Högeffektiv avluftning av vätskor med ultraljud

Även om avgasning eller gasavgivning ofta är ett extremt tidskrävande processteg kan ultraljudsbehandling avsevärt påskynda gasbubblornas koalescens och uppstigning. Ultraljudsbaserad avgasning kan användas i satsvisa och kontinuerliga inline-system och kan även kombineras med konventionella avgasningstekniker som genomblåsning med inerta gaser, impelleravgasare, uppvärmning eller vakuum för att öka gasavlägsnandets effektivitet och hastighet.

Avlägsnande av gas från vätskor

Termerna avluftning, avgasning och gasavgivning avser avlägsnande av fria och lösta gaser, särskilt reaktiva gaser som syre eller CO2, från en fluid. Att eliminera syre är viktigt för att förhindra skadliga förändringar i slutprodukten och förbättra efterföljande bearbetning. Avgasning är ett nödvändigt processteg för många tillämpningar och branscher. Vid industriell tillverkning är avgasning ett vanligt processteg för att säkerställa produktstabilitet, kvalitet och en jämn produktstandard. Syre är en faktor som påverkar produktens kvalitet och stabilitet på olika nivåer.
Därför är avluftning ett etablerat processteg inom livsmedels- och dryckesindustrin, den kemiska industrin, läkemedelsindustrin och kosmetikindustrin. Även i laboratorier behöver prover ofta avgasas före analys (t.ex. före HPLC, analysbestämningar, partikelmätningar osv.).
Blandningsprocesser som använder t.ex. bladblandare med hög skjuvning eller roterande impellerblandare gör ofta efterföljande avgasning av produkten nödvändig, eftersom dessa blandningstekniker vanligen för in stora mängder gaser i produkten. Sådana gas- och luftinneslutningar har vanligtvis negativa effekter på produkten, eftersom de kan få fetter och oljor att härskna och försämra produkter genom oxidation, missfärgning och oönskade förändringar av lukt och smak.  Eftersom avgasade produkter är kemiskt stabilare och har längre hållbarhet är avgasning ett väsentligt processteg som kräver en tillförlitlig teknik.
 

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

Avgasning och avluftning med ultraljud

Avgasning och avluftning med ultraljud är ett mycket kraftfullt alternativ till traditionella metoder för avgasning av vätskor, däribland kokning, trycksänkning till vakuum eller genomblåsning med inerta gaser. Dessa traditionella avgasningsmetoder har ofta nackdelar som termisk nedbrytning (på grund av uppvärmning), tids- och energikrävande bearbetning och/eller otillräckligt gasavlägsnande. Ultraljudsavgasning bygger på funktionsprincipen för akustisk kavitation. När ultraljudsvågor med hög effekt kopplas in i en vätska komprimeras och expanderas vätskan under högtrycks- respektive lågtryckscykler. Under lågtryckscykler bildas mycket små vakuumbubblor (så kallade kavitationsbubblor), som växer under flera tryckcykler. Under dessa cykler av bubbeltillväxt tränger de lösta 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 koalescens av gasbubblor, vilket innebär att små lösta gasbubblor förenas till större gasbubblor som snabbt stiger till vätskeytan, där de lämnar vätskan.
De temperaturförändringar som orsakas av ultraljudsvibrationer och kavitation är begränsade till mycket små lokala områden, och temperaturökningen i den totala volymen kan försummas eftersom den inte påverkar produktkvaliteten.
 

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

 
Beroende på vätskans eller slurryns volym, viskositet och gasinneslutningar kan ultraljudsavluftning utföras som en satsvis process eller en inlineprocess. En ultraljudssond med hög effekt alstrar akustisk kavitation i vätskan, så att vätskan avgasas effektivt.
Ultraljudsavgasning kan också användas för att förbättra befintliga avgasningssystem såsom uppvärmning, vakuum eller gasgenomblåsning.
Ultraljudsavgasning och ultraljudsavskumning används i industriell skala för att avlägsna lösta gaser från vatten, oljor, livsmedel och drycker, kemiska lösningar, hydraulvätskor, kylvätskor, borrvätskor, råolja, emulsioner, färger, tryckfärger, lim, lacker, beläggningar, epoxihartser, schampon, rengöringsmedel och många andra produkter.
 

Ultraljudsavgasning med en flödescellsuppställning. Detta experiment utfördes i en prototyp av en småskalig vattenkrets med en volym på 0,8 gallon, ett inertgasflöde på 0,2 sfcm/min och en intensitet på 275 W/cm2. Detta visar en minskning av tiden för syreavlägsnande med cirka 70%.
Studie och bild: Rubio et al. 2016

Ultraljudsavgasning i en inlineuppställning med ultraljudsapparaten UIP1000hdT med flödescell.

Ultraljudsförstärkt gasgenomblåsning

Genomblåsning av vätskor med inertgas (även kallad inertgasspolning) är en vanlig behandling för att avlägsna oönskade gaser såsom syre och koldioxid från vätskan. För gasgenomblåsning används vanligen kväve, argon, helium och andra inerta gaser. Att bubbla en gas med hög renhet (vanligtvis en inertgas) genom en lösning kan avlägsna oönskade, vanligtvis reaktiva lösta gaser såsom syre och koldioxid. Gasgenomblåsningsprocessen bygger på massöverföring och är i sig en ganska långsam procedur. För att intensifiera genomblåsningen med inerta gaser omrörs vätske–gaslösningen ofta kraftigt och genomströmmas av bubblor under lång tid. Ultraljudsbehandling är en teknik som intensifierar avgasningen genom att avsevärt förbättra massöverföringen och därmed gasgenomblåsningen. När ultraljudsvågor med hög effekt kopplas in i vätskor eller slurry bildas kavitationsbubblor. Dessa kavitationsbubblor bryter upp större spolg asbubblor till små bubblor och dispergerar bubblorna jämnt, vilket ger snabbare och renare avgasning. Den intensiva omrörningen och turbulensen som skapas av ultraljudsbehandlingen främjar massöverföringen mellan gas och vätska och därmed ett snabbt avlägsnande av oönskade gaser.
För att påskynda gasgenomblåsningen och göra den effektivare används högpresterande ultraljud för att sonomekaniskt förbättra massöverföringen mellan gas och vätska. De sonomekaniska effekter som alstras av akustisk kavitation omfattar lokala tryck- och temperaturskillnader, mikroturbulens och omrörning. Dessa krafter förbättrar avgasningsprestandan genom att bidra till ökad diffusiv massöverföring till följd av uppbrytning av bubblor, dispersion och den efterföljande ökningen av gränsytans area, vilket slutligen leder till att inneslutna gaser snabbt avlägsnas från vätskan.
För att uppnå de önskade avgasningseffekterna krävs ultraljudsbehandling med hög effekt. När en vätska genomblåses med en inertgas i ett tvåfasflöde är likriktad diffusion önskvärd för att öka massöverföringen och hastigheten med vilken lösta gaser avlägsnas. Det kan vara svårt att åstadkomma likriktad diffusion eftersom inneslutna och lösta gasbubblor tenderar att undvika att tränga in i ultraljudets kavitationsfält vid lägre intensiteter. Vid förhöjda intensiteter (högre än 300 W/cm² vid cirka 20 kHz) undviker gasbubblorna dock inte längre kavitationszonen och bryts upp av sonomekaniska krafter. (jfr Jagannathan et al. 2011)

Högeffektsystem för ultraljudsavgasning

Hielscher Ultrasonics är en tillverkare med lång erfarenhet av högpresterande ultraljudsutrustning som används över hela världen i laboratorier och industriell produktion. Avgasning av vätskor och slurryer är en krävande tillämpning som kräver ultraljudssonder med hög effekt, vilka kan koppla in fastställda amplituder i vätskor för att avlägsna inneslutna gasbubblor och luftfickor. Alla ultraljudsapparater från Hielscher är konstruerade och tillverkade för drift dygnet runt under full belastning. Ultraljudsprocessorer finns tillgängliga från kompakta ultraljudsapparater för laboratorier på 50 watt till kraftfulla inline-ultraljudssystem på 16 000 watt. Ett brett utbud av förstärkarhorn, sonotroder och flödesceller gör det möjligt att anpassa ett ultraljudsavgasningssystem efter vätskan, viskositeten och gasinneslutningarna.
För avluftning och avgasning av flytande metaller krävs amplituder som ställs in och upprätthålls exakt. Hielscher Ultrasonics tillverkar högpresterande ultraljudssonder som är specificerade för mycket processoptimerade amplituder och temperaturer. Om din avgasningstillämpning kräver ovanliga specifikationer finns kundanpassade ultraljudssonotroder tillgängliga. Robustheten hos Hielschers ultraljudsutrustning möjliggör drift dygnet runt vid hög belastning och i krävande miljöer.

Satsvis och inline

Hielschers ultraljudssonder för avgasning kan användas för satsvis och kontinuerlig avgasning och avluftning inline. Beroende på volym, viskositet och inneslutna gaser rekommenderar vi den lämpligaste konfigurationen för ultraljudsavgasning.

Ultraljudssonder för avgasning av alla volymer

Hielscher Ultrasonics produktsortiment täcker hela spektrumet av ultraljudsprocessorer, från kompakta ultraljudsapparater för laboratorier via bänk- och pilotsystem till helt industriella ultraljudsprocessorer med kapacitet att bearbeta lastbilslaster per timme. Det kompletta produktsortimentet gör att vi kan erbjuda dig den lämpligaste ultraljudsutrustningen för avgasning utifrån din vätska, processkapacitet och dina produktionsmål.

Exakt reglerbara amplituder för optimala resultat

Alla Hielschers system för ultraljudsavgasning kan regleras exakt och är därmed tillförlitliga arbetshästar. Amplituden är en av de avgörande processparametrar som påverkar effektiviteten och verkan hos sonomekaniskt inducerad avgasning. Alla processorer från Hielscher Ultrasonics möjliggör exakt inställning av amplituden. Sonotroder och förstärkarhorn är tillbehör som gör det möjligt att ändra amplituden inom ett ännu bredare intervall. Hielschers industriella ultraljudsprocessorer kan leverera mycket höga amplituder och den ultraljudsintensitet som krävs för krävande tillämpningar. Amplituder på upp till 200µm kan enkelt upprätthållas kontinuerligt vid drift dygnet runt.
Exakta amplitudinställningar och ständig övervakning av ultraljudsprocessens parametrar via smart programvara ger dig möjlighet att justera ultraljudsprocessens parametrar för effektivast möjliga ultraljudsavgasning. Optimal ultraljudsbehandling för högeffektiv gasavskiljning!
Robustheten hos Hielschers ultraljudsutrustning möjliggör drift dygnet runt vid hög belastning och i krävande miljöer. Detta gör Hielschers ultraljudsutrustning till ett tillförlitligt arbetsredskap som uppfyller kraven för din avluftningsprocess.

Högsta kvalitet – konstruerad och tillverkad i Tyskland

Som ett familjeägt och familjedrivet företag prioriterar Hielscher de högsta kvalitetsstandarderna för sina ultraljudsprocessorer. Alla ultraljudsapparater konstrueras, tillverkas och testas grundligt vid vårt huvudkontor i Teltow nära Berlin i Tyskland. Robustheten och tillförlitligheten hos Hielschers ultraljudsutrustning gör den till en arbetshäst i din produktion. Drift dygnet runt under full belastning och i krävande miljöer är en naturlig egenskap hos Hielschers högpresterande avgasare.