Quantifier mélange à l'aide d'imagerie par résonance magnétique

L'objectif général de l'expérience suivante est d'utiliser l'imagerie par résonance magnétique comme outil puissant pour évaluer le mélange et les équipements de procédé. Cela est réalisé en combinant deux flux liquides dans un mélangeur statique divisé et recombiné. Des images IRM sont obtenues en sélectionnant un protocole d'imagerie approprié.

Ces images permettent de caractériser le mélangeur. Des résultats de performance sont obtenus pour une application liée aux produits de soins personnels, mais la procédure peut être appliquée à un large éventail de fluides alimentaires, chimiques, biologiques et de biomasse. Le principal avantage de l'imagerie par résonance magnétique par rapport à d'autres techniques, telles que la vidéo, est que les matériaux opaques peuvent être visualisés.

En outre, les informations sont quantitatives et les concentrations des composants ainsi que le degré de mélange peuvent être calculés. Visualisation du mélange. L'utilisation de l'IRM peut s'avérer utile pour valider les simulations numériques en dynamique des fluides et les procédés de fabrication, grâce à des comparaisons détaillées entre les distributions de concentration mesurées spatialement et les distributions de concentration calculées.

Le mélangeur SAR est composé d'un certain nombre de plaques différentes disposées dans un tube en PVC. Chaque plaque découpée au laser est en PMMA et a une épaisseur de 1,59 millimètre. Chaque plaque possède une clé rectangulaire qui l'aligne le long d'une tige acrylique.

Dans un tuyau en PVC, le plastique peut être transparent ou opaque. Les plaques présentent divers motifs comportant des ouvertures permettant l'écoulement des fluides. Les plaques sont disposées dans le tuyau selon un motif répétitif qui crée des tunnels assurant le mélange.

Les deux fluides qui traversent la plaque de tube S servent à acheminer les deux fluides entrant dans le motif répétitif. Un flux de fluide se situe au centre, et les flux de fluide sont situés au-dessus et au-dessous. Ils présentent un débit relatif de 10 pour 1.

Ensuite, les fluides se rejoignent dans un canal ouvert, constitué de huit plaques de type C. Les fluides sont alors séparés physiquement en deux canaux verticaux par huit plaques de type I. La section suivante est composée de 16 plaques uniques, qui font tourner chaque flux de fluide de 90 degrés dans le sens inverse des aiguilles d'une montre. Le fluide s'écoule ensuite à travers huit plaques qui divisent les fluides en deux canaux horizontaux.

Le motif répétitif se termine par huit plaques de canal ouvertes. Au total, le motif se répète six fois le long du tube en PVC. Assemblez un système d'écoulement pour pomper la solution de carbo pole à travers le mélangeur statique en ligne divisé et reconstitué en plaçant d'abord le mélangeur dans l'aimant.

L'aimant fait partie d'un spectromètre d'imagerie basé sur un aimant permanent d'un Tesla, doté d'une intensité de gradient maximale de 0,3 Tesla par mètre et d'un boîtier quasi cubique permettant de contrôler et d'enregistrer le débit massique des fluides test. En outre, un transducteur de pression est intégré en amont du mélangeur pour surveiller la pression, ainsi qu'une bobine radiofréquence constituée d'un solénoïde à quatre spires, adaptée aux volumes cylindriques et épousant étroitement le tube en PVC. Enfin, deux solutions distinctes sont raccordées aux entrées.

Dans cette démonstration, les solutions seront du carbopol avec ou sans chlorure de manganèse. Préparez la solution de carbopol en tamisant lentement une quantité pesée de polymère dans de l'eau déionisée dans un récipient agité. Neutralisez la solution de carbopol à l'aide d'une solution d'hydroxyde de sodium à 50 % jusqu'à un pH de sept.

La neutralisation permet à la solution d'atteindre sa viscosité maximale lorsque le polymère gonfle dans l'eau. Pour former un gel, préparez une seconde solution de carbo pole dopée contenant l'agent de contraste IR chlorure de manganèse. Pour caractériser le comportement d'écoulement ou la rhéologie, utilisez une géométrie coquette standard à une température du fluide de 25 degrés Celsius afin de mesurer la viscosité au cisaillement.

Utilisez un balayage en régime permanent de la contrainte de cisaillement de 0,1 à 500 pascals en mode LA rythmique, avec 10 points par décade et une tolérance de 5 %. Ensuite, mesurez la déformation au cours d'un balayage de fréquence allant de 628 à 0,63 radian par seconde en mode LA logarithmique, avec 10 points par décade. Lors du choix des paramètres d'imagerie, nous devons tenir compte du rapport signal sur bruit total dans l'image, ainsi que du contraste et de l'intensité du signal entre la région dopée et la région activée.

Dans ce cas, nous avons choisi une séquence d'écho de gradient et sélectionné des concentrations permettant d'obtenir une dépendance linéaire de l'intensité du signal par rapport à la concentration. La séquence IRM n'inclut pas de compensation de flux.

Afin d'éviter les artefacts de mouvement, l'acquisition d'images est réalisée sur un liquide au repos, et la durée d'acquisition est de l'ordre d'une à quatre minutes. Repositionner le mélangeur pour imager les volumes à différentes positions axiales. Faire glisser axialement le tube du mélangeur à l'intérieur de l'aimant jusqu'à ce que le volume souhaité se trouve au centre de la bobine RMN, située au centre de l'aimant.

Ensuite, répétez le processus d'imagerie. Enfin, analysez les données IRM à l'aide de procédures d'analyse d'images afin de documenter la distribution spatiale des concentrations des composants. Dans cette étude, les propriétés réelles des deux solutions étaient indistinguables.

Les propriétés viscoélastiques des solutions présentaient les caractéristiques d'un système gel avec un module de conservation supérieur au module de perte, ce dernier étant relativement constant. La pente du rapport de la perte sur la conservation augmentait à fréquence plus élevée, et le déphasage correspondant suivait la même tendance afin d'évaluer la contribution relative des forces visqueuses par rapport aux forces d'inertie pendant l'écoulement. Les nombres de Reynolds ont été calculés comme étant le débit moyen à travers les plaques.

Ces valeurs, nettement inférieures à 1,0, indiquent que les forces visqueuses dominaient les forces d'inertie. Ainsi, le mélange s'effectuait par étirement laminaire et cisaillement, plutôt que par turbulence. Afin d'illustrer l'intérêt de la visualisation des écoulements par IRM, les résultats suivants présentent des images sélectionnées à différentes positions axiales.

Le mélangeur SAR divise efficacement et uniformément les flux, comme illustré sur les images des plaques H en aval des première, deuxième et troisième sections de mélange. Le nombre de bandes de fluide dopé double à chaque section de mélange. La modification des seuils de valeur des images montre une augmentation des bandes de fluide dopé à chaque passage à travers le motif.

Une séquence d'images montrant la rotation de 90 degrés dans le sens inverse des aiguilles d'une montre dans le mélangeur illustre comment les flux verticaux deviennent des flux horizontaux au cours du processus de mélange dans tout le tunnel. Les deux flux de fluide sont doublés de nombreuses fois. Lorsqu'on tente d'effectuer ces mesures, il est important de se rappeler que la durée de mesure doit être très courte par rapport au temps nécessaire à la diffusion moléculaire pour influencer les distributions de concentration des composants. Ces mesures expérimentales du mélange sont particulièrement utiles pour évaluer l'impact des modèles constitutifs de rhéologie des fluides utilisés dans les simulations numériques de dynamique des fluides appliquées au mélange, ainsi que pour un mélangeur à division et recombinaison.

Après avoir visionné cette vidéo, vous devriez bien comprendre comment utiliser l'imagerie par résonance magnétique pour étudier les distributions de concentration dans un mélangeur statique.