Ilościowe określanie mieszania za pomocą obrazowania rezonansem magnetycznym

Ogólnym celem następującego eksperymentu jest wykorzystanie obrazowania rezonansem magnetycznym jako potężnego narzędzia do oceny mieszania i urządzeń procesowych. Zostaje to osiągnięte poprzez połączenie dwóch strumieni cieczy w statycznym mieszalniku z podziałem i ponownym połączeniem. Obrazy MRI uzyskuje się poprzez wybór odpowiedniego protokołu obrazowania.

Obrazy te pozwalają na charakterystykę mieszalnika. Wyniki wydajności uzyskano dla zastosowania istotnego dla produktów do pielęgnacji ciała, jednak procedura ta może być stosowana do szerokiego zakresu płynów spożywczych, chemicznych, biomasy oraz biologicznych. Główną zaletą zastosowania obrazowania rezonansem magnetycznym nad innymi technikami, takimi jak wideo, jest możliwość wizualizacji materiałów nieprzezroczystych.

Dodatkowo, uzyskane informacje mają charakter ilościowy, co pozwala na obliczenie stężeń składników oraz stopnia wymieszania. Wizualizacja procesu mieszania z wykorzystaniem MRI może być pomocna w walidacji symulacji dynamiki płynów i procesów produkcyjnych poprzez szczegółowe porównanie przestrzennie zmierzonych rozkładów stężeń z rozkładami obliczonymi.

Mieszalnik SAR składa się z szeregu różnych płytek umieszczonych w rurce PVC. Każda wycinana laserowo płytka wykonana jest z PMMA i ma grubość 1,59 millimeters. Każda płytka posiada prostokątny wpust, który umożliwia jej wyrównanie wzdłuż akrylowego pręta.

W rurze z PVC tworzywo może być przezroczyste lub nieprzezroczyste. Płytki mają zróżnicowane konstrukcje z otworami, przez które mogą przepływać płyny. Płytki są rozmieszczane w rurze w powtarzalnym wzorze, co prowadzi do powstania tuneli mieszających.

Dwa płyny przepływające przez płytkę ruro przewodową S służą do strumieniowania dwóch płynów wchodzących do motywu powtarzalnego. Jeden strumień płynu znajduje się w centrum, a pozostałe strumienie płynów powyżej i poniżej. Ich względna prędkość przepływu wynosi 10 do 1.

Następnie płyny łączą się w otwartym kanale, utworzonym z ośmiu płytek typu C. Płyny zostają potem fizycznie rozdzielone na dwa kanały pionowe za pomocą ośmiu płytek typu I. Kolejna sekcja składa się z 16 unikalnych płytek, które skręcają każdy strumień płynu o 90 stopni w kierunku przeciwnym do ruchu wskazówek zegara. Następnie płyn przepływa przez osiem płytek, które rozdzielają go na dwa kanały poziome.

Powtarzający się motyw kończy się ośmioma płytkami z otwartym kanałem. W całym przewodzie z PVC motyw ten powtórzono sześciokrotnie. Aby złożyć układ przepływowy do pompowania roztworu carbo pole przez rozdzielacz liniowy i statyczny mieszacz łączący, należy zacząć od umieszczenia mieszacza w magnesie.

Magnes stanowi część spektrometru obrazującego opartego na pojedynczym magnesie trwałym o indukcji 1 Tesla, z maksymalnym gradientem natężenia wynoszącym 0,3 Tesla na metr i prawie sześcianową obudową, umożliwiającą kontrolę i rejestrację natężenia przepływu masy testowanych płynów. Dodatkowo, przed mieszalnikiem wbudowano przetwornik ciśnienia w celu monitorowania ciśnienia, a cewkę wysokiej częstotliwości wykonano w formie solenoidu z czterema zwojami w przypadku objętości cylindrycznej, ściśle przylegającą do rury z PVC. Na koniec, do wlotów podłączono dwa odrębne roztwory.

W niniejszej demonstracji roztworami będą carbopol z dodatkiem lub bez dodatku chlorku manganu. Roztwór carbopolu należy przygotować poprzez powolne przesiewanie odważonej ilości polimeru do wody dejonizowanej w zbiorniku z mieszadłem. Roztwór carbopolu należy zneutralizować 50% roztworem wodorotlenku sodu do pH 7.

Neutralizacja pozwala roztworowi osiągnąć maksymalną lepkość w miarę pęcznienia polimeru w wodzie. Aby utworzyć żel, należy przygotować drugi domieszkowany roztwór carbopolu zawierający kontrast MR, chlorek manganu. W celu charakterystyki właściwości przepływu lub reologii, należy zastosować standardową geometrię stożkową w temperaturze cieczy 25 °C, aby zmierzyć lepkość ścinania.

Przeprowadź pomiar naprężenia ścinającego w stanie stacjonarnym w zakresie od 0,1 do 500 pascala w trybie rytmicznym LA, z gęstością 10 punktów na dekadę i tolerancją 5%. Następnie zmierz odkształcenie w zakresie częstotliwości od 628 do 0,63 rad na sekundę w trybie logarytmicznym LA, z gęstością 10 punktów na dekadę. Podczas wyboru parametrów obrazowania należy wziąć pod uwagę całkowity stosunek sygnału do szumu w obrazie, a także kontrast i intensywność sygnału pomiędzy obszarem domieszkowanym a obszarem aktywnym.

W tym przypadku wybraliśmy sekwencję gradientowego echa oraz takie stężenia, aby uzyskać liniową zależność intensywności sygnału od stężenia. Sekwencja MR nie obejmuje kompensacji przepływu.

Aby uniknąć artefaktów ruchowych, obrazowanie przeprowadza się na niezakłóconym cieczu, a czas obrazowania wynosi od jednej do czterech minut. Przesuń mieszalnik, aby zobrazować objętości w różnych lokalizacjach osiowych. Przesuwaj rurkę mieszalnika osiowo przez magnes, aż pożądana objętość znajdzie się w centrum cewki NMR, w centrum magnesu.

Następnie powtórz proces obrazowania. Na koniec przeanalizuj dane MR za pomocą procedur analizy obrazu w celu udokumentowania przestrzennego rozkładu stężeń składników. W niniejszej pracy rzeczywiste właściwości logiczne obu roztworów były nieodróżnialne.

Właściwości wiskoelastyczne roztworów charakteryzowały się cechami układu żelowego z modułem zachowawczym wyższym od modułu strat, przy czym oba moduły pozostawały niemal stałe. Nachylenie wykresu strat względem modułu zachowawczego wzrastało przy wyższych częstotliwościach, a odpowiadające im opóźnienie fazowe wykazywało ten sam trend w celu oceny względnego wkładu sił lepkości do sił bezwładności podczas przepływu. Liczby Reynoldsa obliczono dla średniego przepływu przez płyty.

Wartości te, będące znacznie mniejsze od 1,0, wskazują na to, że siły lepkości dominowały nad siłami bezwładności. W związku z tym mieszanie odbywało się poprzez laminacyjne rozciąganie i ścinanie, a nie przez turbulencje. Aby zilustrować możliwości wizualizacji przepływu z wykorzystaniem MRI, poniższe wyniki przedstawiają wybrane obrazy dla różnych lokalizacji osiowych.

Mieszalnik SAR skutecznie i jednorodnie rozdziela przepływy, co pokazują obrazy płyt H znajdujących się poniżej pierwszej, drugiej i trzeciej sekcji mieszania. Liczba pasm domieszkowanego płynu podwajała się w każdej sekcji mieszania. Zmiana progów wartości obrazu pokazuje, że liczba pasm domieszkowanego płynu zwiększa się z każdym przejściem przez motyw.

Sekwencja obrazów przedstawiająca 90-stopniowy obrót przeciwnie do ruchu wskazówek zegara w mieszalniku pokazuje, w jaki sposób strumienie pionowe przekształcają się w strumienie poziome w procesie mieszania w całym tunelu. Dwa strumienie płynu ulegają wielokrotnemu podwojeniu. Podczas wykonywania tych pomiarów należy pamiętać, że czas pomiaru powinien być bardzo krótki w porównaniu z czasem, w którym dyfuzja molekularna wpływa na rozkład stężeń składników. Te eksperymentalne pomiary mieszania są szczególnie użyteczne do testowania wpływu modeli reologii płynów stosowanych w obliczeniowych symulacjach dynamiki płynów (CFD) procesu mieszania oraz mieszalnika z rozdzieleniem i ponownym połączeniem strumieni.

Po obejrzeniu tego filmu powinni Państwo dobrze rozumieć, jak wykorzystać obrazowanie rezonansem magnetycznym do badania rozkładów stężeń w mieszalniku statycznym.