Hielscher Ultraschalltechnik

Hocheffizientes Entgasen von Flüssigkeiten mittels Ultraschall

Das Entlüften, Entgasen bzw. Ausgasen von Flüssigkeiten ist oftmals ein äußerst zeitaufwendiger, aber wichtiger Prozessschritt. Ultraschall beschleunigt die Koaleszenz der Gasblasen und ihr Aufsteigen erheblich. Die Ultraschall-Entgasung kann sowohl im Batch- als auch im Inline-Aufbau eingesetzt werden und lässt sich auch mit konventionellen Entgasungstechniken wie dem Durchperlen mit Inertgasen, Impeller-Entgasern, Erhitzung oder Vakuum kombiniert werden, um die Effizienz und Geschwindigkeit der Gasentfernung zu erhöhen.

Gase aus Flüssigkeiten entfernen

Die Begriffe Entlüftung, Entgasung und Ausgasung beziehen sich auf die Entfernung von freien und gelösten Gasen, insbesondere von reaktiven Gasen wie Sauerstoff oder CO2aus einer Flüssigkeit. Besonders die Eliminierung von Sauerstoff ist wichtig, um schädliche Veränderungen des Endprodukts zu verhindern und die Weiterverarbeitung zu verbessern. Die Entgasung ist ein notwendiger Verarbeitungsschritt für viele Anwendungen und Industrien. In der industriellen Fertigung ist die Entgasung ein üblicher Prozessschritt, um Produktstabilität, Qualität und kontinuierliche Produktstandards zu gewährleisten. Der Sauerstoffgehalt ist ein Faktor, der die Produktqualität und -stabilität auf verschiedenen Ebenen beeinflusst.
Daher ist die Entlüftung ein etablierter Prozessschritt in der Lebensmittel- & Getränke-Herstellung sowie der chemischen, pharmazeutischen und kosmetischen Industrie. Aber auch in Laboratorien müssen Proben vor der Analyse oft entgast werden (z.B. vor HPLC, Assays, Partikelmessungen etc.).
Häufig machen Mischprozesse mit z.B. hochscherenden Schaufel- oder Drehflügelmischern eine nachträgliche Entgasung des Produktes erforderlich, da bei diesen Mischtechniken oftmals hohe Gasmengen in das Produkt eingebracht werden. Solche Gas- und Lufteinschlüsse haben in der Regel negative Auswirkungen auf das Produkt, da sie Fette und Öle ranzig machen, Produkte durch Oxidation verschlechtern, Verfärbungen und unerwünschte Geruchs- und Geschmacksveränderungen hervorrufen können. Da entgaste Produkte chemisch stabiler sind und eine längere Haltbarkeit haben, ist die Entgasung ein wesentlicher Verfahrensschritt, der eine zuverlässige Entgasungstechnik erfordert.

UP400St - a 400W powerful ultrasonic degasser

UP400St – digitales Ultraschall-Entgasungssystem

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Ultrasonic degassing is an efficient technique for rapid and effective removal of gases from liquids such as oils, water, solvents etc.

Ultraschall-Entgasung: Eingeschlossene Gasblasen werden mittels Ultraschall aus dem Öl entfernt. Auf der Bildsequenz erfolgt die Ultraschall-Entlüftung mit dem Ultraschallgerät UP400St

Ultraschall-Entgasung und -Entlüftung

Die Ultraschall-Entgasung und -Entlüftung ist eine hochwirksame Alternative zu den traditionellen Entgasungsmethoden von Flüssigkeiten, zu denen vor allem das Erhitzen, das Reduzieren des Drucks auf Vakuum oder das Durchperlen mit Inertgasen gehören. Diese traditionellen Entgasungsmethoden sind oft durch Nachteile wie thermische Zersetzung (durch lange Erhitzung), zeit- und energieaufwändige Verarbeitung und/oder unzureichende Gasentfernung gekennzeichnet. Die Ultraschallentgasung basiert auf dem Wirkprinzip der akustischen Kavitation. Wenn Hochleistungs-Ultraschallwellen in eine Flüssigkeit eingekoppelt werden, wird die Flüssigkeit während Hochdruck- bzw. Niederdruckzyklen entsprechend komprimiert bzw. gedehnt. Bei Niederdruckzyklen entstehen winzige Vakuumblasen (sogenannte Kavitationsblasen), welche über mehrere Druckzyklen heranwachsen. Während dieser Zyklen des Blasenwachstums treten die in der Flüssigkeit gelösten Gase in die Vakuumblase ein, so dass sich die Vakuumblase in eine wachsende Gasblase verwandelt. Darüber hinaus bewirken Mikroturbulenzen und Flüssigkeitsstrahlen intensive Umwälzung und Massentransfer. Diese durch Ultraschall erzeugten Bedingungen bewirken die Gasblasenkoaleszenz, d.h. die Vereinigung von kleinen gelösten Gasblasen zu größeren Gasblasen, welche schnell an die Oberfläche der Flüssigkeit aufsteigen, wo sie die Flüssigkeit verlassen.
Die durch Ultraschallschwingungen und Kavitation verursachten Temperaturveränderungen sind auf sehr kleine lokale Räume beschränkt und der Temperaturanstieg im Gesamtvolumen kann vernachlässigt werden, da er die Produktqualität nicht beeinträchtigt.
Je nach Volumen, Viskosität und Gaseinschlüssen in der Flüssigkeit bzw. Slurry kann die Ultraschallentlüftung als Batch- oder Inline-Prozess betrieben werden. Eine Hochleistungs-Ultraschallsonotrode erzeugt akustische Kavitation in der Flüssigkeit, so dass diese effizient entgast wird.
Die Ultraschall-Entgasung kann auch in Kombination mit bereits bestehender Entgasungsmethoden wie z.B. Erhitzung, Vakuum oder Durchperlen eingesetzt werden, um diese zu verbessern.
Die Ultraschallentgasung und -entschäumung wird im industriellen Maßstab eingesetzt, um gelöste Gase aus Wasser, Ölen, Lebensmitteln und Getränken, chemischen Lösungen, Hydraulikflüssigkeiten, Kühlmitteln, Bohrflüssigkeiten, Rohöl, Emulsionen, Farben, Tinten, Klebstoffen, Lacken, Beschichtungen, Epoxiden, Shampoos, Reinigungsmitteln und vielen anderen Produkten zu entfernen.

Ultrasonic degassing removes dissolved gases rapidly from liquids.

Ultraschallentgasung unter Verwendung einer Ultraschall-Durchflusszelle. Bei diesem Experiment handelte es sich um einen Prototyp einer Wasserschleife in kleinem Maßstab mit einem Volumen von 0,8 Gallonen, einem Inertgasstrom von 0,2 sfcm/min und einer Intensität von 275 W/cm2. Damit konnte ein eine Reduzierung der Sauerstoffentfernungszeit um etwa 70% erzielt werden.
Studie und Bild: Rubio et al. 2016

Ultraschall-Entgasung und -Entlüftung ist geeignet für:

  • Batch und Inline
  • Niedrige und hohe Viskositäten
  • Kleine und große Volumina
  • Kalte und heiße Temperaturen
  • Vielseitige Installationen
  • 24/7 Betrieb unter Volllast
Ultrasonic degassing setup in continuous flow

Ultraschall-Entgasung in einem Inline-Aufbau mit dem Ultraschallprozessor UIP1000hdT mit Durchflusszelle.

The flow chart shows the setup of an ultrasonic inline de-aeration system

Ultraschall-Entgasungsaufbau für die kontinuierliche Inline-Gasentfernung

Ultraschall-intensiviertes Durchperlen (Sparging)

Das Durchperlen von Flüssigkeiten mit Inertgas (auch Inertgasspülung oder engl. Sparging genannt) ist eine gängige Behandlung, um unerwünschte Gase wie Sauerstoff und Kohlendioxid aus der Flüssigkeit zu entfernen. Für Sparging-Anwendungen werden üblicherweise Stickstoff, Argon, Helium und andere Inertgase verwendet. Das Durchperlen einer Lösung mit einem hochreinen (typischerweise inerten) Gas kann unerwünschte, typischerweise reaktive gelöste Gase wie Sauerstoff und Kohlendioxid herausziehen. Der Durchperlprozess beruht auf Massentransfer und ist meist ein recht langsames Verfahren. Um das Durchperlen mit Inertgasen zu intensivieren, wird die Flüssiggaslösung oft stark gerührt und lange Zeit mit Inertgas durchströmt. Ultraschall ist eine entgasungsintensivierende Technik, die den Stoffaustausch und damit das Durchperlen deutlich verbessert. Wenn Hochleistungs-Ultraschallwellen in Flüssigkeiten oder Schlämme eingekoppelt werden, entstehen Kavitationsblasen. Diese Kavitationsblasen zerteilen größere Spülgasblasen in kleine Bläschen und dispergieren die Blasen gleichmäßig, was zu schnelleren und saubereren Entgasungseffekten führt. Die durch Ultraschall erzeugte intensive Bewegung und Turbulenzen fördern den Gas-Flüssigkeits-Massentransfer und damit die schnelle Entfernung unerwünschter Gase.
Um das Durchperlungsverfahren zu beschleunigen und effizienter zu gestalten, wird Hochleistungsultraschall eingesetzt, um die Stofftransportleistung zwischen Gas und Flüssigkeit sonomechanisch zu verbessern. Zu den sonomechanischen Effekten, die durch akustische Kavitation erzeugt werden, gehören lokale Druck- und Temperaturunterschiede, Mikroturbulenzen und Agitation. Diese Kräfte verbessern die Entgasungsleistung, indem sie zu einer Erhöhung des diffusiven Massentransfers aufgrund von Blasenzerteilung, Dispersion und der anschließenden Vergrößerung der Grenzfläche beitragen, was schließlich zu einer schnellen Entfernung eingeschlossener Gase aus der Flüssigkeit führt.
Um die gewünschten Ausgasungseffekte zu erzielen, ist Hochleistungsultraschall erforderlich. Wenn eine Flüssigkeit mit einem Inertgas in einer Zweiphasenströmung verschont wird, ist eine rektifizierte Diffusion erwünscht, um den Massentransfer und die Entfernungsrate der gelösten Gase zu erhöhen. Die Anwendung der gleichgerichteten Diffusion kann schwierig sein, da eingeschlossene und gelöste Gasblasen dazu neigen, bei niedrigeren Intensitäten das Ultraschall-Kavitationsfeld zu vermeiden. Bei höheren Intensitäten (höher als 300 W/cm2 bei ca. 20 kHz) vermeiden Gasblasen die Kavitationszone nicht mehr und werden durch sonomechanische Kräfte aufgebrochen. (vgl. Jagannathan et al. 2011)

Das Entgasen von Flüssigkeiten ist eine leistungsstarke Anwendung von Hielscher-Ultraschallgeräten. Das Video zeigt den Hielscher UP200S bei der Entgasung von Wasser.

Entgasung von Wasser mit dem Ultraschallprozessor UP200S mit Sonotrode S40

Ultraschall-Entgasung von geschmolzenen Aluminiumlegierungen

Die Erzeugung von Kavitation in flüssigen Metallen ist eine sehr anspruchsvolle Anwendung, und es gibt nur sehr wenige Technologien, welche ausreichende und zuverlässige Kavitation in Metallschmelzen erzeugen können. Kavitationsrate und Intensität sind jedoch entscheidende Faktoren, welche die Entgasungsresultate beeinflussen. Eine effektive Entgasung erfordert eine zuverlässige Kavitation, um eine maximale strukturelle Verfeinerung der Metallschmelze zu erreichen. Intensive Kavitation durch hochperformanten Ultraschall kann die Entgasung um 30 bis 60% verbessern.
Ultrasonic probe for the degassing of liquid aluminium alloy.Ultraschallentgaser mit Sonotrode gelten als eine der zuverlässigsten Ausgasungsmethoden, deren wissenschaftliche Durchführbarkeit im kleinen und großen Maßstab nachgewiesen ist. Die Erzeugung von Ultraschallschwingungen und akustischer Kavitation hängt von verschiedenen Faktoren ab, einschließlich der Ultraschallprozessparameter, der Metallzusammensetzung, der Oberflächenspannung, der Schmelztemperatur, der Viskosität sowie des Volumens und des Lösungsgrades von Gaseinschlüssen in der Metallschmelze. Ultraschall-Prozessparameter können genau auf die Zusammensetzung der Metallschmelze und die Einflussfaktoren abgestimmt werden, so dass die richtige Intensität vin Ultraschallschwingung und -kavitation erreicht wird. Die exakte Einstellung der Ultraschallparameter sind die Grundlage für die Vorteile der Ultraschall-Entgasung von Metallschmelzen. Zu den Hauptvorteilen der Ultraschall-Entgasung gehören hohe Entgasungsraten und die geringere Umweltbelastung durch das Verfahren. Da bei der Ultraschallentgasung nur sehr wenig Krätze anfällt, ist die Ultraschall-Metallschmelzentgasung eine umweltfreundliche Technik.
Entgasen von Aluminiumschmelzen: Die Ultraschallentgasung ist eine bewährte Methode zur Erhöhung der Dichte von Aluminiumlegierungen und zur Verringerung des Wasserstoffgehalts in Aluminiumlegierungen. Im Vergleich zu alternativen Entgasungsverfahren, wie z.B. der Ausgasung mittels eines Rotationschaufelmischers, zeichnet sich die Ultraschallentgasung durch Schnelligkeit und Effizienz aus. Studien haben gezeigt, dass ein Ultraschall-Sonotrodenentgasungssystem etwa 3-mal schneller ist als die Gasentfernung mit einem Schaufelmischer.
Da bei der Ultraschallentgasung nicht mit herkömmlichem Metallrühren gearbeitet wird, wird das schützende Aluminiumoxid an der Oberfläche der Schmelze nicht zerstört. Durch die Beibehaltung der Aluminiumoxidschicht wird der Eintrag von Aluminiumoxid in die Aluminiumschmelze verhindert, so dass die Schutzwirkung gegen atmosphärische Verunreinigungen erhalten bleibt. Die Ultraschallentgasung verbessert die Kornfeinung und Struktur von Aluminiumlegierungen. Dies, zusätzlich zur ultraschallgestützten Entfernung von nichtmetallischen Gaseinschlüssen aus dem flüssigen Aluminium, macht die Ultraschall-Behandlung von Metallschmelzen zu einer überlegenen Technik für die Herstellung hochwertiger Metallgussteile.
Die Entgasung von Metallschmelzen, wie z.B. Aluminiumlegierungen, erfordert Hochleistungs-Ultraschallgeräte mit hoher Leistung. Die Ultraschallsonde muss für den Einsatz bei hohen Temperaturen und hohen Viskositäten spezifiziert werden. Das Ultraschallgerät muss in der Lage sein, konstante Amplituden über lange Zeiträume zu liefern und aufrechtzuerhalten. Hielscher Ultrasonics ist spezialisiert auf die Entwicklung, Herstellung und den Vertrieb von Hochleistungs-Ultraschallgeräten für anspruchsvolle Anwendungen wie z.B. die Entgasung von Metallschmelzen. Mit Hochleistungs-Ultraschallgeräten in jeder Größenordnung und Ultraschallsonotroden, die speziell für die Behandlung von Flüssigmetallen entwickelt wurden, ist Hielscher Ultrasonics Ihr Partner für die zuverlässige und effiziente Bearbeitung von Metallschmelzen.

Ultrasonic degassing of drilling mud performed with the probe-type ultrasonicator UIP1000hd

Bohrschlamm auf Wasserbasis vor und nach der Ultraschall-Entgasung mit dem UIP1000hd
Studie und Bild: Amani et al. 2016

Hochleistungs-Ultraschallsysteme für das Entgasen und Entlüften

Hielscher Ultrasonics ist ein langjährig erfahrener Hersteller von Hochleistungs-Ultraschallgeräten, die weltweit sowohl in Laboratorien als auch der industriellen Produktion eingesetzt werden. Die Entgasung von Flüssigkeiten und Schlämmen ist eine anspruchsvolle Anwendung, die Hochleistungs-Ultraschallsonotroden erfordert, die konstante Amplituden in Flüssigkeiten einkoppeln können, um eingeschlossene Gasblasen und Lufteinschlüsse zu entfernen. Alle Hielscher-Ultraschallgeräte sind so konstruiert und gefertigt, dass sie rund um die Uhr unter Volllast betrieben werden können. Hielscher Ultraschallprozessoren sind von kompakten 50-Watt-Labor-Ultraschallgeräten bis hin zu 16.000-Watt-Inline-Ultraschallsystemen erhältlich. Eine Vielzahl von Boosterhörnern, Sonotroden und Durchflusszellen ermöglichen den individuellen Aufbau eines Ultraschall-Entgasungssystems in Abhängigkeit von Flüssigkeit, Viskosität und Gaseinschlüssen.
Für die Entlüftung und Ausgasung von Flüssigmetallen ist die genaue Einstellung und Beibehaltung der Amplitude erforderlich. Hielscher Ultrasonics stellt Hochleistungs-Ultraschallsonotroden her, die für prozess-optimierte Amplituden und Temperaturen spezifiziert sind. Wenn Ihre Entgasungsanwendung ungewöhnliche Spezifikationen erfordert, sind kundenspezifische Ultraschall-Sonotroden erhältlich. Die Robustheit der Ultraschallgeräte von Hielscher Ultrasonics ermöglicht einen 24/7-Betrieb bei hoher Beanspruchung und in anspruchsvollen Umgebungen.

Batch und Inline

Hielscher-Ultraschallsonotroden für die Entgasung können sowohl für die Batch- als auch für die kontinuierliche Inline-Entgasung eingesetzt werden. Je nach Volumen, Viskosität und Art der eingeschlossenen Gase empfehlen wir Ihnen den am besten geeigneten Ultraschall-Entgasungsaufbau.

Ultraschallsonotroden zur Entgasung jeglicher Volumina

Die Produktpalette von Hielscher Ultrasonics deckt das gesamte Spektrum der Ultraschallprozessoren ab, von kompakten Labor-Ultraschallgeräten über Technikums- und Pilotsysteme bis hin zu vollindustriellen Ultraschallprozessoren mit der Kapazität zur Bearbeitung von LKW-Ladungen pro Stunde. Die vollständige Produktpalette ermöglicht es uns, Ihnen das für Ihre Flüssigkeit, Prozesskapazität und Produktionsziele am besten geeignete Ultraschall-Entgasungssystem anzubieten.

Präzise kontrollierbare Amplituden für optimale Ergebnisse

Hielscher's industrial processors of the hdT series can be comfortable and user-friendly operated via browser remote control.Alle Hielscher Ultraschall-Entgasungssysteme sind präzise steuerbare und damit zuverlässige Arbeitsgeräte. Die Amplitude ist einer der entscheidenden Prozessparameter, welcher die Effizienz und Effektivität der sonomechanisch induzierten Entgasung beeinflusst. Alle Hielscher Ultrasonics ‘ Prozessoren ermöglichen die präzise Einstellung der Amplitude. Sonotroden und Booster-Hörner sind Zubehörteile, die es erlauben, die Amplitude in einem noch größeren Bereich zu verändern. Die industriellen Ultraschallprozessoren von Hielscher können sehr hohe Amplituden erzeugen und liefern die erforderliche Ultraschallintensität für anspruchsvolle Anwendungen. Amplituden von bis zu 200µm können problemlos im 24/7-Betrieb kontinuierlich betrieben werden.
Präzise Amplitudeneinstellungen und die permanente Überwachung der Ultraschall-Prozessparameter mittels intelligenter Software geben Ihnen die Möglichkeit, die Ultraschall-Prozessparameter für die effektivste Ultraschall-Entgasung einzustellen. Optimale Beschallung für hocheffiziente Ausgasung und Entlüftung Ihrer Flüssigkeit!
Die Robustheit der Ultraschallgeräte von Hielscher ermöglicht einen 24/7-Betrieb bei hoher Beanspruchung und in anspruchsvollen Umgebungen. Dies macht die Ultraschallgeräte von Hielscher zu einem zuverlässigen Arbeitsgerät, das die Anforderungen Ihres Entlüftungsprozesses erfüllt.

Höchste Qualität – entwickelt und hergestellt in Deutschland

Als familiengeführtes Unternehmen setzt Hielscher bei seinen Ultraschallprozessoren auf höchste Qualitätsstandards. Alle Ultraschallgeräte werden in unserem Hauptsitz in Teltow bei Berlin konstruiert, gefertigt und gründlich getestet. Die Robustheit der Ultraschallgeräte von Hielscher machen sie zu einem zuverlässigen Arbeitsgerät in Ihrer Produktion. Der 24/7-Betrieb unter Volllast und in anspruchsvollen Umgebungen ist ein natürliches Merkmal der Hochleistungs-Entgaser von Hielscher Ultrasonics.

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Hielscher Ultrasonics stellt leistungsstarke Ultraschall-Homogenisatoren für die Dispersion, Emulgierung und Zellenextraktion her.

Leistungsstarke Ultraschall-Homogenisatoren von Labor bis Pilot- und industrielle Maßstab.

Literatur / Literaturhinweise