Высокоэффективная деаэрация жидкостей с помощью ультразвука

Хотя дегазация или удаление газов часто являются чрезвычайно длительным этапом технологического процесса, обработка ультразвуком может значительно ускорить слияние газовых пузырьков и их всплытие. Ультразвуковое удаление газов можно применять в установках периодического действия и в поточных установках, а также сочетать с традиционными методами дегазации, такими как барботирование инертными газами, дегазаторы с рабочим колесом, нагрев или вакуум, для повышения эффективности и скорости удаления газов.

Удаление газов из жидкостей

Термины «деаэрация», «дегазация» и «удаление газов» обозначают удаление из жидкости свободных и растворённых газов, особенно реакционноспособных газов, таких как кислород или CO2. Удаление кислорода важно для предотвращения нежелательных изменений конечного продукта и улучшения последующей обработки. Дегазация является необходимым этапом технологического процесса во многих областях применения и отраслях. В промышленном производстве дегазация – распространённый этап, позволяющий обеспечить стабильность, качество и постоянное соответствие продукции установленным стандартам. Кислород – фактор, влияющий на качество и стабильность продукта на различных уровнях.
Поэтому деаэрация является общепринятым этапом технологического процесса в пищевой промышленности и производстве напитков, химической, фармацевтической и косметической промышленности. В лабораториях образцы также часто требуют дегазации перед анализом, например перед ВЭЖХ, аналитическими исследованиями, измерением характеристик частиц и т. д.
Процессы смешивания с использованием, например, лопастных смесителей с высоким сдвигом или смесителей с вращающимся рабочим колесом часто требуют последующей дегазации продукта, поскольку эти методы смешивания обычно вводят в продукт большое количество газов. Такие газовые и воздушные включения обычно отрицательно влияют на продукт: они могут вызывать прогоркание жиров и масел, ухудшение свойств продуктов вследствие окисления, изменение цвета и нежелательные изменения запаха и вкуса.  Поскольку дегазированные продукты химически более стабильны и имеют более длительный срок хранения, дегазация является важнейшим этапом технологического процесса, требующим надёжного метода.
 

Ультразвуковая дегазация: захваченные газовые пузырьки удаляются из масла с помощью ультразвукового аппарата UP400St

Ультразвуковая дегазация и деаэрация

Ультразвуковая дегазация и деаэрация – высокоэффективная альтернатива традиционным методам дегазации жидкостей, к которым относятся кипячение, снижение давления до вакуума или барботирование инертными газами. Эти традиционные методы дегазации часто имеют такие недостатки, как термическое разложение вследствие нагрева, большие затраты времени и энергии на обработку и/или недостаточное удаление газов. Ультразвуковая дегазация основана на принципе акустической кавитации. При передаче мощных ультразвуковых волн в жидкость она сжимается и расширяется в течение циклов высокого и низкого давления соответственно. Во время циклов низкого давления образуются мельчайшие вакуумные пузырьки, так называемые кавитационные пузырьки, которые растут в течение нескольких циклов изменения давления. Во время этих циклов роста пузырьков растворённые в жидкости газы поступают в вакуумный пузырёк, в результате чего вакуумные пузырьки превращаются в растущие газовые пузырьки. Кроме того, микротурбулентность и струи жидкости вызывают интенсивное перемешивание и массоперенос. Эти создаваемые ультразвуком условия вызывают коалесценцию газовых пузырьков, то есть объединение мелких пузырьков растворённого газа в более крупные газовые пузырьки, которые быстро поднимаются к поверхности жидкости, где покидают её.
Изменения температуры, вызванные ультразвуковыми колебаниями и кавитацией, ограничены очень небольшими локальными областями, а повышением температуры во всём объёме можно пренебречь, поскольку оно не влияет на качество продукта.
 

Снижение содержания растворённого кислорода со временем при частоте ультразвука 24 kHz с использованием ультразвукового аппарата UP400St при амплитудах 100 %, 80 %, 60 %, 40% и 20 %.
Исследование: ©Rognerud et al., 2020.

 
В зависимости от объёма, вязкости и газовых включений в жидкости или суспензии ультразвуковую деаэрацию можно проводить в периодическом или поточном режиме. Мощный ультразвуковой зонд создаёт в жидкости акустическую кавитацию, благодаря чему жидкость эффективно дегазируется.
Ультразвуковую дегазацию также можно внедрять для улучшения уже существующих систем дегазации, использующих нагрев, вакуум или барботирование.
Ультразвуковую дегазацию и пеногашение применяют в промышленном масштабе для удаления растворённых газов из воды, масел, пищевых продуктов и напитков, химических растворов, гидравлических жидкостей, охлаждающих жидкостей, буровых растворов, сырой нефти, эмульсий, красок, чернил, клеёв, лаков, покрытий, эпоксидных составов, шампуней, моющих средств и многих других продуктов.
 

Ультразвуковая дегазация с использованием установки с проточной ячейкой. Этот эксперимент проводился на прототипе небольшого водяного контура объёмом 0,8 галлона, с расходом инертного газа 0,2 sfcm/min и интенсивностью 275 W/cm2. Он показывает сокращение времени удаления кислорода примерно на 70%.
Исследование и изображение: Rubio et al. 2016

Ультразвуковая дегазация в поточной установке с использованием ультразвукового аппарата UIP1000hdT с проточной ячейкой.

Барботирование, усиленное ультразвуком

Барботирование жидкостей инертным газом, также известное как продувка инертным газом, – распространённый способ удаления из жидкости нежелательных газов, таких как кислород и диоксид углерода. Для барботирования обычно используют азот, аргон, гелий и другие инертные газы. Пропускание через раствор пузырьков газа высокой чистоты, обычно инертного, позволяет удалить нежелательные, обычно реакционноспособные растворённые газы, такие как кислород и диоксид углерода. Процесс барботирования основан на массопереносе и сам по себе является довольно медленной процедурой. Для интенсификации барботирования инертными газами газожидкостный раствор часто интенсивно перемешивают и подвергают длительному барботированию. Обработка ультразвуком – метод интенсификации дегазации, который улучшает массоперенос и тем самым значительно усиливает барботирование. При передаче мощных ультразвуковых волн в жидкости или суспензии образуются кавитационные пузырьки. Эти кавитационные пузырьки разбивают крупные пузырьки продувочного газа на мелкие и равномерно распределяют их, что обеспечивает более быструю и чистую дегазацию. Интенсивное перемешивание и турбулентность, создаваемые обработкой ультразвуком, способствуют массопереносу между газом и жидкостью и тем самым быстрому удалению нежелательных газов.
Для ускорения и повышения эффективности барботирования применяют высокопроизводительное ультразвуковое оборудование, которое улучшает массоперенос между газом и жидкостью за счёт сономеханического воздействия. Сономеханические эффекты, создаваемые акустической кавитацией, включают локальные перепады давления и температуры, микротурбулентность и перемешивание. Эти силы повышают эффективность дегазации, способствуя усилению диффузионного массопереноса благодаря дроблению пузырьков, их диспергированию и последующему увеличению площади межфазной поверхности, что в итоге приводит к быстрому удалению захваченных газов из жидкости.
Для достижения желаемого эффекта удаления газов необходима мощная обработка ультразвуком. Когда жидкость барботируют инертным газом в двухфазном потоке, для увеличения массопереноса и скорости удаления растворённых газов желательна выпрямленная диффузия. Применение выпрямленной диффузии может быть затруднено, поскольку захваченные пузырьки газа и пузырьки растворённого газа при более низкой интенсивности склонны избегать попадания в поле ультразвуковой кавитации. Однако при повышенной интенсивности (выше 300 W/cm² при частоте около 20 kHz) газовые пузырьки перестают избегать зоны кавитации и дробятся под действием сономеханических сил. (См. Jagannathan et al. 2011)

Мощные ультразвуковые системы дегазации

Hielscher Ultrasonics – производитель с многолетним опытом изготовления высокопроизводительного ультразвукового оборудования, которое используется во всём мире в лабораториях и промышленном производстве. Дегазация жидкостей и суспензий – сложная задача, требующая мощных ультразвуковых зондов, способных передавать в жидкости колебания с заданными амплитудами для удаления захваченных газовых пузырьков и воздушных полостей. Все ультразвуковые аппараты Hielscher спроектированы и изготовлены для работы 24/7 при полной нагрузке. Ультразвуковые процессоры представлены в диапазоне от компактных лабораторных ультразвуковых аппаратов мощностью 50 ватт до мощных поточных ультразвуковых систем мощностью 16 000 ватт. Широкий выбор усилителей амплитуды, сонотродов и проточных ячеек позволяет индивидуально конфигурировать ультразвуковую систему дегазации с учётом жидкости, её вязкости и газовых включений.
Для деаэрации и удаления газов из жидких металлов необходимы точно заданные и поддерживаемые амплитуды. Hielscher Ultrasonics производит высокопроизводительные ультразвуковые зонды, рассчитанные на амплитуды и температуры, в высокой степени оптимизированные для конкретного процесса. Если для вашей задачи дегазации требуются нестандартные характеристики, доступны ультразвуковые сонотроды, изготовленные по индивидуальному заказу. Прочность ультразвукового оборудования Hielscher позволяет работать 24/7 при высоких нагрузках и в сложных условиях.

Периодическая и поточная обработка

Ультразвуковые зонды Hielscher для дегазации можно использовать для периодической и непрерывной поточной дегазации и деаэрации. В зависимости от объёма, вязкости и захваченных газов мы порекомендуем вам наиболее подходящую конфигурацию ультразвуковой установки для удаления газов.

Ультразвуковые зонды для дегазации любых объёмов

Ассортимент Hielscher Ultrasonics охватывает весь спектр ультразвуковых процессоров: от компактных лабораторных ультразвуковых аппаратов через настольные и пилотные системы до полностью промышленных ультразвуковых процессоров, способных за час обрабатывать объёмы, соответствующие загрузке нескольких грузовиков. Полный ассортимент продукции позволяет нам предложить вам наиболее подходящее ультразвуковое оборудование для дегазации с учётом вашей жидкости, производительности процесса и производственных целей.

Точно регулируемые амплитуды для оптимальных результатов

Все ультразвуковые системы дегазации Hielscher обеспечивают точное управление и благодаря этому служат надёжным рабочим оборудованием. Амплитуда – один из важнейших параметров процесса, влияющих на эффективность и результативность сономеханически индуцированной дегазации. Все процессоры Hielscher Ultrasonics позволяют точно задавать амплитуду. Сонотроды и усилители амплитуды – принадлежности, позволяющие изменять амплитуду в ещё более широком диапазоне. Промышленные ультразвуковые процессоры Hielscher могут обеспечивать очень высокие амплитуды и необходимую интенсивность ультразвука для сложных задач. Амплитуды до 200µm можно без труда поддерживать непрерывно в режиме работы 24/7.
Точная настройка амплитуды и постоянный контроль параметров ультразвукового процесса с помощью интеллектуального программного обеспечения позволяют вам регулировать параметры ультразвукового процесса для максимально эффективной ультразвуковой дегазации. Оптимальная обработка ультразвуком для высокоэффективного удаления газов!
Прочность ультразвукового оборудования Hielscher позволяет работать 24/7 при высоких нагрузках и в сложных условиях. Это делает ультразвуковое оборудование Hielscher надёжным рабочим инструментом, отвечающим требованиям вашего процесса деаэрации.

Высочайшее качество – разработано и изготовлено в Германии

Будучи семейным предприятием под управлением семьи, Hielscher уделяет первостепенное внимание высочайшим стандартам качества своих ультразвуковых процессоров. Все ультразвуковые аппараты проектируются, производятся и тщательно испытываются в нашей штаб-квартире в Тельтове недалеко от Берлина, Германия. Прочность и надёжность ультразвукового оборудования Hielscher делают его надёжным рабочим инструментом на вашем производстве. Работа 24/7 при полной нагрузке и в сложных условиях – естественная характеристика высокопроизводительных дегазаторов Hielscher.