Αποαερίωση υγρών υψηλής απόδοσης με χρήση υπερήχων

Ενώ η απαέρωση ή η απομάκρυνση αερίων αποτελεί συχνά ένα εξαιρετικά χρονοβόρο στάδιο επεξεργασίας, η κατεργασία με υπερήχους μπορεί να επιταχύνει σημαντικά τη συνένωση των φυσαλίδων αερίου και την άνοδό τους. Η απομάκρυνση αερίων με υπερήχους μπορεί να εφαρμοστεί σε διατάξεις επεξεργασίας κατά παρτίδες και εντός γραμμής και μπορεί επίσης να συνδυαστεί με συμβατικές τεχνικές απαέρωσης, όπως η εμφύσηση αδρανών αερίων, οι απαερωτές με πτερωτή, η θέρμανση ή το κενό, ώστε να αυξηθούν η απόδοση και η ταχύτητα απομάκρυνσης των αερίων.

Απομάκρυνση αερίων από υγρά

Οι όροι αποαερίωση, απαέρωση και απομάκρυνση αερίων αναφέρονται στην απομάκρυνση ελεύθερων και διαλυμένων αερίων, ιδιαίτερα δραστικών αερίων όπως το οξυγόνο ή το CO2, από ένα ρευστό. Η εξάλειψη του οξυγόνου είναι σημαντική για την αποτροπή επιβλαβών μεταβολών στο τελικό προϊόν και τη βελτίωση των επόμενων σταδίων επεξεργασίας. Η απαέρωση είναι ένα απαραίτητο στάδιο επεξεργασίας για πολλές εφαρμογές και βιομηχανικούς κλάδους. Στη βιομηχανική παραγωγή, η απαέρωση αποτελεί συνηθισμένο στάδιο επεξεργασίας για τη διασφάλιση της σταθερότητας και της ποιότητας του προϊόντος, καθώς και της διαρκούς τήρησης των προτύπων του προϊόντος. Το οξυγόνο είναι ένας παράγοντας που επηρεάζει την ποιότητα και τη σταθερότητα του προϊόντος σε διάφορα επίπεδα.
Επομένως, η αποαερίωση αποτελεί καθιερωμένο στάδιο επεξεργασίας στη βιομηχανία τροφίμων και ποτών, στη χημική και τη φαρμακευτική βιομηχανία, καθώς και στη βιομηχανία καλλυντικών. Αλλά και στα εργαστήρια, τα δείγματα συχνά απαιτούν απαέρωση πριν από την ανάλυση (π.χ. πριν από HPLC, αναλυτικές δοκιμασίες, μετρήσεις σωματιδίων κ.λπ.).
Συχνά, οι διεργασίες ανάμειξης που χρησιμοποιούν, για παράδειγμα, αναμικτήρες με λεπίδες υψηλής διάτμησης ή με περιστροφική πτερωτή καθιστούν αναγκαία τη μετέπειτα απαέρωση του προϊόντος, καθώς αυτές οι τεχνικές ανάμειξης συνήθως εισάγουν μεγάλες ποσότητες αερίων στο προϊόν. Τέτοιοι εγκλωβισμοί αερίων και αέρα έχουν συνήθως αρνητικές επιπτώσεις στο προϊόν, καθώς μπορούν να προκαλέσουν τάγγιση των λιπών και των ελαίων, υποβάθμιση των προϊόντων λόγω οξείδωσης, αλλοίωση του χρώματος και ανεπιθύμητες μεταβολές της οσμής και της γεύσης.  Καθώς τα απαερωμένα προϊόντα είναι χημικά πιο σταθερά και έχουν μεγαλύτερη διάρκεια ζωής, η απαέρωση αποτελεί ουσιώδες στάδιο επεξεργασίας που απαιτεί αξιόπιστη τεχνική.
 

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

Απαέρωση και αποαερίωση με υπερήχους

Η απαέρωση και η αποαερίωση με υπερήχους αποτελούν μια ιδιαίτερα δραστική εναλλακτική λύση στις παραδοσιακές μεθόδους απαέρωσης υγρών, οι οποίες περιλαμβάνουν τον βρασμό, τη μείωση της πίεσης έως τη δημιουργία κενού ή την εμφύσηση αδρανών αερίων. Αυτές οι παραδοσιακές μέθοδοι απαέρωσης συχνά συνοδεύονται από μειονεκτήματα όπως η θερμική υποβάθμιση (λόγω θέρμανσης), η χρονοβόρα και ενεργοβόρα επεξεργασία και/ή η ανεπαρκής απομάκρυνση αερίων. Η απαέρωση με υπερήχους βασίζεται στην αρχή λειτουργίας της ακουστικής σπηλαίωσης. Όταν υπερηχητικά κύματα υψηλής ισχύος μεταδίδονται μέσω σύζευξης σε ένα υγρό, το υγρό συμπιέζεται και διαστέλλεται κατά τους κύκλους υψηλής και χαμηλής πίεσης, αντίστοιχα. Κατά τους κύκλους χαμηλής πίεσης δημιουργούνται μικροσκοπικές φυσαλίδες κενού (οι λεγόμενες φυσαλίδες σπηλαίωσης), οι οποίες αυξάνονται σε μέγεθος κατά τη διάρκεια αρκετών κύκλων πίεσης. Κατά τη διάρκεια αυτών των κύκλων αύξησης των φυσαλίδων, τα διαλυμένα αέρια του υγρού εισέρχονται στη φυσαλίδα κενού, με αποτέλεσμα οι φυσαλίδες κενού να μετατρέπονται σε φυσαλίδες αερίου που αυξάνονται σε μέγεθος. Επιπλέον, οι μικροστροβιλισμοί και οι πίδακες υγρού προκαλούν έντονη ανάδευση και μεταφορά μάζας. Αυτές οι συνθήκες που δημιουργούνται από τους υπερήχους προκαλούν συνένωση των φυσαλίδων αερίου, δηλαδή την ένωση μικρών φυσαλίδων διαλυμένου αερίου σε μεγαλύτερες φυσαλίδες αερίου, οι οποίες ανέρχονται γρήγορα στην επιφάνεια του υγρού, όπου εξέρχονται από αυτό.
Οι μεταβολές της θερμοκρασίας που προκαλούνται από την υπερηχητική δόνηση και τη σπηλαίωση περιορίζονται σε πολύ μικρές τοπικές περιοχές και η αύξηση της θερμοκρασίας στο σύνολο του όγκου μπορεί να θεωρηθεί αμελητέα, καθώς δεν επηρεάζει την ποιότητα του προϊόντος.
 

Μείωση του διαλυμένου οξυγόνου με την πάροδο του χρόνου για συχνότητα υπερήχων 24 kHz, με χρήση της συσκευής υπερήχων UP400ST σε πλάτη ταλάντωσης 100 %, 80 %, 60 %, 40% και 20 %.
Μελέτη: ©Rognerud et al., 2020.

 
Ανάλογα με τον όγκο, το ιξώδες και τα εγκλείσματα αερίου στο υγρό ή το αιώρημα, η απαέρωση με υπερήχους μπορεί να πραγματοποιηθεί ως διεργασία παρτίδας ή εντός γραμμής. Ένας καθετήρας υπερήχων υψηλής ισχύος εκπέμπει ακουστική σπηλαίωση στο υγρό, ώστε το υγρό να απαερώνεται αποτελεσματικά.
Η απαερίωση με υπερήχους μπορεί επίσης να εφαρμοστεί για τη βελτίωση υφιστάμενων συστημάτων απαερίωσης, όπως η θέρμανση, το κενό ή η εμφύσηση αερίου.
Η απαερίωση και η αποαφροποίηση με υπερήχους χρησιμοποιούνται σε βιομηχανική κλίμακα για την απομάκρυνση διαλυμένων αερίων από νερό, έλαια, τρόφιμα και ποτά, χημικά διαλύματα, υδραυλικά υγρά, ψυκτικά υγρά, υγρά γεώτρησης, αργό πετρέλαιο, γαλακτώματα, χρώματα, μελάνια, συγκολλητικές ουσίες, βερνίκια, επιστρώσεις, εποξειδικές ρητίνες, σαμπουάν, απορρυπαντικά και πολλά άλλα προϊόντα.
 

Απαερίωση με υπερήχους με χρήση διάταξης κυψελίδας ροής. Το πείραμα αυτό πραγματοποιήθηκε σε ένα πρωτότυπο κύκλωμα νερού μικρής κλίμακας με όγκο 0,8 gallon, παροχή αδρανούς αερίου 0,2 sfcm/min και ένταση 275 W/cm2. Αυτό δείχνει μείωση του χρόνου απομάκρυνσης του οξυγόνου κατά περίπου 70%.
Μελέτη και εικόνα: Rubio et al. 2016

Απαερίωση με υπερήχους σε διάταξη εντός γραμμής με χρήση της συσκευής υπερήχων UIP1000hdT με κυψελίδα ροής.

Εμφύσηση αερίου ενισχυμένη με υπερήχους

Η εμφύσηση αδρανούς αερίου σε υγρά (γνωστή και ως έκπλυση με αδρανές αέριο) είναι μια συνήθης κατεργασία για την απομάκρυνση ανεπιθύμητων αερίων, όπως το οξυγόνο και το διοξείδιο του άνθρακα, από το υγρό. Για εφαρμογές εμφύσησης χρησιμοποιούνται συνήθως άζωτο, αργό, ήλιο και άλλα αδρανή αέρια. Η διοχέτευση ενός αερίου υψηλής καθαρότητας (συνήθως αδρανούς) με τη μορφή φυσαλίδων μέσα σε ένα διάλυμα μπορεί να απομακρύνει ανεπιθύμητα διαλυμένα αέρια, συνήθως δραστικά, όπως το οξυγόνο και το διοξείδιο του άνθρακα. Η διεργασία εμφύσησης βασίζεται στη μεταφορά μάζας και από μόνη της είναι μια αρκετά αργή διαδικασία. Για να ενταθεί η εμφύσηση αδρανών αερίων, το διάλυμα υγρού–αερίου συχνά αναδεύεται έντονα και υποβάλλεται σε διοχέτευση φυσαλίδων για μεγάλο χρονικό διάστημα. Η κατεργασία με υπερήχους είναι μια τεχνική που εντείνει την απαερίωση, βελτιώνοντας σημαντικά τη μεταφορά μάζας και, ως εκ τούτου, την εμφύσηση αερίου. Όταν κύματα υπερήχων υψηλής ισχύος συζεύγνυνται με υγρά ή αιωρήματα, δημιουργούνται φυσαλίδες σπηλαίωσης. Αυτές οι φυσαλίδες σπηλαίωσης διασπούν τις μεγαλύτερες φυσαλίδες του αερίου έκπλυσης σε μικρές φυσαλίδες και τις διασπείρουν ομοιόμορφα, με αποτέλεσμα ταχύτερη και καθαρότερη απαερίωση. Η έντονη ανάδευση και οι στροβιλισμοί που δημιουργούνται από την κατεργασία με υπερήχους προάγουν τη μεταφορά μάζας μεταξύ αερίου και υγρού και, ως εκ τούτου, την ταχεία απομάκρυνση των ανεπιθύμητων αερίων.
Για να επιταχυνθεί η διαδικασία εμφύσησης και να γίνει πιο αποδοτική, χρησιμοποιούνται υπέρηχοι υψηλής απόδοσης για τη βελτίωση, μέσω ηχομηχανικής δράσης, της απόδοσης της μεταφοράς μάζας μεταξύ αερίου και υγρού. Τα ηχομηχανικά φαινόμενα που προκαλούνται από την ακουστική σπηλαίωση περιλαμβάνουν τοπικές διαφορές πίεσης και θερμοκρασίας, μικροστροβιλισμούς και ανάδευση. Αυτές οι δυνάμεις βελτιώνουν την απόδοση της απαερίωσης συμβάλλοντας στην αύξηση της μεταφοράς μάζας μέσω διάχυσης, λόγω της διάσπασης των φυσαλίδων, της διασποράς και της επακόλουθης αύξησης της διεπιφανειακής επιφάνειας, που τελικά οδηγούν σε ταχεία απομάκρυνση των εγκλωβισμένων αερίων από το υγρό.
Για την επίτευξη των επιθυμητών αποτελεσμάτων απομάκρυνσης αερίων, απαιτείται κατεργασία με υπερήχους υψηλής ισχύος. Όταν σε ένα υγρό εμφυσάται αδρανές αέριο σε διφασική ροή, η ανορθωμένη διάχυση είναι επιθυμητή για την αύξηση της μεταφοράς μάζας και του ρυθμού απομάκρυνσης των διαλυμένων αερίων. Η εφαρμογή της ανορθωμένης διάχυσης μπορεί να είναι δύσκολη, επειδή οι εγκλωβισμένες και διαλυμένες φυσαλίδες αερίου τείνουν να αποφεύγουν την είσοδο στο πεδίο σπηλαίωσης των υπερήχων σε χαμηλότερες εντάσεις. Ωστόσο, σε αυξημένες εντάσεις (υψηλότερες από 300 W/cm² στα περίπου 20 kHz), οι φυσαλίδες αερίου δεν αποφεύγουν πλέον τη ζώνη σπηλαίωσης και διασπώνται από ηχομηχανικές δυνάμεις. (πρβλ. Jagannathan et al. 2011)

Συστήματα απαέρωσης με υπερήχους υψηλής ισχύος

Η Hielscher Ultrasonics είναι κατασκευαστής με μακρόχρονη εμπειρία στον εξοπλισμό υπερήχων υψηλής απόδοσης, ο οποίος χρησιμοποιείται παγκοσμίως σε εργαστήρια και στη βιομηχανική παραγωγή. Η απαέρωση υγρών και αιωρημάτων είναι μια απαιτητική εφαρμογή που χρειάζεται κεφαλές υπερήχων υψηλής ισχύος, οι οποίες μπορούν να μεταδώσουν στα υγρά ταλαντώσεις καθορισμένου πλάτους για την απομάκρυνση παγιδευμένων φυσαλίδων αερίου και θυλάκων αέρα. Όλες οι συσκευές υπερήχων της Hielscher σχεδιάζονται και κατασκευάζονται για λειτουργία 24/7 υπό πλήρες φορτίο. Οι επεξεργαστές υπερήχων διατίθενται από συμπαγείς εργαστηριακές συσκευές υπερήχων ισχύος 50 watts έως ισχυρά συστήματα υπερήχων εντός γραμμής ισχύος 16.000watts. Μια μεγάλη ποικιλία από χοάνες ενίσχυσης πλάτους, ηχοτρόδια και κυψελίδες ροής επιτρέπει την εξατομικευμένη διαμόρφωση ενός συστήματος απαέρωσης με υπερήχους ανάλογα με το υγρό, το ιξώδες και τα εγκλείσματα αερίου.
Για την απομάκρυνση αέρα και αερίων από υγρά μέταλλα απαιτούνται πλάτη ταλάντωσης που ρυθμίζονται με ακρίβεια και διατηρούνται σταθερά. Η Hielscher Ultrasonics κατασκευάζει κεφαλές υπερήχων υψηλής απόδοσης με προδιαγραφές για πλάτη ταλάντωσης και θερμοκρασίες ιδιαίτερα βελτιστοποιημένα για τη διεργασία. Εάν η εφαρμογή απαέρωσής σας απαιτεί ασυνήθιστες προδιαγραφές, διατίθενται εξατομικευμένα ηχοτρόδια υπερήχων. Η ανθεκτικότητα του εξοπλισμού υπερήχων της Hielscher επιτρέπει τη λειτουργία 24/7 υπό συνθήκες βαριάς χρήσης και σε απαιτητικά περιβάλλοντα.

Κατά παρτίδες και εντός γραμμής

Οι κεφαλές υπερήχων της Hielscher για απαέρωση μπορούν να χρησιμοποιηθούν για απαέρωση και απομάκρυνση αέρα κατά παρτίδες και σε συνεχή λειτουργία εντός γραμμής. Ανάλογα με τον όγκο, το ιξώδες και τα παγιδευμένα αέρια, θα σας προτείνουμε την καταλληλότερη διάταξη απαέρωσης με υπερήχους.

Κεφαλές υπερήχων για απαέρωση οποιουδήποτε όγκου

Η γκάμα προϊόντων της Hielscher Ultrasonics καλύπτει όλο το φάσμα των επεξεργαστών υπερήχων, από συμπαγείς εργαστηριακές συσκευές υπερήχων, επιτραπέζια συστήματα και συστήματα πιλοτικής κλίμακας έως επεξεργαστές υπερήχων πλήρους βιομηχανικής κλίμακας με δυνατότητα επεξεργασίας φορτίων ολόκληρων φορτηγών ανά ώρα. Η πλήρης γκάμα προϊόντων μάς επιτρέπει να σας προσφέρουμε τον καταλληλότερο εξοπλισμό απαέρωσης με υπερήχους για το υγρό σας, τη δυναμικότητα της διεργασίας και τους στόχους παραγωγής σας.

Πλάτη ταλάντωσης με δυνατότητα ακριβούς ελέγχου για βέλτιστα αποτελέσματα

Όλα τα συστήματα απαέρωσης με υπερήχους της Hielscher μπορούν να ελέγχονται με ακρίβεια και, συνεπώς, αποτελούν αξιόπιστα εργαλεία εντατικής εργασίας. Το πλάτος ταλάντωσης είναι μία από τις κρίσιμες παραμέτρους της διεργασίας που επηρεάζουν την αποδοτικότητα και την αποτελεσματικότητα της απαέρωσης που προκαλείται από ηχομηχανικές δράσεις. Όλοι οι επεξεργαστές της Hielscher Ultrasonics επιτρέπουν την ακριβή ρύθμιση του πλάτους ταλάντωσης. Τα ηχοτρόδια και οι χοάνες ενίσχυσης πλάτους είναι εξαρτήματα που επιτρέπουν τη μεταβολή του πλάτους ταλάντωσης σε ακόμη ευρύτερο εύρος. Οι βιομηχανικοί επεξεργαστές υπερήχων της Hielscher μπορούν να παρέχουν πολύ υψηλά πλάτη ταλάντωσης και την απαιτούμενη ένταση υπερήχων για απαιτητικές εφαρμογές. Πλάτη ταλάντωσης έως και 200µm μπορούν εύκολα να διατηρούνται συνεχώς σε λειτουργία 24/7.
Οι ακριβείς ρυθμίσεις του πλάτους ταλάντωσης και η διαρκής παρακολούθηση των παραμέτρων της διεργασίας υπερήχων μέσω έξυπνου λογισμικού σάς δίνουν τη δυνατότητα να προσαρμόζετε τις παραμέτρους της διεργασίας υπερήχων για τη μέγιστη αποτελεσματικότητα της απαέρωσης με υπερήχους. Βέλτιστη κατεργασία με υπερήχους για ιδιαίτερα αποδοτική απομάκρυνση αερίων!
Η ανθεκτικότητα του εξοπλισμού υπερήχων της Hielscher επιτρέπει τη λειτουργία 24/7 υπό συνθήκες βαριάς χρήσης και σε απαιτητικά περιβάλλοντα. Αυτό καθιστά τον εξοπλισμό υπερήχων της Hielscher ένα αξιόπιστο εργαλείο εργασίας που καλύπτει τις απαιτήσεις της διεργασίας απομάκρυνσης αέρα που εφαρμόζετε.

Ύψιστη ποιότητα – Σχεδιασμός και κατασκευή στη Γερμανία

Ως οικογενειακή επιχείρηση υπό οικογενειακή διοίκηση, η Hielscher δίνει προτεραιότητα στα υψηλότερα πρότυπα ποιότητας για τους επεξεργαστές υπερήχων της. Όλες οι συσκευές υπερήχων σχεδιάζονται, κατασκευάζονται και ελέγχονται διεξοδικά στις κεντρικές εγκαταστάσεις μας στο Teltow, κοντά στο Βερολίνο της Γερμανίας. Η ανθεκτικότητα και η αξιοπιστία του εξοπλισμού υπερήχων της Hielscher τον καθιστούν εργαλείο εντατικής εργασίας στην παραγωγή σας. Η λειτουργία 24/7 υπό πλήρες φορτίο και σε απαιτητικά περιβάλλοντα αποτελεί εγγενές χαρακτηριστικό των συσκευών απαέρωσης υψηλής απόδοσης της Hielscher.