Erittäin tehokas ilmanpoisto nesteistä ultraäänellä

Vaikka kaasunpoisto on usein erittäin aikaa vievä prosessivaihe, ultraäänikäsittely voi nopeuttaa merkittävästi kaasukuplien yhdistymistä ja nousua. Ultraäänellä tehtävää kaasunpoistoa voidaan käyttää erä- ja läpivirtausjärjestelmissä, ja se voidaan myös yhdistää tavanomaisiin kaasunpoistomenetelmiin, kuten inerttikaasun kuplitukseen, siipipyörällä toimiviin kaasunpoistolaitteisiin, kuumennukseen tai tyhjiöön, kaasunpoiston tehokkuuden ja nopeuden parantamiseksi.

Kaasun poistaminen nesteistä

Termit ilmanpoisto ja kaasunpoisto tarkoittavat vapaiden ja liuenneiden kaasujen, erityisesti reaktiivisten kaasujen, kuten hapen tai CO2:n, poistamista fluidista. Hapen poistaminen on tärkeää lopputuotteen haitallisten muutosten ehkäisemiseksi ja jatkokäsittelyn parantamiseksi. Kaasunpoisto on välttämätön käsittelyvaihe monissa sovelluksissa ja monilla teollisuudenaloilla. Teollisessa valmistuksessa kaasunpoisto on yleinen prosessivaihe, jolla varmistetaan tuotteen stabiilius, laatu ja tuotestandardien jatkuva täyttyminen. Happi vaikuttaa tuotteen laatuun ja stabiiliuteen monella tasolla.
Siksi ilmanpoisto on vakiintunut prosessivaihe elintarvike- ja juomateollisuudessa sekä kemian-, lääke- ja kosmetiikkateollisuudessa. Myös laboratorioissa näytteistä on usein poistettava kaasut ennen analyysiä esimerkiksi HPLC:tä, määrityksiä tai hiukkasmittauksia varten.
Sekoitusprosessit, joissa käytetään esimerkiksi suuria leikkausvoimia tuottavia teräsekoittimia tai pyöriviä siipipyöräsekoittimia, edellyttävät usein tuotteen kaasunpoistoa sekoituksen jälkeen, sillä nämä sekoitusmenetelmät tuovat tavallisesti tuotteeseen suuria määriä kaasuja. Tällaisilla kaasu- ja ilmasulkeumilla on yleensä haitallisia vaikutuksia tuotteeseen, sillä ne voivat härskiinnyttää rasvoja ja öljyjä sekä heikentää tuotteita hapettumisen, värimuutosten ja ei-toivottujen haju- ja makumuutosten kautta.  Koska tuotteet, joista kaasut on poistettu, ovat kemiallisesti stabiilimpia ja säilyvät pidempään, kaasunpoisto on olennainen käsittelyvaihe, joka edellyttää luotettavaa menetelmää.
 

Kaasunpoisto ultraäänellä: öljyyn jääneet kaasukuplat poistetaan käyttäen ultraäänilaitetta UP400St

Kaasun- ja ilmanpoisto ultraäänellä

Ultraäänellä tehtävä kaasun- ja ilmanpoisto on erittäin tehokas vaihtoehto nesteiden perinteisille kaasunpoistomenetelmille, kuten keittämiselle, paineen alentamiselle tyhjiöön tai inerttikaasun kuplitukselle. Näihin perinteisiin kaasunpoistomenetelmiin liittyy usein haittoja, kuten lämpöhajoamista kuumennuksen vuoksi, aikaa ja energiaa kuluttavaa käsittelyä ja/tai riittämätöntä kaasunpoistoa. Ultraäänellä tehtävä kaasunpoisto perustuu akustisen kavitaation toimintaperiaatteeseen. Kun suuritehoiset ultraääniaallot kytkeytyvät nesteeseen, neste puristuu kokoon korkeapainejaksojen aikana ja laajenee matalapainejaksojen aikana. Matalapainejaksojen aikana syntyy hyvin pieniä tyhjiökuplia eli kavitaatiokuplia, jotka kasvavat useiden painejaksojen aikana. Näiden kuplien kasvujaksojen aikana nesteeseen liuenneet kaasut siirtyvät tyhjiökupliin, jolloin tyhjiökuplat muuttuvat kasvaviksi kaasukupliksi. Lisäksi mikroturbulenssi ja nestesuihkut aiheuttavat voimakasta sekoittumista ja aineensiirtoa. Nämä ultraäänellä aikaansaadut olosuhteet saavat kaasukuplat yhdistymään: pienet liuenneet kaasukuplat yhdistyvät suuremmiksi kaasukupliksi, jotka nousevat nopeasti nesteen pinnalle ja poistuvat siellä nesteestä.
Ultraäänivärähtelyn ja kavitaation aiheuttamat lämpötilanmuutokset rajoittuvat hyvin pieniin paikallisiin tiloihin, ja koko tilavuuden lämpötilannousu voidaan jättää huomiotta, sillä se ei vaikuta tuotteen laatuun.
 

Liuenneen hapen väheneminen ajan funktiona 24 kHz:n ultraäänitaajuudella käytettäessä ultraäänilaitetta UP400ST amplitudeilla 100 %, 80 %, 60 %, 40% ja 20 %.
Tutkimus: ©Rognerud et al., 2020.

 
Nesteen tai lietteen tilavuudesta, viskositeetista ja kaasusulkeumista riippuen ultraäänellä tehtävä ilmanpoisto voidaan toteuttaa erä- tai läpivirtausprosessina. Suuritehoinen ultraäänianturi lähettää nesteeseen akustista kavitaatiota, jolloin kaasut poistuvat nesteestä tehokkaasti.
Ultraäänellä tehtävää kaasunpoistoa voidaan myös käyttää olemassa olevien kaasunpoistojärjestelmien, kuten kuumennuksen, tyhjiön tai kaasukuplituksen, tehostamiseen.
Ultraäänellä tehtävää kaasun- ja vaahdonpoistoa käytetään teollisessa mittakaavassa liuenneiden kaasujen poistamiseen vedestä, öljyistä, elintarvikkeista ja juomista, kemiallisista liuoksista, hydraulinesteistä, jäähdytysnesteistä, porausnesteistä, raakaöljystä, emulsioista, maaleista, painoväreistä, liimoista, lakoista, pinnoitteista, epokseista, shampoista, pesuaineista ja monista muista tuotteista.
 

Kaasunpoisto ultraäänellä virtauskennojärjestelmässä. Tässä kokeessa käytettiin pienimittakaavaista vesikierron prototyyppiä, jonka tilavuus oli 0,8 gallonaa, inerttikaasun tilavuusvirta 0,2 sfcm/min ja intensiteetti 275 W/cm2. Tämä osoittaa hapenpoistoajan lyhenevän noin 70%.
Tutkimus ja kuva: Rubio et al. 2016

Kaasunpoisto ultraäänellä läpivirtausjärjestelmässä käyttäen ultraäänilaitetta UIP1000hdT ja virtauskennoa.

Ultraäänellä tehostettu kaasukuplitus

Nesteiden kuplitus inerttikaasulla, jota kutsutaan myös inerttikaasuhuuhteluksi, on yleinen käsittely ei-toivottujen kaasujen, kuten hapen ja hiilidioksidin, poistamiseksi nesteestä. Kuplitussovelluksissa käytetään tavallisesti typpeä, argonia, heliumia ja muita inerttikaasuja. Liuoksen kuplitus erittäin puhtaalla, tyypillisesti inertillä kaasulla voi poistaa ei-toivottuja, tyypillisesti reaktiivisia liuenneita kaasuja, kuten happea ja hiilidioksidia. Kuplitusprosessi perustuu aineensiirtoon ja on itsessään melko hidas menetelmä. Inerttikaasukuplituksen tehostamiseksi neste-kaasuliuosta sekoitetaan usein voimakkaasti ja kuplitetaan pitkään. Ultraäänikäsittely on kaasunpoistoa tehostava menetelmä, joka parantaa merkittävästi aineensiirtoa ja siten kuplitusta. Kun suuritehoiset ultraääniaallot kytkeytyvät nesteisiin tai lietteisiin, syntyy kavitaatiokuplia. Nämä kavitaatiokuplat hajottavat suuremmat huuhtelukaasun kuplat pieniksi kupliksi ja dispergoivat kuplat tasaisesti, mikä johtaa nopeampaan ja puhtaampaan kaasunpoistoon. Ultraäänikäsittelyn synnyttämä voimakas sekoittuminen ja turbulenssi edistävät kaasun ja nesteen välistä aineensiirtoa ja siten ei-toivottujen kaasujen nopeaa poistumista.
Kuplituksen nopeuttamiseksi ja tehostamiseksi käytetään tehokasta ultraääntä, joka parantaa kaasun ja nesteen välistä aineensiirtoa sonomekaanisesti. Akustisen kavitaation synnyttämiä sonomekaanisia vaikutuksia ovat paikalliset paine- ja lämpötilaerot, mikroturbulenssi ja sekoittuminen. Nämä voimat tehostavat kaasunpoistoa lisäämällä diffuusioon perustuvaa aineensiirtoa kuplien hajoamisen, dispersion ja siitä seuraavan rajapinta-alan kasvun kautta, mikä lopulta johtaa nesteeseen jääneiden kaasujen nopeaan poistumiseen.
Haluttujen kaasunpoistovaikutusten saavuttaminen edellyttää suuritehoista ultraäänikäsittelyä. Kun nestettä kuplitetaan inerttikaasulla kaksifaasivirtauksessa, tasasuunnattu diffuusio on toivottavaa aineensiirron ja liuenneiden kaasujen poistumisnopeuden lisäämiseksi. Tasasuunnatun diffuusion hyödyntäminen voi olla vaikeaa, sillä nesteeseen jääneet ja liuenneet kaasukuplat pyrkivät välttämään ultraäänikavitaatiokenttään siirtymistä pienemmillä intensiteeteillä. Suuremmilla intensiteeteillä (yli 300 W/cm² noin 20 kHz:n taajuudella) kaasukuplat eivät kuitenkaan enää vältä kavitaatiovyöhykettä, ja sonomekaaniset voimat hajottavat ne. (vrt. Jagannathan et al. 2011)

Suuritehoiset ultraäänikaasunpoistojärjestelmät

Hielscher Ultrasonics on pitkän kokemuksen omaava tehokkaiden ultraäänilaitteiden valmistaja, jonka laitteita käytetään maailmanlaajuisesti laboratorioissa ja teollisessa tuotannossa. Kaasunpoisto nesteistä ja lietteistä on vaativa sovellus, joka edellyttää suuritehoisia ultraääniantureita. Niiden on kyettävä kytkemään nesteisiin värähtelyjä asetetuilla amplitudeilla nesteeseen jääneiden kaasukuplien ja ilmataskujen poistamiseksi. Kaikki yrityksen Hielscher ultraäänilaitteet on suunniteltu ja valmistettu 24/7-käyttöön täydellä kuormalla. Ultraääniprosessoreita on saatavana pienikokoisista 50 watin laboratorioultraäänilaitteista tehokkaisiin 16 000 watin läpivirtausultraäänijärjestelmiin. Laaja valikoima amplitudinvahvistimia, sonotrodeja ja virtauskennoja mahdollistaa ultraäänikaasunpoistojärjestelmän yksilöllisen kokoonpanon nesteen, viskositeetin ja kaasusulkeumien mukaan.
Ilman- ja kaasunpoisto nestemäisistä metalleista edellyttää tarkasti asetettuja ja ylläpidettyjä amplitudeja. Hielscher Ultrasonics valmistaa tehokkaita ultraääniantureita, jotka on määritelty prosessiin hyvin tarkasti optimoiduille amplitudeille ja lämpötiloille. Jos kaasunpoistosovelluksesi edellyttää poikkeavia ominaisuuksia, saatavana on räätälöityjä ultraäänisonotrodeja. Yrityksen Hielscher ultraäänilaitteiden vankka rakenne mahdollistaa 24/7-käytön raskaassa käytössä ja vaativissa ympäristöissä.

Erä- ja läpivirtausprosessit

Hielscherin kaasunpoistoon tarkoitettuja ultraääniantureita voidaan käyttää eräprosesseissa sekä jatkuvassa läpivirtauksessa tapahtuvaan kaasun- ja ilmanpoistoon. Suosittelemme sinulle sopivinta ultraäänikaasunpoistojärjestelmää tilavuuden, viskositeetin ja nesteeseen jääneiden kaasujen perusteella.

Ultraäänianturit kaasunpoistoon kaikista tilavuuksista

Hielscher Ultrasonicsin tuotevalikoima kattaa ultraääniprosessorien koko kirjon pienikokoisista laboratorioultraäänilaitteista pöytä- ja pilottilaitteistoihin sekä täyden teollisen mittakaavan ultraääniprosessoreihin, joiden käsittelykapasiteetti on kuorma-autolasteja tunnissa. Kattava tuotevalikoima mahdollistaa nesteeseesi, prosessikapasiteettiisi ja tuotantotavoitteisiisi parhaiten sopivan ultraäänikaasunpoistolaitteiston tarjoamisen.

Tarkasti säädettävät amplitudit optimaalisiin tuloksiin

Kaikki yrityksen Hielscher ultraäänikaasunpoistojärjestelmät ovat tarkasti säädettävissä ja siten luotettavia työjuhtia. Amplitudi on yksi keskeisistä prosessiparametreista, jotka vaikuttavat sonomekaanisesti aikaansaadun kaasunpoiston tehokkuuteen ja vaikuttavuuteen. Kaikki yrityksen Hielscher Ultrasonics prosessorit mahdollistavat amplitudin tarkan asettamisen. Sonotrodit ja amplitudinvahvistimet ovat lisävarusteita, joiden avulla amplitudia voidaan muuttaa vielä laajemmalla alueella. Yrityksen Hielscher teolliset ultraääniprosessorit voivat tuottaa erittäin suuria amplitudeja ja vaativiin sovelluksiin tarvittavan ultraääni-intensiteetin. Jopa 200µm:n amplitudeja voidaan helposti käyttää jatkuvasti 24/7-käytössä.
Tarkat amplitudiasetukset ja ultraääniprosessin parametrien jatkuva seuranta älykkäällä ohjelmistolla mahdollistavat ultraääniprosessin parametrien säätämisen mahdollisimman tehokasta ultraäänikaasunpoistoa varten. Optimaalinen ultraäänikäsittely erittäin tehokkaaseen kaasunpoistoon!
Yrityksen Hielscher ultraäänilaitteiden vankka rakenne mahdollistaa 24/7-käytön raskaassa käytössä ja vaativissa ympäristöissä. Tämän ansiosta yrityksen Hielscher ultraäänilaitteisto on luotettava työväline, joka täyttää ilmanpoistoprosessisi vaatimukset.

Korkein laatu – suunniteltu ja valmistettu Saksassa

Perheomisteisena ja perheen johtamana yrityksenä Hielscher asettaa ultraääniprosessoriensa korkeimmat laatustandardit etusijalle. Kaikki ultraäänilaitteet suunnitellaan, valmistetaan ja testataan perusteellisesti päätoimipaikassamme Teltowissa lähellä Berliiniä Saksassa. Yrityksen Hielscher ultraäänilaitteiden vankka rakenne ja luotettavuus tekevät niistä tuotantosi työjuhtia. 24/7-käyttö täydellä kuormalla ja vaativissa ympäristöissä on yrityksen Hielscher tehokkaiden kaasunpoistolaitteiden luontainen ominaisuus.