Vysoko účinné odvzdušňovanie kvapalín pomocou ultrazvuku

Hoci odplyňovanie alebo uvoľňovanie plynov často predstavuje mimoriadne časovo náročný procesný krok, pôsobenie ultrazvuku môže výrazne urýchliť koalescenciu plynových bublín a ich stúpanie. Ultrazvukové odplyňovanie možno používať vo vsádzkových aj prietokových zostavách a možno ho tiež kombinovať s konvenčnými technikami odplyňovania, ako sú prebublávanie inertnými plynmi, odplyňovače s obežným kolesom, ohrev alebo vákuum, s cieľom zvýšiť účinnosť a rýchlosť odstraňovania plynov.

Odstraňovanie plynov z kvapalín

Pojmy odvzdušňovanie, odplyňovanie a uvoľňovanie plynov označujú odstraňovanie voľných a rozpustených plynov, najmä reaktívnych plynov, ako sú kyslík alebo CO2, z kvapaliny. Odstraňovanie kyslíka je dôležité na zabránenie nežiaducim zmenám konečného produktu a zlepšenie následného spracovania. Odplyňovanie je nevyhnutným krokom spracovania v mnohých aplikáciách a priemyselných odvetviach. V priemyselnej výrobe je odplyňovanie bežným procesným krokom na zabezpečenie stability, kvality a trvalého dodržiavania štandardov produktu. Kyslík je faktorom, ktorý ovplyvňuje kvalitu a stabilitu produktu na rôznych úrovniach.
Odvzdušňovanie je preto zavedeným procesným krokom v potravinárskom, nápojovom, chemickom, farmaceutickom a kozmetickom priemysle. Aj v laboratóriách je však často potrebné vzorky pred analýzou odplyniť (napr. pred HPLC, analytickými skúškami, meraniami častíc atď.).
Procesy miešania využívajúce napr. lopatkové miešače s vysokým šmykovým namáhaním alebo rotačné miešače s obežným kolesom si často vyžadujú následné odplynenie produktu, pretože tieto techniky miešania do produktu bežne vnášajú veľké množstvá plynov. Takéto plynové a vzduchové inklúzie majú zvyčajne negatívny vplyv na produkt, pretože môžu spôsobiť žltnutie tukov a olejov, znehodnotenie produktov oxidáciou, zmeny sfarbenia a nežiaduce zmeny vône a chuti.  Keďže odplynené produkty sú chemicky stabilnejšie a majú dlhšiu trvanlivosť, odplyňovanie je nevyhnutným krokom spracovania, ktorý si vyžaduje spoľahlivú techniku.
 

Ultrazvukové odplyňovanie: Zachytené plynové bubliny sa odstraňujú z oleja pomocou ultrazvukového prístroja UP400St

Ultrazvukové odplyňovanie a odvzdušňovanie

Ultrazvukové odplyňovanie a odvzdušňovanie je vysoko účinnou alternatívou k tradičným metódam odplyňovania kvapalín, medzi ktoré patrí var, zníženie tlaku na vákuum alebo prebublávanie inertnými plynmi. Tieto tradičné metódy odplyňovania majú často nevýhody, ako sú tepelná degradácia (v dôsledku ohrevu), časovo a energeticky náročné spracovanie a/alebo nedostatočné odstránenie plynov. Ultrazvukové odplyňovanie je založené na princípe akustickej kavitácie. Keď sa do kvapaliny prenášajú ultrazvukové vlny s vysokým výkonom, kvapalina sa počas vysokotlakových cyklov stláča a počas nízkotlakových cyklov rozpína. Počas nízkotlakových cyklov vznikajú nepatrné vákuové bubliny (takzvané kavitačné bubliny), ktoré rastú počas niekoľkých tlakových cyklov. Počas týchto cyklov rastu bublín vstupujú plyny rozpustené v kvapaline do vákuovej bubliny, takže sa vákuová bublina mení na rastúce plynové bubliny. Mikroturbulencie a prúdy kvapaliny navyše spôsobujú intenzívne premiešavanie a prenos hmoty. Tieto podmienky vytvorené ultrazvukom spôsobujú koalescenciu plynových bublín, teda spájanie malých rozpustených plynových bublín do väčších plynových bublín, ktoré rýchlo stúpajú k povrchu kvapaliny, kde ju opúšťajú.
Zmeny teploty spôsobené ultrazvukovými vibráciami a kavitáciou sú obmedzené na veľmi malé lokálne oblasti a nárast teploty v celom objeme možno zanedbať, pretože neovplyvňuje kvalitu produktu.
 

Pokles množstva rozpusteného kyslíka v čase pri ultrazvukovej frekvencii 24 kHz s použitím sonikátora UP400ST pri amplitúdach 100 %, 80 %, 60 %, 40% a 20 %.
Štúdia: ©Rognerud et al., 2020.

 
V závislosti od objemu, viskozity a plynových inklúzií v kvapaline alebo suspenzii môže ultrazvukové odvzdušňovanie prebiehať ako vsádzkový alebo prietokový proces. Vysokovýkonná ultrazvuková sonda vyvoláva v kvapaline akustickú kavitáciu, čím sa kvapalina účinne odplyňuje.
Ultrazvukové odplyňovanie možno zaviesť aj na zlepšenie už existujúcich odplyňovacích systémov, ako sú ohrev, vákuum alebo prebublávanie.
Ultrazvukové odplyňovanie a odpeňovanie sa používa v priemyselnom meradle na odstraňovanie rozpustených plynov z vody, olejov, potravín a nápojov, chemických roztokov, hydraulických kvapalín, chladiacich kvapalín, vrtných kvapalín, ropy, emulzií, farieb, atramentov, lepidiel, lakov, náterov, epoxidov, šampónov, detergentov a mnohých ďalších produktov.
 

Ultrazvukové odplyňovanie pomocou zostavy s prietokovou celou. Tento experiment sa uskutočnil v prototypovom malom vodnom okruhu s objemom 0,8 galónu, prietokom inertného plynu 0,2 sfcm/min a intenzitou 275 W/cm2. Ukazuje skrátenie času odstraňovania kyslíka približne o 70%.
Štúdia a obrázok: Rubio et al. 2016

Ultrazvukové odplyňovanie v prietokovej zostave pomocou ultrazvukového procesora UIP1000hdT s prietokovou celou.

Prebublávanie zintenzívnené ultrazvukom

Prebublávanie kvapalín inertným plynom (známe aj ako preplachovanie inertným plynom) je bežný postup na odstraňovanie nežiaducich plynov, ako sú kyslík a oxid uhličitý, z kvapaliny. Na prebublávanie sa bežne používa dusík, argón, hélium a ďalšie inertné plyny. Prebublávanie roztoku plynom s vysokou čistotou (zvyčajne inertným) môže odstrániť nežiaduce, zvyčajne reaktívne rozpustené plyny, ako sú kyslík a oxid uhličitý. Proces prebublávania je založený na prenose hmoty a sám osebe je pomerne pomalým postupom. Na zintenzívnenie prebublávania inertnými plynmi sa roztok kvapaliny a plynu často intenzívne premiešava a dlhodobo prebubláva. Pôsobenie ultrazvuku je technika zintenzívňujúca odplyňovanie, ktorá výrazne zlepšuje prenos hmoty, a tým aj prebublávanie. Keď sa do kvapalín alebo suspenzií privádzajú vysokovýkonné ultrazvukové vlny, vznikajú kavitačné bubliny. Tieto kavitačné bubliny rozbíjajú väčšie bubliny preplachovacieho plynu na malé bubliny a rovnomerne ich dispergujú, čo vedie k rýchlejšiemu a čistejšiemu odplyňovaniu. Intenzívne premiešavanie a turbulencie vytvorené pôsobením ultrazvuku podporujú prenos hmoty medzi plynom a kvapalinou, a tým aj rýchle odstraňovanie nežiaducich plynov.
Na urýchlenie a zefektívnenie prebublávania sa používa vysokovýkonný ultrazvuk, ktorý sonomechanicky zlepšuje účinnosť prenosu hmoty medzi plynom a kvapalinou. Sonomechanické účinky vyvolané akustickou kavitáciou zahŕňajú lokálne rozdiely tlaku a teploty, mikroturbulencie a premiešavanie. Tieto sily zlepšujú účinnosť odplyňovania tým, že prispievajú k zvýšeniu difúzneho prenosu hmoty v dôsledku rozbíjania bublín, dispergácie a následného zväčšenia medzifázovej plochy, čo napokon vedie k rýchlemu odstráneniu zachytených plynov z kvapaliny.
Na dosiahnutie požadovaných účinkov odplyňovania je potrebné pôsobenie vysokovýkonného ultrazvuku. Pri prebublávaní kvapaliny inertným plynom v dvojfázovom prúdení je žiaduca usmernená difúzia na zvýšenie prenosu hmoty a rýchlosti odstraňovania rozpustených plynov. Uplatnenie usmernenej difúzie môže byť náročné, pretože bubliny zachytených a rozpustených plynov majú pri nižších intenzitách tendenciu vyhýbať sa vstupu do ultrazvukového kavitačného poľa. Pri zvýšených intenzitách (vyšších ako 300 W/cm² pri približne 20 kHz) sa však plynové bubliny už nevyhýbajú kavitačnej zóne a sonomechanické sily ich rozbíjajú. (porov. Jagannathan et al. 2011)

Vysokovýkonné ultrazvukové odplyňovacie systémy

Hielscher Ultrasonics je výrobca s dlhoročnými skúsenosťami s výrobou vysokovýkonných ultrazvukových zariadení, ktoré sa používajú na celom svete v laboratóriách a priemyselnej výrobe. Odplyňovanie kvapalín a suspenzií je náročná aplikácia, ktorá vyžaduje vysokovýkonné ultrazvukové sondy schopné prenášať do kvapalín ultrazvuk so stanovenými amplitúdami na odstránenie zachytených plynových bublín a vzduchových vreciek. Všetky ultrazvukové zariadenia Hielscher sú navrhnuté a vyrobené na prevádzku 24/7 pri plnom zaťažení. Ultrazvukové procesory sú dostupné od kompaktných laboratórnych ultrazvukových prístrojov s výkonom 50 wattov až po výkonné prietokové ultrazvukové systémy s výkonom 16 000 wattov. Široký výber zosilňovačov amplitúdy, sonotród a prietokových komôr umožňuje individuálne zostavenie ultrazvukového odplyňovacieho systému podľa kvapaliny, viskozity a obsiahnutých plynov.
Na odvzdušňovanie a odplyňovanie kvapalných kovov sú potrebné presne nastavené a udržiavané amplitúdy. Hielscher Ultrasonics vyrába vysokovýkonné ultrazvukové sondy špecifikované pre amplitúdy a teploty vysoko optimalizované pre daný proces. Ak vaša odplyňovacia aplikácia vyžaduje neobvyklé špecifikácie, k dispozícii sú ultrazvukové sonotródy vyrobené na mieru. Robustnosť ultrazvukových zariadení Hielscher umožňuje prevádzku 24/7 pri vysokom zaťažení a v náročných prostrediach.

Dávková a prietoková prevádzka

Ultrazvukové sondy Hielscher na odplyňovanie možno použiť na dávkové aj kontinuálne prietokové odplyňovanie a odvzdušňovanie. V závislosti od objemu, viskozity a zachytených plynov vám odporučíme najvhodnejšiu zostavu na ultrazvukové odplyňovanie.

Ultrazvukové sondy na odplyňovanie akéhokoľvek objemu

Sortiment Hielscher Ultrasonics pokrýva celé spektrum ultrazvukových procesorov od kompaktných laboratórnych ultrazvukových prístrojov cez stolové a pilotné systémy až po plne priemyselné ultrazvukové procesory s kapacitou spracovať za hodinu objemy zodpovedajúce nákladom nákladných vozidiel. Kompletný sortiment nám umožňuje ponúknuť vám najvhodnejšie ultrazvukové odplyňovacie zariadenie pre vašu kvapalinu, kapacitu spracovania a výrobné ciele.

Presne regulovateľné amplitúdy na dosiahnutie optimálnych výsledkov

Všetky ultrazvukové odplyňovacie systémy Hielscher sú presne regulovateľné, a preto sú spoľahlivými pracovnými pomocníkmi. Amplitúda je jedným z kľúčových procesných parametrov, ktoré ovplyvňujú efektívnosť a účinnosť sonomechanicky vyvolaného odplyňovania. Všetky procesory Hielscher Ultrasonics umožňujú presné nastavenie amplitúdy. Sonotródy a zosilňovače amplitúdy sú príslušenstvom, ktoré umožňuje upravovať amplitúdu v ešte širšom rozsahu. Priemyselné ultrazvukové procesory Hielscher dokážu dosahovať veľmi vysoké amplitúdy a poskytovať požadovanú intenzitu ultrazvuku pre náročné aplikácie. Amplitúdy až do 200µm možno bez problémov nepretržite udržiavať v prevádzke 24/7.
Presné nastavenie amplitúdy a neustále monitorovanie parametrov ultrazvukového procesu prostredníctvom inteligentného softvéru vám umožňujú upraviť parametre ultrazvukového procesu na dosiahnutie čo najúčinnejšieho ultrazvukového odplyňovania. Optimálna sonikácia na vysoko účinné odstraňovanie plynov!
Robustnosť ultrazvukových zariadení Hielscher umožňuje prevádzku 24/7 pri vysokom zaťažení a v náročných prostrediach. Vďaka tomu sú ultrazvukové zariadenia Hielscher spoľahlivým pracovným nástrojom, ktorý spĺňa požiadavky vášho procesu odvzdušňovania.

Najvyššia kvalita – navrhnuté a vyrobené v Nemecku

Ako rodinný podnik vlastnený a riadený rodinou kladie Hielscher pri svojich ultrazvukových procesoroch dôraz na najvyššie štandardy kvality. Všetky ultrazvukové prístroje sú navrhnuté, vyrobené a dôkladne otestované v našom sídle v Teltowe neďaleko Berlína v Nemecku. Robustnosť a spoľahlivosť ultrazvukových zariadení Hielscher z nich robia spoľahlivých pracovných pomocníkov vo vašej výrobe. Prevádzka 24/7 pri plnom zaťažení a v náročných prostrediach je prirodzenou vlastnosťou vysokovýkonných odplyňovačov Hielscher.