoce výkonný ultrazvuk ke sonomechanickému zlepšení přenosu hmoty mezi plynem a kapalinou. Sonomechanické účinky generované akustickou kavitací zahrnují lokální tlakové a teplotní rozdíly, mikroturbulence a promíchávání. Tyto síly zlepšují odplyňovací výkon tím, že přispívají ke zvýšení difuzního přenosu hmoty v důsledku rozpadu bublin, jejich disperze a následného zvětšení mezifázové plochy, což nakonec vede k rychlému odstranění zachycených plynů z kapaliny.
K dosažení požadovaných odplyňovacích účinků je nutná vysoce výkonná sonikace. Když je kapalina probublávána inertním plynem ve dvoufázovém toku, je žádoucí usměrněná difuze, která zvyšuje přenos hmoty a rychlost odstraňování rozpuštěných plynů. Využití usměrněné difuze může být obtížné, protože zachycené a rozpuštěné plynové bubliny mají při nižších intenzitách tendenci vyhýbat se vstupu do ultrazvukového kavitačního pole. Při zvýšených intenzitách (vyšších než 300 W/cm² při přibl. 20 kHz) se však plynové bubliny již kavitační zóně nevyhýbají a jsou rozbíjeny sonomechanickými silami. (srov. Jagannathan et al. 2011)

Vysoce výkonné ultrazvukové odplyňovací systémy

Hielscher Ultrasonics je výrobce s dlouholetými zkušenostmi v oblasti vysoce výkonných ultrazvukových zařízení, která se používají po celém světě v laboratořích i v průmyslové výrobě. Odplyňování kapalin a suspenzí je náročná aplikace, která vyžaduje vysoce výkonné ultrazvukové sondy schopné přenášet do kapalin stanovené amplitudy, aby odstranily zachycené plynové bubliny a vzduchové kapsy. Všechna ultrazvuková zařízení Hielscher jsou navržena a vyrobena pro provoz 24/7 při plném zatížení. Ultrazvukové procesory jsou k dispozici od kompaktních laboratorních sonikátorů o výkonu 50 wattů až po výkonné průtokové ultrazvukové systémy o výkonu 16 000 wattů. Široká škála zesilovacích nástavců (boosterů), sonotrod a průtokových cel umožňuje individuální sestavení ultrazvukového odplyňovacího systému podle kapaliny, viskozity a plynových inkluzí.
Pro odvzdušňování a odplyňování tekutých kovů jsou zapotřebí přesně nastavené a udržované amplitudy. Hielscher Ultrasonics vyrábí vysoce výkonné ultrazvukové sondy, které jsou specifikovány pro velmi procesně optimalizované amplitudy a teploty. Pokud vaše aplikace odplyňování vyžaduje neobvyklé specifikace, jsou k dispozici zakázkové ultrazvukové sonotrody. Robustnost ultrazvukových zařízení Hielscher umožňuje provoz 24/7 při vysokém zatížení a v náročných prostředích.

Dávkový i průtokový (inline) režim

Ultrazvukové sondy Hielscher pro odplyňování lze použít pro dávkové i kontinuální průtokové (inline) odplyňování a odvzdušňování. V závislosti na objemu, viskozitě a zachycených plynech vám doporučíme nejvhodnější ultrazvukové odplyňovací uspořádání.

Ultrazvukové sondy pro odplyňování jakéhokoli objemu

Produktová řada Hielscher Ultrasonics pokrývá celé spektrum ultrazvukových procesorů od kompaktních laboratorních sonikátorů přes stolní a pilotní systémy až po plně průmyslové ultrazvukové procesory s kapacitou zpracovat celé nákladní vozy za hodinu. Kompletní produktová řada 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 regulovatelné, a tím i spolehlivými tahouny. Amplituda je jedním z klíčových procesních parametrů, které ovlivňují účinnost a efektivitu sonomechanicky indukovaného odplyňování. Všechny procesory Hielscher Ultrasonics umožňují přesné nastavení amplitudy. Sonotrody a zesilovací nástavce (boostery) jsou příslušenstvím, které umožňuje měnit amplitudu v ještě širším rozsahu. Průmyslové ultrazvukové procesory Hielscher dokážou dodávat velmi vysoké amplitudy a požadovanou intenzitu ultrazvuku pro náročné aplikace. Amplitudy až 200µm lze snadno nepřetržitě udržovat v provozu 24/7.
Přesné nastavení amplitudy a trvalé monitorování ultrazvukových procesních parametrů pomocí chytrého softwaru vám umožňují upravit ultrazvukové procesní parametry pro co nejúčinnější ultrazvukové odplyňování. Optimální sonikace pro vysoce účinné odstraňování plynu!
Robustnost ultrazvukových zařízení Hielscher umožňuje provoz 24/7 při vysokém zatížení a v náročných prostředích. Díky tomu jsou ultrazvuková zařízení Hielscher spolehlivým pracovním nástrojem, který splňuje požadavky vašeho procesu odvzdušňování.

Nejvyšší kvalita – navrženo a vyrobeno v Německu

Jako rodinný podnik ve vlastnictví a pod vedením rodiny upřednostňuje Hielscher u svých ultrazvukových procesorů nejvyšší standardy kvality. Všechny sonikátory jsou navrženy, vyrobeny a důkladně testovány v našem sídle v Teltow nedaleko Berlína v Německu. Robustnost a spolehlivost ultrazvukových zařízení Hielscher z nich činí tahouna vaší výroby. Provoz 24/7 při plném zatížení a v náročných prostředích je přirozenou vlastností vysoce výkonných odplyňovačů Hielscher.