Visokoučinkovito odzračivanje tekućina ultrazvukom

Iako je otplinjavanje često iznimno dugotrajan procesni korak, ultrazvučna obrada može znatno ubrzati koalescenciju mjehurića plina i njihovo izdizanje. Ultrazvučno otplinjavanje može se primjenjivati u šaržnim i linijskim sustavima te se može kombinirati i s konvencionalnim tehnikama otplinjavanja kao što su propuhivanje inertnim plinovima, otplinjivači s rotorom, zagrijavanje ili vakuum kako bi se povećale učinkovitost i brzina uklanjanja plinova.

Uklanjanje plinova iz tekućina

Pojmovi odzračivanje, otplinjavanje i otpuštanje plinova odnose se na uklanjanje slobodnih i otopljenih plinova, osobito reaktivnih plinova poput kisika ili CO2, iz fluida. Uklanjanje kisika važno je za sprječavanje štetnih promjena konačnog proizvoda i poboljšanje daljnje obrade. Otplinjavanje je nužan korak obrade u mnogim primjenama i industrijama. U industrijskoj proizvodnji otplinjavanje je uobičajen procesni korak kojim se osiguravaju stabilnost i kvaliteta proizvoda te ujednačenost standarda proizvoda. Kisik je čimbenik koji utječe na kvalitetu i stabilnost proizvoda na različitim razinama.
Stoga je odzračivanje ustaljen procesni korak u prehrambenoj industriji i industriji pića te u kemijskoj, farmaceutskoj i kozmetičkoj industriji. No i u laboratorijima uzorke često treba otpliniti prije analize (npr. prije HPLC-a, ispitivanja, mjerenja čestica itd.).
Postupci miješanja koji uključuju, primjerice, lopatične miješalice s visokim smicanjem ili miješalice s rotirajućim rotorom često zahtijevaju naknadno otplinjavanje proizvoda jer te tehnike miješanja obično unose velike količine plinova u proizvod. Takve nakupine plina i zraka obično negativno utječu na proizvod jer mogu uzrokovati užeglost masti i ulja, kvarenje proizvoda oksidacijom, promjenu boje te neželjene promjene mirisa i okusa.  Budući da su otplinjeni proizvodi kemijski stabilniji i imaju dulji rok trajanja, otplinjavanje je ključan korak obrade koji zahtijeva pouzdanu tehniku.
 

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

Ultrazvučno otplinjavanje i odzračivanje

Ultrazvučno otplinjavanje i odzračivanje vrlo su djelotvorna alternativa tradicionalnim metodama otplinjavanja tekućina koje uključuju vrenje, snižavanje tlaka do vakuuma ili propuhivanje inertnim plinovima. Te tradicionalne metode otplinjavanja često imaju nedostatke poput toplinske razgradnje (zbog zagrijavanja), obrade koja zahtijeva mnogo vremena i energije i/ili nedovoljnog uklanjanja plinova. Ultrazvučno otplinjavanje temelji se na načelu djelovanja akustične kavitacije. Kada se ultrazvučni valovi velike snage uvode u tekućinu, tekućina se naizmjenično sabija tijekom ciklusa visokog tlaka i širi tijekom ciklusa niskog tlaka. Tijekom ciklusa niskog tlaka nastaju sićušni vakuumski mjehurići (takozvani kavitacijski mjehurići), koji rastu tijekom nekoliko tlačnih ciklusa. Tijekom tih ciklusa rasta mjehurića plinovi otopljeni u tekućini ulaze u vakuumski mjehurić, pa se vakuumski mjehurić pretvara u rastući mjehurić plina. Osim toga, mikroturbulencije i mlazovi tekućine uzrokuju intenzivno miješanje i prijenos mase. Ti uvjeti stvoreni ultrazvukom uzrokuju koalescenciju mjehurića plina, odnosno spajanje malih mjehurića otopljenog plina u veće mjehuriće plina, koji se brzo izdižu na površinu tekućine, gdje je napuštaju.
Promjene temperature uzrokovane ultrazvučnim vibracijama i kavitacijom ograničene su na vrlo mala lokalna područja, a porast temperature u ukupnom volumenu može se zanemariti jer ne utječe na kvalitetu proizvoda.
 

Smanjenje količine otopljenog kisika tijekom vremena pri ultrazvučnoj frekvenciji od 24 kHz uz primjenu sonikatora UP400ST pri amplitudama od 100 %, 80 %, 60 %, 40% i 20 %.
Studija: ©Rognerud et al., 2020.

 
Ovisno o volumenu, viskoznosti i plinskim uklopinama u tekućini ili suspenziji, ultrazvučno odzračivanje može se provoditi kao šaržni ili linijski proces. Ultrazvučna sonda velike snage emitira akustičnu kavitaciju u tekućinu, čime se tekućina učinkovito otplinjava.
Ultrazvučno otplinjavanje može se primijeniti i za poboljšanje već postojećih sustava za otplinjavanje, poput zagrijavanja, vakuuma ili propuhivanja plinom.
Ultrazvučno otplinjavanje i uklanjanje pjene primjenjuju se u industrijskim razmjerima za uklanjanje otopljenih plinova iz vode, ulja, hrane i pića, kemijskih otopina, hidrauličnih tekućina, rashladnih tekućina, bušaćih fluida, sirove nafte, emulzija, boja, tinti, ljepila, lakova, premaza, epoksidnih smola, šampona, deterdženata i mnogih drugih proizvoda.
 

Ultrazvučno otplinjavanje pomoću sustava s protočnom ćelijom. Ovaj je pokus proveden u prototipnom vodenom cirkulacijskom sustavu malih razmjera, volumena 0,8 gallon, uz protok inertnog plina od 0,2 sfcm/min i intenzitet od 275 W/cm2. Time se pokazuje smanjenje vremena potrebnog za uklanjanje kisika za oko 70%.
Istraživanje i slika: Rubio et al. 2016

Ultrazvučno otplinjavanje u linijskom sustavu pomoću ultrazvučnog uređaja UIP1000hdT s protočnom ćelijom.

Ultrazvučno poboljšano propuhivanje plinom

Propuhivanje tekućina inertnim plinom (poznato i kao ispiranje inertnim plinom) uobičajen je postupak uklanjanja neželjenih plinova, poput kisika i ugljikova dioksida, iz tekućine. Za propuhivanje se obično upotrebljavaju dušik, argon, helij i drugi inertni plinovi. Propuštanjem mjehurića plina visoke čistoće (obično inertnog) kroz otopinu mogu se izdvojiti neželjeni, obično reaktivni otopljeni plinovi, poput kisika i ugljikova dioksida. Proces propuhivanja oslanja se na prijenos tvari i sam je po sebi prilično spor postupak. Kako bi se intenziviralo propuhivanje inertnim plinovima, otopina tekućine i plina često se snažno miješa, a mjehurići plina propuštaju se kroz nju tijekom duljeg razdoblja. Ultrazvučna obrada tehnika je intenziviranja otplinjavanja koja znatno poboljšava prijenos tvari, a time i propuhivanje. Kada se ultrazvučni valovi velike snage uvode u tekućine ili suspenzije, nastaju kavitacijski mjehurići. Ti kavitacijski mjehurići razbijaju veće mjehuriće plina za ispiranje na male mjehuriće i ravnomjerno ih raspršuju, što rezultira bržim i čišćim otplinjavanjem. Intenzivno miješanje i turbulencije nastale ultrazvučnom obradom potiču prijenos tvari između plina i tekućine, a time i brzo uklanjanje neželjenih plinova.
Kako bi se postupak propuhivanja ubrzao i učinio učinkovitijim, primjenjuje se ultrazvuk visokih performansi za sonomehaničko poboljšanje prijenosa tvari između plina i tekućine. Sonomehanički učinci koje stvara akustična kavitacija uključuju lokalne razlike u tlaku i temperaturi, mikroturbulencije i miješanje. Te sile poboljšavaju učinkovitost otplinjavanja pridonoseći povećanju difuzijskog prijenosa tvari uslijed razbijanja mjehurića, raspršivanja i posljedičnog povećanja međufazne površine, što u konačnici rezultira brzim uklanjanjem zarobljenih plinova iz tekućine.
Za postizanje željenih učinaka otplinjavanja potrebna je ultrazvučna obrada velike snage. Kada se tekućina propuhuje inertnim plinom u dvofaznom toku, poželjna je rektificirana difuzija radi povećanja prijenosa tvari i brzine uklanjanja otopljenih plinova. Primjena rektificirane difuzije može biti otežana jer zarobljeni i otopljeni plinski mjehurići pri nižim intenzitetima imaju tendenciju izbjegavanja ulaska u polje ultrazvučne kavitacije. Međutim, pri povišenim intenzitetima (višim od 300 W/cm² pri približno 20 kHz) plinski mjehurići više ne izbjegavaju kavitacijsku zonu i razbijaju se sonomehaničkim silama. (usp. Jagannathan et al. 2011)

Ultrazvučni sustavi velike snage za otplinjavanje

Hielscher Ultrasonics proizvođač je s dugogodišnjim iskustvom u proizvodnji ultrazvučne opreme visokih performansi koja se upotrebljava diljem svijeta u laboratorijima i industrijskoj proizvodnji. Otplinjavanje tekućina i suspenzija zahtjevna je primjena za koju su potrebne ultrazvučne sonde velike snage koje mogu prenositi oscilacije zadanih amplituda u tekućine radi uklanjanja zarobljenih mjehurića plina i zračnih džepova. Svi ultrazvučni uređaji Hielscher projektirani su i proizvedeni za rad 24/7 pod punim opterećenjem. Ultrazvučni procesori dostupni su u rasponu od kompaktnih laboratorijskih ultrazvučnih uređaja snage 50 vata do snažnih ultrazvučnih sustava za rad u kontinuiranom protoku snage 16.000 vata. Širok izbor pojačivača amplitude, sonotroda i protočnih ćelija omogućuje pojedinačno konfiguriranje ultrazvučnog sustava za otplinjavanje u skladu s tekućinom, viskoznošću i prisutnim plinskim uklopcima.
Za odzračivanje i otplinjavanje tekućih metala potrebne su precizno postavljene i održavane amplitude. Hielscher Ultrasonics proizvodi ultrazvučne sonde visokih performansi specificirane za amplitude i temperature koje su u velikoj mjeri optimizirane za proces. Ako vaša primjena otplinjavanja zahtijeva neuobičajene specifikacije, dostupne su prilagođene ultrazvučne sonotrode. Robusnost ultrazvučne opreme Hielscher omogućuje rad 24/7 pod velikim opterećenjem i u zahtjevnim okruženjima.

Šaržni rad i rad u kontinuiranom protoku

Ultrazvučne sonde Hielscher za otplinjavanje mogu se upotrebljavati za šaržno otplinjavanje i odzračivanje te za kontinuirano otplinjavanje i odzračivanje u protoku. Ovisno o volumenu, viskoznosti i zarobljenim plinovima, preporučit ćemo vam najprikladniju konfiguraciju za ultrazvučno otplinjavanje.

Ultrazvučne sonde za otplinjavanje bilo kojeg volumena

Asortiman proizvoda Hielscher Ultrasonics obuhvaća cijeli raspon ultrazvučnih procesora, od kompaktnih laboratorijskih ultrazvučnih uređaja preko stolnih i pilot-sustava do potpuno industrijskih ultrazvučnih procesora s kapacitetom obrade kamionskih tereta na sat. Cjelovit asortiman proizvoda omogućuje nam da vam ponudimo najprikladniju opremu za ultrazvučno otplinjavanje za vašu tekućinu, kapacitet procesa i proizvodne ciljeve.

Precizno podesive amplitude za optimalne rezultate

Svim ultrazvučnim sustavima Hielscher za otplinjavanje može se precizno upravljati, što ih čini pouzdanim radnim alatima. Amplituda je jedan od ključnih procesnih parametara koji utječu na učinkovitost i djelotvornost sonomehanički potaknutog otplinjavanja. Svi procesori Hielscher Ultrasonics omogućuju precizno postavljanje amplitude. Sonotrode i pojačivači amplitude dodatna su oprema koja omogućuje promjenu amplitude u još širem rasponu. Industrijski ultrazvučni procesori Hielscher mogu postići vrlo visoke amplitude i osigurati potreban ultrazvučni intenzitet za zahtjevne primjene. Amplitude do 200µm mogu se lako kontinuirano održavati u radu 24/7.
Precizno postavljanje amplitude i stalno praćenje parametara ultrazvučnog procesa putem pametnog softvera omogućuju vam prilagodbu parametara ultrazvučnog procesa za najdjelotvornije ultrazvučno otplinjavanje. Optimalna sonikacija za visoko učinkovito uklanjanje plinova!
Robusnost ultrazvučne opreme Hielscher omogućuje rad 24/7 pod velikim opterećenjem i u zahtjevnim okruženjima. To ultrazvučnu opremu Hielscher čini pouzdanim radnim alatom koji ispunjava zahtjeve vašeg procesa odzračivanja.

Najviša kvaliteta – projektirano i proizvedeno u Njemačkoj

Kao poduzeće u obiteljskom vlasništvu i pod obiteljskim upravljanjem, Hielscher daje prednost najvišim standardima kvalitete za svoje ultrazvučne procesore. Svi ultrazvučni uređaji projektiraju se, proizvode i temeljito ispituju u našem sjedištu u Teltowu pokraj Berlina u Njemačkoj. Robusnost i pouzdanost ultrazvučne opreme Hielscher čine je pouzdanim radnim alatom u vašoj proizvodnji. Rad 24/7 pod punim opterećenjem i u zahtjevnim okruženjima prirodno je svojstvo uređaja Hielscher visokih performansi za otplinjavanje.