Mélange à haut cisaillement par ultrasons
Les mélangeurs à haut cisaillement exercent des forces de cisaillement élevées dans les liquides et les suspensions afin d’assurer la dispersion, le mélange et l’émulsification uniformes de deux ou plusieurs phases liquide-solide ou liquide-liquide. La sonication génère des forces de cisaillement élevées par cavitation acoustique, qui se produit lorsque des ultrasons de forte puissance sont couplés aux liquides. Les mélangeurs à ultrasons à haut cisaillement constituent une technologie de mélange supérieure, qui surpasse aisément les mélangeurs à pales à haut cisaillement, les mélangeurs à plusieurs arbres, les homogénéisateurs à haute pression, les broyeurs colloïdaux et les agitateurs à pales couramment utilisés.
Les avantages des mélangeurs à ultrasons à haut cisaillement
Les mélangeurs à ultrasons à haut cisaillement sont disponibles dans une gamme allant des homogénéisateurs de laboratoire de 50W aux systèmes de mélange industriels de 16 000W. La vaste gamme de mélangeurs à ultrasons à haut cisaillement pour le laboratoire, les installations de paillasse et l’industrie permet de choisir le mélangeur idéal pour votre application et votre volume de production.
Les amplitudes élevées de la sonde ultrasonore créent une cavitation intense, avec des écoulements liquides à grande vitesse et des turbulences complexes. Le cisaillement hydraulique et mécanique intense généré par les ultrasons réduit les particules et les gouttelettes à des dimensions micrométriques et nanométriques. Les paramètres du procédé de sonication étant précisément contrôlables et réglables, l’effet du mélange, du broyage ou de la dispersion peut être adapté avec précision au matériau et à l’objectif du procédé. Les mélangeurs à ultrasons à haut cisaillement réduisent le temps de mélange / broyage et produisent de manière fiable des dispersions fines et ultrafines.
Les mélangeurs à ultrasons peuvent être utilisés pour des procédés par lots ou en ligne à écoulement continu. La diversité des cellules à circulation et des réacteurs à ultrasons permet de mélanger des flux présentant des débits et des viscosités très différents. Les mélangeurs à ultrasons à haut cisaillement peuvent traiter des concentrations très élevées en solides, et même les particules très abrasives ne posent aucun problème.
Comment fonctionne le mélange à haut cisaillement par sonication ?
Les mélangeurs à ultrasons à haut cisaillement utilisent le même principe mécanique que les systèmes de mélange industriels tels que les mélangeurs à pales à haut cisaillement, les mélangeurs à plusieurs arbres, les broyeurs colloïdaux, les homogénéisateurs à haute pression et les systèmes d’agitation à pales. Les systèmes de mélange à ultrasons sont utilisés pour disperser et broyer des particules, émulsifier des phases huileuses et aqueuses, solubiliser des matières solides et produire des mélanges homogènes de tous types de matériaux dans des liquides et des suspensions. Les mélangeurs à ultrasons à cisaillement intègrent une sonde ultrasonore dans un récipient de mélange, par exemple une cuve de traitement par lots ou une cellule à circulation. La sonde du désintégrateur à ultrasons vibre dans le liquide à une fréquence très élevée et y crée une cavitation ultrasonore intense. L’effondrement des bulles de cavitation produit de puissantes forces de cisaillement qui désorganisent et fragmentent les gouttelettes, les agglomérats, les agrégats et même les particules primaires. La cavitation ultrasonore générant des écoulements de cavitation à grande vitesse, jusqu’à 1000km/h, les jets liquides de cavitation accélèrent les particules. Lorsque les particules accélérées entrent en collision les unes avec les autres, elles agissent comme des agents de broyage. Les particules qui entrent en collision se fragmentent alors et sont réduites à des dimensions micrométriques ou nanométriques. Dans le champ de cavitation ultrasonore, les pressions alternent rapidement et de manière répétée entre le vide et des valeurs atteignant 1000bar. Un mélangeur rotatif doté de 4 pales devrait fonctionner à la vitesse vertigineuse de 300 000 RPM pour atteindre la même fréquence de cycles de pression alternés. Les mélangeurs rotatifs classiques et les mélangeurs rotor-stator ne produisent pas de cavitation significative en raison de leur vitesse limitée.
Mélangeur à ultrasons à haut cisaillement UIP2000hdT, une puissante unité de mélange de 2kW
Conseil de traitement : mélange à ultrasons sous pression
La mise sous pression du réacteur à ultrasons ou de la cellule à circulation intensifie la cavitation acoustique. Hielscher Ultrasonics fournit différents types de cellules à circulation et de réacteurs, qui peuvent facilement être mis sous pression jusqu’à 5 barg. Les réacteurs à ultrasons sur mesure peuvent supporter des pressions plus élevées, jusqu’à 300barg.
Les mélangeurs à ultrasons à haut cisaillement et leurs applications
Les mélangeurs à ultrasons à haut cisaillement créent des forces de cisaillement intenses qui exercent l’effet nécessaire sur les particules, telles que les solides, les gouttelettes, les cristaux et les fibres, pour les désorganiser et les fragmenter jusqu’à une taille cible, qui peut être micrométrique ou nanométrique. Selon la dureté et la fragilité des matériaux, les paramètres du procédé ultrasonore peuvent être réglés avec précision pour obtenir le résultat de mélange recherché. Par rapport aux autres méthodes de mélange, telles que les agitateurs à pales à haut cisaillement, les homogénéisateurs à haute pression, les broyeurs colloïdaux / broyeurs à billes, les mélangeurs à arbre, etc., les désintégrateurs à ultrasons offrent plusieurs avantages majeurs.
Avantages des mélangeurs à ultrasons à haut cisaillement
- Cavitation et cisaillement de haute intensité
- Traitement uniforme des particules
- Concentrations élevées en solides
- Sans buses / sans colmatage
- Aucun agent de broyage (par exemple des billes) nécessaire
- Mise à l’échelle linéaire
- Utilisation simple et sûre
- Nettoyage facile
- Économie de temps et d’énergie
Mélangeurs à ultrasons à haut cisaillement pour la réduction de la taille des particules
Les désintégrateurs à ultrasons sont utilisés pour réduire la taille des particules et les répartir, qu’il s’agisse de la fragmentation réelle des particules primaires (appelée broyage) ou de la rupture des agglomérats (appelée désagglomération / dispersion).
En savoir plus sur le broyage et la dispersion des particules par ultrasons !
Mélangeurs à ultrasons à haut cisaillement pour l’émulsification
Lorsque deux liquides non miscibles (par exemple l’eau et l’huile) sont soumis à une sonication à l’aide d’un mélangeur à ultrasons à sonde, la cavitation ultrasonore fragmente les gouttelettes – produisant de très petites gouttelettes des deux phases non miscibles, qui sont ensuite mélangées. Comme les mélangeurs à ultrasons à haut cisaillement produisent facilement des gouttelettes de taille nanométrique, les émulsions ultrasonores stabilisées présentent une stabilité à long terme et un aspect limpide et transparent.
Chaque type d’émulsion possédant son propre seuil d’émulsification / cisaillement, auquel la taille et les caractéristiques optimales des gouttelettes sont obtenues, le réglage précis des paramètres de mélange est crucial. Un cisaillement trop faible produit des gouttelettes trop grosses, qui coalescent rapidement et entraînent une séparation des phases, tandis qu’un cisaillement trop élevé peut détruire le produit. Les mélangeurs à ultrasons à haut cisaillement peuvent être contrôlés et réglés avec précision en fonction des besoins du procédé.
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Mélangeur à ultrasons à haut cisaillement UP200Ht pour l’émulsification
Mélangeurs à ultrasons à haut cisaillement pour le mélange et la dissolution
Les mélangeurs à ultrasons à haut cisaillement sont utilisés pour mélanger, broyer, disperser et dissoudre des particules telles que les poudres, les pigments et les fibres, selon un procédé rapide, fiable et simple. La cavitation générée par les ultrasons augmente le transfert de matière entre les solides et le liquide. La cavitation ultrasonore exerce un effet important sur les particules solides : les écoulements liquides de cavitation érodent la surface des solides et transportent les fragments érodés dans le liquide, produisant ainsi une suspension homogène.
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Applications des mélangeurs à ultrasons à haut cisaillement
- Broyage et réduction granulométrique
- Désagglomération et dispersion
- Émulsification
- Dissolution de poudres
- Amélioration du transfert de matière
- Réactions sonochimiques
La SonoStation – un système à ultrasons comprenant 2x 2kW d’appareils à ultrasons, une cuve agitée et une pompe – est un système facile à utiliser pour les applications de mélange, de broyage et de dispersion.
Des mélangeurs à haut cisaillement de toutes tailles
Hielscher Ultrasonics conçoit, fabrique et distribue des mélangeurs à haut cisaillement haute performance, depuis les appareils de laboratoire compacts mais puissants jusqu’aux mélangeurs à haut cisaillement pilotes et industriels destinés au traitement de flux de grand volume à l’échelle de la production commerciale.
Mélangeurs à haut cisaillement pour le laboratoire
Les mélangeurs à ultrasons à sonde sont des outils bien établis dans tous les laboratoires. Puisque les procédés ultrasonores peuvent être transposés de manière linéaire à de grands volumes, les mélangeurs à ultrasons à haut cisaillement Hielscher sont idéaux pour développer et optimiser votre procédé à petite échelle. Une fois les paramètres optimaux du procédé établis, votre application de mélange peut ensuite être transposée de manière linéaire à l’échelle pilote et à la production en grande quantité.
Hielscher propose des mélangeurs à ultrasons à haut cisaillement pour les travaux à l’échelle du laboratoire, avec une puissance de mélange ultrasonore allant de 50 à 400 watts.
Mélangeurs à haut cisaillement pour l’industrie
Les mélangeurs industriels à haut cisaillement Hielscher sont des processeurs à ultrasons de forte puissance conçus pour broyer, disperser, émulsifier et mélanger d’importants flux de suspensions dans des conditions de service intensif. Ces mélangeurs industriels traitent facilement des concentrations élevées en solides et des particules abrasives. Les sondes (sonotrodes) des mélangeurs industriels à ultrasons à haut cisaillement sont équipées d’une bride permettant d’intégrer le mélangeur dans des cuves en acier, des récipients en verre ou des conteneurs en plastique, quelle que soit leur orientation. Cela permet de mettre sous pression le récipient de sonication. La mise sous pression du récipient à ultrasons ou de la cellule à circulation intensifie la cavitation acoustique et, par conséquent, le procédé de mélange ultrasonore. Hielscher Ultrasonics propose des mélangeurs industriels à haut cisaillement de 500 à 16 000 watts. Avec le UIP16000, Hielscher propose le mélangeur à ultrasons à haut cisaillement le plus puissant au monde.
Des matériaux très visqueux ? – Aucun problème ! Tous les processeurs à ultrasons Hielscher des catégories de paillasse et industrielles peuvent facilement traiter des suspensions visqueuses allant jusqu’à 250 000 centipoises. Pour des viscosités supérieures à 2 000 cPs, nous recommandons l’utilisation de cellules à circulation associées à des pompes à cavité progressive afin d’améliorer le couplage des ondes ultrasonores dans le fluide.
Comment trouver le mélangeur à ultrasons à haut cisaillement adapté ?
Hielscher Ultrasonics est un fabricant disposant d’une longue expérience dans les systèmes de mélange à ultrasons à haut cisaillement puissants et fiables, utilisés pour disperser et fragmenter des particules, préparer des nanoémulsions ou dissoudre des poudres dans des liquides. Leader du marché des mélangeurs à ultrasons, Hielscher conçoit, fabrique et distribue des mélangeurs à ultrasons à haut cisaillement et des homogénéisateurs, depuis les équipements de laboratoire et de paillasse jusqu’aux installations pilotes et entièrement industrielles.
Répondre aux questions suivantes vous aidera à trouver le mélangeur à haut cisaillement le mieux adapté à votre procédé :
- Quelle est votre application cible ?
- Quel est le volume habituel à traiter ?
- Quels sont les facteurs critiques du procédé ?
- Quelles normes de qualité doivent être respectées ?
Notre personnel bien formé et expérimenté vous accompagnera pour toute question et pour la conception de votre procédé de mélange. Hielscher Ultrasonics propose des conseils approfondis sur le traitement par ultrasons afin d’aider ses clients à trouver le mélangeur à ultrasons à haut cisaillement le mieux adapté. Le service de Hielscher va plus loin : nous formons nos clients dans leurs propres installations ou dans notre laboratoire de procédés ultrasonores et notre centre technique pour les accompagner dans le développement, l’optimisation et la mise à l’échelle de leurs procédés.
Les processeurs industriels à ultrasons de Hielscher Ultrasonics fournissent facilement les amplitudes très élevées nécessaires pour fragmenter les particules dures et les agglomérats ou pour traiter des suspensions à forte concentration en solides. Les mélangeurs industriels Hielscher fonctionnent facilement à des amplitudes allant jusqu’à 200µm, en continu, en fonctionnement 24/7. Si certains procédés nécessitent des amplitudes encore plus élevées, des sondes ultrasonores sur mesure sont disponibles. Des accessoires tels que des amplificateurs d’amplitude, des cellules à circulation, des réacteurs de sonication et des installations complètes de recirculation sont facilement disponibles et permettent de configurer votre système de mélange à ultrasons de façon optimale pour répondre aux exigences de votre procédé. Toutes les sonotrodes et tous les réacteurs, qui sont les seules pièces en contact avec le milieu, permettent le CIP/SIP (nettoyage et stérilisation en place).
Des mélangeurs à ultrasons à haut cisaillement sophistiqués
Hielscher Ultrasonics se concentre sur des désintégrateurs cellulaires haute performance offrant une facilité d’utilisation maximale et des avancées techniques de pointe. Cela signifie que les standards des désintégrateurs de laboratoire Hielscher intègrent de plus en plus les fonctions intelligentes des machines industrielles. L’utilisateur peut contrôler les appareils à ultrasons numériques Hielscher à distance via un navigateur. Le logiciel d’enregistrement automatique des données consigne tous les paramètres ultrasonores importants, tels que la puissance nette, la puissance totale, l’amplitude, la température, la pression, l’heure et la date, dans un fichier CSV sur une carte SD intégrée. En outre, le désintégrateur à ultrasons peut être programmé pour s’arrêter automatiquement après une durée définie ou un apport d’énergie spécifique, ou pour fonctionner selon des modes de sonication pulsée. Des capteurs de température et de pression enfichables permettent de suivre attentivement les conditions de l’échantillon. Le contrôle de la température des matériaux thermosensibles étant un facteur crucial pour la qualité des résultats du procédé, Hielscher propose diverses solutions pour maintenir la température du procédé dans la plage visée.
Les fonctions sophistiquées des appareils à ultrasons Hielscher assurent un contrôle maximal du procédé, des résultats de sonication fiables et reproductibles, une grande facilité d’utilisation et un bon confort de travail.
Qualité – Fabriqué en Allemagne
Entreprise familiale détenue et dirigée par la famille, Hielscher donne la priorité aux normes de qualité les plus élevées pour ses processeurs à ultrasons. Tous les appareils à ultrasons sont conçus, fabriqués et rigoureusement testés à notre siège de Teltow, près de Berlin, en Allemagne. La robustesse et la fiabilité des équipements à ultrasons Hielscher en font des outils infatigables pour votre production. Le fonctionnement 24/7 à pleine charge et dans des environnements exigeants est une caractéristique naturelle des mélangeurs haute performance Hielscher.
Vous pouvez acheter des mélangeurs à ultrasons à haut cisaillement Hielscher de toutes tailles et configurés pour votre procédé. Du traitement des fluides dans un petit bécher de laboratoire au mélange en continu de suspensions à l’échelle industrielle, Hielscher Ultrasonics vous propose un mélangeur à haut cisaillement adapté ! Contactez-nous – nous serons heureux de vous recommander l’installation de mélange à ultrasons idéale !
Le tableau ci-dessous vous donne une indication de la capacité de traitement approximative de nos appareils à ultrasons :
| Volume par lot | Débit | Appareils recommandés |
|---|---|---|
| 1 à 500mL | 10 à 200mL/min | UP100H |
| 10 à 2000mL | 20 à 400mL/min | UP200Ht, UP400St |
| 0,1 à 20L | 0,2 à 4L/min | UIP2000hdT |
| 10 à 100L | 2 à 10L/min | UIP4000hdT |
| s.o. | 10 à 100L/min | UIP16000 |
| s.o. | supérieur | ensemble de UIP16000 |
Contactez-nous ! / Posez-nous vos questions !
Homogénéisateurs à ultrasons de forte puissance, de l’échelle du laboratoire à l’échelle pilote et à l’échelle industrielle.
Informations utiles
Les appareils à ultrasons et leur utilisation comme mélangeurs à haut cisaillement
Les appareils à ultrasons sont des dispositifs à sonde caractérisés par la transmission des vibrations ultrasonores dans le milieu à traiter au moyen d’une sonde ultrasonore. La sonde, également appelée sonotrode, est une tige en titane qui vibre à une fréquence ultrasonore, par exemple 20kHz. Vibrer à 20 kHz signifie que la surface horizontale de la sonde se dilate et se contracte 20 000 fois par seconde. Ces mouvements rapides dans la gamme des fréquences ultrasonores, à l’extrémité de la sonde, sont couplés au fluide. Dans le fluide, les ondes ultrasonores se propagent à travers le milieu et génèrent des cycles alternés de haute pression / basse pression. Pendant le cycle de basse pression, de minuscules bulles de vide apparaissent et grossissent au fil de plusieurs cycles de pression, jusqu’à atteindre un point où elles ne peuvent plus absorber d’énergie supplémentaire. Au point de croissance maximale, la bulle de cavitation éclate violemment. L’implosion produit un champ à forte densité énergétique, avec des températures et des pressions très élevées, des différentiels de température et de pression correspondants, des écoulements liquides dont les vitesses atteignent 180m/sec et des turbulences. Cette énergie de cavitation exerce un effet important sur les liquides et les suspensions, donnant des résultats remarquables en matière de mélange, d’homogénéisation, de broyage, de dispersion et d’émulsification. Les mélangeurs à ultrasons à haut cisaillement produisent facilement des particules et des gouttelettes de taille nanométrique avec une distribution de taille des particules / gouttelettes très étroite.
Découvrez ici les différences entre le traitement par cavitation ultrasonore / acoustique et le traitement par cavitation hydrodynamique !
Secteurs courants d’utilisation des mélangeurs à ultrasons à haut cisaillement
- Dispersion, dissolution et mélange de formulations solide/liquide
- Émulsification
- Science des matériaux
- Préparation des échantillons avant analyse
- Applications des nanoparticules
- Fonctionnalisation des particules
- Réactions de transfert de phase
Bibliographie / Références
- Pohl M.; Schubert H. (2004): Dispersion and deagglomeration of nanoparticles in aqueous solutions. International Congress for Particle Technology PARTEC 2004; Nuremberg, Germany.
- Thomas Leong, Muthupandian Ashokkumar, Sandra Kentish(2011): The Fundamentals of Power Ultrasound. – A Review. Acoustics Australia, 54 – Vol. 39 August 2011.
- Karl A. Kusters, Sotiris E. Pratsinis, Steven G. Thoma, Douglas M. Smith (1994): Energy-size reduction laws for ultrasonic fragmentation. Powder Technology, Volume 80, Issue 3, September 1994. 253-263.
- Pekarovicova, A.; Pekarovic, J. (2009): Emerging Pigment Dispersion Technologies. Pira International (2009).
- S.E. Karekar; B.A. Bhanvase; S.H. Sonawane; M.P. Deosarkar; D.V. Pinjari; A.B. Pandit(2014): Synthesis of zinc molybdate and zinc phosphomolybdate nanopigments by an ultrasound assisted route: Advantage over conventional method. Chemical Engineering and Processing 87; Nov. 2014.