Vysoko účinné odvzdušňovanie kvapalín pomocou ultrazvuku

Zatiaľ čo odplyňovanie alebo odplyňovanie je často mimoriadne časovo náročný procesný krok, ultrazvuk môže výrazne urýchliť koalescenciu plynových bublín a ich vzostup. Ultrazvukové odplyňovanie je možné použiť v dávkových a inline nastaveniach a možno ho kombinovať aj s konvenčnými technikami odplyňovania, ako je rozprašovanie inertnými plynmi, odplyňovače obežných kolies, ohrev alebo vákuum, aby sa zvýšila účinnosť a rýchlosť odstraňovania plynu.

Odstraňovanie plynu z kvapalín

Pojmy odplyňovanie, odplyňovanie a odplyňovanie sa vzťahujú na odstraňovanie voľných a rozpustených plynov, najmä reaktívnych plynov, ako je kyslík alebo CO2, z kvapaliny. Odstránenie kyslíka je dôležité, aby sa predišlo škodlivým zmenám konečného produktu a zlepšilo sa následné spracovanie. Odplyňovanie je nevyhnutným krokom spracovania pre mnohé aplikácie a priemyselné odvetvia. V priemyselnej výrobe je odplyňovanie bežným procesným krokom na zabezpečenie stability produktu, kvality a nepretržitých štandardov produktov. Kyslík je faktor, ktorý ovplyvňuje kvalitu a stabilitu produktu na rôznych úrovniach.
Preto je odvzdušňovanie zavedeným procesným krokom v potravinách & nápojový, chemický, farmaceutický a kozmetický priemysel. Ale aj v laboratóriách si vzorky pred analýzou často vyžadujú odplynenie (napr. pred HPLC, testami, meraním častíc atď.).
Procesy miešania s použitím napr. lopatiek s vysokým strihom alebo miešadiel s rotačným obežným kolesom často vyžadujú následné odplynenie produktu, pretože tieto techniky miešania bežne zavádzajú do produktu veľké množstvo plynov. Takéto plynné a vzduchové inklúzie majú zvyčajne negatívne účinky na výrobok, pretože môžu spôsobiť žltnutie tukov a olejov, znehodnotenie produktov oxidáciou, zmenou farby a nežiaducimi zmenami vône a chuti. Keďže odplynené produkty sú chemicky stabilnejšie a majú dlhšiu trvanlivosť, odplyňovanie je základným krokom spracovania, ktorý si vyžaduje spoľahlivú techniku.
 

Ultrazvukové odplyňovanie: Zachytené plynové bubliny sa odstránia z oleja pomocou ultrazvuku UP400St

Ultrazvukové odplyňovanie a odvzdušňovanie

Ultrazvukové odplyňovanie a odvzdušňovanie je veľmi účinnou alternatívou k tradičným metódam odplyňovania kvapalín, ktoré zahŕňajú varenie, zníženie tlaku na vákuum alebo rozprašovanie inertnými plynmi. Tieto tradičné metódy odplyňovania často prichádzajú s nevýhodami, ako je tepelná degradácia (v dôsledku zahrievania), časovo a energeticky náročné spracovanie a/alebo nedostatočné odstraňovanie plynu. Ultrazvukové odplyňovanie je založené na princípe činnosti akustickej kavitácie. Keď sú vysokovýkonné ultrazvukové vlny spojené s kvapalinou, kvapalina sa stlačí a roztiahne počas vysokotlakových a nízkotlakových cyklov. Počas nízkotlakových cyklov vznikajú nepatrné vákuové bubliny (tzv. kavitačné bubliny), ktoré rastú počas niekoľkých tlakových cyklov. Počas týchto cyklov rastu bublín sa rozpustené plyny v kvapaline dostanú do vákuovej bubliny, takže vákuová bublina sa premení na rastúce bubliny plynu. Okrem toho mikroturbulencie a prúdy kvapalín spôsobujú intenzívne rozhýbanie a prenos hmoty. Tieto ultrazvukom generované podmienky spôsobujú koalescenciu bublín plynu, čo je zjednotenie malých bublín rozpusteného plynu s väčšími bublinami plynu, ktoré rýchlo stúpajú na povrch kvapaliny, kde opúšťajú kvapalinu.
Zmeny teploty spôsobené ultrazvukovými vibráciami a kavitáciou sú obmedzené na veľmi malé miestne priestory a nárast teploty v celkovom objeme možno zanedbať, pretože nenarúša kvalitu produktu.
 

Pokles rozpusteného kyslíka s časom pre ultrazvukovú frekvenciu 24 kHz pomocou sonikátora UP400ST pri amplitúdach 100 %, 80 %, 60 %, 40 % a 20 %.
Štúdia: ©Rognerud a kol., 2020.

 
V závislosti od objemu, viskozity a plynných inklúzií kvapaliny alebo suspenzie môže byť ultrazvukové odvzdušňovanie spustené ako dávkový alebo inline proces. Vysokovýkonná ultrazvuková sonda vyžaruje akustickú kavitáciu do kvapaliny, takže kvapalina je účinne odplynená.
Ultrazvukové odplyňovanie je možné implementovať aj na zlepšenie už existujúcich systémov odplyňovania, ako je vykurovanie, vákuum alebo rozprašovanie.
Ultrazvukové odplyňovanie a odpeňovanie sa používa v priemyselnom meradle na odstránenie 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, čistiacich prostriedkov a mnohých ďalších produktov.
 

Ultrazvukové odplyňovanie pomocou nastavenia prietokovej bunky. Tento experiment bol prototypom malej vodnej slučky s objemom 0,8 galónu, prietokom inertného plynu 0,2 sfcm/min a intenzitou 275 W/cm2. To ukazuje skrátenie času odstraňovania kyslíka asi o 70%.
Štúdia a obrázok: Rubio et al. 2016

Ultrazvukové odplyňovanie v inline nastavení pomocou ultrazvuku UIP1000hdT s prietokovou bunkou.

Ultrazvukom vylepšené rozprašovanie

Rozprašovanie kvapalín inertným plynom (tiež známe ako čistenie inertným plynom) je bežná úprava na odstránenie nežiaducich plynov, ako je kyslík a oxid uhličitý z kvapaliny. Na rozprašovacie aplikácie sa bežne používa dusík, argón, hélium a iné inertné plyny. Prebublávanie roztoku s vysoko čistým (zvyčajne inertným) plynom môže vytiahnuť nežiaduce, zvyčajne reaktívne rozpustené plyny, ako je kyslík a oxid uhličitý. Proces rozprašovania sa spolieha na prenos hmoty a sám o sebe je pomerne pomalý postup. Aby som zintenzívnil rozprašovanie inertnými plynmi, roztok kvapalného plynu sa často intenzívne mieša a dlho bubla. Ultrazvuk je technika zintenzívňujúca odplyňovanie, ktorá výrazne zlepšuje prenos hmoty a tým aj rozprašovanie. Keď sa vysokovýkonné ultrazvukové vlny spoja do kvapalín alebo suspenzií, vytvárajú sa kavitačné bubliny. Tieto kavitačné bubliny rozbíjajú väčšie bubliny čistiaceho plynu na malé bubliny a bubliny rovnomerne rozptyľujú, čo má za následok rýchlejšie a čistejšie odplyňovacie účinky. Intenzívne miešanie a turbulencie vytvorené ultrazvukom podporujú prenos hmoty plyn-kvapalina a tým rýchle odstránenie nežiaducich plynov.
Na urýchlenie a zefektívnenie procesu rozprašovania sa používa vysokovýkonné ultrazvukové ultrazvuky na sonomechanické zlepšenie výkonu prenosu hmoty medzi plynom a kvapalinou. Sonomechanické efekty generované akustickou kavitáciou zahŕňajú lokálne tlakové a teplotné rozdiely, mikroturbulencie a miešanie. Tieto sily zlepšujú odplyňovací výkon tým, že prispievajú k zvýšeniu prenosu difúznej hmoty v dôsledku rozpadu bublín, disperzie a následného zväčšenia medzifázovej plochy, čo v konečnom dôsledku vedie k rýchlemu odstráneniu zachytených plynov z kvapaliny.
Na dosiahnutie požadovaných účinkov odplyňovania je potrebná vysokovýkonná ultrazvuková signalizácia. Keď sa kvapalina ušetrí inertným plynom v dvojfázovom prúdení, je žiaduca rektifikovaná difúzia, aby sa zvýšila rýchlosť prenosu a odstraňovania hmoty rozpustených plynov. Aplikácia rektifikovanej difúzie môže byť náročná, pretože zachytené a rozpustené bubliny plynu majú tendenciu vyhýbať sa vstupu do ultrazvukového kavitačného poľa pri nižších intenzitách. Pri zvýšenej intenzite (vyššej ako 300 W/cm² pri cca. 20 kHz) sa plynové bubliny už nevyhýbajú kavitačnej zóne a sú rozbité sonomechanickými silami. (porovnaj Jagannathan et al. 2011)

Vysokovýkonné ultrazvukové odplyňovacie systémy

Hielscher Ultrasonics je dlhoročný výrobca vysokovýkonných ultrazvukových zariadení, ktoré sa používajú na celom svete v laboratóriách a priemyselnej výrobe. Odplyňovanie kvapalín a kalov je náročná aplikácia, ktorá vyžaduje vysokovýkonné ultrazvukové sondy, ktoré dokážu spojiť zavedené amplitúdy do kvapalín, aby odstránili zachytené plynové bubliny a vzduchové bubliny. Všetky ultrazvukové prístroje Hielscher sú navrhnuté a vyrobené tak, aby boli prevádzkované 24 hodín denne, 7 dní v týždni pri plnom zaťažení. Ultrazvukové procesory sú k dispozícii od kompaktných 50 wattových laboratórnych ultrazvukov až po 16 000 wattové výkonné inline ultrazvukové systémy. Široká škála posilňovacích klaksónov, sonotród a prietokových článkov umožňuje individuálne nastavenie ultrazvukového odplyňovacieho systému v súlade s kvapalinou, viskozitou a plynovými inklúziami.
Na odvzdušnenie a odplyňovanie tekutých kovov sú potrebné presne nastavené a udržiavané amplitúdy. Spoločnosť Hielscher Ultrasonics vyrába vysokovýkonné ultrazvukové sondy, ktoré sú špecifikované pre veľmi procesne optimalizované amplitúdy a teploty. Ak vaša aplikácia odplyňovania vyžaduje nezvyčajné špecifikácie, sú k dispozícii prispôsobené ultrazvukové sonotródy. Robustnosť ultrazvukového zariadenia Hielscher umožňuje prevádzku 24 hodín denne, 7 dní v týždni pri náročných nákladoch a v náročných prostrediach.

Dávka a inline

Ultrazvukové sondy Hielscher na odplyňovanie možno použiť na dávkové a kontinuálne inline odplyňovanie a odvzdušňovanie. V závislosti od objemu, viskozity a zachytených plynov vám odporučíme najvhodnejšie nastavenie ultrazvukového odplyňovania.

Ultrazvukové sondy na odplynenie akéhokoľvek objemu

Sortiment produktov Hielscher Ultrasonics pokrýva celé spektrum ultrazvukových procesorov od kompaktných laboratórnych ultrazvukových procesorov cez stolové a pilotné systémy až po plne priemyselné ultrazvukové procesory s kapacitou spracovať nákladné vozidlá za hodinu. Celý sortiment nám umožňuje ponúknuť vám najvhodnejšie ultrazvukové odplyňovacie zariadenie pre vašu kvapalinu, procesnú kapacitu a výrobné ciele.

Presne regulovateľné amplitúdy pre optimálne výsledky

Všetky ultrazvukové odplyňovacie systémy spoločnosti Hielscher sú presne ovládateľné, a tým spoľahlivé pracovné kone. Amplitúda je jedným z kľúčových parametrov procesu, ktoré ovplyvňujú účinnosť a účinnosť sonomechanicky indukovaného odplyňovania. Všetky ultrazvuky Hielscher’ Procesory umožňujú presné nastavenie amplitúdy. Sonotródy a posilňovacie klaksóny sú príslušenstvo, ktoré umožňuje upraviť amplitúdu v ešte širšom rozsahu. Priemyselné ultrazvukové procesory spoločnosti Hielscher môžu poskytovať veľmi vysoké amplitúdy a požadovanú intenzitu ultrazvuku pre náročné aplikácie. Amplitúdy až 200 μm je možné ľahko nepretržite prevádzkovať v prevádzke 24 hodín denne, 7 dní v týždni.
Presné nastavenie amplitúdy a trvalé monitorovanie parametrov ultrazvukového procesu pomocou inteligentného softvéru vám dáva možnosť upraviť parametre ultrazvukového procesu pre čo najefektívnejšie ultrazvukové odplynenie. Optimálna sonikácia pre vysoko účinné odstraňovanie plynov!
Robustnosť ultrazvukového zariadenia Hielscher umožňuje prevádzku 24 hodín denne, 7 dní v týždni pri náročných nákladoch a v náročných prostrediach. Vďaka tomu je ultrazvukové zariadenie Hielscher spoľahlivým pracovným nástrojom, ktorý spĺňa vaše požiadavky na proces odvzdušňovania.

Najvyššia kvalita – Navrhnuté a vyrobené v Nemecku

Ako rodinný a rodinný podnik uprednostňuje spoločnosť Hielscher pre svoje ultrazvukové procesory najvyššie štandardy kvality. Všetky ultrazvukové prístroje sú navrhnuté, vyrobené a dôkladne testované v našej centrále v Teltowe neďaleko Berlína v Nemecku. Robustnosť a spoľahlivosť ultrazvukového zariadenia Hielscher z neho robí ťažného koňa vo vašej výrobe. Prevádzka 24/7 pri plnom zaťažení a v náročných prostrediach je prirodzenou charakteristikou vysokovýkonných odplyňovačov Hielscher.