Kwantificeren mengen met behulp van Magnetic Resonance Imaging

Het algemene doel van het volgende experiment is om magnetic resonance imaging te gebruiken als een krachtig instrument voor het evalueren van mengprocessen en procesapparatuur. Dit wordt bereikt door twee vloeistofstromen te combineren in een statische mengkast met splitsing en recombinatie. MRI-beelden worden verkregen door een geschikt beeldvormingsprotocol te selecteren.

Deze beelden maken karakterisering van de menger mogelijk. De prestatieresultaten zijn verkregen voor een toepassing die relevant is voor persoonlijke verzorgingsproducten, maar de procedure kan worden toegepast op een breed scala aan voedingsmiddelen, chemicaliën, biomassa en biologische vloeistoffen. Het belangrijkste voordeel van het gebruik van magnetische resonantiebeeldvorming ten opzichte van andere technieken, zoals video, is dat ondoorzichtige materialen gevisualiseerd kunnen worden.

Daarnaast is de informatie kwantitatief, waardoor componentconcentraties en de mate van menging kunnen worden berekend. Visualisatie van menging. Het gebruik van MRI kan nuttig zijn voor het valideren van computationele vloeistofdynamische simulaties en productieprocessen door middel van gedetailleerde vergelijkingen tussen ruimtelijk gemeten concentratieverdelingen en berekende concentratieverdelingen.

De SAR-menger bestaat uit een reeks verschillende platen die in een PVC-buis zijn geplaatst. Elke lasergesneden plaat is gemaakt van PMMA en heeft een dikte van 1,59 millimeter. Elke plaat is voorzien van een rechthoekige pen die de uitlijning langs een acrylstaaf waarborgt.

In een PVC-buis kan het plastic transparant of ondoorzichtig zijn. De platen hebben diverse ontwerpen met openingen waardoor vloeistoffen kunnen stromen. De platen worden in een herhalend patroon in de buis geplaatst, wat resulteert in tunnels die mengen.

De twee vloeistoffen die door de buisplaat S stromen, worden gebruikt om de twee vloeistoffen te sturen die het herhalende motief binnengaan. Eén vloeistofstroom bevindt zich in het midden en de vloeistofstromen bevinden zich erboven en eronder. Ze hebben een relatieve stroomsnelheid van 10 op één.

Vervolgens komen de vloeistoffen samen in een open kanaal, dat is opgebouwd uit acht platen van type C. De vloeistoffen worden daarna fysiek gescheiden in twee verticale kanalen door acht platen van type I. Het volgende gedeelte bestaat uit 16 unieke platen, waardoor elke vloeistofstroom 90 graden tegen de klok in wordt gedraaid. De vloeistof stroomt vervolgens door acht platen die de vloeistoffen splitsen in twee horizontale kanalen.

Het herhalende motief eindigt met acht open kanaalplaten. In totaal is het motief zes keer herhaald in de PVC-buis. Stel een flowsysteem samen om de carbo pole-oplossing door de inline split en de gecombineerde statische mengers te pompen; begin hiermee door de menger in de magneet te plaatsen.

De magneet maakt deel uit van een beeldspectrometer op basis van een permanente magneet van één Tesla, met een maximale gradiëntsterkte van 0,3 Tesla per meter en een nagenoeg kubusvormige behuizing om de massastroom van de testvloeistoffen te kunnen regelen en registreren. Daarnaast is er stroomopwaarts van de menger een druktransducer geïntegreerd om de druk te bewaken, en een radiofrequentiespoel bestaande uit een solenoïde met vier windingen in het geval van een cilindrisch volume die nauw aansluit op de PVC-buis. Tot slot zijn er twee verschillende oplossingen verbonden met de inlaatopeningen.

In deze demonstratie bestaan de oplossingen uit carbopol met of zonder mangaanchloride. Bereid de carbopol-oplossing door een afgewogen hoeveelheid polymeer langzaam in gedeïoniseerd water in een geroerde tank te zeven. Neutraliseer de carbopol-oplossing met een 50% natriumhydroxide-oplossing tot pH 7.

De neutralisatie zorgt ervoor dat de oplossing haar maximale viscositeit bereikt naarmate het polymeer in water zwelt. Om een gel te vormen, wordt een tweede gedoteerde carbo-pole oplossing bereid die het MR-contrastmiddel mangaanchloride bevat. Om het stromingsgedrag of de rheologie te karakteriseren, wordt een standaard coquette-geometrie gebruikt bij een vloeistoftemperatuur van 25 °C om de schuifviscositeit te meten.

Voer een steady-state afschuifspanningssweep uit van 0,1 tot 500 pascal in LA-ritmische modus met 10 punten per decade en een tolerantie van 5%. Meet vervolgens de rek over een frequentiesweep van 628 tot 0,63 rad per seconde in LA-logaritmische modus met 10 punten per decade. Bij het selecteren van de beeldvormingsparameters moeten we rekening houden met de totale signaal-ruisverhouding in het beeld, evenals het contrast en de signaalintensiteit tussen de gedoteerde regio en de ongedoteerde regio.

In dit geval hebben we gekozen voor een gradiënt-echo-sequentie en concentraties geselecteerd die zorgen voor een lineair verband tussen signaalintensiteit en concentratie. De MR-sequentie bevat geen stroomcompensatie.

Om bewegingsartefacten te vermijden, wordt de beeldvorming uitgevoerd op een rustende vloeistof; de beeldvormingstijd bedraagt ongeveer één tot vier minuten. Herpositioneer de menger om de volumes op verschillende axiale locaties in beeld te brengen. Schuif de mengbuis axiaal door de magneet totdat het gewenste volume zich in het midden van de NMR-spoel in het centrum van de magneet bevindt.

Herhaal vervolgens het beeldvormingsproces. Analyseer tot slot de MR-gegevens met beeldanalyseprocedures om de ruimtelijke verdeling van de componentconcentraties te documenteren. In dit werk waren de werkelijke logische eigenschappen van de twee oplossingen niet van elkaar te onderscheiden.

De visco-elastische eigenschappen van de oplossingen vertoonden de kenmerken van een gelsysteem, waarbij de opslagmodulus groter was dan de verliesmodulus en beide moduli vrijwel constant bleven. De helling van het verlies ten opzichte van de opslag nam toe bij een hogere frequentie, en de bijbehorende faseverschuiving volgde dezelfde trend om de relatieve bijdrage van viskeuze krachten aan traagheidskrachten tijdens de stroming te evalueren. De getallen van Reynolds werden berekend als de gemiddelde stroming door de platen.

Deze waarden, die veel lager zijn dan 1,0, geven aan dat de viskeuze krachten domineerden over de traagheidskrachten. De menging vond dus plaats door laminaire rek en afschuiving in plaats van turbulentie. Om de kracht van stroomvisualisatie met behulp van MRI te illustreren, tonen de volgende resultaten geselecteerde beelden op verschillende axiale locaties.

De SAR-menger splitst stromingen effectief en uniform, zoals geïllustreerd in de afbeeldingen van de H-platen stroomafwaarts van de eerste, tweede en derde mengsecties. Het aantal gestreepte banen van gedopeerd fluïdum verdubbelde bij elke mengsectie. Door de drempelwaarden van de beeldintensiteit te wijzigen, is te zien dat de banen van gedopeerd fluïdum toenemen bij elke passage door het motief.

Een reeks beelden van de draaiing van 90 graden tegen de klok in binnen de mengunit laat zien hoe de verticale stromen horizontale stromen worden tijdens het mengproces door de gehele tunnel. De twee vloeistofstromen worden vele malen verdubbeld. Bij het uitvoeren van deze metingen is het belangrijk om te onthouden dat de meettijd zeer kort moet zijn in vergelijking met de tijd die moleculaire diffusie nodig heeft om de concentratieverdelingen van de componenten te beïnvloeden. Deze experimentele mengmetingen zijn bijzonder nuttig voor het testen van de impact van constitutieve modellen voor vloeistofreologie die worden gebruikt in computational fluid dynamic-simulaties van menging, en een split-and-recombine-mengunit.

Na het bekijken van deze video zou u een goed begrip moeten hebben van hoe magnetische resonantie-imaging kan worden gebruikt om concentratieverdelingen in een statische mengers te bestuderen.