Високоефективне знегазування рідин за допомогою ультразвуку

Хоча дегазація або виділення газу часто є надзвичайно тривалим процесом, ультразвукова обробка може значно прискорити коалесценцію газових бульбашок та їхнє спливання. Ультразвукове виділення газу можна використовувати в партійних і проточних установках, а також поєднувати з традиційними методами дегазації, такими як продування інертними газами, імелерні дегазатори, нагрівання або вакуум, для підвищення ефективності та швидкості видалення газу.

Видалення газу з рідин

Терміни «знегазування», «дегазація» та «виділення газу» стосуються видалення вільних і розчинених газів, особливо реакційноздатних газів, таких як кисень або CO2, із рідини. Видалення кисню важливе для запобігання шкідливим змінам кінцевого продукту та покращення подальшої обробки. Дегазація є необхідним етапом обробки для багатьох застосувань і галузей промисловості. У промисловому виробництві дегазація є поширеним етапом процесу для забезпечення стабільності продукту, якості та безперервних стандартів продукції. Кисень є фактором, який впливає на якість і стабільність продукту на різних рівнях.
Тому знегазування є усталеним етапом процесу в харчовій і напоїв, хімічній, фармацевтичній та косметичній промисловості. Але також у лабораторіях зразки часто потребують дегазації перед аналізом (наприклад, перед ВЕРХ, аналізами, вимірюваннями частинок тощо).
Часто процеси змішування, що використовують, наприклад, високосердні лопатеві або роторні імелерні мікшери, часто роблять подальшу дегазацію продукту необхідною, оскільки ці техніки змішування зазвичай вносять велику кількість газів у продукт. Такі газові та повітряні включення зазвичай мають негативний вплив на продукт, оскільки вони можуть призводити до прогорклості жирів і олій, псувати продукти через окиснення, зміну кольору та небажані зміни запаху та смаку. Оскільки дегазовані продукти є хімічно більш стабільними та мають довший термін придатності, дегазація є важливим етапом обробки, що вимагає надійної техніки.

Ультразвукова дегазація: захоплені газові бульбашки видаляються з олії з використанням ультразвукового гомогенізатора UP400St

Ультразвукова дегазація та знегазування

Ультразвукова дегазація та знегазування є високоефективною альтернативою традиційним методам дегазації рідин, які включають кип’ятіння, зниження тиску до вакууму або продування інертними газами. Ці традиційні методи дегазації часто мають недоліки, такі як термічна деградація (через нагрівання), тривалі та енерговитратні процеси та/або недостатнє видалення газу. Ультразвукова дегазація базується на принципі роботи акустичної кавітації. Коли хвилі ультразвуку високої потужності вводяться в рідину, рідина стискається та розширюється під час циклів високого та низького тиску відповідно. Під час циклів низького тиску створюються крихітні вакуумні бульбашки (так звані кавітаційні бульбашки), які зростають протягом кількох циклів тиску. Під час цих циклів зростання бульбашок розчинені гази в рідині потрапляють у вакуумну бульбашку, так що вакуумні бульбашки перетворюються на зростаючі газові бульбашки. Крім того, мікротурбулентності та струмені рідини спричиняють інтенсивне перемішування та масоперенесення. Ці умови, створені ультразвуком, спричиняють коалесценцію газових бульбашок, тобто об’єднання малих розчинених газових бульбашок у більші газові бульбашки, які швидко спливають на поверхню рідини, де вони залишають рідину.
Зміни температури, спричинені ультразвуковою вібрацією та кавітацією, обмежені дуже малими локальними просторами, і підвищення температури в загальному об’ємі можна знехтувати, оскільки воно не впливає на якість продукту.

Зменшення розчиненого кисню з часом при ультразвуковій частоті 24 kHz з використанням сонікатора UP400ST при амплітудах 100 %, 80 %, 60 %, 40% та 20 %.
Дослідження: ©Rognerud et al., 2020.

Залежно від об’єму, в’язкості та газових включень у рідині або суспензії, ультразвукове деаерування може проводитися як періодичний або потоковий процес. Високопотужний ультразвуковий зонд випромінює акустичну кавітацію в рідину, завдяки чому рідина ефективно дегазується.
Ультразвукову дегазацію також можна використовувати для покращення вже існуючих систем дегазації, таких як нагрівання, вакуумування або барботаж.
Ультразвукове дегазування та піновідділення використовуються в промислових масштабах для видалення розчинених газів із води, олії, харчових продуктів і напоїв, хімічних розчинів, гідравлічних рідин, охолоджувальних рідин, бурових розчинів, сирої нафти, емульсій, фарб, чорнил, клеїв, лаків, покриттів, епоксидних смол, шампунів, миючих засобів та багатьох інших продуктів.

Ультразвукове дегазування з використанням проточної комірки. Цей експеримент являв собою прототип малопотужного водяного контуру з об’ємом 0,8 галона, потоком інертного газу 0,2 sfcm/min та інтенсивністю 275 W/cm2. Це демонструє скорочення часу видалення кисню приблизно на 70%.
Дослідження та фото: Rubio et al. 2016

Ультразвукове дегазування в потоковій установці з використанням ультразвукового процесора UIP1000hdT з проточною коміркою.

Барботаж, посилений ультразвуком

Барботаж рідин інертним газом (також відомий як продування інертним газом) є поширеною процедурою для видалення небажаних газів, таких як кисень і вуглекислий газ, із рідини. Для застосування барботажу зазвичай використовують азот, аргон, гелій та інші інертні гази. Барботування розчину високочистим (зазвичай інертним) газом може витягувати небажані, зазвичай реакційноздатні розчинені гази, такі як кисень і вуглекислий газ. Процес барботажу покладається на масоперенос і сам по собі є досить повільною процедурою. Щоб посилити барботаж інертними газами, рідко-газовий розчин часто інтенсивно перемішують і барботажують протягом тривалого часу. Ультразвукова обробка є технікою, що інтенсифікує дегазацію, яка покращує масоперенос і тим самим значно покращує барботаж. Коли високочастотні ультразвукові хвилі вводяться в рідини або суспензії, генеруються кавітаційні бульбашки. Ці кавітаційні бульбашки розбивають більші бульбашки продувального газу на дрібніші та рівномірно розподіляють бульбашки, що призводить до швидших і чистіших ефектів дегазації. Інтенсивне перемішування та турбулентність, створені ультразвуковою обробкою, сприяють масопереносу газ-рідина і тим самим швидкому видаленню небажаних газів.
Щоб прискорити та зробити процедуру барботажу більш ефективною, високоефективний ультразвук використовується для сономеханічного покращення ефективності масопереносу між газом і рідиною. Сономеханічні ефекти, що генеруються акустичною кавітацією, включають локальні перепади тиску та температури, мікротурбулентність і перемішування. Ці сили покращують ефективність дегазації, сприяючи збільшенню дифузійного масопереносу за рахунок розбиття бульбашок, дисперсії та подальшого збільшення міжфазної поверхні, що в кінцевому підсумку призводить до швидкого видалення захоплених газів із рідини.
Для досягнення бажаних ефектів виділення газу необхідна високочастотна ультразвукова обробка. Коли рідина продувається інертним газом у двофазному потоці, бажаною є ректифікована дифузія для збільшення швидкості масопереносу та видалення розчинених газів. Застосування ректифікованої дифузії може бути складним, оскільки захоплені та розчинені газові бульбашки мають тенденцію уникати потрапляння в поле ультразвукової кавітації при нижчих інтенсивностях. Однак при підвищених інтенсивностях (вище 300 W/cm² при приблизно 20 kHz) газові бульбашки більше не уникають зони кавітації і розбиваються сономеханічними силами. (пор. Jagannathan et al. 2011)

Високопотужні системи ультразвукового дегазування

Hielscher Ultrasonics – виробник високоефективного ультразвукового обладнання з багаторічним досвідом, який використовується у лабораторіях та промисловому виробництві по всьому світу. Дегазація рідин та суспензій є складною задачею, яка вимагає високотужних ультразвукових зондів, здатних передавати встановлені амплітуди в рідини для видалення захоплених газових бульбашок та повітряних порожнин. Усі пристрої Hielscher розроблені та виготовлені для роботи 24/7 під повним навантаженням. Ультразвукові процесори доступні від компактних лабораторних ультразвукових гомогенізаторів потужністю 50 ват до потужних потокових ультразвукових систем на 16 000 ват. Широкий вибір підсилювальних рогів, сонотродів та проточних комірок дозволяє індивідуально налаштувати систему ультразвукового дегазування відповідно до рідини, в’язкості та газових включень.
Для деаерації та виділення газу з рідких металів необхідні точно встановлені та підтримувані амплітуди. Hielscher Ultrasonics виробляє високоефективні ультразвукові зонди, що специфіковані для дуже оптимізованих під процес амплітуд та температур. Якщо ваше застосування дегазування вимагає незвичайних специфікацій, доступні індивідуальні ультразвукові сонотроди. Надійність ультразвукового обладнання Hielscher дозволяє працювати 24/7 у важких умовах та у складних середовищах.

Періодичний та потоковий режим

Ультразвукові зонди Hielscher для дегазації можуть використовуватися для періодичного та безперервного потокового дегазування та деаерації. Залежно від об’єму, в’язкості та захоплених газів ми рекомендуємо вам найбільш підходящу установку ультразвукового виділення газу.

Ультразвукові зонди для дегазування будь-якого об’єму

Асортимент продукції Hielscher Ultrasonics охоплює весь спектр ультразвукових процесорів від компактних лабораторних ультразвукових гомогенізаторів через настільні та пілотні системи до повністю промислових ультразвукових процесорів із потужністю обробки вантажівок на годину. Повний асортимент продукції дозволяє нам запропонувати вам найбільш підходяще ультразвукове обладнання для дегазування для вашої рідини, потужності процесу та цілей виробництва.

Точно контрольовані амплітуди для оптимальних результатів

Усі системи ультразвукового дегазування Hielscher точно контрольовані і, отже, є надійними робочими конячками. Амплітуда є одним із ключових параметрів процесу, які впливають на ефективність та результативність дегазації, спричиненої сономеханічним впливом. Усі процесори Hielscher Ultrasonics дозволяють точно встановлювати амплітуду. Сонотроди та підсилювальні роги є аксесуарами, які дозволяють змінювати амплітуду в ще ширшому діапазоні. Промислові ультразвукові процесори Hielscher можуть забезпечувати дуже високі амплітуди та надавати необхідну ультразвукову інтенсивність для складних застосувань. Амплітуди до 200µm можна легко підтримувати безперервно в режимі 24/7.
Точні налаштування амплітуди та постійний моніторинг параметрів ультразвукового процесу за допомогою розумного програмного забезпечення дають вам можливість коригувати параметри ультразвукового процесу для найбільш ефективного ультразвукового дегазування. Оптимальна ультразвукова обробка для високоефективного видалення газу!
Надійність ультразвукового обладнання Hielscher дозволяє працювати 24/7 у важких умовах та у складних середовищах. Це робить ультразвукове обладнання Hielscher надійним робочим інструментом, який задовольняє вимоги вашого процесу деаерації.

Найвища якість – розроблено та виготовлено в Німеччині

Як сімейний бізнес, Hielscher надає пріоритет найвищим стандартам якості для своїх ультразвукових процесорів. Усі ультразвукові гомогенізатори розробляються, виготовляються та ретельно тестуються в нашій штаб-квартирі в Тельтові поблизу Берліна, Німеччина. Надійність та стабільність ультразвукового обладнання Hielscher роблять його робочою конячкою у вашому виробництві. Робота 24/7 під повним навантаженням та у складних середовищах є природною характеристикою високоефективних дегазаторів Hielscher.