Dezaerarea foarte eficientă a lichidelor cu ajutorul ultrasunetelor

Deși degazarea sau eliminarea gazelor este adesea o etapă de proces extrem de consumatoare de timp, ultrasonicarea poate accelera semnificativ coalescența bulelor de gaz și ridicarea acestora. Eliminarea gazelor cu ultrasunete poate fi utilizată în configurații discontinue (batch) și inline și poate fi, de asemenea, combinată cu tehnici convenționale de degazare, cum ar fi barbotarea cu gaze inerte, degazoarele cu rotor (impeller), încălzirea sau vidul, pentru a spori eficiența și viteza de eliminare a gazelor.

Eliminarea gazelor din lichide

Termenii dezaerare, degazare și eliminarea gazelor se referă la îndepărtarea gazelor libere și dizolvate, în special a gazelor reactive precum oxigenul sau CO2, dintr-un fluid. Eliminarea oxigenului este importantă pentru a preveni modificările dăunătoare ale produsului final și pentru a îmbunătăți procesarea ulterioară (downstream). Degazarea este o etapă de procesare necesară pentru multe aplicații și industrii. În producția industrială, degazarea este o etapă de proces obișnuită pentru a asigura stabilitatea și calitatea produsului, precum și standarde constante ale produsului. Oxigenul este un factor care influențează calitatea și stabilitatea produsului la diferite niveluri.
Prin urmare, dezaerarea este o etapă de proces consacrată în industria alimentară și a băuturilor, chimică, farmaceutică și cosmetică. Dar și în laboratoare, probele necesită adesea degazare înainte de analiză (de ex., înainte de HPLC, teste analitice (assays), măsurători de particule etc.).
Adesea, procesele de amestecare care utilizează, de ex., mixere cu lame cu forfecare ridicată sau mixere cu agitator rotativ (impeller) fac necesară degazarea ulterioară a produsului, deoarece aceste tehnici de amestecare introduc de regulă cantități mari de gaze în produs. Astfel de incluziuni de gaz și aer au de obicei efecte negative asupra produsului, deoarece pot face ca grăsimile și uleiurile să devină râncede și pot deteriora produsele prin oxidare, decolorare și modificări nedorite ale mirosului și gustului. Deoarece produsele degazate sunt mai stabile din punct de vedere chimic și au o durată de valabilitate mai lungă, degazarea este o etapă de procesare esențială, care necesită o tehnică fiabilă.
 

Degazare cu ultrasunete: bulele de gaz captive sunt îndepărtate din ulei cu ajutorul ultrasonicatorului UP400St

Degazarea și dezaerarea cu ultrasunete

Degazarea și dezaerarea cu ultrasunete reprezintă o alternativă foarte puternică la metodele tradiționale de degazare a lichidelor, care includ fierberea, reducerea presiunii până la vid sau barbotarea cu gaze inerte. Aceste metode tradiționale de degazare prezintă adesea dezavantaje precum degradarea termică (din cauza încălzirii), procesarea consumatoare de timp și energie și/sau eliminarea insuficientă a gazelor. Degazarea cu ultrasunete se bazează pe principiul de funcționare al cavitației acustice. Atunci când undele ultrasonice de mare putere sunt cuplate într-un lichid, lichidul este comprimat și, respectiv, expandat în timpul ciclurilor de presiune înaltă și de presiune joasă. În timpul ciclurilor de presiune joasă se formează bule minuscule de vid (așa-numitele bule de cavitație), care cresc pe parcursul mai multor cicluri de presiune. În timpul acestor cicluri de creștere a bulelor, gazele dizolvate în lichid pătrund în bula de vid, astfel încât bulele de vid se transformă în bule de gaz în creștere. În plus, microturbulențele și jeturile de lichid provoacă o agitare intensă și transfer de masă. Aceste condiții generate de ultrasunete provoacă coalescența bulelor de gaz, adică unirea bulelor mici de gaz dizolvat în bule de gaz mai mari, care se ridică rapid la suprafața lichidului, unde părăsesc lichidul.
Modificările de temperatură cauzate de vibrațiile ultrasonice și de cavitație sunt limitate la spații locale foarte mici, iar creșterea temperaturii în volumul total poate fi neglijată, deoarece nu afectează calitatea produsului.
 

Scăderea oxigenului dizolvat în timp, la o frecvență ultrasonică de 24 kHz, utilizând sonicatorul UP400St la amplitudini de 100 %, 80 %, 60 %, 40% și 20 %.
Studiu: ©Rognerud et al., 2020.

 
În funcție de volumul, vâscozitatea și incluziunile de gaz ale lichidului sau ale suspensiei, dezaerarea cu ultrasunete poate fi realizată ca proces discontinuu (batch) sau inline. O sondă ultrasonică de mare putere emite cavitație acustică în lichid, astfel încât lichidul este degazat eficient.
Degazarea cu ultrasunete poate fi implementată și pentru a îmbunătăți sistemele de degazare deja existente, cum ar fi încălzirea, vidul sau barbotarea.
Degazarea și despumarea cu ultrasunete sunt utilizate la scară industrială pentru îndepărtarea gazelor dizolvate din apă, uleiuri, alimente și băuturi, soluții chimice, fluide hidraulice, lichide de răcire, fluide de foraj, țiței, emulsii, vopsele, cerneluri, adezivi, lacuri, acoperiri, rășini epoxidice, șampoane, detergenți și multe alte produse.
 

Degazare cu ultrasunete utilizând o configurație cu celulă de flux. Acest experiment a constat într-un prototip de circuit de apă la scară mică, cu un volum de 0,8 galoane, un debit de gaz inert de 0,2 sfcm/min și o intensitate de 275 W/cm2. Acesta arată o reducere a timpului de eliminare a oxigenului cu aproximativ 70%.
Studiu și imagine: Rubio et al. 2016

Degazare cu ultrasunete într-o configurație inline, utilizând ultrasonicatorul UIP1000hdT cu celulă de flux.

Barbotare intensificată cu ultrasunete

Barbotarea lichidelor cu gaz inert (cunoscută și ca purjare cu gaz inert) este un tratament obișnuit pentru îndepărtarea gazelor nedorite, precum oxigenul și dioxidul de carbon, din lichid. Pentru aplicațiile de barbotare se utilizează frecvent azotul, argonul, heliul și alte gaze inerte. Barbotarea unei soluții cu un gaz de înaltă puritate (de obicei inert) poate extrage gazele dizolvate nedorite, de obicei reactive, precum oxigenul și dioxidul de carbon. Procesul de barbotare se bazează pe transferul de masă și este în sine o procedură destul de lentă. Pentru a intensifica barbotarea cu gaze inerte, soluția lichid-gaz este adesea agitată energic și barbotată timp îndelungat. Ultrasonicarea este o tehnică de intensificare a degazării, care îmbunătățește semnificativ transferul de masă și, prin urmare, barbotarea. Atunci când undele ultrasonice de mare putere sunt cuplate în lichide sau suspensii, se generează bule de cavitație. Aceste bule de cavitație fragmentează bulele mai mari de gaz de purjare în bule mici și dispersează bulele uniform, ceea ce duce la efecte de degazare mai rapide și mai curate. Agitarea intensă și turbulențele create de ultrasonicare favorizează transferul de masă gaz-lichid și, prin urmare, îndepărtarea rapidă a gazelor nedorite.
Pentru a accelera procedura de barbotare și a o face mai eficientă, se utilizează ultrasunete de înaltă performanță pentru a îmbunătăți pe cale sonomecanică performanța transferului de masă dintre gaz și lichid. Efectele sonomecanice generate de cavitația acustică includ diferențe locale de presiune și temperatură, microturbulențe și agitare. Aceste forțe îmbunătățesc performanța de degazare, contribuind la creșterea transferului de masă difuziv datorită fragmentării bulelor, dispersiei și creșterii ulterioare a suprafeței interfaciale, ceea ce duce în final la o îndepărtare rapidă a gazelor captive din lichid.
Pentru a obține efectele dorite de eliminare a gazelor, este necesară ultrasonicarea de mare putere. Atunci când un lichid este barbotat cu un gaz inert într-un flux bifazic, difuzia rectificată este de dorit pentru a crește transferul de masă și viteza de eliminare a gazelor dizolvate. Aplicarea difuziei rectificate poate fi dificilă, deoarece bulele de gaz captive și dizolvate tind să evite pătrunderea în câmpul de cavitație ultrasonică la intensități mai scăzute. Totuși, la intensități ridicate (peste 300 W/cm² la aprox. 20 kHz), bulele de gaz nu mai evită zona de cavitație și sunt fragmentate de forțele sonomecanice. (cf. Jagannathan et al. 2011)

Sisteme de degazare cu ultrasunete de mare putere

Hielscher Ultrasonics este un producător cu experiență îndelungată de echipamente ultrasonice de înaltă performanță, utilizate în întreaga lume în laboratoare și în producția industrială. Degazarea lichidelor și a suspensiilor este o aplicație solicitantă, care necesită sonde ultrasonice de mare putere capabile să cupleze în lichide amplitudini stabilite, pentru a îndepărta bulele de gaz captive și pungile de aer. Toate dispozitivele ultrasonice Hielscher sunt proiectate și fabricate pentru a funcționa 24/7 la sarcină maximă. Procesoarele ultrasonice sunt disponibile de la ultrasonicatoare compacte de laborator de 50 wați până la sisteme ultrasonice inline puternice de 16.000 wați. O mare varietate de boostere (transformatoare de amplitudine), sonotrode și celule de flux permit configurarea individuală a unui sistem de degazare cu ultrasunete în funcție de lichid, vâscozitate și incluziunile de gaz.
Pentru dezaerarea și eliminarea gazelor din metalele lichide sunt necesare amplitudini setate și menținute cu precizie. Hielscher Ultrasonics fabrică sonde ultrasonice de înaltă performanță, specificate pentru amplitudini și temperaturi foarte bine optimizate pentru proces. Dacă aplicația dumneavoastră de degazare necesită specificații neobișnuite, sunt disponibile sonotrode ultrasonice personalizate. Robustețea echipamentelor ultrasonice Hielscher permite funcționarea 24/7 în regim de lucru intens și în medii solicitante.

Procesare discontinuă (batch) și inline

Sondele ultrasonice Hielscher pentru degazare pot fi utilizate pentru degazarea și dezaerarea discontinuă (batch) și continuă inline. În funcție de volum, vâscozitate și gazele captive, vă vom recomanda cea mai potrivită configurație de eliminare a gazelor cu ultrasunete.

Sonde ultrasonice pentru degazarea oricărui volum

Gama de produse Hielscher Ultrasonics acoperă întregul spectru de procesoare ultrasonice, de la ultrasonicatoare compacte de laborator, trecând prin sisteme de banc și pilot, până la procesoare ultrasonice complet industriale, cu capacitatea de a procesa încărcături de camion pe oră. Gama completă de produse ne permite să vă oferim cel mai potrivit echipament de degazare cu ultrasunete pentru lichidul, capacitatea de proces și obiectivele de producție ale dumneavoastră.

Amplitudini controlabile cu precizie pentru rezultate optime

Toate sistemele de degazare cu ultrasunete Hielscher pot fi controlate cu precizie și sunt, prin urmare, echipamente de lucru fiabile. Amplitudinea este unul dintre parametrii de proces esențiali care influențează eficiența și eficacitatea degazării induse sonomecanic. Toate procesoarele Hielscher Ultrasonics permit setarea precisă a amplitudinii. Sonotrodele și boosterele (transformatoare de amplitudine) sunt accesorii care permit modificarea amplitudinii într-un interval și mai larg. Procesoarele ultrasonice industriale Hielscher pot furniza amplitudini foarte mari și intensitatea ultrasonică necesară pentru aplicații solicitante. Amplitudini de până la 200µm pot fi menținute cu ușurință în funcționare continuă 24/7.
Setările precise ale amplitudinii și monitorizarea permanentă a parametrilor procesului ultrasonic prin intermediul unui software inteligent vă oferă posibilitatea de a ajusta parametrii procesului ultrasonic pentru o degazare cu ultrasunete cât mai eficace. Sonicare optimă pentru o eliminare foarte eficientă a gazelor!
Robustețea echipamentelor ultrasonice Hielscher permite funcționarea 24/7 în regim de lucru intens și în medii solicitante. Acest lucru face din echipamentele ultrasonice Hielscher un instrument de lucru fiabil, care îndeplinește cerințele procesului dumneavoastră de dezaerare.

Cea mai înaltă calitate – proiectat și fabricat în Germania

Ca afacere deținută și condusă de o familie, Hielscher acordă prioritate celor mai înalte standarde de calitate pentru procesoarele sale ultrasonice. Toate ultrasonicatoarele sunt proiectate, fabricate și testate temeinic la sediul nostru central din Teltow, lângă Berlin, Germania. Robustețea și fiabilitatea echipamentelor ultrasonice Hielscher le transformă într-un instrument de lucru de bază în producția dumneavoastră. Funcționarea 24/7 la sarcină maximă și în medii solicitante este o caracteristică firească a degazoarelor de înaltă performanță Hielscher.