Применение мощного ультразвука с использованием ультразвуковых рупоров

Ультразвуковые рупоры или зонды широко используются для разнообразных процессов обработки жидкостей, включая гомогенизацию, диспергирование, мокрое измельчение, эмульгирование, экстракцию, дезинтеграцию, растворение и деаэрацию. Узнайте основные сведения об ультразвуковых рупорах, ультразвуковых зондах и их применении.

Ультразвуковой рупор и ультразвуковой зонд: различия

Термины «ультразвуковой рупор» и «ультразвуковой зонд» часто используются как взаимозаменяемые и обозначают ультразвуковой стержень, передающий ультразвуковые волны в жидкость. Для ультразвукового зонда также используются названия «акустический рупор», «сонотрод», «акустический волновод» или «ультразвуковой палец». Однако с технической точки зрения между ультразвуковым рупором и ультразвуковым зондом есть различие.
И рупор, и зонд являются частями так называемого ультразвукового аппарата зондового типа. Ультразвуковой рупор – это металлическая часть ультразвукового преобразователя, которая возбуждается колебаниями, создаваемыми пьезоэлектрическим способом. Ультразвуковой рупор колеблется с определённой частотой, например 20kHz, что означает 20 000 колебаний в секунду. Титан является предпочтительным материалом для изготовления ультразвуковых рупоров благодаря его превосходным свойствам передачи акустических колебаний, высокой усталостной прочности и твёрдости поверхности.

Ультразвуковой зонд также называют сонотродом или ультразвуковым пальцем. Это металлический стержень, чаще всего изготовленный из титана и соединённый с ультразвуковым рупором посредством резьбы. Ультразвуковой зонд – важнейшая часть ультразвукового процессора, передающая ультразвуковые волны в среду, обрабатываемую ультразвуком. Ультразвуковые зонды / сонотроды доступны в различных формах (например, конические, с наконечником, сужающиеся или в виде Cascatrode). Хотя титан является наиболее часто используемым материалом для ультразвуковых зондов, также доступны сонотроды из нержавеющей стали, керамики, стекла и других материалов.

Поскольку во время обработки ультразвуком ультразвуковые рупор и зонд постоянно подвергаются сжатию или растяжению, выбор материала для рупора и зонда имеет решающее значение. Высококачественный титановый сплав (grade 5) считается наиболее надёжным, долговечным и эффективным металлом для выдерживания механических напряжений, поддержания высоких амплитуд в течение длительного времени и передачи акустических и механических свойств.

Растворение – одно из распространённых применений ультразвуковой обработки. В видео показано быстрое растворение кристаллов сахара в воде с помощью Hielscher UP200St.

Высокопроизводительные ультразвуковые аппараты преимущественно работают в диапазоне частот 20–30kHz. При 20 kHz ультразвуковой зонд обычно представляет собой резонансный стержень длиной в половину длины волны, который непрерывно расширяется и сжимается 20 000 раз в секунду. Движения расширения и сжатия передаются в виде мощного ультразвука в технологическую среду, то есть жидкость или суспензию, для выполнения таких процессов, как

• ультразвуковое смешивание с высоким сдвигом
• ультразвуковое мокрое измельчение
• ультразвуковое диспергирование наночастиц
• ультразвуковое наноэмульгирование
• ультразвуковая экстракция
• ультразвуковая дезинтеграция
• ультразвуковое разрушение клеток и лизис
• ультразвуковая дегазация и деаэрация
• сонохимия (соносинтез, сонокатализ)

Как работает мощный ультразвук? – Принцип действия акустической кавитации

Для высокопроизводительных ультразвуковых процессов, таких как гомогенизация, уменьшение размера частиц, дезинтеграция или получение нанодисперсий, ультразвуковой преобразователь генерирует низкочастотный ультразвук высокой интенсивности, который передаётся в жидкость через ультразвуковой рупор и зонд (сонотрод). Мощным ультразвуком считается ультразвук в диапазоне 16–30kHz. Ультразвуковой зонд расширяется и сжимается, например, с частотой 20kHz, передавая тем самым в среду соответственно 20 000 колебаний в секунду. Когда ультразвуковые волны распространяются в жидкости, чередующиеся циклы высокого давления (сжатия) / низкого давления (разрежения / расширения) создают мельчайшие полости (вакуумные пузырьки), которые растут в течение нескольких циклов давления. Во время фазы сжатия жидкости и пузырьков давление положительное, тогда как фаза разрежения создаёт вакуум (отрицательное давление). Во время циклов сжатия и расширения полости в жидкости растут, пока не достигнут размера, при котором больше не могут поглощать энергию. В этот момент они резко схлопываются. Схлопывание этих полостей приводит к различным высокоэнергетическим эффектам, известным как явление акустической / ультразвуковой кавитации. Акустическая кавитация характеризуется разнообразными высокоэнергетическими эффектами, воздействующими на жидкости, системы твёрдое тело/жидкость, а также системы газ/жидкость. Зона высокой плотности энергии, или кавитационная зона, известна как так называемая зона горячих точек; плотность энергии в ней наиболее высока в непосредственной близости от ультразвукового зонда и снижается по мере увеличения расстояния от сонотрода. Основные характеристики ультразвуковой кавитации включают локально возникающие очень высокие температуры и давления и соответствующие их перепады, турбулентность и потоки жидкости. Во время схлопывания ультразвуковых полостей в ультразвуковых горячих точках можно измерить температуры до 5000 кельвинов, давления до 200 атмосфер и скорости струй жидкости до 1000km/h. Эти исключительные условия с высокой концентрацией энергии способствуют сономеханическим и сонохимическим эффектам, которые различными способами интенсифицируют процессы и химические реакции.
Основные виды воздействия обработки ультразвуком на жидкости и суспензии следующие:

• Высокий сдвиг: Высокие ультразвуковые силы сдвига нарушают структуру жидкостей и систем жидкость–твёрдое тело, вызывая интенсивное перемешивание, гомогенизацию и массоперенос.
• Ударное воздействие: Струи и потоки жидкости, создаваемые ультразвуковой кавитацией, ускоряют твёрдые частицы в жидкостях, что впоследствии приводит к столкновениям между частицами. Когда частицы сталкиваются на очень высоких скоростях, они подвергаются эрозии, раскалываются, измельчаются и тонко диспергируются, часто вплоть до наноразмеров. В случае биологического материала, например растительного сырья, высокоскоростные струи жидкости и чередующиеся циклы давления разрушают клеточные стенки и высвобождают внутриклеточный материал. Это приводит к высокоэффективной экстракции биологически активных соединений и однородному смешиванию биологического материала.
• Перемешивание: Обработка ультразвуком вызывает интенсивную турбулентность, силы сдвига и микродвижения в жидкости или суспензии. Таким образом, обработка ультразвуком всегда интенсифицирует массоперенос и тем самым ускоряет реакции и процессы.

Ультразвуковые гомогенизаторы и смесители с высоким сдвигом используются практически в любой перерабатывающей отрасли, работающей с жидкостями или суспензиями. Интенсивные ультразвуковые кавитационные силы вызывают интенсивное перемешивание, сдвиг, разрушение частиц и массоперенос. В результате жидкости гомогенизируются, диспергируются, эмульгируются, подвергаются экстракции, растворяются и/или инициируются химические реакции. В целом обработка ультразвуком – это метод интенсификации процессов, который повышает выход, улучшает показатели конверсии и делает процессы более эффективными.
Распространённые промышленные применения ультразвука охватывают множество направлений пищевой и фармацевтической промышленности, тонкой химии, энергетики и нефтехимии, переработки вторичного сырья, биопереработки и т. д. и включают следующее:

• ультразвуковой синтез биодизеля
• ультразвуковая гомогенизация фруктовых соков
• ультразвуковое производство вакцин
• ультразвуковая переработка литий-ионных аккумуляторов
• ультразвуковой синтез наноматериалов
• ультразвуковое приготовление фармацевтических составов
• ультразвуковое наноэмульгирование CBD
• ультразвуковая экстракция растительного сырья
• ультразвуковая подготовка образцов в лабораториях
• ультразвуковая дегазация жидкостей
• ультразвуковое обессеривание сырой нефти
• и многое другое …

Ультразвуковые рупоры и зонды для высокопроизводительных процессов

Hielscher Ultrasonics – производитель и поставщик мощных ультразвуковых аппаратов с многолетним опытом, которые используются во всём мире для работы в тяжёлых условиях во многих отраслях промышленности.
Предлагая ультразвуковые процессоры всех размеров мощностью от 50 ватт до 16kW на устройство, зонды различных размеров и форм, ультразвуковые реакторы разных объёмов и геометрии, Hielscher Ultrasonics располагает подходящим оборудованием для создания идеальной конфигурации ультразвуковой установки для вашей задачи.
В таблице ниже приведена ориентировочная производительность наших ультразвуковых аппаратов: