Wysoce wydajne odpowietrzanie cieczy za pomocą ultradźwięków

Chociaż odgazowywanie lub usuwanie gazów jest często niezwykle czasochłonnym etapem procesu, sonikacja może znacznie przyspieszyć koalescencję pęcherzyków gazu i ich unoszenie się. Ultradźwiękowe usuwanie gazów można stosować w układach do przetwarzania okresowego i przepływowego, a także łączyć z konwencjonalnymi technikami odgazowywania, takimi jak przedmuchiwanie gazami obojętnymi, odgazowywacze wirnikowe, ogrzewanie lub próżnia, aby zwiększyć wydajność i szybkość usuwania gazów.

Usuwanie gazów z cieczy

Terminy odpowietrzanie, odgazowywanie i usuwanie gazów odnoszą się do usuwania z płynu gazów wolnych i rozpuszczonych, szczególnie gazów reaktywnych, takich jak tlen lub CO2. Eliminacja tlenu jest ważna, aby zapobiegać niekorzystnym zmianom produktu końcowego i usprawniać dalsze przetwarzanie. Odgazowywanie jest niezbędnym etapem przetwarzania w wielu zastosowaniach i branżach. W produkcji przemysłowej odgazowywanie jest powszechnym etapem procesu, zapewniającym stabilność i jakość produktu oraz stałe utrzymanie standardów produktu. Tlen jest czynnikiem wpływającym na jakość i stabilność produktu na różnych poziomach.
Dlatego odpowietrzanie jest ugruntowanym etapem procesu w przemyśle spożywczym i napojowym, chemicznym, farmaceutycznym i kosmetycznym. Również w laboratoriach próbki często wymagają odgazowania przed analizą (np. przed HPLC, oznaczeniami, pomiarami cząstek itp.).
Procesy mieszania z użyciem np. mieszadeł łopatkowych o wysokim ścinaniu lub mieszadeł wirnikowych często wymagają późniejszego odgazowania produktu, ponieważ te techniki mieszania zwykle wprowadzają do produktu duże ilości gazów. Takie wtrącenia gazów i powietrza zazwyczaj negatywnie wpływają na produkt, ponieważ mogą powodować jełczenie tłuszczów i olejów oraz pogarszać właściwości produktów wskutek utleniania, zmian barwy i niepożądanych zmian zapachu i smaku.  Ponieważ odgazowane produkty są bardziej stabilne chemicznie i mają dłuższy okres przydatności do użycia, odgazowywanie jest niezbędnym etapem przetwarzania, wymagającym niezawodnej techniki.
 

Odgazowywanie ultradźwiękowe: uwięzione pęcherzyki gazu są usuwane z oleju za pomocą sonikatora UP400St

Ultradźwiękowe odgazowywanie i odpowietrzanie

Ultradźwiękowe odgazowywanie i odpowietrzanie jest wysoce skuteczną alternatywą dla tradycyjnych metod odgazowywania cieczy, obejmujących gotowanie, obniżanie ciśnienia do próżni lub przedmuchiwanie gazami obojętnymi. Te tradycyjne metody odgazowywania często wiążą się z wadami, takimi jak degradacja termiczna (wskutek ogrzewania), czasochłonne i energochłonne przetwarzanie lub niewystarczające usuwanie gazów. Odgazowywanie ultradźwiękowe opiera się na zasadzie działania kawitacji akustycznej. Gdy fale ultradźwiękowe o dużej mocy są sprzęgane z cieczą, ciecz jest odpowiednio sprężana i rozprężana podczas cykli wysokiego i niskiego ciśnienia. Podczas cykli niskiego ciśnienia powstają maleńkie pęcherzyki próżniowe (tak zwane pęcherzyki kawitacyjne), które rosną przez kilka cykli ciśnienia. Podczas tych cykli wzrostu pęcherzyków gazy rozpuszczone w cieczy przenikają do pęcherzyka próżniowego, przez co pęcherzyk próżniowy przekształca się w rosnące pęcherzyki gazu. Ponadto mikroturbulencje i strugi cieczy powodują intensywne mieszanie i transport masy. Te warunki wytwarzane przez ultradźwięki powodują koalescencję pęcherzyków gazu, czyli łączenie się małych pęcherzyków rozpuszczonego gazu w większe pęcherzyki gazu, które szybko unoszą się na powierzchnię cieczy, gdzie ją opuszczają.
Zmiany temperatury wywołane drganiami ultradźwiękowymi i kawitacją ograniczają się do bardzo małych lokalnych obszarów, a wzrost temperatury w całej objętości można pominąć, ponieważ nie wpływa on na jakość produktu.
 

Spadek zawartości rozpuszczonego tlenu w czasie przy częstotliwości ultradźwięków 24 kHz z użyciem sonikatora UP400ST przy amplitudach 100 %, 80 %, 60 %, 40% i 20 %.
Badanie: ©Rognerud et al., 2020.

 
W zależności od objętości, lepkości i wtrąceń gazowych w cieczy lub zawiesinie odpowietrzanie ultradźwiękowe można prowadzić jako proces okresowy lub przepływowy. Sonda ultradźwiękowa o dużej mocy emituje kawitację akustyczną do cieczy, dzięki czemu ciecz jest skutecznie odgazowywana.
Odgazowywanie ultradźwiękowe można również wdrożyć w celu usprawnienia już istniejących systemów odgazowywania, takich jak ogrzewanie, próżnia lub przedmuchiwanie gazem.
Ultradźwiękowe odgazowywanie i odpienianie stosuje się na skalę przemysłową do usuwania rozpuszczonych gazów z wody, olejów, żywności i napojów, roztworów chemicznych, płynów hydraulicznych, chłodziw, płuczek wiertniczych, ropy naftowej, emulsji, farb, tuszów, klejów, lakierów, powłok, żywic epoksydowych, szamponów, detergentów i wielu innych produktów.
 

Odgazowywanie ultradźwiękowe z użyciem układu z komorą przepływową. W tym eksperymencie wykorzystano prototypowy obieg wody w małej skali o objętości 0,8 galona, natężeniu przepływu gazu obojętnego 0,2 sfcm/min i natężeniu 275 W/cm2. Wykazano skrócenie czasu usuwania tlenu o około 70%.
Badanie i zdjęcie: Rubio et al. 2016

Odgazowywanie ultradźwiękowe w układzie przepływowym za pomocą sonikatora UIP1000hdT z komorą przepływową.

Przedmuchiwanie gazem wspomagane ultradźwiękami

Przedmuchiwanie cieczy gazem obojętnym (znane również jako przepłukiwanie gazem obojętnym) jest powszechnym zabiegiem służącym do usuwania z cieczy niepożądanych gazów, takich jak tlen i dwutlenek węgla. Do przedmuchiwania powszechnie stosuje się azot, argon, hel i inne gazy obojętne. Przepuszczanie przez roztwór pęcherzyków gazu o wysokiej czystości (zazwyczaj obojętnego) może usuwać niepożądane, zazwyczaj reaktywne gazy rozpuszczone, takie jak tlen i dwutlenek węgla. Proces przedmuchiwania opiera się na transporcie masy i sam w sobie jest dość powolną procedurą. Aby zintensyfikować przedmuchiwanie gazami obojętnymi, roztwór ciecz–gaz jest często intensywnie mieszany i przez długi czas przepuszcza się przez niego pęcherzyki gazu. Sonikacja jest techniką intensyfikującą odgazowywanie, która usprawnia transport masy, a tym samym znacznie usprawnia przedmuchiwanie. Gdy fale ultradźwiękowe o dużej mocy są sprzęgane z cieczami lub zawiesinami, powstają pęcherzyki kawitacyjne. Te pęcherzyki kawitacyjne rozbijają większe pęcherzyki gazu przepłukującego na małe pęcherzyki i równomiernie je rozpraszają, co prowadzi do szybszego i dokładniejszego odgazowywania. Intensywne mieszanie i turbulencje wytwarzane przez sonikację wspomagają transport masy między gazem a cieczą, a tym samym szybkie usuwanie niepożądanych gazów.
Aby przyspieszyć procedurę przedmuchiwania i zwiększyć jej wydajność, stosuje się ultradźwięki o wysokiej wydajności do sonomechanicznego usprawnienia transportu masy między gazem a cieczą. Efekty sonomechaniczne generowane przez kawitację akustyczną obejmują lokalne różnice ciśnienia i temperatury, mikroturbulencje oraz mieszanie. Siły te poprawiają wydajność odgazowywania, przyczyniając się do zwiększenia dyfuzyjnego transportu masy wskutek rozbijania pęcherzyków, ich rozpraszania i wynikającego z tego zwiększenia powierzchni międzyfazowej, co ostatecznie prowadzi do szybkiego usuwania uwięzionych gazów z cieczy.
Aby uzyskać pożądane efekty usuwania gazów, wymagana jest sonikacja o dużej mocy. Gdy ciecz jest przedmuchiwana gazem obojętnym w przepływie dwufazowym, pożądana jest dyfuzja rektyfikowana w celu zwiększenia transportu masy i szybkości usuwania rozpuszczonych gazów. Wykorzystanie dyfuzji rektyfikowanej może być trudne, ponieważ uwięzione pęcherzyki gazu i pęcherzyki rozpuszczonego gazu mają tendencję do unikania wnikania w pole kawitacji ultradźwiękowej przy niższych natężeniach. Jednak przy podwyższonych natężeniach (wyższych niż 300 W/cm² przy około 20 kHz) pęcherzyki gazu przestają unikać strefy kawitacji i są rozbijane przez siły sonomechaniczne. (por. Jagannathan et al. 2011)

Ultradźwiękowe systemy odgazowywania o dużej mocy

Hielscher Ultrasonics jest producentem z wieloletnim doświadczeniem w wytwarzaniu urządzeń ultradźwiękowych o wysokiej wydajności, które są wykorzystywane na całym świecie w laboratoriach i produkcji przemysłowej. Odgazowywanie cieczy i zawiesin jest wymagającym zastosowaniem, do którego potrzebne są sondy ultradźwiękowe o dużej mocy, zdolne do sprzęgania z cieczami drgań o ustalonych amplitudach w celu usuwania uwięzionych pęcherzyków gazu i kieszeni powietrznych. Wszystkie urządzenia ultradźwiękowe Hielscher są projektowane i produkowane z myślą o pracy 24/7 przy pełnym obciążeniu. Procesory ultradźwiękowe są dostępne w zakresie od kompaktowych sonikatorów laboratoryjnych o mocy 50 watów po potężne przepływowe systemy ultradźwiękowe o mocy 16 000 watów. Szeroki wybór wzmacniaczy amplitudy, sonotrod i komór przepływowych umożliwia indywidualną konfigurację systemu odgazowywania ultradźwiękowego odpowiednio do cieczy, lepkości i wtrąceń gazowych.
Do odpowietrzania i usuwania gazów z ciekłych metali wymagane są precyzyjnie ustawione i utrzymywane amplitudy. Hielscher Ultrasonics produkuje sondy ultradźwiękowe o wysokiej wydajności, których specyfikacja obejmuje amplitudy i temperatury w bardzo wysokim stopniu zoptymalizowane pod kątem procesu. Jeśli zastosowanie odgazowywania wymaga nietypowej specyfikacji, dostępne są sonotrody ultradźwiękowe wykonywane na zamówienie. Wytrzymałość urządzeń ultradźwiękowych Hielscher umożliwia pracę 24/7 przy dużym obciążeniu i w wymagających warunkach.

Przetwarzanie okresowe i przepływowe

Sondy ultradźwiękowe Hielscher do odgazowywania można stosować do okresowego oraz ciągłego przepływowego odgazowywania i odpowietrzania. W zależności od objętości, lepkości i uwięzionych gazów zalecimy najbardziej odpowiedni układ ultradźwiękowego usuwania gazów.

Sondy ultradźwiękowe do odgazowywania dowolnej objętości

Asortyment Hielscher Ultrasonics obejmuje pełne spektrum procesorów ultradźwiękowych: od kompaktowych sonikatorów laboratoryjnych, przez systemy stołowe i pilotażowe, po w pełni przemysłowe procesory ultradźwiękowe zdolne do przetwarzania w ciągu godziny objętości odpowiadających ładunkom ciężarówek. Pełny asortyment pozwala nam zaoferować najbardziej odpowiednie urządzenia do odgazowywania ultradźwiękowego, dostosowane do danej cieczy, wydajności procesu i celów produkcyjnych.

Precyzyjnie regulowane amplitudy dla optymalnych wyników

Wszystkie systemy odgazowywania ultradźwiękowego Hielscher umożliwiają precyzyjną regulację i dzięki temu są niezawodnymi urządzeniami do intensywnej pracy. Amplituda jest jednym z kluczowych parametrów procesu wpływających na wydajność i skuteczność odgazowywania indukowanego sonomechanicznie. Wszystkie procesory Hielscher Ultrasonics umożliwiają precyzyjne ustawienie amplitudy. Sonotrody i wzmacniacze amplitudy to akcesoria pozwalające modyfikować amplitudę w jeszcze szerszym zakresie. Przemysłowe procesory ultradźwiękowe Hielscher mogą zapewniać bardzo wysokie amplitudy i dostarczać wymagane natężenie ultradźwięków w wymagających zastosowaniach. Amplitudy do 200µm można z łatwością utrzymywać w ciągłej pracy 24/7.
Precyzyjne ustawienia amplitudy i stałe monitorowanie parametrów procesu ultradźwiękowego za pomocą inteligentnego oprogramowania umożliwiają dostosowanie parametrów procesu ultradźwiękowego w celu uzyskania najskuteczniejszego odgazowywania ultradźwiękowego. Optymalna sonikacja zapewniająca wysoce wydajne usuwanie gazów!
Wytrzymałość urządzeń ultradźwiękowych Hielscher umożliwia pracę 24/7 przy dużym obciążeniu i w wymagających warunkach. Dzięki temu urządzenia ultradźwiękowe Hielscher są niezawodnym narzędziem pracy spełniającym wymagania procesu odpowietrzania.

Najwyższa jakość – zaprojektowane i wyprodukowane w Niemczech

Jako firma rodzinna, będąca własnością rodziny i przez nią zarządzana, Hielscher priorytetowo traktuje najwyższe standardy jakości swoich procesorów ultradźwiękowych. Wszystkie sonikatory są projektowane, produkowane i dokładnie testowane w naszej siedzibie w Teltow niedaleko Berlina w Niemczech. Wytrzymałość i niezawodność urządzeń ultradźwiękowych Hielscher sprawiają, że są one urządzeniami do intensywnej pracy w produkcji. Praca 24/7 przy pełnym obciążeniu i w wymagających warunkach jest naturalną cechą odgazowywaczy Hielscher o wysokiej wydajności.