Højeffektiv afluftning af væsker ved hjælp af ultralyd

Mens afgasning eller gasuddrivning ofte er et ekstremt tidskrævende procestrin, kan ultralydsbehandling fremskynde gasboblernes koalescens og opstigning betydeligt. Gasuddrivning med ultralyd kan anvendes i batch- og inline-opstillinger og kan også kombineres med konventionelle afgasningsteknikker såsom gennemblæsning med inerte gasser, afgasningsanordninger med omrørerhjul, opvarmning eller vakuum for at øge effektiviteten og hastigheden af gasfjernelsen.

Fjernelse af gas fra væsker

Begreberne afluftning, afgasning og gasuddrivning betegner fjernelse af frie og opløste gasser, især reaktive gasser såsom ilt eller CO2, fra en væske. Fjernelse af ilt er vigtig for at forhindre skadelige ændringer i slutproduktet og forbedre den efterfølgende forarbejdning. Afgasning er et nødvendigt forarbejdningstrin i mange anvendelser og industrier. I industriel fremstilling er afgasning et almindeligt procestrin til sikring af produktstabilitet, kvalitet og ensartede produktstandarder. Ilt er en faktor, der påvirker produktets kvalitet og stabilitet på forskellige niveauer.
Derfor er afluftning et etableret procestrin i fødevare- og drikkevareindustrien samt i den kemiske, farmaceutiske og kosmetiske industri. Også i laboratorier kræver prøver dog ofte afgasning før analyse (f.eks. før HPLC, assays, partikelmålinger osv.).
Blandingsprocesser med f.eks. bladblandere med høje forskydningskræfter eller blandere med roterende omrørerhjul gør ofte efterfølgende afgasning af produktet nødvendig, da disse blandingsteknikker almindeligvis tilfører produktet store mængder gas. Sådanne gas- og luftindeslutninger har normalt negative virkninger på produktet, da de kan gøre fedtstoffer og olier harske og forringe produkter gennem oxidation, misfarvning og uønskede ændringer af lugt og smag.  Da afgassede produkter er kemisk mere stabile og har længere holdbarhed, er afgasning et væsentligt forarbejdningstrin, der kræver en pålidelig teknik.
 

Afgasning med ultralyd: Indesluttede gasbobler fjernes fra olie ved hjælp af ultralydsapparatet UP400St

Afgasning og afluftning med ultralyd

Afgasning og afluftning med ultralyd er et meget effektivt alternativ til traditionelle metoder til afgasning af væsker, som omfatter kogning, trykreduktion til vakuum eller gennemblæsning med inerte gasser. Disse traditionelle afgasningsmetoder har ofte ulemper såsom termisk nedbrydning (på grund af opvarmning), tids- og energikrævende forarbejdning og/eller utilstrækkelig gasfjernelse. Afgasning med ultralyd er baseret på virkningsprincippet for akustisk kavitation. Når ultralydsbølger med høj effekt kobles ind i en væske, komprimeres og udvides væsken under henholdsvis højtryks- og lavtrykscyklusser. Under lavtrykscyklusser dannes meget små vakuumbobler (såkaldte kavitationsbobler), som vokser over flere trykcyklusser. Under disse cyklusser med boblevækst trænger de opløste gasser i væsken ind i vakuumboblen, så vakuumboblerne omdannes til voksende gasbobler. Desuden medfører mikroturbulens og væskestråler kraftig omrøring og masseoverførsel. Disse ultralydsgenererede forhold medfører koalescens af gasbobler, hvilket er sammenlægningen af små opløste gasbobler til større gasbobler, som hurtigt stiger op til væskens overflade, hvor de forlader væsken.
Temperaturændringerne forårsaget af ultralydsvibrationer og kavitation er begrænset til meget små lokale områder, og temperaturstigningen i det samlede volumen kan negligeres, da den ikke påvirker produktkvaliteten.
 

Fald i opløst ilt over tid ved en ultralydsfrekvens på 24 kHz med sonikatoren UP400ST ved amplituder på 100 %, 80 %, 60 %, 40% og 20 %.
Undersøgelse: ©Rognerud et al., 2020.

 
Afhængigt af væskens eller slurryens volumen, viskositet og gasindeslutninger kan afluftning med ultralyd udføres som en batch- eller inline-proces. En ultralydssonde med høj effekt udsender akustisk kavitation i væsken, så væsken afgasses effektivt.
Afgasning med ultralyd kan også implementeres for at forbedre eksisterende afgasningssystemer såsom opvarmning, vakuum eller gennemblæsning med gas.
Afgasning og skumfjernelse med ultralyd anvendes i industriel skala til at fjerne opløste gasser fra vand, olier, fødevarer og drikkevarer, kemiske opløsninger, hydraulikvæsker, kølevæsker, borevæsker, råolie, emulsioner, maling, trykfarver, klæbemidler, lakker, belægninger, epoxyharpikser, shampooer, rengøringsmidler og mange andre produkter.
 

Afgasning med ultralyd ved hjælp af en opstilling med en flowcelle. Dette forsøg anvendte en prototype af et vandkredsløb i lille skala med et volumen på 0,8 gallon, en inertgasstrøm på 0,2 sfcm/min og en intensitet på 275 W/cm2. Dette viser en reduktion i tiden til iltfjernelse på ca. 70%.
Undersøgelse og billede: Rubio et al. 2016

Afgasning med ultralyd i en inline-opstilling ved hjælp af ultralydsapparatet UIP1000hdT med flowcelle.

Ultralydsforstærket gennemblæsning med gas

Gennemblæsning af væsker med inert gas (også kendt som inertgasskylning) er en almindelig behandling til fjernelse af uønskede gasser såsom ilt og kuldioxid fra væsken. Til gennemblæsning anvendes almindeligvis nitrogen, argon, helium og andre inerte gasser. Når en gas med høj renhed (typisk en inert gas) bobles gennem en opløsning, kan den trække uønskede, typisk reaktive opløste gasser såsom ilt og kuldioxid ud. Gennemblæsningsprocessen bygger på masseoverførsel og er i sig selv en ret langsom procedure. For at intensivere gennemblæsningen med inerte gasser omrøres væske-gas-opløsningen ofte kraftigt og gennemstrømmes af bobler i lang tid. Ultralydsbehandling er en teknik, der intensiverer afgasning og forbedrer masseoverførslen og dermed gennemblæsningen betydeligt. Når ultralydsbølger med høj effekt kobles ind i væsker eller slurryer, dannes kavitationsbobler. Disse kavitationsbobler bryder større bobler af skyllegas op i små bobler og fordeler boblerne ensartet, hvilket giver hurtigere og renere afgasning. Den kraftige omrøring og turbulens, der skabes ved ultralydsbehandling, fremmer masseoverførslen mellem gas og væske og dermed den hurtige fjernelse af uønskede gasser.
For at fremskynde gennemblæsningsproceduren og gøre den mere effektiv anvendes højtydende ultralyd til at forbedre masseoverførslen mellem gas og væske sonomekanisk. De sonomekaniske virkninger, der genereres af akustisk kavitation, omfatter lokale tryk- og temperaturforskelle, mikroturbulens og omrøring. Disse kræfter forbedrer afgasningen ved at bidrage til øget diffusiv masseoverførsel som følge af opsplitning og dispergering af bobler samt den efterfølgende forøgelse af grænsefladearealet, hvilket i sidste ende resulterer i hurtig fjernelse af indesluttede gasser fra væsken.
For at opnå de ønskede gasuddrivningseffekter kræves ultralydsbehandling med høj effekt. Når en væske gennemblæses med en inert gas i en tofasestrøm, er ensrettet diffusion ønskelig for at øge masseoverførslen og fjernelseshastigheden for opløste gasser. Det kan være vanskeligt at udnytte ensrettet diffusion, fordi indesluttede og opløste gasbobler har tendens til at undgå at komme ind i ultralydens kavitationsfelt ved lavere intensiteter. Ved forhøjede intensiteter (højere end 300 W/cm² ved ca. 20 kHz) undgår gasbobler dog ikke længere kavitationszonen og brydes op af sonomekaniske kræfter. (jf. Jagannathan et al. 2011)

Ultralydssystemer med høj effekt til afgasning

Hielscher Ultrasonics er en producent med mange års erfaring inden for højtydende ultralydsudstyr, som anvendes verden over i laboratorier og industriel produktion. Afgasning af væsker og slurryer er en krævende anvendelse, der kræver ultralydssonder med høj effekt, som kan koble svingninger med fastlagte amplituder ind i væsker for at fjerne indesluttede gasbobler og luftlommer. Alle ultralydsapparater fra Hielscher er konstrueret og fremstillet til 24/7-drift under fuld belastning. Ultralydsprocessorer fås fra kompakte laboratorieultralydsapparater på 50 watt til kraftige inline-ultralydssystemer på 16.000 watt. Et bredt udvalg af amplitudeforstærkere, sonotroder og flowceller giver mulighed for individuel opbygning af et ultralydsafgasningssystem tilpasset væsken, viskositeten og gasindeslutningerne.
Til afluftning og gasuddrivning af flydende metaller kræves præcist indstillede og fastholdte amplituder. Hielscher Ultrasonics fremstiller højtydende ultralydssonder, der er specificeret til særligt procesoptimerede amplituder og temperaturer. Hvis din afgasningsanvendelse kræver usædvanlige specifikationer, kan der leveres specialtilpassede ultralydssonotroder. Robustheden af ultralydsudstyret fra Hielscher muliggør 24/7-drift ved høj belastning og i krævende miljøer.

Batch og inline

Ultralydssonder fra Hielscher til afgasning kan anvendes til afgasning og afluftning i batch og kontinuerligt inline. Afhængigt af volumen, viskositet og indesluttede gasser anbefaler vi den bedst egnede opstilling til gasuddrivning med ultralyd.

Ultralydssonder til afgasning af ethvert volumen

Hielscher Ultrasonics’ produktsortiment dækker hele spektret af ultralydsprocessorer fra kompakte laboratorieultralydsapparater over bord- og pilotsystemer til fuldt industrielle ultralydsprocessorer med kapacitet til at behandle hele lastbillæs i timen. Det komplette produktsortiment giver os mulighed for at tilbyde dig det bedst egnede ultralydsudstyr til afgasning til din væske, proceskapacitet og dine produktionsmål.

Præcist regulerbare amplituder for optimale resultater

Alle Hielschers ultralydsafgasningssystemer kan reguleres præcist og er dermed pålidelige arbejdsheste. Amplituden er en af de afgørende procesparametre, der påvirker effektiviteten og virkningen af sonomekanisk induceret afgasning. Alle Hielscher Ultrasonics’ processorer giver mulighed for præcis indstilling af amplituden. Sonotroder og amplitudeforstærkere er tilbehør, der gør det muligt at ændre amplituden inden for et endnu bredere interval. Hielschers industrielle ultralydsprocessorer kan levere meget høje amplituder og den nødvendige ultralydsintensitet til krævende anvendelser. Amplituder på op til 200µm kan uden problemer opretholdes kontinuerligt under 24/7-drift.
Præcise amplitudeindstillinger og permanent overvågning af ultralydsprocesparametrene via intelligent software giver dig mulighed for at justere ultralydsprocesparametrene for den mest effektive afgasning med ultralyd. Optimal sonikering til højeffektiv gasfjernelse!
Robustheden af Hielschers ultralydsudstyr muliggør 24/7-drift ved høj belastning og i krævende miljøer. Dette gør Hielschers ultralydsudstyr til et pålideligt arbejdsredskab, der opfylder kravene til din afluftningsproces.

Højeste kvalitet – konstrueret og fremstillet i Tyskland

Som en familieejet og familiedrevet virksomhed prioriterer Hielscher de højeste kvalitetsstandarder for sine ultralydsprocessorer. Alle ultralydsapparater konstrueres, fremstilles og testes grundigt på vores hovedsæde i Teltow nær Berlin i Tyskland. Robustheden og pålideligheden af Hielschers ultralydsudstyr gør det til en arbejdshest i din produktion. 24/7-drift under fuld belastning og i krævende miljøer er en naturlig egenskab ved Hielschers højtydende afgasningsapparater.