Quantificare miscelazione con risonanza magnetica

L'obiettivo generale del seguente esperimento è utilizzare la risonanza magnetica come strumento potente per valutare il mescolamento e l'attrezzatura di processo. Questo risultato si ottiene combinando due flussi liquidi in un mescolatore statico diviso e ricongiunto. Le immagini di risonanza magnetica vengono ottenute selezionando un protocollo di acquisizione appropriato.

Queste immagini permettono la caratterizzazione del miscelatore. I risultati delle prestazioni sono ottenuti per un'applicazione rilevante per i prodotti per la cura personale, ma la procedura può essere applicata a un'ampia gamma di alimenti, prodotti chimici, biomasse e fluidi biologici. Il vantaggio principale dell'uso della risonanza magnetica rispetto ad altre tecniche, come il video, è che è possibile visualizzare materiali opachi.

Inoltre, le informazioni sono quantitative e possono essere calcolate le concentrazioni dei componenti e il grado di miscelazione. Visualizzazione, miscelazione. L'uso della risonanza magnetica (MRI) può essere utile per convalidare simulazioni computazionali di fluidodinamica e processi produttivi mediante confronti dettagliati tra distribuzioni di concentrazione misurate spazialmente e distribuzioni di concentrazione calcolate.

Il miscelatore SAR è composto da un certo numero di piastre diverse inserite in un tubo in PVC. Ogni piastra, tagliata al laser, è realizzata in PMMA e ha uno spessore di 1,59 millimetri. Ogni piastra presenta una chiave rettangolare che la allinea lungo un'asta in acrilico.

In un tubo in PVC, la plastica può essere trasparente o opaca. Le piastre presentano diversi design con aperture attraverso cui possono scorrere i fluidi. Le piastre vengono disposte all'interno del tubo secondo uno schema ripetuto che genera tunnel di miscelazione.

I due fluidi che passano attraverso la piastra tubiera S vengono utilizzati per convogliare i due fluidi che entrano nel motivo ripetuto. Un flusso di fluido si trova al centro, mentre i flussi di fluido sopra e sotto sono in un rapporto di portata relativa di 10 a 1.

Successivamente, i fluidi si incontrano in un canale aperto, formato da otto piastre di tipo C. I fluidi vengono quindi separati fisicamente in due canali verticali da otto piastre di tipo I. La sezione successiva è composta da 16 piastre uniche, che ruotano ciascun flusso di fluido di 90 gradi in senso antiorario. Il fluido scorre poi attraverso otto piastre che dividono i fluidi in due canali orizzontali.

Il motivo ricorrente termina con otto piastre a canale aperto. Nel complesso, il motivo si ripete sei volte lungo il tubo in PVC. Assemblare un sistema di flusso per pompare la soluzione di carbo pole attraverso il miscelatore statico in linea diviso e ricombinato, iniziando a posizionare il miscelatore nel magnete.

L'elettromagnete fa parte di uno spettrometro di imaging basato su un magnete permanente da un Tesla, con una forza di gradiente massima di 0,3 Tesla al metro e un'incamiciatura quasi cubica in grado di controllare e registrare la portata massica dei fluidi in prova. Inoltre, è incorporato un trasduttore di pressione a monte del miscelatore per monitorare la pressione, nonché una bobina a radiofrequenza costituita da un solenoide con quattro spire, adatta ai casi di volume cilindrico e aderente al tubo in PVC. Infine, due soluzioni distinte sono collegate agli ingressi.

In questa dimostrazione, le soluzioni saranno a base di carbopol con o senza cloruro di manganese. Preparare la soluzione di carbopol versando lentamente una quantità pesata di polimero in acqua deionizzata in un recipiente con agitazione. Neutralizzare la soluzione di carbopol con una soluzione al 50% di idrossido di sodio fino a pH sette.

La neutralizzazione permette alla soluzione di raggiungere la massima viscosità mentre il polimero si gonfia in acqua. Per formare un gel, preparare una seconda soluzione di carbo pole drogata contenente l'agente di contrasto per risonanza magnetica cloruro di manganese. Per caratterizzare il comportamento al flusso o la reologia, utilizzare una geometria coquette standard a una temperatura del fluido di 25 gradi Celsius per misurare la viscosità al taglio.

Utilizzare una scansione in condizioni di regime di sforzo tangenziale da 0,1 a 500 pascal in modalità ritmica LA con 10 punti per decade e una tolleranza del 5%. Successivamente, misurare la deformazione mediante una scansione in frequenza da 628 a 0,63 rad al secondo in modalità logaritmica LA con 10 punti per decade. Nella scelta dei parametri di imaging, è necessario considerare il rapporto segnale-rumore totale nell'immagine, nonché il contrasto e l'intensità del segnale tra la regione drogata e la regione accesa.

In questo caso, abbiamo scelto una sequenza eco a gradiente e selezionato concentrazioni tali da fornirci una dipendenza lineare dell'intensità del segnale dalla concentrazione. La sequenza RM non include compensazione del flusso.

Pertanto, per evitare artefatti dovuti al movimento, l'acquisizione delle immagini viene eseguita su un liquido in stato di quiete e richiede un tempo di circa uno-quattro minuti. Riposizionare il mixer per acquisire i volumi in diverse posizioni assiali. Far scorrere assialmente il tubo del mixer attraverso il magnete finché il volume desiderato non si trova al centro della bobina NMR, posizionata al centro del magnete.

Quindi ripetere il processo di acquisizione delle immagini. Infine, analizzare i dati di risonanza magnetica mediante procedure di analisi delle immagini per documentare la distribuzione spaziale delle concentrazioni delle componenti. In questo studio, le proprietà logiche reali delle due soluzioni erano indistinguibili.

Le proprietà viscoelastiche delle soluzioni presentavano le caratteristiche di un sistema gel, con il modulo di conservazione maggiore rispetto al modulo di perdita, e il modulo di perdita abbastanza costante. La pendenza della perdita rispetto al modulo di conservazione aumentava a frequenze più elevate, e il corrispondente sfasamento seguiva la stessa tendenza per valutare il contributo relativo delle forze viscose rispetto alle forze d'inerzia durante il flusso. I numeri di Reynolds sono stati calcolati come flusso medio attraverso le piastre.

Questi valori, molto inferiori a 1,0, indicano che le forze viscose dominavano rispetto alle forze inerziali. Pertanto, il mescolamento avveniva per stiramento e scorrimento laminare piuttosto che per turbolenza. Per illustrare l'efficacia della visualizzazione del flusso mediante risonanza magnetica, i seguenti risultati mostrano immagini selezionate in diverse posizioni assiali.

Il miscelatore SAR suddivide efficacemente e uniformemente i flussi, come illustrato nelle immagini delle piastre H a valle della prima, seconda e terza sezione di miscelazione. Il numero di strisce di fluido drogato raddoppia in ogni sezione di miscelazione. Modificando le soglie dei valori dell'immagine, si osserva un aumento delle strisce di fluido drogato a ogni passaggio attraverso il motivo.

Una sequenza di immagini durante la rotazione di 90 gradi in senso antiorario nel mescolatore mostra come i flussi verticali diventino flussi orizzontali nel processo di miscelazione attraverso l'intero tunnel. I due flussi di fluido vengono raddoppiati numerose volte. Quando si tentano queste misurazioni, è importante ricordare che il tempo di misurazione deve essere molto breve rispetto al tempo necessario affinché la diffusione molecolare influenzi le distribuzioni della concentrazione dei componenti. Queste misurazioni sperimentali della miscelazione sono particolarmente utili per verificare l’impatto dei modelli costitutivi della reologia dei fluidi utilizzati nelle simulazioni numeriche della dinamica dei fluidi per la miscelazione e per un mescolatore a divisione e ricombinazione.

Dopo aver visionato questo video, dovresti avere una buona comprensione di come utilizzare la risonanza magnetica per studiare le distribuzioni di concentrazione in un miscelatore statico.