Visoko učinkovito odzračivanje tekućina pomoću ultrazvuka

Dok je otplinjavanje ili oslobađanje plinova često iznimno dugotrajan procesni korak, ultrazvučna obrada može ubrzati spajanje plinskih mjehurića i njihovo značajno povećanje. Ultrazvučno ispuštanje plinova može se koristiti u šaržnim i linijskim postavkama, a može se također kombinirati s konvencionalnim tehnikama otplinjavanja kao što su prskanje inertnim plinovima, otplinjači impelera, grijanje ili vakuum kako bi se povećala učinkovitost i brzina uklanjanja plina.

Uklanjanje plina iz tekućina

Pojmovi deaeracija, otplinjavanje i ispuštanje plinova odnose se na uklanjanje slobodnih i otopljenih plinova, posebno reaktivnih plinova kao što su kisik ili CO2, iz tekućine. Uklanjanje kisika važno je kako bi se spriječile štetne promjene krajnjeg proizvoda i poboljšala daljnja obrada. Otplinjavanje je neophodan korak obrade za mnoge primjene i industrije. U industrijskoj proizvodnji, otplinjavanje je uobičajeni korak procesa za osiguranje stabilnosti proizvoda, kvalitete i kontinuiranih standarda proizvoda. Kisik je čimbenik koji utječe na kvalitetu i stabilnost proizvoda na različitim razinama.
Stoga je odzračivanje ustaljeni korak procesa u hrani & industrija pića, kemijska, farmaceutska i kozmetička industrija. Ali iu laboratorijima, uzorci često zahtijevaju otplinjavanje prije analize (npr. prije HPLC-a, testova, mjerenja čestica itd.).
Često procesi miješanja koji koriste npr. mješalice s oštrim oštricama ili rotacijskim propelerom često zahtijevaju naknadno otplinjavanje proizvoda, budući da ove tehnike miješanja obično uvode velike količine plinova u proizvod. Takvi uključci plina i zraka obično imaju negativne učinke na proizvod, jer mogu uzrokovati užeglost masti i ulja, kvariti proizvode oksidacijom, gubiti boju i neželjene promjene mirisa i okusa. Budući da su otplinjeni proizvodi kemijski stabilniji i imaju duži rok trajanja, degazifikacija je bitan korak obrade koji zahtijeva pouzdanu tehniku.
 

Ultrazvučno otplinjavanje: iz ulja se uklanjaju zarobljeni mjehurići plina pomoću ultrazvučnog uređaja UP400St

Ultrazvučno otplinjavanje i odzračivanje

Ultrazvučno otplinjavanje i odzračivanje vrlo je snažna alternativa tradicionalnim metodama otplinjavanja tekućina koje uključuju kuhanje, smanjenje tlaka do vakuuma ili prskanje inertnim plinovima. Ove tradicionalne metode otplinjavanja često imaju nedostatke kao što su toplinska degradacija (zbog zagrijavanja), obrada koja zahtijeva mnogo vremena i energije i/ili nedovoljno uklanjanje plina. Ultrazvučno otplinjavanje temelji se na principu rada akustične kavitacije. Kada se ultrazvučni valovi velike snage spoje u tekućinu, tekućina se komprimira i širi tijekom ciklusa visokog i niskog tlaka. Tijekom ciklusa niskog tlaka stvaraju se sitni vakuumski mjehurići (tzv. kavitacijski mjehurići), koji rastu tijekom nekoliko ciklusa tlaka. Tijekom tih ciklusa rasta mjehurića, otopljeni plinovi u tekućini ulaze u vakuumski mjehurić, tako da se vakuumski mjehurić pretvara u rastuće plinske mjehuriće. Nadalje, mikro-turbulencije i mlazevi tekućine uzrokuju intenzivnu agitaciju i prijenos mase. Ovi ultrazvučno generirani uvjeti uzrokuju koalescenciju plinskih mjehurića, što je ujedinjenje malih otopljenih plinskih mjehurića u veće plinske mjehuriće, koji se brzo podižu na površinu tekućine, gdje napuštaju tekućinu.
Promjene temperature uzrokovane ultrazvučnim vibracijama i kavitacijom ograničene su na vrlo male lokalne prostore, a porast temperature u ukupnom volumenu može se zanemariti jer ne utječe na kvalitetu proizvoda.
 

Smanjenje otopljenog kisika s vremenom za ultrazvučnu frekvenciju od 24 kHz korištenjem sonikatora UP400ST pri amplitudama od 100 %, 80 %, 60 %, 40 % i 20 %.
Studija: ©Rognerud et al., 2020.

 
Ovisno o volumenu, viskoznosti i uključivanju plina u tekućini ili kaši, ultrazvučna deaeracija može se izvoditi kao šaržni ili inline proces. Ultrazvučna sonda velike snage emitira akustičnu kavitaciju u tekućinu, tako da se tekućina učinkovito otplinjuje.
Ultrazvučno otplinjavanje također se može implementirati za poboljšanje već postojećih sustava za otplinjavanje kao što su grijanje, vakuum ili prskanje.
Ultrazvučno otplinjavanje i uklanjanje pjene koristi se u industrijskim razmjerima za uklanjanje otopljenih plinova iz vode, ulja, hrane i pića, kemijskih otopina, hidrauličnih tekućina, rashladnih tekućina, tekućina za bušenje, sirove nafte, emulzija, boja, tinti, ljepila, lakova, premaza, epoksida, šamponi, deterdženti i mnogi drugi proizvodi.
 

Ultrazvučno otplinjavanje korištenjem protočne ćelije. Ovaj eksperiment bio je prototip male vodene petlje s volumenom od 0,8 galona, protokom inertnog plina od 0,2 sfcm/min i intenzitetom od 275 W/cm2. To pokazuje smanjenje vremena uklanjanja kisika za oko 70%.
Studija i slika: Rubio et al. 2016

Ultrazvučno otplinjavanje u inline postavci pomoću ultrasonicatora UIP1000hdT s protočnom ćelijom.

Ultrazvučno poboljšano prskanje

Prskanje tekućina inertnim plinom (također poznato kao pročišćavanje inertnim plinom) uobičajeni je tretman za uklanjanje neželjenih plinova kao što su kisik i ugljični dioksid iz tekućine. Za prskanje se obično koriste dušik, argon, helij i drugi inertni plinovi. Propuhivanje otopine plinom visoke čistoće (obično inertnim) može izvući neželjene, tipično reaktivne otopljene plinove poput kisika i ugljičnog dioksida. Proces prskanja oslanja se na prijenos mase i sam je prilično spor postupak. Kako bih intenzivirao prskanje inertnim plinovima, otopina tekućina-plin često se snažno miješa i dugo propušta mjehuriće. Ultrasonication je tehnika intenziviranja otplinjavanja, koja značajno poboljšava prijenos mase, a time i prskanje. Kada se ultrazvučni valovi velike snage spoje u tekućine ili kaše, stvaraju se kavitacijski mjehurići. Ovi kavitacijski mjehurići razbijaju veće mjehuriće plina za pročišćavanje u male mjehuriće i ravnomjerno raspršuju mjehuriće, što rezultira bržim i čišćim učinkom otplinjavanja. Intenzivna agitacija i turbulencije stvorene ultrazvučnom obradom promiču prijenos mase plin-tekućina i time brzo uklanjanje neželjenih plinova.
Kako bi se ubrzao i učinio postupak prskanja učinkovitijim, koristi se ultrazvuk visokih performansi za sonomehaničko poboljšanje performansi prijenosa mase između plina i tekućine. Sonomehanički učinci generirani akustičnom kavitacijom uključuju lokalne razlike tlaka i temperature, mikroturbulencije i agitaciju. Ove sile poboljšavaju izvedbu otplinjavanja pridonoseći povećanju difuzijskog prijenosa mase zbog pucanja mjehurića, disperzije i naknadnog povećanja međupovršinske površine, što konačno rezultira brzim uklanjanjem zarobljenih plinova iz tekućine.
Kako bi se postigli željeni učinci ispuštanja plinova, potrebna je ultrazvučna obrada velike snage. Kada se tekućina štedi s inertnim plinom u dvofaznom toku, potrebna je rektificirana difuzija kako bi se povećao prijenos mase i brzina uklanjanja otopljenih plinova. Primjena rektificirane difuzije može biti teška jer zarobljeni i otopljeni mjehurići plina nastoje izbjeći ulazak u polje ultrazvučne kavitacije pri nižim intenzitetima. Međutim, kod povišenih intenziteta (većih od 300 W/cm² na cca. 20 kHz) mjehurići plina više ne izbjegavaju zonu kavitacije i razbijaju se sonomehaničkim silama. (usp. Jagannathan et al. 2011.)

Ultrazvučni sustavi za otplinjavanje velike snage

Hielscher Ultrasonics je dugogodišnji proizvođač ultrazvučne opreme visokih performansi koja se koristi diljem svijeta u laboratorijima i industrijskoj proizvodnji. Otplinjavanje tekućina i mulja je zahtjevna primjena koja zahtijeva ultrazvučne sonde velike snage koje mogu spojiti utvrđene amplitude u tekućine kako bi se uklonili zarobljeni mjehurići plina i zračni džepovi. Svi Hielscher ultrazvučni uređaji dizajnirani su i proizvedeni za rad 24/7 pod punim opterećenjem. Ultrazvučni procesori dostupni su od kompaktnih laboratorijskih ultrazvučnih uređaja od 50 W do moćnih inline ultrazvučnih sustava od 16.000 W. Širok izbor pojačala, sonotroda i protočnih ćelija omogućuje individualno postavljanje ultrazvučnog sustava za otplinjavanje u skladu s tekućinom, viskoznošću i plinskim inkluzijama.
Za deaeraciju i ispuštanje tekućih metala potrebne su točno postavljene i održavane amplitude. Hielscher Ultrasonics proizvodi ultrazvučne sonde visokih performansi koje su specificirane za amplitude i temperature vrlo optimizirane za proces. Ako vaša aplikacija za otplinjavanje zahtijeva neobične specifikacije, dostupne su prilagođene ultrazvučne sonotrode. Robusnost Hielscherove ultrazvučne opreme omogućuje 24/7 rad pri teškim uvjetima rada iu zahtjevnim okruženjima.

batch i inline

Hielscher ultrazvučne sonde za degazifikaciju mogu se koristiti za serijsku i kontinuiranu inline degazifikaciju i deaeraciju. Ovisno o volumenu, viskoznosti i zarobljenim plinovima, preporučit ćemo vam najprikladniju postavku za ultrazvučno ispuštanje plinova.

Ultrazvučne sonde za otplinjavanje bilo kojeg volumena

Asortiman proizvoda Hielscher Ultrasonics pokriva cijeli spektar ultrazvučnih procesora od kompaktnih laboratorijskih ultrazvučnih uređaja preko stolnih i pilotskih sustava do potpuno industrijskih ultrazvučnih procesora s kapacitetom obrade tereta kamiona po satu. Cijeli asortiman proizvoda omogućuje nam da vam ponudimo najprikladniju ultrazvučnu opremu za otplinjavanje za vašu tekućinu, procesni kapacitet i proizvodne ciljeve.

Precizno kontrolirane amplitude za optimalne rezultate

Svi Hielscher ultrazvučni sustavi za otplinjavanje mogu se precizno kontrolirati i stoga su pouzdani radni konji. Amplituda je jedan od ključnih procesnih parametara koji utječu na učinkovitost i djelotvornost sonomehanički induciranog otplinjavanja. Sav Hielscher Ultrasonics’ procesori omogućuju precizno podešavanje amplitude. Sonotrode i booster rogovi su dodaci koji omogućuju izmjenu amplitude u još širem rasponu. Hielscherovi industrijski ultrazvučni procesori mogu isporučiti vrlo visoke amplitude i isporučiti potrebni ultrazvučni intenzitet za zahtjevne primjene. Amplitude do 200 µm mogu se lako neprekidno izvoditi u radu 24/7.
Precizne postavke amplitude i stalno praćenje parametara ultrazvučnog procesa putem pametnog softvera daju vam mogućnost podešavanja parametara ultrazvučnog procesa za najučinkovitiju ultrazvučnu degazifikaciju. Optimalna sonikacija za vrlo učinkovito uklanjanje plinova!
Robusnost Hielscherove ultrazvučne opreme omogućuje 24/7 rad pri teškim uvjetima rada iu zahtjevnim okruženjima. To čini Hielscherovu ultrazvučnu opremu pouzdanim radnim alatom koji ispunjava vaše zahtjeve procesa odzračivanja.

Najviša kvaliteta – Dizajnirano i proizvedeno u Njemačkoj

Kao tvrtka u obiteljskom vlasništvu, Hielscher daje prioritet najvišim standardima kvalitete za svoje ultrazvučne procesore. Svi ultrazvučni uređaji dizajnirani su, proizvedeni i temeljito testirani u našem sjedištu u Teltowu u blizini Berlina, Njemačka. Robusnost i pouzdanost Hielscherove ultrazvučne opreme čine je radnim konjem u vašoj proizvodnji. Rad 24/7 pod punim opterećenjem iu zahtjevnim okruženjima prirodna je karakteristika Hielscherovih visokoučinkovitih otplinjača.