Zeer efficiënte ontluchting van vloeistoffen met ultrasoon geluid

Hoewel ontgassing vaak een uiterst tijdrovende processtap is, kan ultrasone behandeling de coalescentie van gasbellen en het opstijgen ervan aanzienlijk versnellen. Ultrasone ontgassing kan worden toegepast in batch- en inline-opstellingen en kan ook worden gecombineerd met conventionele ontgassingstechnieken, zoals het doorleiden van inerte gassen, ontgassers met roerwielen, verwarming of vacuüm, om de efficiëntie en snelheid van de gasverwijdering te verhogen.

Gas uit vloeistoffen verwijderen

De termen ontluchting en ontgassing verwijzen naar het verwijderen van vrije en opgeloste gassen, met name reactieve gassen zoals zuurstof of CO2, uit een vloeistof. Het verwijderen van zuurstof is belangrijk om schadelijke veranderingen in het eindproduct te voorkomen en de verdere verwerking te verbeteren. Ontgassing is voor veel toepassingen en industrieën een noodzakelijke verwerkingsstap. Bij industriële productie is ontgassing een gebruikelijke processtap om productstabiliteit, kwaliteit en constante productnormen te waarborgen. Zuurstof is een factor die de productkwaliteit en -stabiliteit op verschillende niveaus beïnvloedt.
Daarom is ontluchting een gevestigde processtap in de voedingsmiddelen- en drankenindustrie en in de chemische, farmaceutische en cosmetische industrie. Maar ook in laboratoria moeten monsters vaak vóór de analyse worden ontgast (bijvoorbeeld vóór HPLC, assays, deeltjesmetingen enz.).
Mengprocessen met bijvoorbeeld bladmengers met hoge afschuiving of roterende roerwielmengers maken het vaak noodzakelijk om het product achteraf te ontgassen, omdat deze mengtechnieken doorgaans grote hoeveelheden gassen in het product brengen. Dergelijke gas- en luchtinsluitingen hebben meestal negatieve effecten op het product, doordat ze vetten en oliën ranzig kunnen maken en producten kunnen aantasten door oxidatie, verkleuring en ongewenste veranderingen in geur en smaak.  Omdat ontgaste producten chemisch stabieler zijn en langer houdbaar blijven, is ontgassing een essentiële verwerkingsstap die een betrouwbare techniek vereist.
 

Ultrasone ontgassing: ingesloten gasbellen worden uit olie verwijderd met de sonicator UP400St

Ultrasone ontgassing en ontluchting

Ultrasone ontgassing en ontluchting vormen een zeer krachtig alternatief voor traditionele methoden om vloeistoffen te ontgassen, waaronder koken, het verlagen van de druk tot vacuüm of het doorleiden van inerte gassen. Deze traditionele ontgassingsmethoden hebben vaak nadelen, zoals thermische afbraak (door verwarming), tijd- en energieverslindende verwerking en/of onvoldoende gasverwijdering. Ultrasone ontgassing is gebaseerd op het werkingsprincipe van akoestische cavitatie. Wanneer krachtige ultrasone golven in een vloeistof worden gekoppeld, wordt de vloeistof tijdens hogedrukcycli samengedrukt en tijdens lagedrukcycli uitgezet. Tijdens lagedrukcycli ontstaan minuscule vacuümbellen (zogeheten cavitatiebellen), die gedurende meerdere drukcycli groeien. Tijdens deze cycli van bellengroei dringen de opgeloste gassen in de vloeistof de vacuümbel binnen, waardoor de vacuümbellen veranderen in groeiende gasbellen. Bovendien veroorzaken microturbulenties en vloeistofstralen intense beweging en massaoverdracht. Deze ultrasoon opgewekte omstandigheden veroorzaken coalescentie van gasbellen: kleine opgeloste gasbellen verenigen zich tot grotere gasbellen, die snel naar het vloeistofoppervlak opstijgen en daar de vloeistof verlaten.
De temperatuurveranderingen die door ultrasone trillingen en cavitatie worden veroorzaakt, blijven beperkt tot zeer kleine lokale gebieden, en de temperatuurstijging in het totale volume kan worden verwaarloosd omdat deze de productkwaliteit niet beïnvloedt.
 

Afname van opgeloste zuurstof in de tijd bij een ultrasone frequentie van 24 kHz met de sonicator UP400ST bij amplitudes van 100 %, 80 %, 60 %, 40% en 20 %.
Onderzoek: ©Rognerud et al., 2020.

 
Afhankelijk van het volume, de viscositeit en de gasinsluitingen van de vloeistof of slurry kan ultrasone ontluchting als batch- of inline-proces worden uitgevoerd. Een krachtige ultrasone sonde zendt akoestische cavitatie uit in de vloeistof, waardoor de vloeistof efficiënt wordt ontgast.
Ultrasone ontgassing kan ook worden toegepast om bestaande ontgassingssystemen, zoals verwarming, vacuüm of het doorleiden van gas, te verbeteren.
Ultrasone ontgassing en ontschuiming worden op industriële schaal gebruikt om opgeloste gassen te verwijderen uit water, oliën, voedingsmiddelen en dranken, chemische oplossingen, hydraulische vloeistoffen, koelvloeistoffen, boorvloeistoffen, ruwe olie, emulsies, verven, inkten, lijmen, vernissen, coatings, epoxy’s, shampoos, reinigingsmiddelen en vele andere producten.
 

Ultrasone ontgassing met een opstelling met een doorstroomcel. Dit experiment betrof een prototype van een kleinschalig watercircuit met een volume van 0,8 gallon, een debiet van inert gas van 0,2 sfcm/min en een intensiteit van 275 W/cm2. Dit laat een vermindering van de tijd voor zuurstofverwijdering met ongeveer 70% zien.
Onderzoek en afbeelding: Rubio et al. 2016

Ultrasone ontgassing in een inline-opstelling met de sonicator UIP1000hdT met doorstroomcel.

Door ultrasoon geluid verbeterde gasdoorleiding

Het doorleiden van inert gas door vloeistoffen (ook bekend als spoelen met inert gas) is een gebruikelijke behandeling om ongewenste gassen zoals zuurstof en koolstofdioxide uit de vloeistof te verwijderen. Voor gasdoorleiding worden doorgaans stikstof, argon, helium en andere inerte gassen gebruikt. Het doorborrelen van een oplossing met een zeer zuiver (doorgaans inert) gas kan ongewenste, doorgaans reactieve opgeloste gassen zoals zuurstof en koolstofdioxide verwijderen. Het proces van gasdoorleiding berust op massaoverdracht en is op zichzelf een vrij langzame procedure. Om het doorleiden van inerte gassen te intensiveren, wordt de vloeistof-gasoplossing vaak krachtig in beweging gebracht en langdurig doorborreld. Ultrasone behandeling is een techniek die de ontgassing intensiveert en de massaoverdracht, en daarmee de gasdoorleiding, aanzienlijk verbetert. Wanneer krachtige ultrasone golven in vloeistoffen of slurry’s worden gekoppeld, ontstaan cavitatiebellen. Deze cavitatiebellen breken grotere bellen van het spoelgas op in kleine bellen en verdelen de bellen gelijkmatig, wat leidt tot snellere en schonere ontgassingseffecten. De intense beweging en turbulenties die door ultrasone behandeling ontstaan, bevorderen de massaoverdracht tussen gas en vloeistof en daarmee de snelle verwijdering van ongewenste gassen.
Om de gasdoorleiding te versnellen en efficiënter te maken, wordt ultrasoon geluid met hoge prestaties gebruikt om de massaoverdracht tussen gas en vloeistof sonomechanisch te verbeteren. De sonomechanische effecten die door akoestische cavitatie worden opgewekt, omvatten lokale druk- en temperatuurverschillen, microturbulenties en beweging. Deze krachten verbeteren de ontgassingsprestaties doordat ze bijdragen aan een toename van de diffusieve massaoverdracht door het opbreken en verspreiden van bellen en de daaropvolgende vergroting van het grensvlakoppervlak, wat uiteindelijk resulteert in een snelle verwijdering van ingesloten gassen uit de vloeistof.
Om de gewenste ontgassingseffecten te bereiken, is krachtige ultrasone behandeling vereist. Wanneer in een tweefasenstroming een inert gas door een vloeistof wordt geleid, is gerectificeerde diffusie gewenst om de massaoverdracht en de verwijderingssnelheid van opgeloste gassen te verhogen. Het toepassen van gerectificeerde diffusie kan moeilijk zijn omdat ingesloten en opgeloste gasbellen bij lagere intensiteiten de neiging hebben het ultrasone cavitatieveld te vermijden. Bij verhoogde intensiteiten (hoger dan 300 W/cm² bij circa 20 kHz) vermijden gasbellen de cavitatiezone echter niet meer en worden ze door sonomechanische krachten opgebroken. (vgl. Jagannathan et al. 2011)

Krachtige ultrasone ontgassingssystemen

Hielscher Ultrasonics is een fabrikant met jarenlange ervaring in ultrasone apparatuur met hoge prestaties die wereldwijd in laboratoria en industriële productie wordt gebruikt. Het ontgassen van vloeistoffen en slurry’s is een veeleisende toepassing waarvoor krachtige ultrasone sondes nodig zijn die trillingen met vastgestelde amplitudes in vloeistoffen kunnen koppelen om ingesloten gasbellen en luchtzakken te verwijderen. Alle ultrasone apparaten van Hielscher zijn ontworpen en vervaardigd voor 24/7-bedrijf onder volledige belasting. Ultrasone processoren zijn verkrijgbaar van compacte laboratoriumsonicators van 50 watt tot krachtige ultrasone inline-systemen van 16.000watt. Een breed scala aan boosterhoorns, sonotroden en doorstroomcellen maakt het mogelijk om een ultrasoon ontgassingssysteem individueel samen te stellen, afgestemd op de vloeistof, de viscositeit en de gasinsluitingen.
Voor het ontluchten en ontgassen van vloeibare metalen zijn nauwkeurig ingestelde en gehandhaafde amplitudes vereist. Hielscher Ultrasonics vervaardigt ultrasone sondes met hoge prestaties die zijn gespecificeerd voor amplitudes en temperaturen die in hoge mate voor het proces zijn geoptimaliseerd. Als uw ontgassingstoepassing ongebruikelijke specificaties vereist, zijn op maat gemaakte ultrasone sonotroden beschikbaar. De robuustheid van de ultrasone apparatuur van Hielscher maakt 24/7-bedrijf bij zware belasting en in veeleisende omgevingen mogelijk.

Batch en inline

Ultrasone sondes van Hielscher voor ontgassing kunnen worden gebruikt voor ontgassing en ontluchting in batches en in continue inline-processen. Afhankelijk van het volume, de viscositeit en de ingesloten gassen adviseren wij u de meest geschikte ultrasone ontgassingsopstelling.

Ultrasone sondes voor het ontgassen van elk volume

Het productassortiment van Hielscher Ultrasonics omvat het volledige spectrum aan ultrasone processoren, van compacte laboratoriumsonicators via tafelmodellen en pilotsystemen tot volledig industriële ultrasone processoren met de capaciteit om vrachtwagenladingen per uur te verwerken. Dankzij het volledige productassortiment kunnen wij u de meest geschikte ultrasone ontgassingsapparatuur aanbieden voor uw vloeistof, verwerkingscapaciteit en productiedoelstellingen.

Nauwkeurig regelbare amplitudes voor optimale resultaten

Alle ultrasone ontgassingssystemen van Hielscher zijn nauwkeurig regelbaar en daardoor betrouwbare werkpaarden. De amplitude is een van de cruciale procesparameters die de efficiëntie en doeltreffendheid van sonomechanisch opgewekte ontgassing beïnvloeden. Alle processoren van Hielscher Ultrasonics maken een nauwkeurige instelling van de amplitude mogelijk. Sonotroden en boosterhoorns zijn accessoires waarmee de amplitude over een nog groter bereik kan worden aangepast. De industriële ultrasone processoren van Hielscher kunnen zeer hoge amplitudes leveren en de vereiste ultrasone intensiteit voor veeleisende toepassingen bieden. Amplitudes tot 200µm kunnen gemakkelijk continu worden toegepast in 24/7-bedrijf.
Nauwkeurige amplitude-instellingen en de permanente bewaking van de ultrasone procesparameters via slimme software bieden u de mogelijkheid om de ultrasone procesparameters aan te passen voor de meest doeltreffende ultrasone ontgassing. Optimale sonicatie voor zeer efficiënte gasverwijdering!
De robuustheid van de ultrasone apparatuur van Hielscher maakt 24/7-bedrijf bij zware belasting en in veeleisende omgevingen mogelijk. Daardoor is de ultrasone apparatuur van Hielscher een betrouwbaar werktuig dat voldoet aan de eisen van uw ontluchtingsproces.

Hoogste kwaliteit – ontworpen en vervaardigd in Duitsland

Als familiebedrijf dat door de familie wordt geleid, geeft Hielscher voor zijn ultrasone processoren prioriteit aan de hoogste kwaliteitsnormen. Alle sonicators worden ontworpen, vervaardigd en grondig getest op ons hoofdkantoor in Teltow nabij Berlijn, Duitsland. De robuustheid en betrouwbaarheid van de ultrasone apparatuur van Hielscher maken deze tot een werkpaard in uw productie. 24/7-bedrijf onder volledige belasting en in veeleisende omgevingen is een vanzelfsprekende eigenschap van de ontgassers met hoge prestaties van Hielscher.