Opublikowano

Homogenizatory ultradźwiękowe

Homogenizatory ultradźwiękowe służą do przetwarzania cieczy za pomocą kawitacji od laboratorium do przemysłu. Energia ultradźwiękowa wytwarza duże siły ścinające i intensywnie miesza ciecze i zawiesiny. Zjawisko kawitacji wykorzystuje się do mieszania, dyspergowania, zmniejszania wielkości cząstek, ekstrakcji i reakcji sonochemicznych.

Zasada działania

Homogenizator ultradźwiękowy (używane inne nazwy to sonifikator, sonikator) zamienia energię elektryczną na mechaniczną. Porusza zanurzoną w płynie końcówkę roboczą tytanową sonotrodę z dużą częstotliwością. Poruszanie sonotrody z dużą szybkością skutkuje tym, że płyn z powodu swojej bezwładności przestaje nadążać za szybkim ruchem sonotrody i powstają pęcherzyki próżniowe.

Kawitacja ultradźwiękowa w płynach to powstawanie, cykl wzrostu i zapadania się mikro pęcherzyków w cieczy, zakończony ich implozją. Implozja kawitacyjna milionów mikro pęcherzyków powoduje intensywne w skali mikroskopowej wytwarzanie ciepła (~5000 K), wysokiego ciśnienia (~ 1000 atm) i strumieni cieczy (~400 km/h). Te zjawiska w skali mikroskopowej przekładają się na wytworzenie dużych sił ścinających w skali makroskopowej.

Częstotliwość, amplituda, moc

Optymalna częstotliwość pracy homogenizatorów ultradźwiękowej to poruszanie sonotrodą 20000-30000 razy na sekundę. Przy tej częstotliwości powstają mikro pęcherzyki próżniowe o największej energii. Mniejsza częstotliwość poniżej 20 kHz daje czas płynowi na podążanie za ruchem sonotrody. Natomiast zwiększanie częstotliwości powoduje, że pęcherzyki nie mają wystarczająco dużo czasu, żeby urosnąć do maksymalnego możliwego rozmiaru. Dlatego w przemyśle przyjmuje się 20 kHz jako najbardziej optymalną częstotliwość, a w laboratorium stosuje się dodatkowo przetworniki 24, 26 i 30 kHz, z powodu ich mniejszych rozmiarów, co umożliwia konstrukcję ręcznych kompaktowych urządzeń przy zachowaniu silnego zjawiska kawitacji. W zakresie 20-30 kHz siła kawitacji w praktyce jest podobna.

Amplituda czyli długość na jakiej porusza się sonotroda to przeważnie 0.01 do 0.2 mm (10-200 µm). Ten parametr pracy sonotrody określa bezpośrednio siłę wytworzonej kawitacji. Im większa amplituda, tym silniejsza homogenizacja.

Moc powierzchniowa to kolejny parametr układu homogenizator-sonotroda. Im większa powierzchnia sonotrody i im więcej energii jest dostarczane w czasie, tym większa wydajność procesu sonifikacji. W zastosowaniach przemysłowych stosuje się sonotrody o wielu stopniach kawitacji, tak zwane kaskatrody i sonotrody emitujące ultradźwięki promieniście. Te duże wielostopniowe sonotrody w połączeniu z dużą mocą homogenizatorów przemysłowych przekładają się na wysoką wydajność przemysłowych homogenizatorów ultradźwiękowych.

Moc homogenizatora ultradźwiękowego. Wraz ze wzrostem oporu jaki stawia płyn, czyli jego lepkości, masą sonotrody, ciśnienia w reaktorze ultradźwiękowym, rośnie zapotrzebowanie na ilość mocy potrzebnej, żeby poruszać sonotrodą z dużą częstotliwością i przy dużej amplitudzie. Homogenizator ultradźwiękowy ma za zadanie utrzymać zadaną stałą amplitudę pracy przy stałej częstotliwości, niezależnie od warunków pracy. Przy pracy z płynami o dużych lepkościach trzeba rozważyć zastosowanie homogenizatora ultradźwiękowego z odpowiednim zapasem mocy, w przeciwnym razie będzie można pracować tylko z małymi sonotrodami, przy niewielkiej amplitudzie i mocy powierzchniowej.

Moc homogenizatora czyli pobierana energia w czasie jest zużywana na:

  • Straty energii, im większa sprawność energetyczna urządzenia, czyli jego klasa, tym więcej energii zostanie przekazane do próbki, a nie do otoczenia w postaci nagrzewania się samego urządzenia.
  • Poruszanie sonotrodą, im większa sonotroda, tym więcej energii zostanie zużyte na samo poruszanie sonotrodą.
  • Pozostała energia zostaje przekazana wprost do próbki. Jest to wartość netto energii. Homogenizatory ultradźwiękowe posiadają możliwość kalibracji sonotrody, co powoduje precyzyjne podawanie energii dostarczonej do próbki z odjęciem strat cieplnych i energii poruszania sonotrodą. Rzeczywistą energię przekazaną do próbki można też zmierzyć kalorymetrycznie. Im silniejsza kawitacja i energia dostarczona do próbki, tym próbka się silniej nagrzewa.

Skala procesów ultradźwiękowych

Laboratorium

W skali laboratoryjnej stosuje się urządzenia o mocy 50, 100, 200 i 400W przy dużej amplitudzie dochodzącej do 240 µm. Urządzenia przeważnie są w jednej kompaktowej obudowie umieszczonej w osłonie dźwiękochłonnej, na statywie lub trzymane w ręce.

Półtechnika

Do celów badawczych i do małej produkcji buduje się układy przepływowe w recyrkulacji w oparciu o homogenizatory ultradźwiękowe o mocy 1000, 1500 i 2000W. Zestawy pilotażowe składające się z pompy kawitacyjnej, osłony dźwiękochłonnej, reaktora ciśnieniowego i zestawu do recyrkulacji wraz z kontrolą temperatury i ciśnienia umożliwiają przeprowadzanie prac badawczo-rozwojowych i przygotowanie procesu przemysłowego.

Przemysł

Nie ma ograniczeń technicznych przed skalowaniem procesu. Homogenizatory ultradźwiękowe procesowe o mocy 4000, 10000 i 16000W mogą być łączone szeregowo i równolegle. Instalacje umieszczone w kontenerach morskich mogą być łatwo transportowane. Uzyskuje się wysoką wydajność przy niewielkim nakładzie energii i niezawodności maszyn ultradźwiękowych w pracy 24/7.

Budowa homogenizatora ultradźwiękowego

Instalacja do homogenizacji ultradźwiękowej składa się z:

  • Generatora ultradźwiękowego – części sterującej i kontrolującej parametry procesu
  • Przetwornika ultradźwiękowego – elementu zamieniającego dostarczoną energię elektryczną na ruch tytanowej końcówki.
  • Sonotrody tytanowej mającej bezpośredni kontakt z płynem.
  • Wzmacniacza amplitudy – umieszczonego pomiędzy sonotrodą a przetwornikiem, którego zadaniem jest wzmocnienie (albo zmniejszenie) amplitudy.
  • Reaktora przepływowego przystosowanego do pracy pod ciśnieniem przeważnie do 5 bar.
  • Pompy dającej przepływ bez pulsacji z możliwością regulacji prędkości przepływu.
  • Zaworu kulowego i manometru do dławienia przepływu i kontroli ciśnienia w reaktorze ultradźwiękowym.
  • Cyrkulatora chłodzącego zapewniającego odbiór ciepła w układzie zamkniętym.

Zastosowanie sonifikatorów

  • Mieszanie ultradźwiękowe trudno mieszających się cieczy
  • Homogenizacja ultradźwiękowa
  • Deagglomeracja ultradźwiękowa
  • Rozpraszanie ultradźwiękowe
  • Ultradźwiękowe emulgujące
  • Ultradźwiękowe rozpuszczanie
  • Ultradźwiękowa redukcja wielkości cząstek

© copyright 2019, Labindex S.C.