Cuantificación de mezcla utilizando imágenes por resonancia magnética

El objetivo general del siguiente experimento consiste en utilizar la imagen por resonancia magnética como una herramienta potente para evaluar la mezcla y los equipos de proceso. Esto se logra combinando dos corrientes líquidas en un mezclador estático dividido y recombinado. Se obtienen imágenes de RM seleccionando un protocolo de adquisición adecuado.

Estas imágenes permiten la caracterización del mezclador. Se obtienen resultados de rendimiento para una aplicación relacionada con productos de cuidado personal, pero el procedimiento puede aplicarse a una amplia gama de alimentos, productos químicos, biomasa y fluidos biológicos. La principal ventaja del uso de la imagen por resonancia magnética frente a otras técnicas, como el video, es que se pueden visualizar materiales opacos.

Además, la información es cuantitativa y se pueden calcular las concentraciones de los componentes y el grado de mezcla. Visualización de la mezcla. La resonancia magnética (RM) puede ser útil para validar simulaciones computacionales de dinámica de fluidos y procesos de fabricación mediante comparaciones detalladas de las distribuciones de concentración medidas espacialmente con las distribuciones de concentración calculadas.

El mezclador SAR está compuesto por varias placas diferentes dispuestas dentro de una tubería de PVC. Cada placa cortada con láser está hecha de PMMA y tiene un grosor de 1,59 milímetros. Cada placa tiene una muesca rectangular que la alinea a lo largo de una varilla de acrílico.

En una tubería de PVC, el plástico puede ser transparente u opaco. Las placas tienen diversos diseños que presentan aberturas a través de las cuales pueden fluir los fluidos. Las placas se colocan dentro de la tubería en un patrón repetitivo que da como resultado túneles que mezclan.

Los dos fluidos que pasan a través de la placa de tubos S se utilizan para canalizar los dos fluidos que entran en el motivo repetitivo. Un flujo de fluido está en el centro y los flujos de fluido superior e inferior. Están a una velocidad de flujo relativa de 10 a 1.

A continuación, los fluidos se encuentran en un canal abierto, formado por ocho placas del tipo C. Los fluidos luego se separan físicamente en dos canales verticales mediante ocho placas del tipo I. La siguiente sección está compuesta por 16 placas únicas, que hacen que cada corriente de fluido gire 90 grados en sentido antihorario. El fluido luego fluye a través de ocho placas que dividen los fluidos en dos canales horizontales.

El motivo repetitivo finaliza con ocho placas de canales abiertos. En conjunto, el motivo se ha repetido seis veces a lo largo del tubo de PVC. Arme un sistema de flujo para bombear la solución de carbo pole a través del mezclador estático en línea dividido y recombinado, comenzando por colocar el mezclador en el imán.

El imán forma parte de un espectrómetro de imagen basado en un imán permanente de un Tesla, con una intensidad de gradiente pico de 0,3 Tesla por metro y un recinto casi cúbico capaz de controlar y registrar el caudal másico de los fluidos de prueba. Además, se incorpora un transductor de presión aguas arriba del mezclador para monitorear la presión, y una bobina de radiofrecuencia hecha de un solenoide con cuatro vueltas en casos de volumen cilíndrico que se ajusta estrechamente al tubo de PVC. Por último, dos soluciones distintas están conectadas a las entradas.

En esta demostración, las soluciones serán carbopol con o sin cloruro de manganeso. Prepare la solución de carbopol tamizando lentamente una cantidad pesada de polímero en agua desionizada dentro de un tanque con agitación. Neutralice la solución de carbopol con una solución al 50 % de hidróxido de sodio hasta pH siete.

La neutralización permite que la solución alcance su viscosidad máxima mientras el polímero se hincha en agua. Para formar un gel, prepare una segunda solución de carbo polo dopada que contenga el agente de contraste por RM cloruro de manganeso. Para caracterizar el comportamiento de flujo o reología, utilice una geometría de coquette estándar a una temperatura del fluido de 25 grados Celsius para medir la viscosidad al corte.

Utilice un barrido de tensión de cizallamiento en estado estacionario desde 0,1 hasta 500 pascales en modo rítmico LA con 10 puntos por década y una tolerancia del 5 %. Luego, mida la deformación mediante un barrido de frecuencia desde 628 hasta 0,63 radianes por segundo en modo logarítmico LA con 10 puntos por década. Al seleccionar los parámetros de imagen, debemos considerar la señal total frente al ruido en la imagen, así como el contraste y la intensidad de la señal entre la región dopada y la región encendida.

En este caso, hemos elegido una secuencia de eco de gradiente y hemos seleccionado concentraciones del. para obtener una dependencia lineal de la intensidad de la señal respecto a la concentración. La secuencia de RM no incluye compensación de flujo.

Para evitar artefactos de movimiento, la adquisición de imágenes se realiza en un líquido en reposo, y el tiempo de adquisición es del orden de uno a cuatro minutos. Reposicione el mezclador para obtener imágenes de volúmenes en diferentes posiciones axiales. Deslice el tubo del mezclador axialmente a través del imán hasta que el volumen deseado se encuentre en el centro de la bobina de RMN, ubicada en el centro del imán.

Luego repita el proceso de adquisición de imágenes. Finalmente, analice los datos de RM mediante procedimientos de análisis de imágenes para documentar la distribución espacial de las concentraciones de los componentes. En este trabajo, las propiedades lógicas reales de las dos soluciones fueron indistinguibles.

Las propiedades viscoelásticas de las soluciones presentaron las características de un sistema gel con el módulo de almacenamiento mayor que el módulo de pérdida, siendo este último bastante constante. La pendiente de la pérdida sobre el almacenamiento aumentó a frecuencias más altas, y el desfase correspondiente siguió la misma tendencia para evaluar la contribución relativa de las fuerzas viscosas frente a las fuerzas de inercia durante el flujo. Los números de Reynolds se calcularon como el flujo promedio a través de las placas.

Estos valores, que son mucho menores que 1,0, indican que las fuerzas viscosas dominaron sobre las fuerzas inerciales. Por lo tanto, la mezcla ocurrió por estiramiento y cizallamiento laminar, y no por turbulencia. Para ilustrar la capacidad de la visualización del flujo mediante resonancia magnética, a continuación se presentan imágenes seleccionadas en diferentes ubicaciones axiales.

El mezclador SAR divide eficaz y uniformemente los flujos, como se ilustra en las imágenes de las placas H aguas abajo de la primera, segunda y tercera sección de mezclado. El número de franjas de fluido dopado se duplicó en cada sección de mezclado. Cambiar los umbrales de valor de la imagen muestra cómo las franjas de fluido dopado aumentan con cada paso a través del motivo.

Una secuencia de imágenes a través del giro de 90 grados en sentido antihorario en el mezclador muestra cómo los flujos verticales se convierten en flujos horizontales durante el proceso de mezclado a lo largo de todo el túnel. Las dos corrientes de fluido se duplican muchas veces. Al intentar realizar estas mediciones, es importante recordar que el tiempo de medición debe ser muy corto en comparación con el tiempo que tarda la difusión molecular en afectar las distribuciones de concentración de los componentes. Estas mediciones experimentales del mezclado son especialmente útiles para evaluar el impacto de los modelos constitutivos de reología de fluidos utilizados en simulaciones computacionales de dinámica de fluidos del mezclado y en un mezclador dividido y recombinado.

Después de ver este video, debería tener una buena comprensión de cómo utilizar la imagen por resonancia magnética para estudiar las distribuciones de concentración en un mezclador estático.