هوازدایی مایعات با بازده بسیار بالا به کمک فراصوت
اگرچه گاززدایی یا گازخارج‌سازی اغلب مرحله‌ای بسیار زمان‌بر در فرایند است، فراصوت‌دهی می‌تواند به‌هم‌پیوستن حباب‌های گاز و بالا آمدن آن‌ها را به‌طور چشمگیری تسریع کند. گازخارج‌سازی فراصوتی را می‌توان در آرایش‌های ناپیوسته و درون‌خطی به کار برد و همچنین برای افزایش بازده و سرعت حذف گاز، آن را با روش‌های متداول گاززدایی مانند حباب‌دهی با گازهای بی‌اثر، گاززداهای پروانه‌ای، گرمایش یا خلأ ترکیب کرد.
حذف گاز از مایعات
اصطلاحات هوازدایی، گاززدایی و گازخارج‌سازی به حذف گازهای آزاد و محلول، به‌ویژه گازهای واکنش‌پذیری مانند اکسیژن یا CO2، از یک سیال اشاره دارند. حذف اکسیژن برای جلوگیری از تغییرات زیان‌آور در محصول نهایی و بهبود پردازش پایین‌دستی اهمیت دارد. گاززدایی در بسیاری از کاربردها و صنایع، مرحله‌ای ضروری در فرایند است. در تولید صنعتی، گاززدایی یکی از مراحل رایج فرایند برای تضمین پایداری، کیفیت و حفظ مستمر استانداردهای محصول است. اکسیژن عاملی است که در سطوح مختلف بر کیفیت و پایداری محصول تأثیر می‌گذارد.
بنابراین، هوازدایی در صنایع غذایی و نوشیدنی، شیمیایی، دارویی و آرایشی مرحله‌ای جاافتاده در فرایند است. در آزمایشگاه‌ها نیز نمونه‌ها اغلب پیش از تجزیه‌وتحلیل به گاززدایی نیاز دارند؛ برای مثال، پیش از HPLC، سنجش‌ها، اندازه‌گیری ذرات و غیره.
فرایندهای اختلاط، برای مثال با استفاده از همزن‌های تیغه‌ای با برش بالا یا همزن‌های پروانه‌ای دوار، اغلب گاززدایی بعدی محصول را ضروری می‌کنند، زیرا این روش‌های اختلاط معمولاً مقدار زیادی گاز وارد محصول می‌کنند. چنین گاز و هوای محبوسی معمولاً بر محصول اثر منفی دارند، زیرا می‌توانند باعث تندشدگی چربی‌ها و روغن‌ها و افت کیفیت محصولات بر اثر اکسیداسیون، تغییر رنگ و تغییرات نامطلوب بو و طعم شوند. از آنجا که محصولات گاززدایی‌شده از نظر شیمیایی پایدارترند و ماندگاری بیشتری دارند، گاززدایی مرحله‌ای ضروری در فرایند است که به روشی قابل‌اعتماد نیاز دارد.
هوازدایی سیالات به کمک فراصوت در یک واکنش جریان‌گذر فراصوتی. فراصوت حذف گازهای ناخواسته و هوا از سیالات را به‌طور مؤثری تشدید و تسریع می‌کند.
گاززدایی فراصوتی: حباب‌های گاز محبوس از روغن حذف می‌شوند با استفاده از سونیکاتور UP400St
گاززدایی و هوازدایی فراصوتی
گاززدایی و هوازدایی فراصوتی جایگزینی بسیار مؤثر برای روش‌های سنتی گاززدایی مایعات، شامل جوشاندن، کاهش فشار تا رسیدن به خلأ یا حباب‌دهی با گازهای بی‌اثر است. این روش‌های سنتی گاززدایی اغلب با معایبی مانند تخریب حرارتی بر اثر گرمایش، پردازش زمان‌بر و پرمصرف از نظر انرژی و/یا حذف ناکافی گاز همراه‌اند. گاززدایی فراصوتی بر اصل عملکرد کاویتاسیون آکوستیکی استوار است. هنگامی که امواج فراصوت پرتوان به مایع منتقل می‌شوند، مایع به‌ترتیب طی چرخه‌های پرفشار و کم‌فشار فشرده و منبسط می‌شود. در چرخه‌های کم‌فشار، حباب‌های بسیار ریز خلأ، موسوم به حباب‌های کاویتاسیون، ایجاد می‌شوند که طی چندین چرخه فشار رشد می‌کنند. در این چرخه‌های رشد حباب، گازهای محلول در مایع وارد حباب خلأ می‌شوند و در نتیجه حباب خلأ به حباب‌های گاز در حال رشد تبدیل می‌شود. افزون بر این، ریزآشفتگی‌ها و جت‌های مایع موجب هم‌زدن شدید و انتقال جرم می‌شوند. این شرایط ایجادشده به کمک فراصوت باعث به‌هم‌پیوستن حباب‌های گاز می‌شوند؛ یعنی حباب‌های کوچک گاز محلول به حباب‌های گاز بزرگ‌تر تبدیل می‌شوند که به‌سرعت به سطح مایع می‌آیند و در آنجا از مایع خارج می‌شوند.
تغییرات دمای ناشی از ارتعاش فراصوتی و کاویتاسیون به نواحی موضعی بسیار کوچک محدود می‌شوند و افزایش دمای کل حجم را می‌توان نادیده گرفت، زیرا بر کیفیت محصول تأثیر نمی‌گذارد.
کاهش اکسیژن محلول با گذشت زمان در فرکانس فراصوتی 24 kHz، با استفاده از سونیکاتور UP400ST در دامنه‌های 100 %، 80 %، 60 %، 40% و 20 %.
مطالعه: ©Rognerud et al., 2020.
بسته به حجم، گرانروی و گازهای محبوس در مایع یا دوغاب، هوازدایی فراصوتی را می‌توان به‌صورت فرایندی ناپیوسته یا درون‌خطی اجرا کرد. یک پروب فراصوتی پرتوان، کاویتاسیون آکوستیکی را در مایع منتشر می‌کند تا مایع به‌طور کارآمد گاززدایی شود.
گاززدایی فراصوتی را همچنین می‌توان برای بهبود سامانه‌های گاززدایی موجود، مانند گرمایش، خلأ یا حباب‌دهی، به کار گرفت.
گاززدایی و کف‌زدایی فراصوتی در مقیاس صنعتی برای حذف گازهای محلول از آب، روغن‌ها، مواد غذایی و نوشیدنی‌ها، محلول‌های شیمیایی، سیالات هیدرولیک، خنک‌کننده‌ها، سیالات حفاری، نفت خام، امولسیون‌ها، رنگ‌ها، جوهرها، چسب‌ها، ورنی‌ها، پوشش‌ها، اپوکسی‌ها، شامپوها، شوینده‌ها و بسیاری از محصولات دیگر به کار می‌رود.
گاززدایی فراصوتی با استفاده از آرایش مجهز به سلول جریان. این آزمایش با یک نمونه اولیه حلقه آب در مقیاس کوچک، با حجم 0٫8 گالن، دبی گاز بی‌اثر 0٫2 sfcm/min و شدت 275 W/cm2 انجام شد. این آزمایش کاهش زمان حذف اکسیژن به میزان حدود 70% را نشان می‌دهد.
مطالعه و تصویر: Rubio et al. 2016
- فرایندهای ناپیوسته و درون‌خطی
- گرانروی‌های کم و زیاد
- حجم‌های کوچک و بزرگ
- دماهای پایین و بالا
- آرایش‌های نصب متنوع
- کارکرد 24/7 تحت بار کامل
گاززدایی فراصوتی در آرایش درون‌خطی با استفاده از سونیکاتور UIP1000hdT مجهز به سلول جریان.
آرایش گاززدایی فراصوتی برای حذف پیوسته و درون‌خطی گاز
حباب‌دهی تقویت‌شده با فراصوت
حباب‌دهی مایعات با گاز بی‌اثر، که به آن پاک‌سازی با گاز بی‌اثر نیز گفته می‌شود، روشی رایج برای حذف گازهای ناخواسته مانند اکسیژن و دی‌اکسید کربن از مایع است. برای کاربردهای حباب‌دهی معمولاً از نیتروژن، آرگون، هلیوم و دیگر گازهای بی‌اثر استفاده می‌شود. حباب‌دهی یک محلول با گازی با خلوص بالا، که معمولاً بی‌اثر است، می‌تواند گازهای محلول ناخواسته و معمولاً واکنش‌پذیری مانند اکسیژن و دی‌اکسید کربن را خارج کند. فرایند حباب‌دهی بر انتقال جرم متکی است و به‌خودی‌خود روشی نسبتاً کند است. برای تشدید حباب‌دهی با گازهای بی‌اثر، محلول مایع–گاز اغلب به‌شدت هم زده می‌شود و برای مدت طولانی تحت حباب‌دهی قرار می‌گیرد. فراصوت‌دهی روشی برای تشدید گاززدایی است که انتقال جرم و در نتیجه حباب‌دهی را به‌طور چشمگیری بهبود می‌دهد. هنگامی که امواج فراصوت پرتوان به مایعات یا دوغاب‌ها منتقل می‌شوند، حباب‌های کاویتاسیون ایجاد می‌شوند. این حباب‌های کاویتاسیون، حباب‌های بزرگ‌تر گاز پاک‌ساز را به حباب‌های کوچک می‌شکنند و حباب‌ها را به‌طور یکنواخت پراکنده می‌کنند؛ در نتیجه گاززدایی سریع‌تر و پاک‌تری حاصل می‌شود. هم‌زدن شدید و آشفتگی‌های ایجادشده بر اثر فراصوت‌دهی، انتقال جرم گاز–مایع و در نتیجه حذف سریع گازهای ناخواسته را تقویت می‌کنند.
برای تسریع و افزایش بازده فرایند حباب‌دهی، از فراصوت با عملکرد بالا استفاده می‌شود تا عملکرد انتقال جرم میان گاز و مایع از طریق اثرات مکانیکی فراصوت بهبود یابد. اثرات مکانیکی فراصوت ناشی از کاویتاسیون آکوستیکی شامل اختلاف‌های موضعی فشار و دما، ریزآشفتگی‌ها و هم‌زدن هستند. این نیروها با کمک به افزایش انتقال جرم انتشاری در اثر شکستن حباب‌ها، پراکندگی و افزایش متعاقب مساحت سطح مشترک، عملکرد گاززدایی را بهبود می‌دهند و در نهایت موجب حذف سریع گازهای محبوس از مایع می‌شوند.
برای دستیابی به اثرات مطلوب گازخارج‌سازی، فراصوت‌دهی پرتوان لازم است. هنگامی که یک مایع در جریان دوفازی با گاز بی‌اثر حباب‌دهی می‌شود، انتشار یک‌سوشده برای افزایش انتقال جرم و نرخ حذف گازهای محلول مطلوب است. به‌کارگیری انتشار یک‌سوشده می‌تواند دشوار باشد، زیرا حباب‌های گاز محبوس و محلول در شدت‌های پایین‌تر تمایل دارند از ورود به میدان کاویتاسیون فراصوتی اجتناب کنند. با این حال، در شدت‌های بالاتر (بیش از 300 W/cm2 در حدود 20 kHz)، حباب‌های گاز دیگر از ناحیه کاویتاسیون اجتناب نمی‌کنند و بر اثر نیروهای مکانیکی فراصوت شکسته می‌شوند. (رجوع کنید به Jagannathan et al. 2011)
سامانه‌های گاززدایی فراصوتی پرتوان
Hielscher Ultrasonics تولیدکننده‌ای باسابقه در زمینه تجهیزات فراصوتی با عملکرد بالا است که در آزمایشگاه‌ها و تولید صنعتی سراسر جهان استفاده می‌شوند. گاززدایی مایعات و دوغاب‌ها کاربردی با الزامات سخت‌گیرانه است که به پروب‌های فراصوتی پرتوان نیاز دارد؛ پروب‌هایی که بتوانند نوسانات با دامنه‌های تعیین‌شده را به مایعات منتقل کنند تا حباب‌های گاز و توده‌های هوای محبوس حذف شوند. همه دستگاه‌های فراصوتی Hielscher برای کارکرد 24/7 تحت بار کامل طراحی و ساخته شده‌اند. پردازشگرهای فراصوتی از سونیکاتورهای آزمایشگاهی جمع‌وجور 50 وات تا سامانه‌های فراصوتی درون‌خطی قدرتمند 16٬000 وات عرضه می‌شوند. تنوع گسترده هورن‌های تقویت‌کننده، سونوتْرودها و سلول‌های جریان، پیکربندی اختصاصی سامانه گاززدایی فراصوتی را متناسب با مایع، گرانروی و گازهای محبوس امکان‌پذیر می‌کند.
برای هوازدایی و گازخارج‌سازی فلزات مایع، دامنه‌هایی لازم است که با دقت تنظیم و حفظ شوند. Hielscher Ultrasonics پروب‌های فراصوتی با عملکرد بالا تولید می‌کند که مشخصات آن‌ها برای دامنه‌ها و دماهای کاملاً بهینه‌شده برای فرایند تعیین شده است. اگر کاربرد گاززدایی شما به مشخصات غیرمعمول نیاز دارد، سونوتْرودهای فراصوتی سفارشی در دسترس هستند. استحکام تجهیزات فراصوتی Hielscher کارکرد 24/7 در شرایط کاری سنگین و محیط‌های دشوار را امکان‌پذیر می‌کند.
فرایندهای ناپیوسته و درون‌خطی
پروب‌های فراصوتی Hielscher برای گاززدایی را می‌توان در گاززدایی و هوازدایی ناپیوسته و پیوسته درون‌خطی به کار برد. بسته به حجم، گرانروی و گازهای محبوس، مناسب‌ترین آرایش گازخارج‌سازی فراصوتی را به شما پیشنهاد خواهیم کرد.
پروب‌های فراصوتی برای گاززدایی هر حجمی
سبد محصولات Hielscher Ultrasonics تمام طیف پردازشگرهای فراصوتی را در بر می‌گیرد؛ از سونیکاتورهای آزمایشگاهی جمع‌وجور و سامانه‌های رومیزی و پایلوت تا پردازشگرهای فراصوتی تمام‌صنعتی با ظرفیت پردازش چندین محموله کامیونی در ساعت. این سبد کامل محصولات به ما امکان می‌دهد مناسب‌ترین تجهیزات گاززدایی فراصوتی را برای مایع، ظرفیت فرایند و اهداف تولید شما ارائه کنیم.
دامنه‌های قابل‌کنترل با دقت بالا برای نتایج بهینه
همه سامانه‌های گاززدایی فراصوتی Hielscher با دقت قابل‌کنترل‌اند و از این رو ابزارهای کاری قابل‌اعتمادی هستند. دامنه یکی از پارامترهای حیاتی فرایند است که بر بازده و اثربخشی گاززدایی ناشی از اثرات مکانیکی فراصوت تأثیر می‌گذارد. همه پردازشگرهای Hielscher Ultrasonics امکان تنظیم دقیق دامنه را فراهم می‌کنند. سونوتْرودها و هورن‌های تقویت‌کننده تجهیزاتی جانبی هستند که تغییر دامنه را در بازه‌ای باز هم گسترده‌تر امکان‌پذیر می‌سازند. پردازشگرهای فراصوتی صنعتی Hielscher می‌توانند دامنه‌های بسیار بالا و شدت فراصوتی موردنیاز برای کاربردهای دشوار را تأمین کنند. کارکرد پیوسته با دامنه‌هایی تا 200µm به‌آسانی در حالت 24/7 امکان‌پذیر است.
تنظیم دقیق دامنه و پایش دائمی پارامترهای فرایند فراصوتی از طریق نرم‌افزار هوشمند به شما امکان می‌دهد پارامترهای فرایند فراصوتی را برای مؤثرترین گاززدایی فراصوتی تنظیم کنید. فراصوت‌دهی بهینه برای حذف گاز با بازده بسیار بالا!
استحکام تجهیزات فراصوتی Hielscher کارکرد 24/7 در شرایط کاری سنگین و محیط‌های دشوار را امکان‌پذیر می‌کند. این ویژگی، تجهیزات فراصوتی Hielscher را به ابزاری کاری و قابل‌اعتماد تبدیل می‌کند که الزامات فرایند هوازدایی شما را برآورده می‌سازد.
بالاترین کیفیت – طراحی و ساخت آلمان
Hielscher به‌عنوان کسب‌وکاری با مالکیت و مدیریت خانوادگی، بالاترین استانداردهای کیفیت را برای پردازشگرهای فراصوتی خود در اولویت قرار می‌دهد. همه سونیکاتورها در دفتر مرکزی ما در تلتو، نزدیک برلین در آلمان، طراحی، ساخته و به‌طور کامل آزمایش می‌شوند. استحکام و قابلیت اعتماد تجهیزات فراصوتی Hielscher آن‌ها را به ابزاری سخت‌کوش در تولید شما تبدیل می‌کند. کارکرد 24/7 تحت بار کامل و در محیط‌های دشوار، ویژگی ذاتی گاززداهای با عملکرد بالای Hielscher است.
با ما تماس بگیرید! / از ما بپرسید!
منابع علمی / مراجع
- 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.
Hielscher Ultrasonics هموژنایزرهای فراصوتی با عملکرد بالا را در مقیاس‌های مختلف، از آزمایشگاهی تا صنعتی، تولید می‌کند.