Désaération hautement efficace des liquides par ultrasons

Alors que le dégazage ou l’élimination des gaz est souvent une étape de procédé extrêmement chronophage, la sonication peut accélérer considérablement la coalescence des bulles de gaz et leur remontée. Le dégazage par ultrasons peut être utilisé dans des configurations en batch et en ligne et peut également être combiné à des techniques de dégazage conventionnelles telles que le barbotage de gaz inertes, les dégazeurs à turbine, le chauffage ou le vide afin d’améliorer l’efficacité et la rapidité de l’élimination des gaz.

Éliminer les gaz des liquides

Les termes désaération, dégazage et élimination des gaz désignent l’élimination des gaz libres et dissous, en particulier des gaz réactifs tels que l’oxygène ou le CO2, d’un fluide. L’élimination de l’oxygène est importante pour prévenir des modifications préjudiciables du produit final et améliorer le traitement en aval. Le dégazage est une étape de traitement nécessaire pour de nombreuses applications et industries. Dans la fabrication industrielle, le dégazage est une étape de procédé courante pour garantir la stabilité, la qualité et la constance des normes du produit. L’oxygène est un facteur qui influence la qualité et la stabilité du produit à différents niveaux.
C’est pourquoi la désaération est une étape de procédé établie dans les industries agroalimentaire et des boissons, chimique, pharmaceutique et cosmétique. Mais en laboratoire également, les échantillons nécessitent souvent un dégazage avant analyse (par ex. avant HPLC, dosages, mesures de particules, etc.).
Souvent, les procédés de mélange utilisant par ex. des mélangeurs à lames à fort cisaillement ou à turbine rotative rendent nécessaire un dégazage ultérieur du produit, car ces techniques de mélange introduisent généralement de grandes quantités de gaz dans le produit. Ces inclusions de gaz et d’air ont généralement des effets négatifs sur le produit, car elles peuvent rendre les graisses et les huiles rances et détériorer les produits par oxydation, décoloration et altérations indésirables de l’odeur et du goût. Comme les produits dégazés sont chimiquement plus stables et ont une durée de conservation plus longue, le dégazage est une étape de traitement essentielle qui exige une technique fiable.

Dégazage par ultrasons : des bulles de gaz piégées sont éliminées de l’huile à l’aide de l’ultrasonicateur UP400St

Dégazage et désaération par ultrasons

Le dégazage et la désaération par ultrasons constituent une alternative très performante aux méthodes traditionnelles de dégazage des liquides, qui comprennent l’ébullition, la réduction de la pression jusqu’au vide ou le barbotage de gaz inertes. Ces méthodes de dégazage traditionnelles présentent souvent des inconvénients tels que la dégradation thermique (due au chauffage), un traitement long et énergivore et/ou une élimination insuffisante des gaz. Le dégazage par ultrasons repose sur le principe de fonctionnement de la cavitation acoustique. Lorsque des ondes ultrasonores de haute puissance sont couplées dans un liquide, celui-ci est respectivement comprimé et détendu au cours de cycles de haute pression et de basse pression. Pendant les cycles de basse pression, de minuscules bulles de vide (appelées bulles de cavitation) se forment et grossissent sur plusieurs cycles de pression. Au cours de ces cycles de croissance des bulles, les gaz dissous dans le liquide pénètrent dans la bulle de vide, de sorte que la bulle de vide se transforme en bulles de gaz croissantes. En outre, les micro-turbulences et les jets de liquide provoquent une agitation et un transfert de masse intenses. Ces conditions générées par ultrasons provoquent la coalescence des bulles de gaz, c’est-à-dire la réunion de petites bulles de gaz dissous en bulles de gaz plus grosses, qui remontent rapidement à la surface du liquide, où elles quittent le liquide.
Les variations de température causées par la vibration ultrasonore et la cavitation sont confinées à de très petits espaces locaux et l’élévation de température dans le volume total peut être négligée, car elle n’affecte pas la qualité du produit.

Diminution de l’oxygène dissous au cours du temps pour une fréquence ultrasonore de 24 kHz avec le sonicateur UP400ST à des amplitudes de 100 %, 80 %, 60 %, 40% et 20 %.
Étude : ©Rognerud et al., 2020.

Selon le volume, la viscosité et les inclusions de gaz du liquide ou de la suspension, la désaération par ultrasons peut être réalisée en batch ou en ligne. Une sonde à ultrasons de haute puissance émet de la cavitation acoustique dans le liquide, de sorte que celui-ci est efficacement dégazé.
Le dégazage par ultrasons peut également être mis en œuvre pour améliorer des systèmes de dégazage déjà existants tels que le chauffage, le vide ou le barbotage.
Le dégazage et le démoussage par ultrasons sont utilisés à l’échelle industrielle pour éliminer les gaz dissous de l’eau, des huiles, des aliments et boissons, des solutions chimiques, des fluides hydrauliques, des liquides de refroidissement, des fluides de forage, du pétrole brut, des émulsions, des peintures, des encres, des adhésifs, des vernis, des revêtements, des époxy, des shampooings, des détergents et de nombreux autres produits.

Dégazage par ultrasons à l’aide d’une configuration avec cellule à circulation. Cette expérience consistait en une boucle d’eau prototype à petite échelle d’un volume de 0,8 gallon, avec un débit de gaz inerte de 0,2 sfcm/min et une intensité de 275 W/cm2. Elle montre une réduction du temps d’élimination de l’oxygène d’environ 70%.
Étude et image : Rubio et al. 2016

Dégazage par ultrasons dans une configuration en ligne utilisant l’ultrasonicateur UIP1000hdT avec cellule à circulation.

Barbotage amélioré par ultrasons

Le barbotage de liquides avec un gaz inerte (également appelé purge au gaz inerte) est un traitement courant pour éliminer du liquide les gaz indésirables tels que l’oxygène et le dioxyde de carbone. Pour les applications de barbotage, l’azote, l’argon, l’hélium et d’autres gaz inertes sont couramment utilisés. Faire buller une solution avec un gaz de haute pureté (généralement inerte) permet d’extraire des gaz dissous indésirables, généralement réactifs, tels que l’oxygène et le dioxyde de carbone. Le procédé de barbotage repose sur le transfert de masse et constitue en soi une procédure assez lente. Afin d’intensifier le barbotage avec des gaz inertes, la solution liquide-gaz est souvent agitée vigoureusement et soumise au bullage pendant longtemps. La sonication est une technique d’intensification du dégazage qui améliore le transfert de masse et, par conséquent, le barbotage de manière significative. Lorsque des ondes ultrasonores de haute puissance sont couplées dans des liquides ou des suspensions, des bulles de cavitation sont générées. Ces bulles de cavitation fragmentent les grosses bulles de gaz de purge en petites bulles et dispersent les bulles uniformément, ce qui se traduit par des effets de dégazage plus rapides et plus nets. L’agitation et les turbulences intenses créées par la sonication favorisent le transfert de masse gaz-liquide et donc l’élimination rapide des gaz indésirables.
Afin d’accélérer la procédure de barbotage et de la rendre plus efficace, des ultrasons haute performance sont utilisés pour améliorer de manière sonomécanique les performances de transfert de masse entre le gaz et le liquide. Les effets sonomécaniques générés par la cavitation acoustique comprennent des différentiels locaux de pression et de température, des microturbulences et de l’agitation. Ces forces améliorent les performances de dégazage en contribuant à une augmentation du transfert de masse diffusif grâce à la fragmentation des bulles, à leur dispersion et à l’augmentation consécutive de la surface interfaciale, ce qui aboutit finalement à une élimination rapide des gaz piégés dans le liquide.
Pour obtenir les effets de dégazage souhaités, une sonication de haute puissance est nécessaire. Lorsqu’un liquide est soumis à un barbotage avec un gaz inerte dans un écoulement diphasique, la diffusion rectifiée est recherchée pour augmenter le transfert de masse et le taux d’élimination des gaz dissous. L’application de la diffusion rectifiée peut être difficile, car les bulles de gaz piégé et dissous ont tendance à éviter de pénétrer dans le champ de cavitation ultrasonore à des intensités plus faibles. Cependant, à des intensités élevées (supérieures à 300 W/cm² à env. 20 kHz), les bulles de gaz n’évitent plus la zone de cavitation et sont fragmentées par les forces sonomécaniques. (cf. Jagannathan et al. 2011)

Systèmes de dégazage par ultrasons de haute puissance

Hielscher Ultrasonics est un fabricant de longue expérience d’équipements à ultrasons haute performance utilisés dans le monde entier en laboratoire et en production industrielle. Le dégazage des liquides et des suspensions est une application exigeante qui nécessite des sondes à ultrasons de haute puissance capables de coupler des amplitudes établies dans les liquides afin d’éliminer les bulles de gaz piégées et les poches d’air. Tous les appareils à ultrasons Hielscher sont conçus et fabriqués pour fonctionner 24/7 à pleine charge. Des processeurs à ultrasons sont disponibles, des ultrasonicateurs de laboratoire compacts de 50 watts jusqu’aux puissants systèmes à ultrasons en ligne de 16 000 watts. Une grande variété de boosters, de sonotrodes et de cellules à circulation permet de configurer individuellement un système de dégazage par ultrasons en fonction du liquide, de la viscosité et des inclusions de gaz.
Pour la désaération et le dégazage des métaux liquides, des amplitudes réglées et maintenues avec précision sont nécessaires. Hielscher Ultrasonics fabrique des sondes à ultrasons haute performance spécifiées pour des amplitudes et des températures très optimisées pour le procédé. Si votre application de dégazage requiert des spécifications inhabituelles, des sonotrodes à ultrasons sur mesure sont disponibles. La robustesse des équipements à ultrasons de Hielscher permet un fonctionnement 24/7 en service intensif et dans des environnements exigeants.

Batch et en ligne

Les sondes à ultrasons Hielscher pour le dégazage peuvent être utilisées pour le dégazage et la désaération en batch et en continu en ligne. Selon le volume, la viscosité et les gaz piégés, nous vous recommanderons la configuration de dégazage par ultrasons la plus appropriée.

Sondes à ultrasons pour le dégazage de tout volume

La gamme de produits de Hielscher Ultrasonics couvre tout le spectre des processeurs à ultrasons, des ultrasonicateurs de laboratoire compacts aux processeurs à ultrasons entièrement industriels capables de traiter des camions-citernes entiers par heure, en passant par les systèmes de paillasse et pilotes. Cette gamme complète nous permet de vous proposer l’équipement de dégazage par ultrasons le plus adapté à votre liquide, à votre capacité de traitement et à vos objectifs de production.

Des amplitudes contrôlables avec précision pour des résultats optimaux

Tous les systèmes de dégazage par ultrasons Hielscher sont contrôlables avec précision et constituent ainsi des bêtes de somme fiables. L’amplitude est l’un des paramètres de procédé déterminants qui influencent l’efficacité et l’efficience du dégazage induit de manière sonomécanique. Tous les processeurs de Hielscher Ultrasonics permettent un réglage précis de l’amplitude. Les sonotrodes et les boosters sont des accessoires qui permettent de modifier l’amplitude dans une plage encore plus large. Les processeurs à ultrasons industriels de Hielscher peuvent délivrer des amplitudes très élevées et fournir l’intensité ultrasonore requise pour les applications exigeantes. Des amplitudes allant jusqu’à 200µm peuvent être facilement maintenues en continu en fonctionnement 24/7.
Le réglage précis de l’amplitude et la surveillance permanente des paramètres du procédé ultrasonique via un logiciel intelligent vous permettent d’ajuster les paramètres du procédé ultrasonique pour un dégazage par ultrasons le plus efficace possible. Une sonication optimale pour une élimination des gaz hautement efficace !
La robustesse des équipements à ultrasons de Hielscher permet un fonctionnement 24/7 en service intensif et dans des environnements exigeants. Cela fait des équipements à ultrasons de Hielscher un outil de travail fiable qui répond aux exigences de votre procédé de désaération.

Qualité supérieure – conçu et fabriqué en Allemagne

En tant qu’entreprise familiale détenue et dirigée par la famille, Hielscher accorde la priorité aux normes de qualité les plus élevées pour ses processeurs à ultrasons. Tous les ultrasonicateurs sont conçus, fabriqués et minutieusement testés dans notre siège à Teltow, près de Berlin, en Allemagne. La robustesse et la fiabilité des équipements à ultrasons de Hielscher en font une bête de somme dans votre production. Le fonctionnement 24/7 à pleine charge et dans des environnements exigeants est une caractéristique naturelle des dégazeurs haute performance de Hielscher.