Desaireación de líquidos de alta eficiencia mediante ultrasonidos

Aunque la desgasificación o la liberación de gases suele ser una etapa del proceso que requiere mucho tiempo, la sonicación puede acelerar considerablemente la coalescencia de las burbujas de gas y su ascenso. La desgasificación ultrasónica puede utilizarse en instalaciones por lotes y en línea, y también puede combinarse con técnicas convencionales de desgasificación, como el burbujeo con gases inertes, los desgasificadores de impulsor, el calentamiento o el vacío, para mejorar la eficiencia y la velocidad de eliminación de gases.

Eliminación de gases de los líquidos

Los términos desaireación, desgasificación y liberación de gases se refieren a la eliminación de gases libres y disueltos de un fluido, en particular de gases reactivos como el oxígeno o el CO2. Eliminar el oxígeno es importante para evitar cambios perjudiciales en el producto final y mejorar las etapas posteriores del procesamiento. La desgasificación es una etapa necesaria del procesamiento en numerosas aplicaciones e industrias. En la fabricación industrial, la desgasificación es una etapa habitual del proceso para garantizar la estabilidad y la calidad del producto, así como el cumplimiento constante de los estándares del producto. El oxígeno es un factor que influye en la calidad y la estabilidad del producto en diversos niveles.
Por ello, la desaireación es una etapa consolidada del proceso en las industrias alimentaria y de bebidas, química, farmacéutica y cosmética. También en los laboratorios, las muestras suelen requerir una desgasificación antes del análisis (p. ej., antes de la HPLC, de ensayos, de mediciones de partículas, etc.).
Los procesos de mezcla que utilizan, por ejemplo, mezcladores de cuchillas de alto cizallamiento o de impulsor rotativo suelen hacer necesaria una desgasificación posterior del producto, ya que estas técnicas de mezcla suelen introducir grandes cantidades de gases en él. Estas inclusiones de gas y aire suelen tener efectos negativos sobre el producto, ya que pueden enranciar las grasas y los aceites, deteriorar los productos por oxidación, alterar su color y provocar cambios no deseados en el olor y el sabor. Como los productos desgasificados son químicamente más estables y tienen una vida útil más larga, la desgasificación es una etapa esencial del procesamiento que requiere una técnica fiable.
 

Desgasificación ultrasónica: las burbujas de gas atrapadas se eliminan del aceite mediante el ultrasonicador UP400St

Desgasificación y desaireación ultrasónicas

La desgasificación y la desaireación ultrasónicas constituyen una alternativa muy eficaz a los métodos tradicionales de desgasificación de líquidos, que incluyen la ebullición, la reducción de la presión hasta alcanzar el vacío o el burbujeo con gases inertes. Estos métodos tradicionales de desgasificación suelen presentar inconvenientes como la degradación térmica (debida al calentamiento), un procesamiento que consume mucho tiempo y energía y/o una eliminación insuficiente de gases. La desgasificación ultrasónica se basa en el principio de funcionamiento de la cavitación acústica. Cuando se acoplan ondas ultrasónicas de alta potencia a un líquido, este se comprime y se expande durante los ciclos de alta y baja presión, respectivamente. Durante los ciclos de baja presión se crean diminutas burbujas de vacío (las denominadas burbujas de cavitación), que crecen a lo largo de varios ciclos de presión. Durante estos ciclos de crecimiento de las burbujas, los gases disueltos en el líquido entran en la burbuja de vacío, de modo que las burbujas de vacío se transforman 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, es decir, la unión de pequeñas burbujas de gas disuelto para formar burbujas de gas más grandes, que ascienden rápidamente a la superficie del líquido, donde salen de él.
Los cambios de temperatura causados por la vibración ultrasónica y la cavitación se limitan a zonas locales muy pequeñas, y el aumento de temperatura en el volumen total puede despreciarse, ya que no afecta a la calidad del producto.
 

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

 
En función del volumen, la viscosidad y las inclusiones de gas del líquido o de la suspensión, la desaireación ultrasónica puede realizarse como un proceso por lotes o en línea. Una sonda ultrasónica de alta potencia genera cavitación acústica en el líquido, de modo que este se desgasifica eficientemente.
La desgasificación ultrasónica también puede incorporarse para mejorar los sistemas de desgasificación existentes, como los basados en el calentamiento, el vacío o el burbujeo.
La desgasificación y la eliminación de espuma por ultrasonidos se utilizan a escala industrial para eliminar los gases disueltos del agua, los aceites, los alimentos y las bebidas, las soluciones químicas, los fluidos hidráulicos, los refrigerantes, los fluidos de perforación, el petróleo crudo, las emulsiones, las pinturas, las tintas, los adhesivos, los barnices, los recubrimientos, las resinas epoxi, los champús, los detergentes y muchos otros productos.
 

Desgasificación ultrasónica mediante una instalación con celda de flujo. Este experimento consistió en un prototipo de circuito de agua a pequeña escala con un volumen de 0,8 galones, un caudal de gas inerte de 0,2 sfcm/min y una intensidad de 275 W/cm2. Esto muestra una reducción del tiempo de eliminación del oxígeno de aproximadamente el 70%.
Estudio e imagen: Rubio et al. 2016

Desgasificación ultrasónica en una instalación en línea mediante el ultrasonicador UIP1000hdT con celda de flujo.

Burbujeo mejorado mediante ultrasonidos

El burbujeo 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. En las aplicaciones de burbujeo se utilizan habitualmente nitrógeno, argón, helio y otros gases inertes. Hacer burbujear un gas de alta pureza (normalmente inerte) a través de una solución puede extraer gases disueltos no deseados, normalmente reactivos, como el oxígeno y el dióxido de carbono. El proceso de burbujeo se basa en la transferencia de masa y es, por sí mismo, un procedimiento bastante lento. Para intensificar el burbujeo con gases inertes, la solución de líquido y gas suele agitarse vigorosamente y someterse a burbujeo durante mucho tiempo. La sonicación es una técnica que intensifica la desgasificación, mejora la transferencia de masa y, con ello, mejora considerablemente el burbujeo. Cuando se acoplan ondas ultrasónicas de alta potencia a líquidos o suspensiones, se generan burbujas de cavitación. Estas burbujas de cavitación fragmentan las burbujas grandes del gas de purga en burbujas pequeñas y las dispersan uniformemente, lo que produce una desgasificación más rápida y limpia. La intensa agitación y las turbulencias creadas por la sonicación favorecen la transferencia de masa entre el gas y el líquido y, con ello, la rápida eliminación de los gases no deseados.
Para acelerar el procedimiento de burbujeo y hacerlo más eficiente, se utilizan ultrasonidos de alto rendimiento que mejoran la transferencia de masa entre el gas y el líquido mediante efectos sonomecánicos. Los efectos sonomecánicos generados por la cavitación acústica incluyen diferencias 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 por difusión debido a la fragmentación y dispersión de las burbujas y al consiguiente aumento del área interfacial, lo que finalmente permite eliminar rápidamente los gases atrapados en el líquido.
Para conseguir los efectos deseados de liberación de gases, se requiere sonicación de alta potencia. Cuando se hace burbujear un gas inerte a través de un líquido en un flujo bifásico, se busca la difusión rectificada para aumentar la transferencia de masa y la velocidad de eliminación de los gases disueltos. Aplicar la difusión rectificada puede resultar difícil porque las burbujas de gas atrapado y disuelto tienden a evitar entrar en el campo de cavitación ultrasónica a intensidades más bajas. Sin embargo, a intensidades elevadas (superiores a 300 W/cm² a aproximadamente 20 kHz), las burbujas de gas dejan de evitar la zona de cavitación y se fragmentan por las fuerzas sonomecánicas. (véase Jagannathan et al. 2011)

Sistemas de desgasificación ultrasónica de alta potencia

Hielscher Ultrasonics es un fabricante con una larga trayectoria en equipos ultrasónicos de alto rendimiento que se utilizan en laboratorios y en la producción industrial de todo el mundo. La desgasificación de líquidos y suspensiones es una aplicación exigente que requiere sondas ultrasónicas de alta potencia capaces de acoplar al líquido vibraciones con amplitudes establecidas para eliminar las burbujas de gas atrapadas y las bolsas de aire. Todos los dispositivos ultrasónicos de Hielscher están diseñados y fabricados para funcionar 24/7 a plena carga. Los procesadores ultrasónicos están disponibles desde ultrasonicadores compactos de laboratorio de 50 vatios hasta potentes sistemas ultrasónicos en línea de 16.000 vatios. Una amplia variedad de amplificadores de amplitud, sonotrodos y celdas de flujo permite configurar individualmente un sistema de desgasificación ultrasónica en función del líquido, la viscosidad y las inclusiones de gas.
Para la desaireación y la liberación de gases 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 poco habituales, se ofrecen sonotrodos ultrasónicos personalizados. La robustez de los equipos ultrasónicos de Hielscher permite el funcionamiento 24/7 en condiciones de trabajo intensivo y en entornos exigentes.

Procesos por lotes y en línea

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

Sondas ultrasónicas para desgasificar cualquier volumen

La gama de productos de Hielscher Ultrasonics abarca todo el espectro de procesadores ultrasónicos, desde ultrasonicadores compactos de laboratorio, pasando por sistemas de sobremesa y sistemas piloto, hasta procesadores ultrasónicos plenamente industriales con capacidad para procesar volúmenes equivalentes a cargas de camión por hora. Esta gama completa de productos nos permite ofrecerle el equipo de desgasificación ultrasónica más adecuado para su líquido, su capacidad de procesamiento y sus objetivos de producción.

Amplitudes controlables con precisión para obtener resultados óptimos

Todos los sistemas de desgasificación ultrasónica de Hielscher pueden controlarse con precisión y, por ello, son equipos de trabajo fiables. La amplitud es uno de los parámetros cruciales del proceso que influyen en la eficiencia y la eficacia de la desgasificación inducida por efectos sonomecánicos. Todos los procesadores de Hielscher Ultrasonics permiten ajustar la amplitud con precisión. Los sonotrodos y los amplificadores de amplitud son accesorios que permiten modificar la amplitud en un intervalo aún más amplio. Los procesadores ultrasónicos industriales de Hielscher pueden proporcionar amplitudes muy elevadas y suministrar la intensidad ultrasónica necesaria para aplicaciones exigentes. Se puede trabajar fácilmente con amplitudes de hasta 200 µm de forma continua en funcionamiento 24/7.
Los ajustes precisos de la amplitud y la supervisión permanente de los parámetros del proceso ultrasónico mediante software inteligente permiten ajustar los parámetros del proceso para lograr la máxima eficacia en la desgasificación ultrasónica. ¡Sonicación óptima para una eliminación de gases de alta eficiencia!
La robustez de los equipos ultrasónicos de Hielscher permite el funcionamiento 24/7 en condiciones de trabajo intensivo y en entornos exigentes. Esto convierte a los equipos ultrasónicos de Hielscher en herramientas de trabajo fiables que cumplen los requisitos de su proceso de desaireación.

Máxima calidad – Diseñados y fabricados en Alemania

Como empresa de propiedad y gestión familiar, Hielscher da prioridad a los más altos estándares de calidad para sus procesadores ultrasónicos. Todos los ultrasonicadores se diseñan, fabrican y prueban exhaustivamente en nuestra sede de Teltow, cerca de Berlín, Alemania. La robustez y la fiabilidad de los equipos ultrasónicos de Hielscher los convierten en herramientas de trabajo de gran rendimiento en su producción. El funcionamiento 24/7 a plena carga y en entornos exigentes es una característica propia de los desgasificadores de alto rendimiento de Hielscher.