Quantificar mistura usando Ressonância Magnética

O objetivo geral do experimento a seguir é utilizar a imagem por ressonância magnética como uma ferramenta poderosa para avaliar a mistura e os equipamentos de processo. Isso é alcançado combinando dois fluxos líquidos em um misturador estático dividido e recombinado. As imagens de RM são obtidas mediante a seleção de um protocolo de imagem apropriado.

Essas imagens permitem a caracterização do misturador. Resultados de desempenho são obtidos para uma aplicação relevante a produtos de cuidados pessoais, mas o procedimento pode ser aplicado a uma ampla gama de alimentos, produtos químicos, biomassa e fluidos biológicos. A principal vantagem do uso da ressonância magnética em comparação com outras técnicas, como vídeo, é que materiais opacos podem ser visualizados.

Além disso, as informações são quantitativas e as concentrações dos componentes e o grau de mistura podem ser calculados. Visualização da mistura. A utilização de RNM pode ser útil para validar simulações computacionais de dinâmica de fluidos e processos de fabricação por meio de comparações detalhadas entre distribuições de concentração medidas espacialmente e distribuições de concentração calculadas.

O misturador SAR é composto por diversas placas diferentes dispostas dentro de um tubo de PVC. Cada placa cortada a laser é feita de PMMA e possui espessura de 1,59 milímetros. Cada placa possui uma chave retangular que a alinha ao longo de uma haste de acrílico.

Em um tubo de PVC, o plástico pode ser transparente ou opaco. As placas possuem vários desenhos com aberturas pelas quais os fluidos podem passar. As placas são dispostas dentro do tubo em um padrão repetitivo que resulta em túneis que promovem a mistura.

Os dois fluidos que passam pela placa de tubos S são usados para direcionar os dois fluidos que entram no motivo repetitivo. Um fluxo de fluido está no centro e os fluxos de fluido acima e abaixo. Eles estão em uma taxa de fluxo relativa de 10 para 1.

Em seguida, os fluidos se encontram em um canal aberto, formado por oito placas do tipo C. Os fluidos são então fisicamente separados em dois canais verticais por oito placas do tipo I. A próxima seção é composta por 16 placas únicas, que fazem com que cada fluxo de fluido seja girado 90 graus no sentido anti-horário. O fluido flui então por oito placas que dividem os fluidos em dois canais horizontais.

O motivo repetido termina com oito placas de canal aberto. No geral, o motivo se repete seis vezes ao longo do tubo de PVC. Monte um sistema de fluxo para bombear a solução de carbo pole através do misturador estático em linha dividido e recombinado, começando por posicionar o misturador no ímã.

O ímã faz parte de um espectrômetro de imagem baseado em um ímã permanente de um único Tesla, com uma intensidade de gradiente máximo de 0,3 Tesla por metro e uma câmara quase cúbica capaz de controlar e registrar a vazão mássica dos fluidos de teste. Além disso, incorpora um transdutor de pressão a montante do misturador para monitorar a pressão, uma bobina de radiofrequência feita de um solenoide com quatro voltas em casos de volume cilíndrico e que se ajusta bem ao tubo de PVC. Por fim, duas soluções distintas são conectadas às entradas.

Nesta demonstração, as soluções serão carbopol com ou sem cloreto de manganês. Prepare a solução de carbopol adicionando lentamente uma quantidade pesada do polímero à água desionizada em um tanque com agitação. Neutralize a solução de carbopol com uma solução de hidróxido de sódio a 50% até pH sete.

A neutralização permite que a solução atinja sua viscosidade máxima enquanto o polímero incha na água. Para formar um gel, prepare uma segunda solução de carbo polímero dopado que contenha o agente de contraste por ressonância magnética cloreto de manganês. Para caracterizar o comportamento de fluxo ou reologia, utilize uma geometria padrão de coquette a uma temperatura do fluido de 25 graus Celsius para medir a viscosidade ao cisalhamento.

Utilize um ensaio de tensão de cisalhamento em estado estacionário de 0,1 a 500 pascal no modo rítmico LA com 10 pontos por década e tolerância de 5%. Em seguida, meça a deformação ao longo de um ensaio de frequência de 628 a 0,63 radianos por segundo no modo logarítmico LA com 10 pontos por década. Ao selecionar os parâmetros de imagem, precisamos considerar o sinal total em relação ao ruído na imagem, bem como o contraste e a intensidade do sinal entre a região dopada e a região ligada.

Neste caso, escolhemos uma sequência de eco de gradiente e escolhemos concentrações do. para nos fornecer uma dependência linear da intensidade do sinal em relação à concentração. A sequência de RM não inclui compensação de fluxo.

Para evitar artefatos de movimento, a aquisição de imagens é realizada em líquido em repouso, com um tempo de aquisição da ordem de um a quatro minutos. Reposicione o misturador para obter imagens de volumes em diferentes posições axiais. Deslize o tubo do misturador axialmente através do ímã até que o volume desejado esteja no centro da bobina de RMN, localizada no centro do ímã.

Em seguida, repita o processo de aquisição de imagens. Por fim, analise os dados de RM com procedimentos de análise de imagem para documentar a distribuição espacial das concentrações dos componentes. Neste trabalho, as propriedades lógicas reais das duas soluções foram indistinguíveis.

As propriedades viscoelásticas das soluções apresentaram características de um sistema gel com módulo de armazenamento maior que o módulo de perda, sendo a perda bastante constante. A inclinação da perda sobre o armazenamento aumentou em frequências mais altas, e o atraso de fase correspondente seguiu a mesma tendência para avaliar a contribuição relativa das forças viscosas às forças de inércia durante o fluxo. Os números de Reynolds foram calculados como o fluxo médio através das placas.

Esses valores, que são muito menores que 1,0, indicam que as forças viscosas dominaram as forças inerciais. Assim, a mistura ocorreu por alongamento laminar e cisalhamento, e não por turbulência. Para ilustrar o poder da visualização do fluxo utilizando ressonância magnética, os resultados a seguir são imagens selecionadas em diferentes posições axiais.

O misturador SAR divide eficaz e uniformemente os fluxos, conforme ilustrado nas imagens das placas H a jusante da primeira, segunda e terceira seções de mistura. O número de faixas de fluido dopado dobrou em cada seção de mistura. Alterar os valores limiares das imagens mostra o aumento das faixas de fluido dopado a cada passagem pelo motivo.

Uma sequência de imagens ao longo da rotação de 90 graus no sentido anti-horário no misturador mostra como os fluxos verticais se tornam fluxos horizontais no processo de mistura ao longo de todo o túnel. Os dois fluxos de fluido são dobrados várias vezes. Ao tentar realizar essas medições, é importante lembrar que o tempo de medição deve ser muito curto em comparação com o tempo necessário para a difusão molecular afetar as distribuições de concentração dos componentes. Essas medições experimentais de mistura são especialmente úteis para testar o impacto dos modelos constitutivos de reologia do fluido utilizados em simulações computacionais de dinâmica de fluidos do processo de mistura e de um misturador dividido e recombinado.

Após assistir a este vídeo, você deverá ter uma boa compreensão de como utilizar a imagem por ressonância magnética para estudar distribuições de concentração em um misturador estático.