Mycket effektiv avluftning av vätskor med hjälp av ultraljud

Medan avgasning eller utgasning är ofta en extremt tidskrävande processteg, kan ultraljud påskynda sammansmältningen av gasbubblor och deras ökning avsevärt. Ultraljudsutgasning kan användas i batch- och inline-inställningar och kan också kombineras med konventionella avgasningstekniker som sparging med inerta gaser, pumphjulsavgasare, uppvärmning eller vakuum för att förbättra effektiviteten och hastigheten på gasavlägsnande.

Ta bort gas från vätskor

Termerna avluftning, avgasning och utgasning avser avlägsnande av fria och lösta gaser, särskilt reaktiva gaser som syre eller CO2, från en vätska. Att eliminera syre är viktigt för att förhindra skadliga förändringar i slutprodukten och förbättra bearbetningen nedströms. Avgasning är ett nödvändigt processteg för många applikationer och industrier. Inom industriell tillverkning är avgasning ett vanligt processteg för att säkerställa produktstabilitet, kvalitet och kontinuerliga produktstandarder. Syre är en faktor som påverkar produktens kvalitet och stabilitet på olika nivåer.
Därför är avluftning ett etablerat processteg i livsmedelsindustrin & dryckes-, kemisk-, läkemedels- och kosmetisk industri. Men även i laboratorier kräver prover ofta avgasning före analys (t.ex. före HPLC, analyser, partikelmätningar etc.).
Ofta innebär blandningsprocesser med t.ex. högskjuvningsblad eller roterande pumphjulsblandare att det är nödvändigt med efterföljande avgasning av produkten, eftersom dessa blandningstekniker vanligtvis introducerar stora mängder gaser i produkten. Sådana gas- och luftinneslutningar har vanligtvis negativa effekter på produkten, eftersom de kan härskna fetter och oljor och försämra produkter genom oxidation, missfärgning och oönskade förändringar av lukt och smak. Eftersom avgasade produkter är kemiskt mer stabila och har längre hållbarhet är avgasning ett viktigt processteg som kräver en tillförlitlig teknik.
 

Ultraljudsavgasning: Instängda gasbubblor avlägsnas från olja med hjälp av ultraljudsapparaten UP400St

Ultraljud avgasning och avluftning

Ultraljud avgasning och avluftning är ett mycket potent alternativ till traditionella avgasningsmetoder av vätskor som inkluderar kokning, minskning av trycket till vakuum eller sparging med inerta gaser. Dessa traditionella avgasningsmetoder har ofta nackdelar som termisk nedbrytning (på grund av uppvärmning), tids- och energikrävande bearbetning och/eller otillräcklig gasborttagning. Ultraljudsavgasning är baserad på arbetsprincipen för akustisk kavitation. När ultraljudsvågor med hög effekt kopplas samman till en vätska komprimeras och expanderas vätskan under högtrycks- respektive lågtryckscykler. Under lågtryckscykler skapas små vakuumbubblor (så kallade kavitationsbubblor) som växer över flera tryckcykler. Under dessa cykler av bubbeltillväxt kommer de upplösta gaserna i vätskan in i vakuumbubblan, så att vakuumbubblan omvandlas till växande gasbubblor. Dessutom orsakar mikroturbulens och vätskestrålar intensiv omrörning och massöverföring. Dessa ultraljudsgenererade förhållanden orsakar sammansmältning av gasbubblor, vilket är föreningen av små upplösta gasbubblor till större gasbubblor, som snabbt stiger till vätskans yta, där de lämnar vätskan.
Temperaturförändringarna som orsakas av ultraljudsvibrationer och kavitation är begränsade till mycket små lokala utrymmen och temperaturökningen i den totala volymen kan försummas eftersom den inte stör produktkvaliteten.
 

Minskning av löst syre med tid för ultraljudsfrekvens på 24 kHz med hjälp av sonikator UP400ST vid amplituder på 100 %, 80 %, 60 %, 40 % och 20 %.
Studie: ©Rognerud et al., 2020.

 
Beroende på volymen, viskositeten och gasinneslutningarna i vätskan eller uppslamningen kan ultraljudsavluftning köras som en satsvis eller inline-process. En ultraljudssond med hög effekt avger akustisk kavitation i vätskan, så att vätskan avgasas effektivt.
Ultraljudsavgasning kan också implementeras för att förbättra redan befintliga avgasningssystem såsom uppvärmning, vakuum eller sparging.
Ultraljudsavgasning och skumdämpning används i industriell skala för att avlägsna upplösta gaser från vatten, oljor, livsmedel och drycker, kemiska lösningar, hydraulvätskor, kylvätskor, borrvätskor, råolja, emulsioner, färger, bläck, lim, lacker, beläggningar, epoxi, schampon, tvättmedel och många andra produkter.
 

Ultraljudsavgasning med hjälp av en flödescellsuppsättning. Detta experiment var en prototyp av en småskalig vattenslinga med en volym på 0,8 gallon, ett inert gasflöde på 0,2 sfcm/min och en intensitet på 275 W/cm2. Detta visar en minskning av syreborttagningstiden med cirka 70 %.
Studie och bild: Rubio et al. 2016

Ultraljudsavgasning i en inline-installation med hjälp av ultraljudsapparaten UIP1000hdT med flödescell.

Ultraljudsförbättrad sparging

Att sparga vätskor med inert gas (även känd som inert gasrening) är en vanlig behandling för att avlägsna oönskade gaser som syre och koldioxid från vätskan. För glesningsapplikationer används ofta kväve, argon, helium och andra inerta gaser. Att bubbla en lösning med en gas med hög renhet (vanligtvis inert) kan dra ut oönskade, vanligtvis reaktiva lösta gaser som syre och koldioxid. Splingprocessen är beroende av massöverföring och är i sig en ganska långsam procedur. För att intensifiera spridningen med inerta gaser omrörs den flytande gaslösningen ofta kraftigt och bubblas under lång tid. Ultraljud är en avgasningsintensifierande teknik, som förbättrar massöverföringen och därmed sparging avsevärt. När ultraljudsvågor med hög effekt kopplas till vätskor eller uppslamningar genereras kavitationsbubblor. Dessa kavitationsbubblor bryter upp större reningsgasbubblor till små bubblor och sprider bubblorna jämnt, vilket resulterar i snabbare och renare avgasningseffekter. Den intensiva omrörning och turbulens som skapas av ultraljud främjar överföring av gas-vätska massa och därmed snabbt avlägsnande av oönskade gaser.
För att accelerera och göra sparging-proceduren mer effektiv, används högpresterande ultraljud för att sonomekaniskt förbättra massöverföringsprestanda mellan gas och vätska. De sonomekaniska effekterna som genereras av akustisk kavitation inkluderar lokala tryck- och temperaturskillnader, mikroturbulenser och omrörning. Dessa krafter förbättrar avgasningsprestandan genom att bidra till en ökning av den diffusiva massöverföringen på grund av bubbelupplösning, dispersion och den efterföljande ökningen av gränssnittsområdet, vilket slutligen resulterar i ett snabbt avlägsnande av instängda gaser från vätskan.
För att uppnå önskade utgasningseffekter krävs ultraljud med hög effekt. När en vätska sparas med en inert gas i ett tvåfasflöde önskas rektifierad diffusion för att öka massöverförings- och borttagningshastigheten för upplösta gaser. Att tillämpa likriktad diffusion kan vara svårt eftersom instängda och upplösta gasbubblor tenderar att undvika att komma in i ultraljudskavitationsfältet vid lägre intensiteter. Vid förhöjda intensiteter (högre än 300 W/cm² vid ca 20 kHz) undviker gasbubblorna inte längre kavitationszonen och bryts upp av sonomekaniska krafter. (jfr Jagannathan et al. 2011)

Ultraljudsavgasningssystem med hög effekt

Hielscher Ultrasonics är länge erfarenhet tillverkare av högpresterande ultraljudsutrustning som används över hela världen i laboratorier och industriell produktion. Avgasning av vätskor och slam är en krävande applikation som kräver ultraljudssonder med hög effekt som kan koppla etablerade amplituder till vätskor för att avlägsna instängda gasbubblor och luftfickor. Alla Hielscher ultraljudsenheter är designade och tillverkade för att användas 24/7 under full belastning. Ultraljudsprocessorer finns tillgängliga från kompakta 50 watt laboratorium ultraljudsapparater till 16.000watt kraftfulla inline ultraljudssystem. Ett brett utbud av boosterhorn, sonotroder och flödesceller möjliggör individuell installation av ett ultraljudsavgasningssystem i överensstämmelse med vätskan, viskositeten och gasinneslutningarna.
För avluftning och utgasning av flytande metaller krävs exakt inställda och bibehållna amplituder. Hielscher Ultrasonics tillverkar högpresterande ultraljudssonder som är specificerade för mycket processoptimerade amplituder och temperaturer. Om din avgasningsapplikation kräver ovanliga specifikationer, finns anpassade ultraljudssonotroder tillgängliga. Robustheten hos Hielschers ultraljudsutrustning möjliggör 24/7 drift vid tung belastning och i krävande miljöer.

batch och infogade

Hielscher ultraljudssonder för avgasning kan användas för batchvis och kontinuerlig inline avgasning och avluftning. Beroende på volym, viskositet och instängda gaser kommer vi att rekommendera dig den mest lämpliga ultraljudsutgasningsinställningen.

Ultraljudssonder för avgasning av alla volymer

Hielscher Ultrasonics produktsortiment täcker hela spektrumet av ultraljudsprocessorer från kompakta labb ultraljudsapparater över bänk-top och pilotsystem till fullt industriella ultraljudsprocessorer med kapacitet att bearbeta lastbilslaster per timme. Det kompletta produktsortimentet gör att vi kan erbjuda dig den mest lämpliga ultraljudsavgasningsutrustningen för din vätska, processkapacitet och produktionsmål.

Exakt kontrollerbara amplituder för optimala resultat

Alla Hielscher ultraljudsavgasningssystem är exakt kontrollerbara och därmed pålitliga arbetshästar. Amplituden är en av de avgörande processparametrarna som påverkar effektiviteten och ändamålsenligheten hos sonomekaniskt inducerad avgasning. Alla Hielscher ultraljud’ processorer möjliggör exakt inställning av amplituden. Sonotrodes och boosterhorn är tillbehör som gör det möjligt att modifiera amplituden i ett ännu bredare intervall. Hielschers industriella ultraljudsprocessorer kan leverera mycket höga amplituder och leverera den ultraljudsintensitet som krävs för krävande applikationer. Amplituder på upp till 200 μm kan enkelt köras kontinuerligt i 24/7 drift.
Exakta amplitudinställningar och permanent övervakning av ultraljudsprocessparametrarna via smart programvara ger dig möjlighet att justera ultraljudsprocessparametrarna för mest effektiv ultraljudsavgasning. Optimal ultraljudsbehandling för mycket effektiv avlägsnande av gas!
Robustheten hos Hielschers ultraljudsutrustning möjliggör 24/7 drift vid tung belastning och i krävande miljöer. Detta gör Hielschers ultraljudsutrustning till ett pålitligt arbetsredskap som uppfyller dina krav på avluftningsprocessen.

Högsta kvalitet – Designad och tillverkad i Tyskland

Som ett familjeägt och familjeägt företag prioriterar Hielscher högsta kvalitetsstandarder för sina ultraljudsprocessorer. Alla ultraljudsapparater är utformade, tillverkade och grundligt testade i vårt huvudkontor i Teltow nära Berlin, Tyskland. Robustheten och tillförlitligheten hos Hielschers ultraljudsutrustning gör den till en arbetshäst i din produktion. 24/7 drift under full belastning och i krävande miljöer är en naturlig egenskap hos Hielschers högpresterande avgasare.