초음파를 이용한 고효율 액체 탈기

탈기 또는 가스 방출은 흔히 시간이 매우 많이 소요되는 공정 단계이지만, 초음파 처리는 기포의 합체와 상승을 크게 가속할 수 있습니다. 초음파 탈기는 배치 및 인라인 구성에서 사용할 수 있으며, 가스 제거의 효율과 속도를 높이기 위해 불활성 가스 살포, 임펠러 탈기 장치, 가열 또는 진공과 같은 기존 탈기 기술과 결합할 수도 있습니다.

액체에서 가스 제거

탈기, 가스 제거 및 가스 방출이라는 용어는 유체에서 유리 가스와 용존 가스, 특히 산소나 CO2와 같은 반응성 가스를 제거하는 것을 의미합니다. 산소 제거는 최종 제품의 유해한 변화를 방지하고 후속 공정을 개선하는 데 중요합니다. 탈기는 많은 응용 분야와 산업에서 필수적인 공정 단계입니다. 산업 생산에서 탈기는 제품 안정성과 품질을 확보하고 제품 기준을 일관되게 유지하기 위한 일반적인 공정 단계입니다. 산소는 여러 수준에서 제품의 품질과 안정성에 영향을 미치는 요인입니다.
따라서 탈기는 식음료, 화학, 제약 및 화장품 산업에서 확립된 공정 단계입니다. 실험실에서도 시료는 분석 전에 탈기가 필요한 경우가 많습니다(예: HPLC, 분석 시험, 입자 측정 등).
예를 들어 고전단 블레이드 믹서나 회전식 임펠러 믹서를 사용하는 혼합 공정은 일반적으로 제품에 다량의 가스를 유입시키므로, 혼합 후 제품의 탈기가 필요한 경우가 많습니다. 이러한 가스 및 공기 혼입은 유지류를 산패시키고 산화, 변색, 원치 않는 냄새와 맛의 변화를 통해 제품을 열화시킬 수 있으므로 대개 제품에 부정적인 영향을 미칩니다.  탈기된 제품은 화학적으로 더 안정적이고 보관 수명이 더 길기 때문에, 탈기는 신뢰할 수 있는 기술이 필요한 필수 공정 단계입니다.
 

초음파 탈기: 오일에 갇힌 기포는 초음파 처리기 UP400St를 사용하여 제거됩니다

초음파 가스 제거 및 탈기

초음파 가스 제거 및 탈기는 끓이기, 진공 상태로의 감압 또는 불활성 가스 살포를 포함하는 기존 액체 탈기 방법을 대체할 수 있는 매우 강력한 방법입니다. 이러한 기존 탈기 방법에는 열적 분해(가열로 인한), 시간과 에너지가 많이 소요되는 처리 및/또는 불충분한 가스 제거와 같은 단점이 따르는 경우가 많습니다. 초음파 탈기는 음향 캐비테이션의 작동 원리를 기반으로 합니다. 고출력 초음파가 액체에 전달되면 고압 주기와 저압 주기 동안 액체가 각각 압축되고 팽창합니다. 저압 주기에는 미세한 진공 기포(이른바 캐비테이션 기포)가 생성되며, 이 기포는 여러 압력 주기에 걸쳐 성장합니다. 이러한 기포 성장 주기 동안 액체의 용존 가스가 진공 기포 안으로 들어가 진공 기포가 성장하는 가스 기포로 변합니다. 또한 미세 난류와 액체 제트는 강한 교반과 물질 전달을 일으킵니다. 초음파로 생성된 이러한 조건은 작은 용존 가스 기포가 더 큰 가스 기포로 합쳐지는 기포 합체를 일으키며, 이 큰 기포는 액체 표면으로 빠르게 상승하여 액체에서 빠져나갑니다.
초음파 진동과 캐비테이션으로 인한 온도 변화는 매우 작은 국소 공간에 국한되며, 전체 부피의 온도 상승은 제품 품질에 영향을 미치지 않으므로 무시할 수 있습니다.
 

초음파 처리기 UP400ST를 사용하여 초음파 주파수 24 kHz, 진폭 100 %, 80 %, 60 %, 40% 및 20 %에서 시간에 따라 감소하는 용존 산소.
연구: ©Rognerud et al., 2020.

 
액체 또는 슬러리의 부피, 점도 및 기체 함유 상태에 따라 초음파 탈기를 배치 또는 인라인 공정으로 수행할 수 있습니다. 고출력 초음파 프로브가 액체 내부에 음향 캐비테이션을 발생시켜 액체를 효율적으로 탈기합니다.
초음파 탈기는 가열, 진공 또는 스파징과 같은 기존 탈기 시스템을 개선하는 데에도 적용할 수 있습니다.
초음파 탈기 및 소포는 물, 오일, 식품 및 음료, 화학 용액, 유압유, 냉각액, 시추 유체, 원유, 에멀션, 페인트, 잉크, 접착제, 바니시, 코팅제, 에폭시, 샴푸, 세제 및 기타 여러 제품에서 용존 기체를 제거하기 위해 산업 규모로 사용됩니다.
 

플로우 셀 구성을 이용한 초음파 탈기. 이 실험에서는 부피가 0.8 갤런인 소규모 물 순환 회로 시제품을 사용했으며, 불활성 기체 유량은 0.2 sfcm/min, 강도는 275 W/cm2였습니다. 이 결과는 산소 제거 시간이 약 70% 단축되었음을 보여줍니다.
연구 및 사진: Rubio et al. 2016

초음파 처리기 UIP1000hdT와 플로우 셀을 사용하는 인라인 구성의 초음파 탈기.

초음파로 강화된 스파징

불활성 기체로 액체를 스파징하는 처리(불활성 기체 퍼징이라고도 함)는 액체에서 산소와 이산화탄소 같은 원치 않는 기체를 제거하는 일반적인 처리 방법입니다. 스파징에는 질소, 아르곤, 헬륨 및 기타 불활성 기체가 일반적으로 사용됩니다. 고순도 기체(일반적으로 불활성 기체)를 용액에 기포 형태로 주입하면 산소와 이산화탄소 같은 원치 않는 용존 기체를 제거할 수 있으며, 이러한 용존 기체는 일반적으로 반응성을 띱니다. 스파징 공정은 물질 전달에 의존하며 그 자체로는 상당히 느린 공정입니다. 불활성 기체를 이용한 스파징을 강화하기 위해 액체–기체 용액을 강하게 교반하고 장시간 기포를 주입하는 경우가 많습니다. 초음파 처리는 물질 전달을 개선하여 스파징을 크게 향상시키는 탈기 강화 기법입니다. 고출력 초음파를 액체 또는 슬러리에 전달하면 캐비테이션 기포가 생성됩니다. 이러한 캐비테이션 기포는 큰 퍼지 기체 기포를 작은 기포로 분해하고 기포를 균일하게 분산시켜 더 빠르고 깨끗한 탈기 효과를 제공합니다. 초음파 처리로 생성되는 강한 교반과 난류는 기체–액체 간 물질 전달을 촉진하여 원치 않는 기체를 신속하게 제거합니다.
스파징 공정을 가속하고 효율을 높이기 위해 고성능 초음파를 사용하여 기체와 액체 사이의 물질 전달 성능을 초음파의 기계적 작용으로 개선합니다. 음향 캐비테이션이 생성하는 초음파의 기계적 효과에는 국소적인 압력 및 온도 차이, 미세 난류와 교반이 포함됩니다. 이러한 힘은 기포 분해, 분산 및 이에 따른 계면적 증가를 통해 확산에 의한 물질 전달 증가에 기여하여 탈기 성능을 개선하며, 궁극적으로 액체에 갇힌 기체를 신속하게 제거합니다.
원하는 탈기 효과를 얻으려면 고출력 초음파 처리가 필요합니다. 이상 유동에서 액체를 불활성 기체로 스파징할 때 용존 기체의 물질 전달 및 제거 속도를 높이려면 정류 확산이 바람직합니다. 낮은 강도에서는 갇힌 기체 기포와 용존 기체 기포가 초음파 캐비테이션 영역으로 들어가는 것을 피하는 경향이 있으므로 정류 확산을 적용하기 어려울 수 있습니다. 그러나 높은 강도(300 W/cm² 초과, 약 20 kHz)에서는 기체 기포가 더 이상 캐비테이션 영역을 피하지 않으며 초음파의 기계적 힘에 의해 분해됩니다. (참조: Jagannathan et al. 2011)

고출력 초음파 탈기 시스템

Hielscher Ultrasonics는 전 세계의 실험실과 산업 생산 현장에서 사용되는 고성능 초음파 장비를 제조하는 오랜 경험의 제조업체입니다. 액체와 슬러리의 탈기는 까다로운 응용 분야로, 포집된 기포와 공기 주머니를 제거하기 위해 설정된 진폭의 초음파를 액체에 전달할 수 있는 고출력 초음파 프로브가 필요합니다. 모든 Hielscher 초음파 장치는 최대 부하에서 24/7 운전할 수 있도록 설계 및 제조됩니다. 초음파 프로세서는 소형 50 와트 실험실용 초음파 처리기부터 강력한 16,000와트 인라인 초음파 시스템까지 제공됩니다. 다양한 부스터 혼, 소노트로드 및 플로우 셀을 통해 액체, 점도 및 포집된 가스에 맞춰 초음파 탈기 시스템을 개별적으로 구성할 수 있습니다.
액체 금속의 탈기와 탈기체에는 정밀하게 설정되고 유지되는 진폭이 필요합니다. Hielscher Ultrasonics는 공정에 고도로 최적화된 진폭과 온도에 맞춰 사양이 정해진 고성능 초음파 프로브를 제조합니다. 탈기 응용 분야에 특수한 사양이 필요한 경우 맞춤형 초음파 소노트로드를 이용할 수 있습니다. Hielscher 초음파 장비의 견고함 덕분에 고부하 및 까다로운 환경에서도 24/7 운전이 가능합니다.

배치 및 인라인

Hielscher 탈기용 초음파 프로브는 배치 및 연속 인라인 탈기와 탈기체에 사용할 수 있습니다. 부피, 점도 및 포집된 가스에 따라 가장 적합한 초음파 탈기 구성을 추천해 드립니다.

모든 부피의 탈기를 위한 초음파 프로브

Hielscher Ultrasonics의 제품군은 소형 실험실용 초음파 처리기에서 벤치탑 및 파일럿 시스템을 거쳐 시간당 트럭 여러 대 분량을 처리할 수 있는 완전한 산업용 초음파 프로세서에 이르기까지 초음파 프로세서의 전체 범위를 포괄합니다. 이러한 전체 제품군을 통해 고객의 액체, 공정 처리 용량 및 생산 목표에 가장 적합한 초음파 탈기 장비를 제공할 수 있습니다.

최적의 결과를 위해 정밀하게 제어할 수 있는 진폭

모든 Hielscher 초음파 탈기 시스템은 정밀하게 제어할 수 있어 신뢰할 수 있는 주력 장비로 활용됩니다. 진폭은 초음파의 기계적 작용으로 유도되는 탈기의 효율과 효과에 영향을 미치는 핵심 공정 매개변수 중 하나입니다. Hielscher Ultrasonics의 모든 프로세서는 진폭을 정밀하게 설정할 수 있습니다. 소노트로드와 부스터 혼은 진폭을 훨씬 더 넓은 범위에서 조절할 수 있게 하는 액세서리입니다. Hielscher의 산업용 초음파 프로세서는 매우 높은 진폭을 제공하며 까다로운 응용 분야에 필요한 초음파 강도를 전달할 수 있습니다. 최대 200µm의 진폭에서도 24/7 연속 운전을 손쉽게 수행할 수 있습니다.
정밀한 진폭 설정과 스마트 소프트웨어를 통한 초음파 공정 매개변수의 상시 모니터링으로 초음파 공정 매개변수를 조절하여 가장 효과적인 초음파 탈기를 수행할 수 있습니다. 매우 효율적인 가스 제거를 위한 최적의 초음파 처리!
Hielscher 초음파 장비의 견고함 덕분에 고부하 및 까다로운 환경에서도 24/7 운전이 가능합니다. 따라서 Hielscher의 초음파 장비는 고객의 탈기 공정 요구사항을 충족하는 신뢰할 수 있는 작업 도구입니다.

최고 품질 – 독일에서 설계 및 제조

가족이 소유하고 경영하는 기업인 Hielscher는 초음파 프로세서에 대해 최고 수준의 품질 기준을 최우선으로 합니다. 모든 초음파 처리기는 독일 베를린 인근 텔토에 있는 본사에서 설계 및 제조되며 철저한 테스트를 거칩니다. Hielscher 초음파 장비의 견고함과 신뢰성은 생산 현장에서 주력 장비로 활약하게 합니다. 최대 부하와 까다로운 환경에서의 24/7 운전은 Hielscher 고성능 탈기 장치의 기본적인 특성입니다.