Zelo učinkovito odzračevanje tekočin z ultrazvokom

Čeprav je razplinjevanje oziroma izplinjevanje pogosto izjemno zamuden procesni korak, lahko sonikacija znatno pospeši zlivanje plinskih mehurčkov in njihovo dviganje. Ultrazvočno izplinjevanje se lahko uporablja v šaržnih in pretočnih sistemih ter se lahko kombinira tudi z običajnimi tehnikami razplinjevanja, kot so prepihovanje z inertnimi plini, razplinjevalniki z rotorjem, segrevanje ali vakuum, za povečanje učinkovitosti in hitrosti odstranjevanja plinov.

Odstranjevanje plinov iz tekočin

Izrazi odzračevanje, razplinjevanje in izplinjevanje označujejo odstranjevanje prostih in raztopljenih plinov, zlasti reaktivnih plinov, kot sta kisik ali CO2, iz fluida. Odstranjevanje kisika je pomembno za preprečevanje škodljivih sprememb končnega izdelka in izboljšanje nadaljnje obdelave. Razplinjevanje je nujen korak obdelave pri številnih uporabah in v številnih industrijskih panogah. V industrijski proizvodnji je razplinjevanje običajen procesni korak za zagotavljanje stabilnosti in kakovosti izdelkov ter stalnega izpolnjevanja standardov za izdelke. Kisik je dejavnik, ki na različnih ravneh vpliva na kakovost in stabilnost izdelkov.
Zato je odzračevanje uveljavljen procesni korak v živilski industriji in industriji pijač ter v kemični, farmacevtski in kozmetični industriji. Tudi v laboratorijih je vzorce pogosto treba razpliniti pred analizo (npr. pred HPLC, analiznimi preizkusi, meritvami delcev itd.).
Postopki mešanja, pri katerih se uporabljajo npr. lopatična mešala z visokim strigom ali rotorska mešala, pogosto zahtevajo naknadno razplinjevanje izdelka, saj te tehnike mešanja običajno vnašajo v izdelek velike količine plinov. Takšni vključki plina in zraka običajno negativno vplivajo na izdelek, saj lahko povzročijo žarkost maščob in olj ter poslabšanje izdelkov zaradi oksidacije, spremembe barve in neželene spremembe vonja in okusa.  Ker so razplinjeni izdelki kemično stabilnejši in imajo daljši rok uporabnosti, je razplinjevanje bistven korak obdelave, ki zahteva zanesljivo tehniko.
 

Ultrazvočno razplinjevanje: Ujeti plinski mehurčki se odstranijo iz olja z uporabo ultrazvočne naprave UP400St

Ultrazvočno razplinjevanje in odzračevanje

Ultrazvočno razplinjevanje in odzračevanje sta zelo učinkovita alternativa tradicionalnim metodam razplinjevanja tekočin, ki vključujejo vrenje, znižanje tlaka do vakuuma ali prepihovanje z inertnimi plini. Te tradicionalne metode razplinjevanja imajo pogosto slabosti, kot so toplotna razgradnja (zaradi segrevanja), časovno in energijsko zahtevna obdelava in/ali nezadostno odstranjevanje plinov. Ultrazvočno razplinjevanje temelji na načelu delovanja akustične kavitacije. Ko se ultrazvočni valovi visoke moči sklopijo v tekočino, se ta med visokotlačnimi cikli stiska, med nizkotlačnimi cikli pa razteza. Med nizkotlačnimi cikli nastajajo drobni vakuumski mehurčki (tako imenovani kavitacijski mehurčki), ki rastejo skozi več tlačnih ciklov. Med temi cikli rasti mehurčkov raztopljeni plini v tekočini vstopajo v vakuumski mehurček, tako da se ta spremeni v rastoč plinski mehurček. Poleg tega mikroturbulence in tekočinski curki povzročajo intenzivno mešanje in prenos snovi. Ti ultrazvočno ustvarjeni pogoji povzročajo koalescenco plinskih mehurčkov, torej zlivanje majhnih mehurčkov raztopljenega plina v večje plinske mehurčke, ki se hitro dvignejo na površino tekočine, kjer jo zapustijo.
Temperaturne spremembe, ki jih povzročajo ultrazvočno nihanje in kavitacija, so omejene na zelo majhna lokalna območja, dvig temperature v celotni prostornini pa lahko zanemarimo, saj ne vpliva na kakovost izdelka.
 

Zmanjševanje količine raztopljenega kisika s časom pri ultrazvočni frekvenci 24 kHz z uporabo sonikatorja UP400ST pri amplitudah 100 %, 80 %, 60 %, 40% in 20 %.
Študija: ©Rognerud et al., 2020.

 
Glede na prostornino, viskoznost in plinske vključke v tekočini ali suspenziji lahko ultrazvočno odzračevanje poteka kot šaržni ali pretočni proces. Ultrazvočna sonda visoke moči oddaja akustično kavitacijo v tekočino, tako da se tekočina učinkovito razplini.
Ultrazvočno razplinjevanje se lahko uvede tudi za izboljšanje že obstoječih sistemov razplinjevanja, kot so segrevanje, vakuum ali prepihovanje s plinom.
Ultrazvočno razplinjevanje in odstranjevanje pene se uporabljata v industrijskem obsegu za odstranjevanje raztopljenih plinov iz vode, olj, živil in pijač, kemičnih raztopin, hidravličnih tekočin, hladilnih tekočin, vrtalnih tekočin, surove nafte, emulzij, barv, tiskarskih črnil, lepil, lakov, premazov, epoksidnih smol, šamponov, detergentov in številnih drugih izdelkov.
 

Ultrazvočno razplinjevanje z uporabo sistema s pretočno celico. Ta poskus je potekal v prototipnem vodnem obtoku majhnega obsega s prostornino 0,8 galone, pretokom inertnega plina 0,2 sfcm/min in intenziteto 275 W/cm2. To kaže na skrajšanje časa odstranjevanja kisika za približno 70%.
Študija in slika: Rubio et al. 2016

Ultrazvočno razplinjevanje v pretočnem sistemu z uporabo ultrazvočne naprave UIP1000hdT s pretočno celico.

Prepihovanje s plinom, izboljšano z ultrazvokom

Prepihovanje tekočin z inertnim plinom (znano tudi kot izpiranje z inertnim plinom) je običajen postopek za odstranjevanje neželenih plinov, kot sta kisik in ogljikov dioksid, iz tekočine. Za prepihovanje se običajno uporabljajo dušik, argon, helij in drugi inertni plini. Uvajanje mehurčkov plina visoke čistosti (običajno inertnega) v raztopino lahko odstrani neželene, običajno reaktivne raztopljene pline, kot sta kisik in ogljikov dioksid. Postopek prepihovanja temelji na prenosu snovi in je sam po sebi precej počasen. Za intenzivnejše prepihovanje z inertnimi plini se raztopina tekočine in plina pogosto močno meša, mehurčki plina pa se vanjo uvajajo dalj časa. Sonikacija je tehnika za intenziviranje razplinjevanja, ki znatno izboljša prenos snovi in s tem prepihovanje. Ko se ultrazvočni valovi visoke moči sklopijo v tekočine ali suspenzije, nastajajo kavitacijski mehurčki. Ti kavitacijski mehurčki razbijejo večje mehurčke plina za izpiranje v majhne mehurčke in jih enakomerno dispergirajo, kar omogoča hitrejše in čistejše razplinjevanje. Intenzivno mešanje in turbulence, ki jih ustvarja sonikacija, spodbujajo prenos snovi med plinom in tekočino ter s tem hitro odstranjevanje neželenih plinov.
Za pospešitev in povečanje učinkovitosti postopka prepihovanja se uporablja visokozmogljiv ultrazvok, ki sonomehansko izboljša učinkovitost prenosa snovi med plinom in tekočino. Sonomehanski učinki, ki jih ustvarja akustična kavitacija, vključujejo lokalne razlike v tlaku in temperaturi, mikroturbulence in mešanje. Te sile izboljšujejo učinkovitost razplinjevanja, saj prispevajo k povečanju difuzijskega prenosa snovi zaradi razbijanja mehurčkov, dispergiranja in posledičnega povečanja medfazne površine, kar nazadnje omogoča hitro odstranjevanje ujetih plinov iz tekočine.
Za doseganje želenih učinkov izplinjevanja je potrebna sonikacija z visoko močjo. Ko se tekočina prepihuje z inertnim plinom v dvofaznem toku, je za povečanje prenosa snovi in hitrosti odstranjevanja raztopljenih plinov zaželena usmerjena difuzija. Uporaba usmerjene difuzije je lahko težavna, ker se ujeti mehurčki in mehurčki raztopljenega plina pri nižjih intenzitetah običajno izogibajo vstopu v ultrazvočno kavitacijsko polje. Vendar se pri povečanih intenzitetah (višjih od 300 W/cm² pri približno 20 kHz) plinski mehurčki ne izogibajo več kavitacijskemu območju in jih sonomehanske sile razbijejo. (prim. Jagannathan et al. 2011)

Ultrazvočni sistemi visoke moči za razplinjevanje

Hielscher Ultrasonics je proizvajalec visokozmogljive ultrazvočne opreme z dolgoletnimi izkušnjami, ki se uporablja po vsem svetu v laboratorijih in industrijski proizvodnji. Razplinjevanje tekočin in suspenzij je zahtevna uporaba, ki zahteva ultrazvočne sonde visoke moči, sposobne sklopiti nihanje pri določenih amplitudah v tekočine za odstranjevanje ujetih plinskih mehurčkov in zračnih žepov. Vse ultrazvočne naprave Hielscher so zasnovane in izdelane za delovanje 24/7 pri polni obremenitvi. Ultrazvočni procesorji so na voljo od kompaktnih laboratorijskih ultrazvočnih naprav z močjo 50 vatov do zmogljivih pretočnih ultrazvočnih sistemov z močjo 16.000 vatov. Širok izbor ojačevalnikov amplitude, sonotrod in pretočnih celic omogoča individualno sestavo ultrazvočnega sistema za razplinjevanje glede na tekočino, viskoznost in plinske vključke.
Za odzračevanje in izplinjevanje tekočih kovin so potrebne natančno nastavljene in vzdrževane amplitude. Hielscher Ultrasonics izdeluje visokozmogljive ultrazvočne sonde, ki so specificirane za amplitude in temperature, zelo dobro optimizirane za proces. Če vaša uporaba razplinjevanja zahteva neobičajne specifikacije, so na voljo ultrazvočne sonotrode po meri. Robustnost ultrazvočne opreme Hielscher omogoča delovanje 24/7 pri velikih obremenitvah in v zahtevnih okoljih.

Šaržna in pretočna obdelava

Ultrazvočne sonde Hielscher za razplinjevanje se lahko uporabljajo za šaržno in neprekinjeno pretočno razplinjevanje ter odzračevanje. Glede na prostornino, viskoznost in ujete pline vam bomo priporočili najprimernejši ultrazvočni sistem za izplinjevanje.

Ultrazvočne sonde za razplinjevanje katere koli prostornine

Paleta izdelkov Hielscher Ultrasonics zajema celoten spekter ultrazvočnih procesorjev, od kompaktnih laboratorijskih ultrazvočnih naprav prek namiznih in pilotnih sistemov do popolnoma industrijskih ultrazvočnih procesorjev z zmogljivostjo obdelave tovornjakov materiala na uro. Celotna paleta izdelkov nam omogoča, da vam ponudimo najprimernejšo ultrazvočno opremo za razplinjevanje glede na vašo tekočino, zmogljivost procesa in proizvodne cilje.

Natančno nastavljive amplitude za optimalne rezultate

Vse ultrazvočne sisteme Hielscher za razplinjevanje je mogoče natančno krmiliti, zato so zanesljivi delovni stroji. Amplituda je eden ključnih procesnih parametrov, ki vplivajo na učinkovitost in uspešnost sonomehansko povzročenega razplinjevanja. Vsi procesorji Hielscher Ultrasonics omogočajo natančno nastavitev amplitude. Sonotrode in ojačevalniki amplitude so dodatki, ki omogočajo spreminjanje amplitude v še širšem razponu. Industrijski ultrazvočni procesorji Hielscher lahko zagotavljajo zelo visoke amplitude in potrebno ultrazvočno intenziteto za zahtevne uporabe. Neprekinjeno delovanje 24/7 pri amplitudah do 200µm je mogoče brez težav.
Natančne nastavitve amplitude in stalno spremljanje ultrazvočnih procesnih parametrov s pametno programsko opremo vam omogočajo prilagoditev ultrazvočnih procesnih parametrov za najučinkovitejše ultrazvočno razplinjevanje. Optimalna sonikacija za zelo učinkovito odstranjevanje plinov!
Robustnost ultrazvočne opreme Hielscher omogoča delovanje 24/7 pri velikih obremenitvah in v zahtevnih okoljih. Zaradi tega je ultrazvočna oprema Hielscher zanesljivo delovno orodje, ki izpolnjuje zahteve vašega procesa odzračevanja.

Najvišja kakovost – zasnovano in izdelano v Nemčiji

Hielscher kot podjetje v družinski lasti in z družinskim vodstvom daje prednost najvišjim standardom kakovosti svojih ultrazvočnih procesorjev. Vse ultrazvočne naprave so zasnovane, izdelane in temeljito preizkušene na našem sedežu v Teltowu blizu Berlina v Nemčiji. Robustnost in zanesljivost ultrazvočne opreme Hielscher zagotavljata, da je ta zanesljiv delovni stroj v vaši proizvodnji. Delovanje 24/7 pri polni obremenitvi in v zahtevnih okoljih je naravna značilnost visokozmogljivih razplinjevalnikov Hielscher.