Desaireación de líquidos por ultrasonidos de alta eficacia

Mientras que la desgasificación o desgasificación externa suele ser un paso del proceso que requiere mucho tiempo, la ultrasonicación puede acelerar considerablemente la coalescencia de las burbujas de gas y su ascenso. La desgasificación por ultrasonidos puede utilizarse en configuraciones por lotes y en línea, y también puede combinarse con técnicas de desgasificación convencionales, como el rociado con gases inertes, los desgasificadores de impulsor, el calentamiento o el vacío, para aumentar la eficacia y la velocidad de eliminación de gases.

Extracción de gas de líquidos

Los términos desaireación, desgasificación y desgasificación se refieren a la eliminación de gases libres y disueltos, especialmente gases reactivos como el oxígeno o el CO2, de un fluido. Eliminar el oxígeno es importante para evitar cambios perjudiciales en el producto final y mejorar el procesamiento posterior. La desgasificación es un paso de procesamiento necesario para muchas aplicaciones e industrias. En la fabricación industrial, la desgasificación es un paso común del proceso para garantizar la estabilidad del producto, la calidad y los estándares continuos del producto. El oxígeno es un factor que influye en la calidad y estabilidad del producto a varios niveles.
Por lo tanto, la desaireación es un proceso establecido en la industria alimentaria. & industria de bebidas, química, farmacéutica y cosmética. Pero también en los laboratorios, las muestras requieren a menudo desgasificación antes del análisis (por ejemplo, antes de HPLC, ensayos, mediciones de partículas, etc.).
A menudo, los procesos de mezclado que utilizan, por ejemplo, mezcladoras de cuchillas de alto cizallamiento o de impulsor rotativo suelen hacer necesaria la desgasificación posterior del producto, ya que estas técnicas de mezclado suelen introducir grandes cantidades de gases en el producto. Estas inclusiones de gas y aire suelen tener efectos negativos en el producto, ya que pueden enranciar las grasas y los aceites, deteriorar los productos por oxidación, decoloración y alteraciones no deseadas del olor y el sabor. Como los productos desgasificados son químicamente más estables y tienen una vida útil más larga, la desgasificación es un paso esencial del procesado que requiere una técnica fiable.
 

Desgasificación por ultrasonidos: Las burbujas de gas atrapadas se eliminan del aceite utilizando el ultrasonicador UP400St

Desgasificación y desaireación por ultrasonidos

La desgasificación y desaireación por ultrasonidos es una alternativa muy potente a los métodos tradicionales de desgasificación de líquidos que incluyen la ebullición, la reducción de la presión al vacío o el rociado con gases inertes. Estos métodos de desgasificación tradicionales suelen presentar desventajas como la degradación térmica (debida al calentamiento), el procesamiento que consume tiempo y energía y/o la eliminación insuficiente de gases. La desgasificación por ultrasonidos se basa en el principio de funcionamiento de la cavitación acústica. Al acoplar ondas ultrasónicas de alta potencia en un líquido, éste se comprime y expande durante ciclos de alta y baja presión, respectivamente. Durante los ciclos de baja presión, se crean diminutas burbujas de vacío (las llamadas burbujas de cavitación), que crecen a lo largo de varios ciclos de presión. Durante esos ciclos de crecimiento de la burbuja, los gases disueltos en el líquido entran en la burbuja de vacío, de modo que ésta se transforma en burbujas de gas en crecimiento. Además, las microturbulencias y los chorros de líquido provocan una intensa agitación y transferencia de masa. Estas condiciones generadas por ultrasonidos provocan la coalescencia de las burbujas de gas, que es la unificación de las pequeñas burbujas de gas disuelto en burbujas de gas más grandes, que suben rápidamente a la superficie del líquido, donde abandonan el líquido.
Los cambios de temperatura provocados por la vibración ultrasónica y la cavitación se limitan a espacios locales muy pequeños y el aumento de temperatura en el volumen total puede despreciarse, ya que no interfiere en la calidad del producto.
 

Disminución del oxígeno disuelto con el tiempo para una frecuencia ultrasónica de 24 kHz utilizando el sonicador UP400ST a amplitudes del 100 %, 80 %, 60 %, 40 % y 20 %.
Estudio: ©Rognerud et al., 2020.

 
Dependiendo del volumen, la viscosidad y las inclusiones gaseosas del líquido o lodo, la desaireación por ultrasonidos puede realizarse como proceso discontinuo o en línea. Una sonda ultrasónica de alta potencia emite cavitación acústica en el líquido, de modo que este se desgasifica eficazmente.
La desgasificación por ultrasonidos también puede aplicarse para mejorar los sistemas de desgasificación ya existentes, como el calentamiento, el vacío o la aspersión.
La desgasificación y antiespumación por ultrasonidos se utiliza a escala industrial para eliminar gases disueltos en agua, aceites, alimentos y bebidas, soluciones químicas, fluidos hidráulicos, refrigerantes, fluidos de perforación, petróleo crudo, emulsiones, pinturas, tintas, adhesivos, barnices, revestimientos, epoxis, champús, detergentes y muchos otros productos.
 

Desgasificación ultrasónica utilizando una configuración de célula de flujo. Este experimento fue un prototipo de bucle de agua a pequeña escala con un volumen de 0,8 galones, un flujo de gas inerte de 0,2 sfcm/min y una intensidad de 275 W/cm2. Esto muestra una reducción en el tiempo de eliminación de oxígeno de alrededor del 70%.
Estudio e imagen: Rubio et al. 2016

Desgasificación por ultrasonidos en una instalación en línea utilizando el ultrasonicador UIP1000hdT con célula de flujo.

Aspersión mejorada por ultrasonidos

El rociado de líquidos con gas inerte (también conocido como purga con gas inerte) es un tratamiento habitual para eliminar del líquido gases no deseados como el oxígeno y el dióxido de carbono. Para aplicaciones de rociado, se suelen utilizar nitrógeno, argón, helio y otros gases inertes. Burbujear una solución con un gas de gran pureza (normalmente inerte) puede extraer gases disueltos no deseados, normalmente reactivos, como el oxígeno y el dióxido de carbono. El proceso de rociado se basa en la transferencia de masa y es, en sí mismo, un procedimiento bastante lento. Para intensificar el rociado con gases inertes, la solución de gas líquido suele agitarse enérgicamente y burbujear durante mucho tiempo. La ultrasonicación es una técnica de desgasificación-intensificación que mejora significativamente la transferencia de masa y, por tanto, la aspersión. Cuando se introducen ondas ultrasónicas de alta potencia en líquidos o lodos, se generan burbujas de cavitación. Estas burbujas de cavitación rompen las burbujas de gas de purga más grandes en burbujas pequeñas y dispersan las burbujas uniformemente, lo que produce efectos de desgasificación más rápidos y limpios. La intensa agitación y las turbulencias creadas por la ultrasonicación favorecen la transferencia de masa gas-líquido y, por tanto, la rápida eliminación de gases no deseados.
Para acelerar y hacer más eficaz el procedimiento de rociado, se utilizan ultrasonidos de alto rendimiento para mejorar sonomecánicamente el rendimiento de la transferencia de masa entre el gas y el líquido. Los efectos sonomecánicos generados por la cavitación acústica incluyen diferenciales locales de presión y temperatura, microturbulencias y agitación. Estas fuerzas mejoran el rendimiento de la desgasificación al contribuir a un aumento de la transferencia de masa difusiva debido a la rotura de burbujas, la dispersión y el consiguiente aumento del área interfacial, lo que finalmente se traduce en una rápida eliminación de los gases atrapados en el líquido.
Para conseguir los efectos de desgasificación deseados, es necesario recurrir a ultrasonidos de alta potencia. Cuando se esparce un líquido con un gas inerte en un flujo bifásico, se desea aplicar la difusión rectificada para aumentar la transferencia de masa y la tasa de eliminación de los gases disueltos. La aplicación de la difusión rectificada puede ser difícil porque las burbujas de gas atrapadas y disueltas tienden a evitar entrar en el campo de cavitación ultrasónica a intensidades bajas. Sin embargo, a intensidades elevadas (superiores a 300 W/cm² a aprox. 20 kHz) las burbujas de gas ya no evitan la zona de cavitación y se rompen por las fuerzas sonomecánicas. (cf. Jagannathan et al. 2011)

Sistemas de desgasificación por ultrasonidos de alta potencia

Hielscher Ultrasonics es un fabricante de larga experiencia de equipos ultrasónicos de alto rendimiento que se utilizan en todo el mundo en laboratorios y en la producción industrial. La desgasificación de líquidos y lodos es una aplicación exigente que requiere sondas ultrasónicas de alta potencia que puedan acoplar amplitudes establecidas en líquidos para eliminar burbujas de gas y bolsas de aire atrapadas. Todos los dispositivos ultrasónicos de Hielscher están diseñados y fabricados para funcionar durante 24 horas al día, 7 días a la semana, a plena carga. Los procesadores ultrasónicos están disponibles desde compactos ultrasonicadores de laboratorio de 50 vatios hasta potentes sistemas ultrasónicos en línea de 16.000 vatios. Una amplia variedad de bocinas de refuerzo, sonotrodos y celdas de flujo permiten la configuración individual de un sistema de desgasificación por ultrasonidos en correspondencia con el líquido, la viscosidad y las inclusiones de gas.
Para la desaireación y desgasificación de metales líquidos se requieren amplitudes ajustadas y mantenidas con precisión. Hielscher Ultrasonics fabrica sondas ultrasónicas de alto rendimiento especificadas para amplitudes y temperaturas muy optimizadas para el proceso. Si su aplicación de desgasificación requiere especificaciones inusuales, disponemos de sonotrodos ultrasónicos personalizados. La robustez de los equipos de ultrasonidos de Hielscher permite un funcionamiento ininterrumpido en entornos exigentes.

Por lotes y en línea

Las sondas ultrasónicas para desgasificación de Hielscher pueden utilizarse para la desgasificación y desgasificación en línea por lotes y en continuo. En función del volumen, la viscosidad y los gases atrapados, le recomendaremos la configuración de desgasificación ultrasónica más adecuada.

Sondas ultrasónicas para desgasificar cualquier volumen

La gama de productos de Hielscher Ultrasonics cubre todo el espectro de procesadores por ultrasonidos, desde los compactos ultrasonicadores de laboratorio, pasando por los sistemas de sobremesa y piloto, hasta los procesadores por ultrasonidos totalmente industriales con capacidad para procesar camiones cargados por hora. La gama completa de productos nos permite ofrecerle el equipo de desgasificación por ultrasonidos más adecuado para su líquido, capacidad de proceso y objetivos de producción.

Amplitudes controlables con precisión para resultados óptimos

Todos los sistemas de desgasificación por ultrasonidos de Hielscher se pueden controlar con precisión y, por tanto, son caballos de batalla fiables. La amplitud es uno de los parámetros cruciales del proceso que influyen en la eficiencia y eficacia de la desgasificación inducida sonomecánicamente. Todos los ultrasonidos de Hielscher’ permiten ajustar con precisión la amplitud. Los sonotrodos y las bocinas de refuerzo son accesorios que permiten modificar la amplitud en un rango aún más amplio. Los procesadores ultrasónicos industriales de Hielscher pueden proporcionar amplitudes muy elevadas y ofrecer la intensidad ultrasónica necesaria para aplicaciones exigentes. Amplitudes de hasta 200µm pueden funcionar fácilmente de forma continua en funcionamiento 24/7.
Los ajustes precisos de la amplitud y la supervisión permanente de los parámetros del proceso ultrasónico mediante un software inteligente le ofrecen la posibilidad de ajustar los parámetros del proceso ultrasónico para una desgasificación ultrasónica más eficaz. Sonicación óptima para una eliminación de gases altamente eficaz.
La robustez de los equipos de ultrasonidos de Hielscher permite un funcionamiento ininterrumpido en entornos exigentes. Esto convierte a los equipos de ultrasonidos de Hielscher en una herramienta de trabajo fiable que cumple los requisitos de su proceso de desaireación.

Máxima calidad – Diseñado y fabricado en Alemania

Como empresa de propiedad y gestión familiar, Hielscher prioriza los más altos estándares de calidad para sus procesadores por ultrasonidos. Todos los equipos de ultrasonidos se diseñan, fabrican y prueban exhaustivamente en nuestra sede de Teltow, cerca de Berlín (Alemania). La robustez y fiabilidad de los equipos de ultrasonidos de Hielscher los convierten en un caballo de batalla en su producción. El funcionamiento 24/7 a plena carga y en entornos exigentes es una característica natural de los desgasificadores de alto rendimiento de Hielscher.