Desarejamento altamente eficiente de líquidos com ultrassons

Embora a desgaseificação ou a libertação de gases seja frequentemente uma etapa de processamento extremamente demorada, a ultrassonicação pode acelerar significativamente a coalescência das bolhas de gás e a sua subida. A libertação de gases por ultrassons pode ser utilizada em configurações por lotes e em linha e também pode ser combinada com técnicas convencionais de desgaseificação, como o borbulhamento com gases inertes, desgaseificadores com impulsores, aquecimento ou vácuo, para aumentar a eficiência e a velocidade de remoção dos gases.

Remoção de gases de líquidos

Os termos desarejamento, desgaseificação e libertação de gases referem-se à remoção de gases livres e dissolvidos, particularmente gases reativos como o oxigénio ou o CO2, de um fluido. A eliminação do oxigénio é importante para evitar alterações prejudiciais no produto final e melhorar o processamento a jusante. A desgaseificação é uma etapa de processamento necessária em muitas aplicações e indústrias. Na produção industrial, a desgaseificação é uma etapa comum de processamento para assegurar a estabilidade e a qualidade do produto e a manutenção dos padrões do produto. O oxigénio é um fator que influencia a qualidade e a estabilidade do produto a vários níveis.
Por conseguinte, o desarejamento é uma etapa de processamento estabelecida nas indústrias alimentar e de bebidas, química, farmacêutica e cosmética. Também nos laboratórios, as amostras necessitam frequentemente de desgaseificação antes da análise (por exemplo, antes de HPLC, ensaios, medições de partículas, etc.).
Os processos de mistura que utilizam, por exemplo, misturadores de lâminas de elevado cisalhamento ou de impulsores rotativos tornam frequentemente necessária a desgaseificação subsequente do produto, uma vez que estas técnicas de mistura introduzem habitualmente grandes quantidades de gases no produto. Estas inclusões de gás e ar têm geralmente efeitos negativos no produto, pois podem tornar as gorduras e os óleos rançosos, deteriorar os produtos por oxidação, provocar descoloração e alterações indesejadas do cheiro e do sabor.  Como os produtos desgaseificados são quimicamente mais estáveis e têm um prazo de conservação mais longo, a desgaseificação é uma etapa essencial de processamento que exige uma técnica fiável.
 

Desgaseificação ultrassónica: as bolhas de gás retidas são removidas do óleo utilizando o sonicador UP400St

Desgaseificação e desarejamento ultrassónicos

A desgaseificação e o desarejamento ultrassónicos constituem uma alternativa altamente eficaz aos métodos tradicionais de desgaseificação de líquidos, que incluem a ebulição, a redução da pressão até ao vácuo ou o borbulhamento com gases inertes. Estes métodos tradicionais de desgaseificação apresentam frequentemente desvantagens, como a degradação térmica (devido ao aquecimento), um processamento que consome tempo e energia e/ou uma remoção insuficiente de gases. A desgaseificação ultrassónica baseia-se no princípio de funcionamento da cavitação acústica. Quando ondas ultrassónicas de alta potência são acopladas a um líquido, este é comprimido e expandido durante os ciclos de alta pressão e baixa pressão, respetivamente. Durante os ciclos de baixa pressão, formam-se minúsculas bolhas de vácuo (as chamadas bolhas de cavitação), que crescem ao longo de vários ciclos de pressão. Durante esses ciclos de crescimento das bolhas, os gases dissolvidos no líquido entram na bolha de vácuo, de modo que esta se transforma em bolhas de gás em crescimento. Além disso, as microturbulências e os jatos de líquido provocam agitação intensa e transferência de massa. Estas condições geradas por ultrassons provocam a coalescência das bolhas de gás, ou seja, a união de pequenas bolhas de gás dissolvido em bolhas de gás maiores, que sobem rapidamente à superfície do líquido, onde saem do líquido.
As alterações de temperatura provocadas pela vibração ultrassónica e pela cavitação estão confinadas a espaços locais muito pequenos, e o aumento da temperatura no volume total pode ser desprezado, pois não interfere com a qualidade do produto.
 

Diminuição do oxigénio dissolvido ao longo do tempo para uma frequência ultrassónica de 24 kHz, utilizando o sonicador UP400ST com amplitudes de 100 %, 80 %, 60 %, 40% e 20 %.
Estudo: ©Rognerud et al., 2020.

 
Dependendo do volume, da viscosidade e das inclusões de gás no líquido ou na suspensão, o desarejamento ultrassónico pode ser realizado como processo por lotes ou em linha. Uma sonda ultrassónica de alta potência emite cavitação acústica para o líquido, de modo que este é desgaseificado de forma eficiente.
A desgaseificação ultrassónica também pode ser implementada para melhorar sistemas de desgaseificação já existentes, como o aquecimento, o vácuo ou o borbulhamento.
A desgaseificação e a eliminação de espuma por ultrassons são utilizadas à escala industrial para remover gases dissolvidos da água, de óleos, alimentos e bebidas, soluções químicas, fluidos hidráulicos, fluidos de refrigeração, fluidos de perfuração, petróleo bruto, emulsões, tintas, tintas de impressão, adesivos, vernizes, revestimentos, resinas epóxi, champôs, detergentes e muitos outros produtos.
 

Desgaseificação ultrassónica utilizando uma configuração com célula de fluxo. Esta experiência consistiu num protótipo de circuito de água de pequena escala com um volume de 0,8 galão, um caudal de gás inerte de 0,2 sfcm/min e uma intensidade de 275 W/cm2. Isto demonstra uma redução do tempo de remoção do oxigénio de cerca de 70%.
Estudo e imagem: Rubio et al. 2016

Desgaseificação ultrassónica numa configuração em linha utilizando o sonicador UIP1000hdT com célula de fluxo.

Borbulhamento intensificado por ultrassons

O borbulhamento de líquidos com gás inerte (também conhecido como purga com gás inerte) é um tratamento comum para remover gases indesejados, como o oxigénio e o dióxido de carbono, do líquido. Nas aplicações de borbulhamento, utilizam-se habitualmente azoto, árgon, hélio e outros gases inertes. Fazer borbulhar um gás de elevada pureza (normalmente inerte) numa solução pode extrair gases dissolvidos indesejados, normalmente reativos, como o oxigénio e o dióxido de carbono. O processo de borbulhamento baseia-se na transferência de massa e é, por si só, um procedimento bastante lento. Para intensificar o borbulhamento com gases inertes, a solução líquido-gás é frequentemente agitada vigorosamente e submetida a borbulhamento durante muito tempo. A ultrassonicação é uma técnica de intensificação da desgaseificação que melhora a transferência de massa e, consequentemente, o borbulhamento de forma significativa. Quando ondas ultrassónicas de alta potência são acopladas a líquidos ou suspensões, geram-se bolhas de cavitação. Estas bolhas de cavitação fragmentam as bolhas maiores do gás de purga em bolhas pequenas e dispersam as bolhas uniformemente, o que resulta em efeitos de desgaseificação mais rápidos e mais limpos. A agitação intensa e as turbulências criadas pela ultrassonicação promovem a transferência de massa gás-líquido e, consequentemente, a remoção rápida dos gases indesejados.
Para acelerar e tornar o procedimento de borbulhamento mais eficiente, utilizam-se ultrassons de alto desempenho para melhorar sonomecanicamente o desempenho da transferência de massa entre o gás e o líquido. Os efeitos sonomecânicos gerados pela cavitação acústica incluem diferenciais locais de pressão e temperatura, microturbulências e agitação. Estas forças melhoram o desempenho da desgaseificação ao contribuírem para um aumento da transferência de massa por difusão, devido à fragmentação das bolhas, à dispersão e ao subsequente aumento da área interfacial, que acabam por resultar numa remoção rápida dos gases retidos no líquido.
Para obter os efeitos desejados de libertação de gases, é necessária ultrassonicação de alta potência. Quando um líquido é submetido a borbulhamento com um gás inerte num fluxo bifásico, pretende-se obter difusão retificada para aumentar a transferência de massa e a taxa de remoção dos gases dissolvidos. A aplicação da difusão retificada pode ser difícil, porque as bolhas de gás retido e dissolvido tendem a evitar entrar no campo de cavitação ultrassónica a intensidades mais baixas. No entanto, a intensidades elevadas (superiores a 300 W/cm² a aprox. 20 kHz), as bolhas de gás deixam de evitar a zona de cavitação e são fragmentadas por forças sonomecânicas. (cf. Jagannathan et al. 2011)

Sistemas de desgaseificação ultrassónica de alta potência

A Hielscher Ultrasonics é um fabricante com longa experiência em equipamentos ultrassónicos de alto desempenho utilizados em todo o mundo em laboratórios e na produção industrial. A desgaseificação de líquidos e suspensões é uma aplicação exigente que requer sondas ultrassónicas de alta potência capazes de acoplar oscilações com amplitudes estabelecidas aos líquidos para remover bolhas de gás retidas e bolsas de ar. Todos os dispositivos ultrassónicos Hielscher são concebidos e fabricados para funcionar 24/7 em plena carga. Os processadores ultrassónicos estão disponíveis desde sonicadores laboratoriais compactos de 50 watts até potentes sistemas ultrassónicos em linha de 16 000watts. Uma ampla variedade de amplificadores de amplitude, sonotrodos e células de fluxo permite configurar individualmente um sistema de desgaseificação ultrassónica em função do líquido, da viscosidade e das inclusões de gás.
Para o desarejamento e a libertação de gases de metais líquidos, são necessárias amplitudes ajustadas e mantidas com precisão. A Hielscher Ultrasonics fabrica sondas ultrassónicas de alto desempenho especificadas para amplitudes e temperaturas altamente otimizadas para o processo. Se a sua aplicação de desgaseificação exigir especificações invulgares, estão disponíveis sonotrodos ultrassónicos personalizados. A robustez dos equipamentos ultrassónicos da Hielscher permite o funcionamento 24/7 em condições de serviço intenso e em ambientes exigentes.

Processamento por lotes e em linha

As sondas ultrassónicas Hielscher para desgaseificação podem ser utilizadas para desgaseificação e desarejamento por lotes e em linha contínua. Dependendo do volume, da viscosidade e dos gases retidos, recomendar-lhe-emos a configuração ultrassónica mais adequada para a libertação de gases.

Sondas ultrassónicas para desgaseificar qualquer volume

A gama de produtos da Hielscher Ultrasonics abrange todo o espectro de processadores ultrassónicos, desde sonicadores laboratoriais compactos, passando por sistemas de bancada e sistemas piloto, até processadores ultrassónicos totalmente industriais com capacidade para processar cargas de camião por hora. A gama completa de produtos permite-nos oferecer-lhe o equipamento de desgaseificação ultrassónica mais adequado ao seu líquido, à capacidade de processamento e aos objetivos de produção.

Amplitudes controláveis com precisão para resultados ótimos

Todos os sistemas de desgaseificação ultrassónica Hielscher podem ser controlados com precisão e são, por isso, equipamentos de trabalho fiáveis. A amplitude é um dos parâmetros de processo cruciais que influenciam a eficiência e a eficácia da desgaseificação induzida sonomecanicamente. Todos os processadores da Hielscher Ultrasonics permitem ajustar a amplitude com precisão. Os sonotrodos e os amplificadores de amplitude são acessórios que permitem modificar a amplitude numa gama ainda mais ampla. Os processadores ultrassónicos industriais da Hielscher podem fornecer amplitudes muito elevadas e a intensidade ultrassónica necessária para aplicações exigentes. É possível manter facilmente amplitudes de até 200µm de forma contínua em funcionamento 24/7.
O ajuste preciso da amplitude e a monitorização permanente dos parâmetros do processo ultrassónico através de software inteligente permitem-lhe ajustar os parâmetros do processo ultrassónico para obter a desgaseificação ultrassónica mais eficaz. Sonicação ótima para uma remoção de gases altamente eficiente!
A robustez dos equipamentos ultrassónicos da Hielscher permite o funcionamento 24/7 em condições de serviço intenso e em ambientes exigentes. Isto faz dos equipamentos ultrassónicos da Hielscher uma ferramenta de trabalho fiável que satisfaz os requisitos do seu processo de desarejamento.

A mais elevada qualidade – Concebidos e fabricados na Alemanha

Enquanto empresa de propriedade e gestão familiar, a Hielscher dá prioridade aos mais elevados padrões de qualidade para os seus processadores ultrassónicos. Todos os sonicadores são concebidos, fabricados e rigorosamente testados na nossa sede em Teltow, perto de Berlim, na Alemanha. A robustez e a fiabilidade dos equipamentos ultrassónicos da Hielscher fazem deles equipamentos de trabalho incansáveis na sua produção. O funcionamento 24/7 em plena carga e em ambientes exigentes é uma característica natural dos desgaseificadores de alto desempenho da Hielscher.