Quantifizierung Mixing mit Magnetic Resonance Imaging

Das übergeordnete Ziel des folgenden Experiments besteht darin, die Magnetresonanztomographie als leistungsfähiges Werkzeug zur Beurteilung von Mischvorgängen und Verfahrensausrüstungen einzusetzen. Dies wird erreicht, indem zwei flüssige Ströme in einem geteilten und wieder vereinigten statischen Mischer kombiniert werden. Mr.-Bilder werden durch Auswahl eines geeigneten Bildgebungsprotokolls gewonnen.

Diese Bilder ermöglichen die Charakterisierung des Mischvorgangs. Die Leistungsergebnisse wurden für eine Anwendung im Bereich der Körperpflegeprodukte ermittelt, das Verfahren kann jedoch auf eine breite Palette von Lebensmitteln, chemischen Stoffen, Biomasse und biologischen Flüssigkeiten angewendet werden. Der Hauptvorteil der Nutzung der Magnetresonanztomographie gegenüber anderen Techniken, wie beispielsweise der Videotechnik, liegt darin, dass undurchsichtige Materialien sichtbar gemacht werden können.

Außerdem ist die Information quantitativ, und es können die Komponentenkonzentrationen sowie der Mischungsgrad berechnet werden. Visualisierung des Mischvorgangs. Die Nutzung von MRT kann zur Validierung von numerischen Strömungssimulationen und Fertigungsverfahren nützlich sein, indem detaillierte Vergleiche zwischen gemessenen und berechneten räumlichen Konzentrationsverteilungen durchgeführt werden.

Der SAR-Mischer besteht aus mehreren verschiedenen Platten, die in ein PVC-Rohr eingelegt sind. Jede mit dem Laser geschnittene Platte besteht aus PMMA und ist 1,59 Millimeter dick. Jede Platte weist eine rechteckige Nut auf, die sie entlang einer Acrylstange ausrichtet.

Bei einem PVC-Rohr kann der Kunststoff klar oder undurchsichtig sein. Die Platten weisen verschiedene Designs auf, die Öffnungen enthalten, durch die Flüssigkeiten fließen können. Die Platten werden in einem sich wiederholenden Muster in das Rohr eingelegt, wodurch Tunnel entstehen, die eine Durchmischung bewirken.

Die beiden Flüssigkeiten, die durch die Rohrplatte S strömen, dienen dazu, die beiden Flüssigkeiten durch das sich wiederholende Motiv zu leiten. Ein Flüssigkeitsstrom befindet sich in der Mitte, die Flüssigkeitsströme ober- und unterhalb. Sie weisen eine relative Strömungsgeschwindigkeit von 10 zu 1 auf.

Anschließend treffen die Flüssigkeiten in einem offenen Kanal zusammen, der aus acht Platten vom Typ C besteht. Die Flüssigkeiten werden dann durch acht Platten der Platte I physisch in zwei vertikale Kanäle getrennt. Der nächste Abschnitt besteht aus 16 einzigartigen Platten, durch die jeder Fluidstrom um 90 Grad gegen den Uhrzeigersinn gedreht wird. Danach strömt die Flüssigkeit durch acht Platten, die die Flüssigkeiten in zwei horizontale Kanäle aufteilen.

Das sich wiederholende Motiv endet mit acht offenen Kanalplatten. Insgesamt wiederholt sich das Motiv sechsmal entlang des PVC-Rohrs. Bauen Sie ein Flusssystem auf, um die Carbo-Pole-Lösung durch den Inline-Splitter und den nachgeschalteten statischen Mischer zu pumpen, indem Sie den Mischer im Magnet positionieren.

Der Magnet ist Bestandteil eines auf einem Permanentmagneten basierenden Bildgebungsspektrometers mit einer Magnetfeldstärke von einem Tesla und einer maximalen Gradientenstärke von 0,3 Tesla pro Meter sowie einem nahezu würfelförmigen Gehäuse, das in der Lage ist, die Massenstromrate der Prüfflüssigkeiten zu steuern und aufzuzeichnen. Zusätzlich ist ein Druckaufnehmer stromaufwärts des Mischers zur Drucküberwachung vorgesehen sowie eine Hochfrequenzspule, bestehend aus einer Zylinderspule mit vier Windungen, die für zylindrische Volumina ausgelegt ist und eng an das PVC-Rohr angepasst ist. Schließlich sind zwei unterschiedliche Lösungen mit den Einlässen verbunden.

In dieser Demonstration werden die Lösungen Carbopol mit oder ohne Manganchlorid sein. Bereiten Sie die Carbopol-Lösung vor, indem Sie eine gewogene Menge des Polymers langsam in entionisiertes Wasser in einem Rührkessel sieben. Neutralisieren Sie die Carbopol-Lösung mit einer 50%igen Natriumhydroxidlösung auf pH sieben.

Die Neutralisation ermöglicht es der Lösung, ihre maximale Viskosität zu erreichen, während das Polymer in Wasser quillt. Um ein Gel zu bilden, bereiten Sie eine zweite dotierte Carbo-Pole-Lösung vor, die das MR-Kontrastmittel Manganchlorid enthält. Um das Fließverhalten oder die Rheologie zu charakterisieren, verwenden Sie eine standardmäßige Coquette-Geometrie bei einer Flüssigkeitstemperatur von 25 Grad Celsius, um die Scherviskosität zu messen.

Führen Sie eine stationäre Scherbelastungsabtastung von 0,1 bis 500 Pascal im LA-rhythmischen Modus mit 10 Punkten pro Dekade und 5 % Toleranz durch. Anschließend messen Sie die Deformation über eine Frequenzabtastung von 628 bis 0,63 rad pro Sekunde im LA-logarithmischen Modus mit 10 Punkten pro Dekade. Bei der Auswahl der Bildgebungsparameter müssen wir das gesamte Signal-Rausch-Verhältnis im Bild sowie den Kontrast und die Signalintensität zwischen der dotierten Region und der aktiven Region berücksichtigen.

In diesem Fall haben wir eine Gradientenecho-Sequenz gewählt und Konzentrationen des . ausgewählt, um eine lineare Abhängigkeit der Signalamplitude von der Konzentration zu erhalten. Die MR-Sequenz beinhaltet keine Flusskompensation.

Um Bewegungsartefakte zu vermeiden, wird die Bildgebung an ruhender Flüssigkeit durchgeführt, wobei die Aufnahmezeit in der Größenordnung von einer bis vier Minuten liegt. Verstellen Sie den Mischer, um Volumina an verschiedenen axialen Positionen abzubilden. Verschieben Sie das Mischerrohr axial durch das Magnetfeld, bis sich das gewünschte Volumen in der Mitte der NMR-Spule im Zentrum des Magneten befindet.

Wiederholen Sie anschließend den Bildgebungsprozess. Analysieren Sie abschließend die MR-Daten mithilfe von Bildanalyseverfahren, um die räumliche Verteilung der Komponentenkonzentrationen zu dokumentieren. In dieser Arbeit waren die tatsächlichen logischen Eigenschaften der beiden Lösungen nicht voneinander zu unterscheiden.

Die viskoelastischen Eigenschaften der Lösungen wiesen die Merkmale eines Gel-Systems auf, bei dem das Speichermodul größer als das Verlustmodul war und das Verlustmodul weitgehend konstant blieb. Die Steigung des Verhältnisses von Verlust- zu Speichermodul nahm bei höherer Frequenz zu, und die entsprechende Phasenverschiebung folgte dem gleichen Trend, um den relativen Beitrag viskoser Kräfte zu Trägheitskräften während der Strömung zu bewerten. Die Reynolds-Zahlen wurden als mittlere Strömung durch die Platten berechnet.

Diese Werte, die deutlich unter 1,0 liegen, zeigen an, dass viskose Kräfte gegenüber trägen Kräften überwogen. Die Vermischung erfolgte somit durch laminare Dehnung und Scherung statt durch Turbulenz. Um die Leistungsfähigkeit der Strömungsvisualisierung mittels MRT zu veranschaulichen, wurden die folgenden Ergebnisse als ausgewählte Bilder an verschiedenen axialen Positionen dargestellt.

Der SAR-Mischer teilt die Strömungen effektiv und gleichmäßig auf, wie in den Abbildungen der H-Platten stromabwärts vom ersten, zweiten und dritten Mischabschnitt veranschaulicht. Die Anzahl der dotierten Fluidstreifen verdoppelte sich in jedem Mischabschnitt. Durch Änderung der Schwellenwerte für die Bildintensität wird sichtbar, wie die Streifen des dotierten Fluids mit jedem Durchgang durch das Motiv zunehmen.

Eine Bildsequenz während der 90-Grad-Drehung gegen den Uhrzeigersinn im Mischer zeigt, wie die vertikalen Strömungen im Mischprozess entlang des gesamten Tunnels zu horizontalen Strömungen werden. Die beiden Fluidströme werden dabei vielfach verdoppelt. Bei der Durchführung dieser Messungen ist zu beachten, dass die Messdauer im Vergleich zur Zeit, die molekulare Diffusion benötigt, um die Konzentrationsverteilung der Komponenten zu beeinflussen, sehr kurz sein sollte. Solche experimentellen Mischmessungen eignen sich besonders gut, um die Auswirkungen von konstitutiven Modellen der Fluidrheologie zu überprüfen, die in numerischen Strömungssimulationen von Mischvorgängen und in geteilten und erneut zusammengeführten Mischern verwendet werden.

Nachdem Sie sich dieses Video angesehen haben, sollten Sie ein gutes Verständnis dafür haben, wie man die Magnetresonanztomographie verwendet, um Konzentrationsverteilungen in einem statischen Mischer zu untersuchen.