Απαέρωση και αποαφρισμός υγρών με υπερήχους

Η απαέρωση και ο αποαφρισμός υγρών με υπερήχους είναι μια πολύ αποτελεσματική διεργασία. Η κατεργασία με υπερήχους απομακρύνει τις μικρές αιωρούμενες φυσαλίδες αερίου από το υγρό και μειώνει την περιεκτικότητα σε διαλυμένο αέριο κάτω από το επίπεδο φυσικής ισορροπίας.

Η απαέρωση και ο αποαφρισμός υγρών απαιτούνται για πολλούς σκοπούς, όπως στις ακόλουθες διεργασίες:

• προετοιμασία δειγμάτων πριν από τη μέτρηση του μεγέθους των σωματιδίων για την αποφυγή σφαλμάτων μέτρησης
• απαέρωση ελαίων και λιπαντικών πριν από την άντληση για τη μείωση της φθοράς των αντλιών λόγω σπηλαίωσης
• απαέρωση υγρών τροφίμων, π.χ. χυμών, σαλτσών ή κρασιού, για τη μείωση της μικροβιακής ανάπτυξης και την αύξηση της διάρκειας ζωής
• απαέρωση πολυμερών και βερνικιών πριν από την εφαρμογή, τη σκλήρυνση ή την έγχυση υπό κενό

Κατά την κατεργασία υγρών με υπερήχους, τα ηχητικά κύματα που διαδίδονται από την επιφάνεια εκπομπής στα υγρά μέσα προκαλούν εναλλασσόμενους κύκλους υψηλής και χαμηλής πίεσης, με ρυθμούς που εξαρτώνται από τη συχνότητα. Κατά τον κύκλο χαμηλής πίεσης, τα υπερηχητικά κύματα μπορούν να δημιουργήσουν μικρές φυσαλίδες κενού ή κοιλότητες στο υγρό. Ο μεγάλος αριθμός μικρών φυσαλίδων δημιουργεί μεγάλη συνολική επιφάνεια φυσαλίδων. Οι φυσαλίδες κατανέμονται επίσης καλά μέσα στο υγρό. Το διαλυμένο αέριο μεταναστεύει σε αυτές τις φυσαλίδες κενού μέσω της μεγάλης επιφάνειάς τους και αυξάνει το μέγεθός τους.
Τα ακουστικά κύματα ευνοούν την επαφή και τη συνένωση γειτονικών φυσαλίδων, οδηγώντας σε επιταχυνόμενη αύξηση του μεγέθους τους. Τα κύματα της κατεργασίας με υπερήχους βοηθούν επίσης στην αποκόλληση των φυσαλίδων από τις επιφάνειες των δοχείων και αναγκάζουν τις μικρότερες φυσαλίδες που βρίσκονται κάτω από την επιφάνεια του υγρού να ανέλθουν μέσα από αυτό και να απελευθερώσουν το εγκλωβισμένο αέριο στο περιβάλλον.

Δοκιμάστε το στην πράξη

Η διεργασία απαέρωσης και αποαφρισμού των υγρών μπορεί εύκολα να γίνει ορατή. Σε ένα γυάλινο ποτήρι ζέσεως με νερό βρύσης που μόλις προστέθηκε, η κατεργασία με υπερήχους αναγκάζει τις μικρές αιωρούμενες φυσαλίδες να συνενωθούν και να ανέλθουν γρήγορα. Μπορείτε να δείτε αυτό το φαινόμενο στην παρακάτω εικόνα εξέλιξης της διεργασίας.

Απαέρωση νερού με υπερήχους (5 δευτερόλεπτα)

Το αναδευόμενο έλαιο περιέχει μεγάλο αριθμό αιωρούμενων φυσαλίδων ή αφρό. Αυτό αποτελεί πρόβλημα ιδιαίτερα στα ψυκτικά υγρά. Σε αυτά, οι φυσαλίδες αερίου ευνοούν τη φθορά που προκαλείται από τη σπηλαίωση στις αντλίες ή στα ακροφύσια. Η παρακάτω εικόνα εξέλιξης της διεργασίας δείχνει το αποτέλεσμα του αποαφρισμού με υπερήχους.

Απαέρωση με υπερήχους: Οι εγκλωβισμένες φυσαλίδες αερίου απομακρύνονται από το έλαιο με χρήση της συσκευής υπερήχων UP400St

Η κατεργασία με υπερήχους δημιουργεί μικρές φυσαλίδες κενού σε διαυγές νερό που έχει παραμείνει στάσιμο. Αυτές οι φυσαλίδες γεμίζουν με διαλυμένο αέριο, το οποίο μεταναστεύει στο εσωτερικό τους. Ως αποτέλεσμα, οι φυσαλίδες μεγαλώνουν και ανέρχονται. Το αποτέλεσμα της απαέρωσης είναι ευδιάκριτο σε κάθε ημιδιαφανές υγρό.
Καθώς οι υπέρηχοι διευκολύνουν την άνοδο των μικρών αιωρούμενων φυσαλίδων στην επιφάνεια του υγρού, μειώνουν επίσης τον χρόνο επαφής μεταξύ της φυσαλίδας και του υγρού. Για τον λόγο αυτό, περιορίζουν επίσης την επαναδιάλυση του αερίου από τη φυσαλίδα στο υγρό. Αυτό παρουσιάζει ιδιαίτερο ενδιαφέρον για υγρά υψηλότερου ιξώδους, όπως έλαια ή ρητίνες. Εφόσον οι φυσαλίδες πρέπει να φτάσουν στην επιφάνεια του υγρού, η απαέρωση με υπερήχους λειτουργεί καλύτερα όταν το δοχείο είναι ρηχό, ώστε ο χρόνος μέχρι την επιφάνεια να είναι μικρότερος.

Πέρα από τα ορατά αποτελέσματα

Η μέτρηση των αποτελεσμάτων της απαέρωσης μέσω οπτικής επιθεώρησης έχει περιορισμένη ακρίβεια. Οι μετρήσεις της περιεκτικότητας σε αέριο αποτελούν ακριβέστερο τρόπο αξιολόγησης της απόδοσης της απαέρωσης με υπερήχους.

Τα ρευστά περιέχουν μια ορισμένη ποσότητα διαλυμένου αερίου. Η συγκέντρωση του αερίου εξαρτάται από παράγοντες όπως η θερμοκρασία, η πίεση του περιβάλλοντος ή η ανάδευση του υγρού. Υπό σταθερές συνθήκες, η συγκέντρωση του αερίου προσεγγίζει μια τιμή ισορροπίας. Η απαέρωση με υπερήχους μεταβάλλει τις συνθήκες, επειδή το υγρό εκτίθεται σε φυσαλίδες χαμηλής πίεσης και σε ανάδευση. Επομένως, η κατεργασία με υπερήχους μειώνει τη συγκέντρωση του αερίου στο υγρό κάτω από το επίπεδο ισορροπίας.
Όταν η κατεργασία με υπερήχους σταματήσει και αποκατασταθούν οι αρχικές συνθήκες, η συγκέντρωση του αερίου προσεγγίζει αργά ξανά το αρχικό επίπεδο ισορροπίας, εκτός εάν το υγρό δεν εκτίθεται σε κανένα αέριο, π.χ. μέσα σε κλειστή φιάλη. Επειδή η επαναδιάλυση του αερίου στο υγρό είναι αρκετά αργή, είναι δυνατή η εργασία με το υγρό χαμηλής περιεκτικότητας σε αέριο μετά την κατεργασία με υπερήχους. Το παρακάτω γράφημα απεικονίζει αυτό το φαινόμενο.

Απεικόνιση της απαέρωσης νερού με υπερήχους

Απαέρωση πριν από τη γαλακτωματοποίηση και τη διασπορά

Η απαέρωση με υπερήχους μπορεί να βελτιώσει την ποιότητα των διασπορών και των γαλακτωμάτων.

Το πρόβλημα

Συχνά, τα γαλακτώματα και οι διασπορές περιέχουν επιφανειοδραστικές ουσίες για την αύξηση της σταθερότητάς τους. Οι επιφανειοδραστικές ουσίες αναστέλλουν την επαφή και τη συνένωση ή τη συσσωμάτωση του διεσπαρμένου υλικού στην υγρή φάση. Για τον σκοπό αυτό, οι επιφανειοδραστικές ουσίες σχηματίζουν ένα στρώμα γύρω από κάθε σωματίδιο. Οι ίδιες επιφανειοδραστικές ουσίες μπορούν επίσης να περιβάλλουν φυσαλίδες αερίου που αιωρούνται στην υγρή φάση. Τέτοιες σταθεροποιημένες φυσαλίδες μπορούν να αποδειχθούν πολύ ανθεκτικές. Οι σταθεροποιημένες φυσαλίδες καταναλώνουν επιφανειοδραστική ουσία, μειώνουν την ποιότητα του γαλακτώματος ή της διασποράς και μπορούν να προκαλέσουν ακανόνιστες ενδείξεις κατά τη μέτρηση του μεγέθους των σωματιδίων.

Η λύση: Απαέρωση με υπερήχους

Για να περιοριστεί το πρόβλημα των σταθεροποιημένων φυσαλίδων αερίου, τα υγρά πρέπει να απαερώνονται με κατεργασία με υπερήχους. Πριν προσθέσετε τη διεσπαρμένη φάση, όπως έλαιο ή σκόνη, υποβάλετε το υγρό σε κατεργασία με υπερήχους μέχρι να μειωθεί ο αριθμός των παραγόμενων φυσαλίδων. Κατά την ανάμειξη με άλλα υλικά, αποφύγετε τη δημιουργία νέων φυσαλίδων ή δίνης κατά την ανάδευση. Η δημιουργία τους θα αύξανε γρήγορα την περιεκτικότητα σε αέριο.
 

Γεωτρητική ιλύς με βάση το νερό πριν και μετά την απαέρωση με υπερήχους με τη συσκευή υπερήχων UIP1000hd
Μελέτη και εικόνα από τους Amani et al. 2016

Εξαναγκασμένη απομάκρυνση του διοξειδίου του άνθρακα

Το φαινόμενο της απαέρωσης χρησιμοποιείται στον έλεγχο στεγανότητας κουτιών και φιαλών που περιέχουν ανθρακούχα ποτά, όπως κόλα, σόδα ή μπύρα. Κάντε κλικ εδώ για περισσότερες πληροφορίες σχετικά με τον έλεγχο στεγανότητας φιαλών.

Η απαέρωση με υπερήχους συνοπτικά

Η απαέρωση υγρών με υπερήχους λειτουργεί καλύτερα με την ακόλουθη διάταξη και τις ακόλουθες συνθήκες.

• Εφαρμόστε χαμηλά έως μέτρια πλάτη ταλάντωσης υπερήχων!
• Χρησιμοποιήστε ηχοτρόδια με μεγάλη επιφάνεια, π.χ. ηχοτρόδια ακτινικής εκπομπής!
• Διατηρήστε χαμηλή πίεση ή κενό πάνω από την επιφάνεια του υγρού κατά την κατεργασία με υπερήχους!
• Θερμάνετε το υγρό για να μειώσετε το ιξώδες του!
• Χρησιμοποιήστε ρηχό δοχείο για τον διαχωρισμό του αερίου κατά τη διάρκεια ή μετά την κατεργασία με υπερήχους!
• Αποφύγετε την τυρβώδη ανάδευση, ώστε να επιτρέπεται η άνοδος των φυσαλίδων αερίου!

Η απαέρωση με υπερήχους μπορεί να χρησιμοποιηθεί σε λειτουργία κατά παρτίδες ή εντός γραμμής. Στην περίπτωση λειτουργίας εντός γραμμής, πρέπει να εγκατασταθεί ένας κατακόρυφος σωλήνας για την απομάκρυνση του αερίου και να χρησιμοποιηθεί αντλία αερίου.

Βιβλιογραφία / Αναφορές

• Rognerud, Maren; Solemslie, Bjørn; Islam, Md Hujjatul; Pollet, Bruno (2020): How to Avoid Total Dissolved Gas Supersaturation in Water from Hydropower Plants by Employing Ultrasound. Journal of Physics: Conference Series 2020.
• Mahmood Amani, Salem Al-Juhani, Mohammed Al-Jubouri, Rommel Yrac, Abdullah Taha (2016): Application of Ultrasonic Waves for Degassing of Drilling Fluids and Crude Oils. Advances in Petroleum Exploration and Development Vol. 11, No. 2, 2016. 21-30.
• Haghayeghi R.; Kapranos P. (2014): The effect of processing parameters on ultrasonic degassing efficiency. Materials Letter Volume 116, 1 February 2014. 399-401.
• Servant G.; Caltagirone J.P.; Gérard A.; Laborde J.L.; Hita A. (2000): Numerical simulation of cavitation bubble dynamics induced by ultrasound waves in a high frequency reactor. Ultrasonics Sonochemistry Volume 7, Issue 4, October 2000. 217-227.