Application des ultrasons de puissance à l'aide de cornes ultrasoniques

Les cornets ou sondes à ultrasons sont largement utilisés dans de nombreuses applications de traitement des liquides, notamment l'homogénéisation, la dispersion, le broyage humide, l'émulsification, l'extraction, la désintégration, la dissolution et la désaération. Découvrez les principes de base des cornets à ultrasons, des sondes à ultrasons et de leurs applications.

Cornet à ultrasons vs sonde à ultrasons

Souvent, les termes "cornet à ultrasons" et "sonde" sont utilisés de manière interchangeable et désignent la tige ultrasonique qui transmet les ondes ultrasoniques dans le liquide. D'autres termes sont utilisés pour désigner la sonde ultrasonique : cornet acoustique, sonotrode, guide d'ondes acoustiques ou doigt ultrasonique. Cependant, techniquement, il existe une différence entre un cornet ultrasonique et une sonde ultrasonique.
Le cornet et la sonde désignent tous deux des éléments de l'appareil à ultrasons à sonde. Le pavillon ultrasonique est la partie métallique du transducteur ultrasonique, qui est excité par des vibrations piézoélectriques. Le pavillon ultrasonique vibre à une certaine fréquence, par exemple 20 kHz, ce qui signifie 20 000 vibrations par seconde. Le titane est le matériau préféré pour la fabrication des pavillons ultrasoniques en raison de ses excellentes propriétés de transmission acoustique, de sa grande résistance à la fatigue et de la dureté de sa surface.

La sonde ultrasonique est également appelée sonotrode ou doigt ultrasonique. Il s'agit d'une tige métallique, le plus souvent en titane, fixée au pavillon ultrasonique. La sonde ultrasonique est un élément essentiel du processeur ultrasonique, qui transmet les ondes ultrasoniques dans le milieu sonifié. Les sondes ultrasoniques / sonotrodes sont disponibles sous différentes formes (par exemple, conique, à pointe, conique, ou en tant que Cascatrode). Le titane est le matériau le plus couramment utilisé pour les sondes ultrasoniques, mais il existe également des sonotrodes en acier inoxydable, en céramique, en verre et dans d'autres matériaux.

Étant donné que le cornet et la sonde à ultrasons sont soumis à une compression ou à une tension constante pendant la sonification, le choix du matériau du cornet et de la sonde est crucial. L'alliage de titane de haute qualité (grade 5) est considéré comme le métal le plus fiable, le plus durable et le plus efficace pour résister aux contraintes, pour supporter des amplitudes élevées sur de longues périodes et pour transmettre les propriétés acoustiques et mécaniques.

Les ultrasons de haute performance fonctionnent principalement dans la gamme de fréquences de 20 à 30 kHz. À 20 kHz, la sonde ultrasonique est généralement une tige résonante d'une demi-longueur d'onde, qui se dilate et se contracte constamment 20 000 fois par seconde. Les mouvements d'expansion et de contraction sont transmis sous forme d'ultrasons de forte puissance dans le milieu de traitement, c'est-à-dire le fluide ou la boue, afin de répondre à des applications telles que

• mélange ultrasonique à haut cisaillement
• broyage humide par ultrasons
• dispersion ultrasonique de nanoparticules
• nano-émulsification par ultrasons
• extraction par ultrasons
• désintégration par ultrasons
• désintégration et lyse cellulaire par ultrasons
• dégazage et désaération par ultrasons
• sonochimie (sono-synthèse, sono-catalyse)

Comment fonctionnent les ultrasons de puissance ? – Le principe de fonctionnement de la cavitation acoustique

Pour les applications ultrasonores de haute performance telles que l'homogénéisation, la réduction de la taille des particules, la désintégration ou les nano-dispersions, des ultrasons de haute intensité et de basse fréquence sont générés par un transducteur ultrasonore et transmis par un cornet ultrasonore et une sonde (sonotrode) dans un liquide. Les ultrasons de haute puissance sont considérés comme des ultrasons dans la gamme de 16 à 30 kHz. La sonde à ultrasons se dilate et se contracte, par exemple à 20 kHz, transmettant ainsi 20 000 vibrations par seconde dans le milieu. Lorsque les ondes ultrasonores traversent le liquide, des cycles alternés de haute pression (compression) et de basse pression (raréfaction/détente) créent de minuscules cavités (bulles de vide), qui se développent sur plusieurs cycles de pression. Pendant la phase de compression du liquide et des bulles, la pression est positive, tandis que la phase de raréfaction produit un vide (pression négative). Pendant les cycles de compression-détente, les cavités dans le liquide se développent jusqu'à ce qu'elles atteignent une taille telle qu'elles ne peuvent plus absorber d'énergie. Elles implosent alors violemment. L'implosion de ces cavités entraîne divers effets hautement énergétiques, connus sous le nom de phénomène de cavitation acoustique / ultrasonique. La cavitation acoustique se caractérise par de nombreux effets hautement énergétiques qui ont un impact sur les liquides, les systèmes solide/liquide et les systèmes gaz/liquide. La zone dense en énergie ou zone de cavitation est connue sous le nom de zone de point chaud, qui est la plus dense en énergie à proximité de la sonde ultrasonique et qui diminue à mesure que l'on s'éloigne de la sonotrode. Les principales caractéristiques de la cavitation ultrasonique comprennent des températures et des pressions localement très élevées, ainsi que des différentiels, des turbulences et des écoulements de liquide. Lors de l'implosion de cavités ultrasoniques dans des points chauds ultrasoniques, on peut mesurer des températures allant jusqu'à 5 000 kelvins, des pressions allant jusqu'à 200 atmosphères et des jets de liquide allant jusqu'à 1 000 km/h. Ces conditions exceptionnelles d'intensité énergétique contribuent à l'amélioration de la qualité de l'air et de la qualité de l'eau. Ces conditions exceptionnelles d'intensité énergétique contribuent aux effets sonomécaniques et sonochimiques qui intensifient les processus et les réactions chimiques de diverses manières.
Les principaux effets des ultrasons sur les liquides et les boues sont les suivants :

• Cisaillement important : Les forces ultrasoniques de cisaillement élevé perturbent les liquides et les systèmes liquide-solide, provoquant une agitation intense, une homogénéisation et un transfert de masse.
• Impact : Les jets de liquide et les courants générés par la cavitation ultrasonique accélèrent les solides dans les liquides, ce qui conduit ensuite à une collision interparticulaire. Lorsque les particules entrent en collision à des vitesses très élevées, elles s'érodent, se brisent et sont broyées et dispersées finement, souvent jusqu'à une taille nanométrique. Pour les matières biologiques telles que les matières végétales, les jets de liquide à grande vitesse et les cycles de pression alternés perturbent les parois cellulaires et libèrent les matières intracellulaires. Il en résulte une extraction très efficace des composés bioactifs et un mélange homogène de la matière biologique.
• Agitation : Les ultrasons provoquent d'intenses turbulences, des forces de cisaillement et des micro-mouvements dans le liquide ou la boue. Ainsi, la sonication intensifie toujours le transfert de masse et accélère ainsi les réactions et les processus.

Les homogénéisateurs à ultrasons et les mélangeurs à cisaillement élevé sont utilisés dans presque toutes les industries de transformation qui travaillent avec des liquides ou des boues. Les forces de cavitation ultrasoniques intenses créent une agitation intense, un cisaillement, une rupture des particules et un transfert de masse. Les liquides sont ainsi homogénéisés, dispersés, émulsifiés, extraits, dissous et/ou des réactions chimiques sont déclenchées. Globalement, l'ultrasonication est une méthode d'intensification des processus qui augmente le rendement, améliore les taux de conversion et rend les processus plus efficaces.
Les applications ultrasoniques courantes dans l'industrie sont réparties dans de nombreux secteurs de l'alimentation. & pharmacie, chimie fine, énergie & pétrochimie, recyclage, bioraffineries, etc. et comprennent les éléments suivants :

• synthèse du biodiesel par ultrasons
• homogénéisation par ultrasons de jus de fruits
• production de vaccins par ultrasons
• Recyclage ultrasonique des batteries Li-ion
• synthèse ultrasonique de nanomatériaux
• formulation ultrasonique de produits pharmaceutiques
• nano-émulsification ultrasonique du CBD
• l'extraction par ultrasons des plantes médicinales
• préparation d'échantillons par ultrasons dans les laboratoires
• dégazage des liquides par ultrasons
• désulfuration par ultrasons du pétrole brut
• et bien d'autres encore ...

Cornes et sondes ultrasoniques pour des applications à haute performance

Hielscher Ultrasonics est un fabricant et un distributeur expérimenté de longue date d'appareils à ultrasons de grande puissance, qui sont utilisés dans le monde entier pour des applications lourdes dans de nombreuses industries.
Avec des processeurs à ultrasons de toutes tailles, de 50 watts à 16 kW par appareil, des sondes de différentes tailles et formes, des réacteurs à ultrasons de différents volumes et géométries, Hielscher Ultrasonics dispose de l'équipement adéquat pour configurer l'installation ultrasonique idéale pour votre application.
Le tableau ci-dessous vous donne une indication de la capacité de traitement approximative de nos ultrasons :