Количественная Смешивание использованием магнитно-резонансная томография

Общая цель следующего эксперимента заключается в использовании магнитно-резонансной томографии как эффективного инструмента для оценки процесса смешивания и работы оборудования. Это достигается путем объединения двух потоков жидкости в статическом смесителе с разделением и повторным объединением потоков. МР-изображения получают, выбрав соответствующий протокол визуализации.

Эти изображения позволяют охарактеризовать смеситель. Результаты эффективности получены для применения, имеющего отношение к продуктам личной гигиены, однако данная процедура может быть применена к широкому спектру пищевых, химических, биомасс и биологических жидкостей. Основным преимуществом использования магнитно-резонансной томографии перед другими методами, такими как видеосъемка, является возможность визуализации непрозрачных материалов.

Кроме того, получаемая информация является количественной, что позволяет рассчитывать концентрации компонентов и степень перемешивания. Визуализация процесса смешивания с помощью МРТ может быть полезна для валидации расчетов гидрогазодинамики и производственных процессов путем детального сравнения пространственно измеренных распределений концентрации с расчетными распределениями концентрации.

Смеситель SAR состоит из нескольких различных пластин, вставленных в ПВХ-трубку. Каждая пластина, вырезанная лазером, изготовлена из ПММА и имеет толщину 1,59 millimeters. Каждая пластина оснащена прямоугольным шпоном, который обеспечивает ее выравнивание вдоль акрилового стержня.

В ПВХ-трубе пластик может быть прозрачным или непрозрачным. Пластины имеют различный дизайн с отверстиями, через которые может протекать жидкость. Пластины укладываются в трубу по повторяющемуся шаблону, в результате чего образуются смешивающиеся туннели.

Два потока жидкости, проходящие через перфорированную пластину S, используются для подачи двух жидкостей, поступающих в повторяющийся мотив. Один поток жидкости находится в центре, а другие потоки — выше и ниже. Их относительная скорость потока составляет 10 к 1.

Затем потоки жидкостей встречаются в открытом канале, образованном восемью пластинами типа C. После этого жидкости физически разделяются на два вертикальных канала с помощью восьми пластин типа I. Следующий участок состоит из 16 уникальных пластин, которые поворачивают каждый поток жидкости на 90 градусов против часовой стрелки. Затем жидкость протекает через восемь пластин, которые разделяют ее на два горизонтальных канала.

Повторяющийся мотив завершается восемью пластинами с открытыми каналами. В общей сложности мотив повторяется шесть раз по всей ПВХ-трубке. Соберите систему потока для прокачки раствора карбополя через встроенный разделитель и рекомбинированный статический смеситель, начав с размещения смесителя в магните.

Магнит является частью однотеслового спектрометра визуализации на основе постоянного магнита с пиковой напряженностью градиента 0,3 Tesla на метр и почти кубическим корпусом, позволяющим контролировать и регистрировать скорость массового потока исследуемых жидкостей. Кроме того, перед смесителем установлен датчик давления для мониторинга давления, а радиочастотная катушка, представляющая собой соленоид с четырьмя витками, используется для цилиндрического объема и плотно прилегает к трубке из ПВХ. Наконец, к входам подключены два различных раствора.

В данной демонстрации будут использоваться растворы карбопола с добавлением или без добавления хлорида марганца. Приготовьте раствор карбопола, медленно просеивая навеску полимера в деионизированную воду в перемешивающем баке. Нейтрализуйте раствор карбопола 50% раствором гидроксида натрия до pH семь.

Нейтрализация позволяет раствору достичь максимальной вязкости по мере набухания полимера в воде. Для формирования геля приготовьте второй легированный раствор Carbopol, содержащий МР-контрастный агент хлорид марганца. Для характеристики реологических свойств или поведения потока используйте стандартную геометрию «конус-плоскость» при температуре жидкости 25 °C для измерения вязкости при сдвиге.

Выполните сканирование напряжения сдвига в стационарном режиме от 0,1 до 500 pascal в режиме LA rhythmic с 10 точками на декаду и допуском 5%. Затем измерьте деформацию при сканировании частоты от 628 до 0,63 rad per second в режиме LA logarithmic с 10 точками на декаду. При выборе параметров визуализации необходимо учитывать общее отношение сигнал/шум в изображении, а также контраст и интенсивность сигнала между допированной областью и областью включения.

В данном случае мы выбрали градиент-эхо последовательность и подобрали такие концентрации, чтобы обеспечить линейную зависимость интенсивности сигнала от концентрации. МР-последовательность не включает компенсацию кровотока.

Чтобы избежать артефактов движения, визуализацию проводят в состоянии покоя жидкости; время визуализации составляет от одной до четырех минут. Переместите смеситель, чтобы получить изображения объемов в разных осевых положениях. Сдвигайте трубку смесителя по оси через магнит до тех пор, пока нужный объем не окажется в центре катушки ЯМР в центре магнита.

Затем повторите процесс получения изображений. Наконец, проанализируйте данные МР с помощью процедур анализа изображений, чтобы задокументировать пространственное распределение концентраций компонентов. В данной работе реальные логические свойства двух растворов были неразличимы.

Вязкоупругие свойства растворов были характерны для гель-системы с модулем накопления, превышающим модуль потерь, при этом оба модуля оставались практически постоянными. Наклон кривой потерь относительно накопления увеличивался при более высокой частоте, и соответствующее фазовое отставание следовало той же тенденции, что позволило оценить относительный вклад сил вязкости в силы инерции при течении. Числа Рейнольдса рассчитывались исходя из среднего расхода через пластины.

Эти значения, которые значительно меньше 1,0, указывают на то, что вязкие силы преобладали над инерционными. Таким образом, смешивание происходило за счет ламинарного растяжения и сдвига, а не за счет турбулентности. Чтобы продемонстрировать возможности визуализации потока с помощью МРТ, в качестве результатов представлены изображения, полученные в различных осевых сечениях.

Смеситель SAR эффективно и равномерно разделяет потоки, что показано на изображениях H-пластин ниже первого, второго и третьего секторов смешивания. Количество полос легированного флюида удваивалось при прохождении через каждый сектор смешивания. Изменение пороговых значений яркости изображений демонстрирует увеличение числа полос легированного флюида с каждым прохождением через повторяющийся элемент конструкции.

Последовательность изображений при повороте смесителя на 90 градусов против часовой стрелки демонстрирует, как вертикальные потоки становятся горизонтальными в процессе смешивания на всем протяжении тоннеля. Два потока жидкости удваиваются многократно. При проведении этих измерений важно помнить, что время измерения должно быть очень коротким по сравнению с временем, необходимым для того, чтобы молекулярная диффузия повлияла на распределение концентраций компонентов. Эти экспериментальные измерения смешивания особенно полезны для проверки влияния составляющих моделей реологии жидкости, используемых при компьютерном моделировании гидродинамики процессов смешивания, а также для анализа смесителя с разделением и рекомбинацией потоков.

После просмотра этого видео вы должны будете хорошо понимать, как использовать магнитно-резонансную томографию для изучения распределения концентраций в статическом смесителе.