मिश्रण बढ़ाता चुंबकीय अनुनाद इमेजिंग का उपयोग

Summary

चुंबकीय अनुनाद इमेजिंग (एमआरआई) के एक शक्तिशाली उपकरण के आपरेशन के दौरान प्रक्रिया उपकरणों के प्रभाव का मूल्यांकन प्रदान करता है. हम एमआरआई के उपयोग करने के लिए एक स्थिर मिक्सर में मिश्रण कल्पना पर चर्चा की. आवेदन व्यक्तिगत देखभाल उत्पादों के लिए प्रासंगिक है, लेकिन भोजन, रासायनिक, बायोमास और जैविक तरल पदार्थ की एक विस्तृत रेंज को लागू किया जा सकता है.

Abstract

Mixing is a unit operation that combines two or more components into a homogeneous mixture. This work involves mixing two viscous liquid streams using an in-line static mixer. The mixer is a split-and-recombine design that employs shear and extensional flow to increase the interfacial contact between the components. A prototype split-and-recombine (SAR) mixer was constructed by aligning a series of thin laser-cut Poly (methyl methacrylate) (PMMA) plates held in place in a PVC pipe. Mixing in this device is illustrated in the photograph in Fig. 1. Red dye was added to a portion of the test fluid and used as the minor component being mixed into the major (undyed) component. At the inlet of the mixer, the injected layer of tracer fluid is split into two layers as it flows through the mixing section. On each subsequent mixing section, the number of horizontal layers is duplicated. Ultimately, the single stream of dye is uniformly dispersed throughout the cross section of the device.

Using a non-Newtonian test fluid of 0.2% Carbopol and a doped tracer fluid of similar composition, mixing in the unit is visualized using magnetic resonance imaging (MRI). MRI is a very powerful experimental probe of molecular chemical and physical environment as well as sample structure on the length scales from microns to centimeters. This sensitivity has resulted in broad application of these techniques to characterize physical, chemical and/or biological properties of materials ranging from humans to foods to porous media ^{1, 2}. The equipment and conditions used here are suitable for imaging liquids containing substantial amounts of NMR mobile ¹H such as ordinary water and organic liquids including oils. Traditionally MRI has utilized super conducting magnets which are not suitable for industrial environments and not portable within a laboratory (Fig. 2). Recent advances in magnet technology have permitted the construction of large volume industrially compatible magnets suitable for imaging process flows. Here, MRI provides spatially resolved component concentrations at different axial locations during the mixing process. This work documents real-time mixing of highly viscous fluids via distributive mixing with an application to personal care products.

Protocol

<p class="jove_title"> 1. मिश्रक डिजाइन</p><ol><li> एक CAD कार्यक्रम का उपयोग करने के लिए स्थिर मिक्सर के मिश्रण वर्गों डिजाइन.</li</ol><p class="jove_content"> एसएआर मिक्सर अलग प्लेट geometries के एक नंबर से बना है, इन geometries में दिखाए जाते हैं<strong> अंजीर. 3</strong>. प्रत्येक प्लेट लेजर कटौती पोलीफोनिक (मिथाइल methacrylate) (PMMA) 1.59 मिमी मोटी है और नीचे एक आयताकार कुंजी इतना है कि यह एक ऐक्रेलिक छड़ी के साथ एक पीवीसी पाइप में गठबंधन किया जा सकता है. ज्यामिति में वर्णित उन लोगों के लिए समान है<strong> [3, 4]</strong> विस्तार और संकुचन में दीवारों असतत "सीढ़ी" चिकनी विकर्ण सतहों बजाय असतत प्लेटों के संरेखण के कारण कदम की एक श्रृंखला से बनते हैं सिवाय इसके कि. हालांकि निर्माण की सामग्री यहाँ है PMMA और पीवीसी, अपारदर्शी गैर धातु mixers के रूप में अच्छी तरह से निर्माण किया जा सकता है.</p><ol start="2"><li> व्यक्तिगत प्लेटों संरेखित मिश्रक का दोहरा इकाइयों का विकास. एक अनुसूची 1 आधा इंच 40 स्पष्ट पीवीसी पाइप के भीतर प्लेटों कसकर स्थिति.</li><li><strong> अंजीर. 4</strong> स्थिर की ओर से मुख्य देखी गयी मुख्य मिक्सर दिखाता है. सूचना है कि दो तरल पदार्थ आंकड़े के बाईं ओर पर जानकारी दर्ज करें. छोटे घटक, अंधेरे क्षेत्र के रूप में दिखाया गया है, नोजल (प्लेट एस, चित्र 3) के माध्यम से प्रवेश करती है और (रंगहीन) प्रमुख घटक में छोटे घटक की एक धारा रूपों. दोहरा इकाई पहले प्लेट सी प्लेट एस के बाद शुरू होता है और 48 प्लेट, जो भी प्रत्येक दोहरा इकाई में एक प्लेट सी. के माध्यम से नीचे फैली हुई है, खुले चैनल (प्लेट सी) के 8 प्लेटों में दो द्रव प्रवाह. तरल पदार्थ तो शारीरिक रूप से प्लेट के आठ प्लेटें द्वारा दो ऊर्ध्वाधर चैनल में अलग मैं, वास्तविक मिश्रण अनुभाग द्वारा पीछा किया. मिश्रण खंड 16 प्लेटों के एक कुल है, से ऊपर बहाव के लिए: मैं प्लेट्स, ए, बी, डी, ई, एफ, जी, जम्मू, जम्मू, कश्मीर, एल, एम, एन, ओ, पी, और एच. तरल पदार्थ मिश्रण और प्लेट एच, जिसमें तरल पदार्थ शारीरिक रूप से दो क्षैतिज चैनल में विभाजित है 8 प्लेटों में धारा प्रवाह छोड़ देता है. "एच" अनुभाग खुला चैनल (प्लेट सी) 8 प्लेटों द्वारा पीछा किया जाता है. 48 का यह पैटर्नप्लेटों को मिक्सर में 6 बार दोहराया है. दो दोहरा इकाइयों में सचित्र हैं<strong> अंजीर. 4</strong> प्लेट्स 1-96 के रूप में.</li></ol><p class="jove_title"> 2. एमआर इमेजिंग प्रणाली और एक मिक्सर के साथ फ्लो प्रणाली</p><ol><li> एक प्रवाह प्रणाली लाइन में विभाजन और recombine स्थिर मिक्सर के माध्यम से Carbopol समाधान पंप इकट्ठे. नियंत्रण और परीक्षण तरल पदार्थ की जन प्रवाह दर रिकॉर्ड करने में सक्षम है. इसके अलावा, एक दबाव transducer मिक्सर के ऊपर शामिल करने के लिए दबाव की निगरानी.</li><li> स्थिति चुंबक में मिक्सर<strong> (5 छवि)</strong>. चुंबक एक 1 Tesla स्थायी चुंबक आधारित इमेजिंग स्पेक्ट्रोमीटर (पहलू इमेजिंग, औद्योगिक क्षेत्र Hevel Modi'in, Shoham, इसराइल) का हिस्सा 0.3 टी / मीटर चोटी ढाल शक्ति चुंबक बाड़े के आयामों 700 के साथ 700 x x 600 मिमी.</li><li> मैंगनीज क्लोराइड के साथ Carbopol समाधान के डोप हिस्सा (MnCl<sub2></sub>). यह छोटे घटक किया जाएगा. प्रमुख घटक undoped Carbopol हल है.<strong> अंजीर. 6</strong> प्रवाह प्रणाली के एक योजनाबद्ध दिखाता है.</li></ol><p class="jove_title"> 3. परीक्षण द्रव की विशेषता</p><ol><li> धीरे धीरे विआयनीकृत जल में एक उभारा टैंक में बहुलक का एक तौला राशि से sifting के द्वारा एक 0.2% w / w (Lubrizol निगम) Carbopol समाधान तैयार है. उत्पादों की इस बहुलक परिवार Crosslinked ऐक्रेलिक एसिड रसायन विज्ञान पर आधारित है और व्यापक रूप से व्यक्तिगत देखभाल और rheological संशोधक के रूप में घरेलू उत्पादों में इस्तेमाल किया है. एक 50% NaOH 7 पीएच के लिए हल के साथ carbopol समाधान बेअसर, निराकरण बहुलक पानी में पहुँच जाती है के रूप में अपनी अधिकतम चिपचिपापन समाधान प्राप्त करने के लिए एक जेल फार्म की अनुमति देता है. एक दूसरे carbopol एमआर विपरीत एजेंट MnCl युक्त समाधान तैयार<sub2></sub> 0.040 मिमी की एक अंतिम एकाग्रता, इस समाधान डाल दिया गया ट्रेसर तरल पदार्थ के रूप में संदर्भित किया जाता है.</li><li> प्रवाह व्यवहार, या टीए उपकरण AR-G2 के साथ एक मानक Couette ज्यामिति (न्यू कैसल, डे) rheometer (14 मिमी diam x 42 मिमी ऊंचाई) के साथ 25 के एक तरल पदार्थ के तापमान पर carbopol समाधान के rheology, विशेषताएँ डिग्री सेल्सियस . कतरनी चिपचिपापन के लिए, 500 0.1 10 अंक / दशक और 5% सहिष्णुता के साथ लघुगणकीय मोड में पा से एक स्थिर राज्य कतरनी तनाव झाडू का उपयोग करें. तरीकों में वर्णित हैं<strong> [5]</strong>.</li></ol><p class="jove_content"> इस काम में, दो समाधान के rheological गुण अप्रभेद्य थे और में सचित्र<strong> अंजीर. 7</strong> डेटा एक बिजली कानून मॉडल और शो कतरनी व्यवहार thinning के लिए फिट थे.</p><p class="jove_content"> 0.2% w / w छोटे आयाम परीक्षण oscillatory साथ carbopol समाधान के viscoelastic गुण विशेषताएँ. 1 फोनों के लिए, जो रेखीय viscoelastic क्षेत्र से मेल खाती है की एक निश्चित तनाव में गतिशील परीक्षण प्रदर्शन करना. लघुगणकीय मोड में / दशक 10 अंक के साथ 0.63 रेड / s (100-.10 हर्ट्ज) – 628 से एक आवृत्ति झाडू पर तनाव उपाय.</p><p class="jove_content"> भंडारण और नुकसान moduli, जी 'और जी ", क्रमशः में दिखाए जाते हैं<strong> अंजीर. 8</strong>. घटता जी '> "जी और जी काफी निरंतर के साथ एक जेल प्रणाली की विशेषता हैं<strong> [5]</strong>. उच्च आवृत्ति पर 0.5 – तन (δ) 0.05 से 0.3 करने के लिए कम आवृत्तियों में वृद्धि जी = "/ 'जी के मान. इसी चरण अंतराल (δ) सीमा δ जा रहा है के साथ इसी प्रवृत्ति, पीछा Hookean ठोस और = / 2 न्यूटोनियन तरल पदार्थ के लिए δ π के लिए = 0.</p><ol start="3"><li> चिपचिपा बलों के रिश्तेदार रेनॉल्ड्स संख्या का उपयोग कर प्रवाह के दौरान inertial बलों के योगदान का मूल्यांकन. चूंकि प्रत्येक थाली के पार अनुभाग बदलता, प्लेट और रेनॉल्ड्स संख्या के माध्यम से औसत प्रवाह की दर की गणना है और में दी<strong> तालिका 1</strong>.</li></ol><p class="jove_content"> ये रेनॉल्ड्स संख्या मानों 1.0 की तुलना में काफी कम कर रहे हैं और प्रवाह में जो चिपचिपा बलों inertial बलों पर हावी विशेषताएँ. दूसरे शब्दों में, मिश्रण लामिना खींच और अशांति के बजाय कर्तन है.</p><p class="jove_title"> 4. एमआर डाटा अधिग्रहण</p><ol><li> एक उचित रेडियो आवृत्ति का तार का चयन करें.</li></ol><p class="jove_content"> यह काम चार बदल जाता है के साथ एक solenoid का उपयोग करता है, व्यास में एक बेलनाकार मात्रा 60 मिमी और 60 मिमी लंबे समय encasing. यह कुंडल बारीकी से पीवीसी पाइप फिट बैठता है और संकेत के एक अच्छा संकेत शोर अनुपात हासिल की.</p><ol start="2"><li> भागो एक टुकड़ा बहु ढाल गूंज अनुक्रम और एमआर छवियों का अधिग्रहण.</li></ol><p class="jove_content"> यह पल्स अनुक्रम चुना गया था के बाद से संकेत तीव्रता सामग्री स्पिन जाली छूट समय के प्रति संवेदनशील है. विभिन्न छूट समय के साथ दो सामग्री के बीच रिश्तेदार संकेत तीव्रता एक समीकरण से गणना की है. संकेत तीव्रता मतभेद, सभी के लिए उचित प्रयोगात्मक मापदंडों का चयन में विचार करने की आवश्यकता है छवि अधिग्रहण के दौरान आणविक प्रसार के प्रभाव के सापेक्ष छवि के लिए कुल अधिग्रहण समय. इसके अतिरिक्त, इसके विपरीत एजेंट की एकाग्रता (MnCl<sub2></sub>) कि इस तरह के संकेत तीव्रता विपरीत एजेंट एकाग्रता से उत्पन्न परिवर्तन रैखिक रहे हैं चुना है. MnCl के अलावा<sub2></sub> स्पिन जाली विश्राम के समय (टी घट जाती है₁) परीक्षण 0.515 से 2.998 एस (undoped) (doped) द्रव की. doped Carbopol समाधान छवियों में undoped Carbopol समाधान की तुलना में उज्जवल प्रतीत होता है के बाद से अत्यधिक तीव्रता स्पिन जाली छूट समय के आधार पर भारित है. पल्स अनुक्रम पैरामीटर 2 एमएस और एक पुनरावृत्ति समय (टी.आर.) के 30 एमएस के एक गूंज समय (ते) हैं, देखने के क्षेत्र (FOV) 128 एन्कोडिंग प्रति 64 मिमी है जो एक विमान में 0.5 मिमी / स्थानिक संकल्प पैदावार voxel. इस टुकड़ा बहु अनुक्रम के साथ, हम इमेजिंग टुकड़ा प्रति 1.4 मिमी मोटाई की 32 क्रॉस अनुभागीय स्लाइस का अधिग्रहण.</p><p class="jove_title"> 5. द्रव इमेजिंग</p><ol><li> मिक्सर के माध्यम से मुख्य और लघु दोनों घटकों पम्प तक सतत प्रवाह हासिल की है. प्रमुख और गौण घटकों के रिश्तेदार प्रवाह दर 10:01 है. इसके साथ ही पंप और तरल पदार्थ छवि मिक्सर में बंद करो. एमआर अनुक्रम प्रवाह मुआवजा नहीं शामिल करता है, गति कलाकृतियों से बचने के लिए, इमेजिंग मौन तरल पर किया जाता है. इमेजिंग समय 1-4 मिनट के आदेश पर है.</li><li> मिक्सर छवि बेलनाकार संस्करणों के लिए कई बार विभिन्न स्थानों पर अक्षीय स्थान बदलें.</li></ol><p class="jove_content"> इस अध्ययन में, मिक्सर के कई बेलनाकार मात्रा imaged रहे हैं और में स्थित किया जा सकता है है<strong> अंजीर. 9</strong>. मात्रा axially मिक्सर ट्यूब चुंबक के माध्यम से फिसलने के द्वारा चुना जाता है, जब तक वांछित मात्रा मिठाई चुंबक के केंद्र में एनएमआर कुंडली के केंद्र द्वारा निर्धारित स्थान में है.</p><ol start="3"><li> एमआर छवि विश्लेषण प्रक्रियाओं के साथ डेटा का विश्लेषण करने के लिए घटक सांद्रता के स्थानिक वितरण दस्तावेज़. सामान्यीकृत संकेत (x) तीव्रता और इस अध्ययन में डाल दिया गया द्रव (y) के अंश के बीच संबंध y = 1.419x 0.482 (नि.<sup2></sup> = 0.99). इस संबंध में विश्लेषण मिश्रण process.To प्रवाह दृश्य एमआरआई का उपयोग कर की शक्ति का उदाहरण देकर स्पष्ट करने के लिए प्रासंगिक है, निम्नलिखित परिणाम विभिन्न axial स्थानों पर छवियों का चयन कर रहे हैं.</li></ol><p class="jove_title"> 6. प्रतिनिधि परिणाम</p><p class="jove_content"<strong> 10 चित्र</strong> भट्ठा नोक (सुई लगानेवाला) में छवियों को दिखाता पार वर्गों को दिखाने के लिए के रूप में डाल दिया गया और undoped पहला दोहरा इकाई में प्रवेश. इन छवियों को भी स्पष्ट रूप से संकेत तीव्रता में 100% डाल दिया गया तरल पदार्थ और undoped द्रव के बीच अंतर दिखाने के लिए.</p><p class="jove_content"> एसएआर मिक्सर प्रभावी ढंग से और समान रूप से एच Platesdownstream की छवियों में 1 से सचित्र रूप प्रवाह विभाजन^सेंट 2,^{एन डी} और,³ मिश्रण वर्गों (<strong> अंजीर. 11</strong> पहली पंक्ति). प्रत्येक मिश्रण अनुभाग के माध्यम से तरल पदार्थ डाल दिया गया "धारियों" डबल की संख्या. की दूसरी पंक्ति<strong> अंजीर. 11</strong> छवि विश्लेषण प्रक्रिया दिखाता है कि थ्रेसहोल्ड "1" (पट्टियों) छवियों और "0" (बाकी सब). ये संसाधित छवियों को स्पष्ट रूप द्रव विभाजन और recombines के रूप में डाल दिया गया और undoped तरल पदार्थ के बीच interfacial क्षेत्र की वृद्धि दर्शाते हैं.</p><p class="jove_content"> अनुक्रमिक छवियों का मिश्रण दूसरे अनुभाग के माध्यम से दिखाए जाते हैं<strong> अंजीर. 12</strong>.</p><img src="/files/ftp_upload/3493/3493table1.jpg" alt="Table 1"><p class="jove_content"<strong> तालिका 1</strong>. पार अनुभाग के माध्यम से प्रत्येक थाली और औसत वेग के अनुभागीय क्षेत्र क्रॉस, इसी रेनॉल्ड्स संख्या (रे) के साथ, एक शक्ति कानून (पीएल) द्रव, एक बराबर व्यास का उपयोग के लिए परिभाषित किया.</p><span class="pdflinebreak"</span<img> चित्रा 1.</strong> तस्वीर एक विभाजन और recombine मामूली घटक के रूप में और प्रमुख घटक के रूप में undyed Carbopol समाधान Carbopol लाल रंग से रंगी का उपयोग मिक्सर के माध्यम से प्रवाह उदाहरण देकर स्पष्ट करना.</p><span class="pdflinebreak"</span<img> चित्रा 2.</strong> 2 टेस्ला सुपर चुंबक का आयोजन, आकार में संदर्भ के लिए, कन्वेयर इमेजिंग क्षेत्र में 3 avocados बढ़ रहा है.</p><img src="/files/ftp_upload/3493/3493fig3.jpg" alt="Figure 3."> चित्रा 3.</strong> प्लेट प्रकार और पत्र पदनाम कि खोज एवं बचाव मिक्सर में एक दोहरा इकाई बनाने के लिए उपयोग किया जाता है.</p><span class="pdflinebreak"</span<img> चित्रा 4.</strong> गिरा और recombine के मिक्सर की योजनाबद्ध.</p><img src="/files/ftp_upload/3493/3493fig5.jpg" alt="Figure 5."> चित्रा 5.</strong> 1 Tesla स्थायी चुंबक आधारित इमेजिंग स्पेक्ट्रोमीटर (पहलू इमेजिंग).</p><span class="pdflinebreak"</span<img> चित्रा 6.</strong> प्रवाह प्रणाली के योजनाबद्ध.</p><img src="/files/ftp_upload/3493/3493fig7.jpg" alt="Figure 7."> 7 चित्रा.</strong> 0.2% Carbopol समाधान के स्पष्ट दलदलापन.</p><img src="/files/ftp_upload/3493/3493fig8.jpg" alt="Figure 8."> 8 चित्रा.</strong> 0.2% Carbopol समाधान के viscoelastic गुण.</p><span class="pdflinebreak"</span<img> 9 चित्रा.</strong> खोज एवं बचाव मिक्सर की इकाइयों दोहरा.</p><span class="pdflinebreak"</span<img> 10 चित्रा.</strong> इंजेक्टर पर दो छवियों: नोजल के अपस्ट्रीम अनुभाग डाल दिया गया तरल पदार्थ है जो धीरे – धीरे एसएआर मिश्रक का पहला दोहरा यूनिट के लिए प्रवेश द्वार पर एक छेद हो जाता है के लिए एक परिपत्र पार अनुभाग है.</p><img src="/files/ftp_upload/3493/3493fig11.jpg" alt="Figure 11."> 11 चित्रा.</strong> प्रथम, द्वितीय और तीसरे मिश्रण वर्गों के द्रव के बहाव, प्लेट एच. पर सचित्र</p><span class="pdflinebreak"</span<a><img src="/files/ftp_upload/3493/3493fig12.jpg" alt="Figure 12."> 12 चित्रा.</strong> मिश्रण दूसरे अनुभाग के माध्यम से 16 अनुक्रमिक छवियों के अनुक्रम.</p>

Discussion

<p class="jove_content"> मेगनेटिक अनुनाद इमेजिंग मिश्रण तरल पदार्थ के विश्लेषण के लिए एक तेजी से और मात्रात्मक विधि है. माप कुछ ही मिनटों की आवश्यकता है बनाने के लिए और विभाजन और recombine के मिक्सर में स्थिति के एक समारोह के रूप में तरल पदार्थ की एकाग्रता प्रदान करता है. इस तकनीक मिश्रण समस्याओं और geometries की एक विस्तृत श्रृंखला के लिए आवेदन के लिए उपयुक्त है [<strong6-11></strong>]. तकनीक के लिए सीमाएँ हैं कि एक nonmagnetic मिक्सर और निर्माण होना चाहिए एमआरआई उपकरणों में इस्तेमाल किया, और कम से कम सामग्री की एक डाटा अधिग्रहण के लिए एक पर्याप्त संकेत प्रदान करना चाहिए. एक पर्याप्त संकेत एक पर्याप्त संख्या में घनत्व के साथ एक एनएमआर सक्रिय नाभिक की आवश्यकता है.</p><p class="jove_content"> एमआरआई भी ठोस और तरल पदार्थ, काफी अलग rheological गुणों के साथ दो तरल पदार्थ के रूप में के रूप में अच्छी तरह से प्रतिक्रिया प्रणालियों में मिश्रण के मिश्रण यों के लिए इस्तेमाल किया जा सकता है. एक तरल में ठोस का मिश्रण एसएआर मिक्सर के उन लोगों की तुलना में अलग छवियों उपज जाएगा. ठोस ठोस घटक संकेत decays के तेजी से मिश्रण है और imaged नहीं, इसलिए, संकेत से केवल तरल और ठोस की एकाग्रता संकेत शुद्ध तरल संकेत करने के लिए की तुलना में नुकसान से ली गई है.</p><p class="jove_content"> एमआरआई मिश्रण छवियों कम्प्यूटेशनल मिश्रण प्रयोगों की एक उत्कृष्ट परीक्षण प्रदान करते हैं. छवि डेटा द्रव rheological गुण और आदर्श स्थितियों से विचलन के महत्व पर अंतर्दृष्टि प्रदान करता है. में<strong> अंजीर. 12</strong> आदर्श द्रव की वर्दी परतों से विचलन स्पष्ट कर रहे हैं. चित्र प्राप्त इस प्रकार विस्तृत डेटा प्रदान जटिल प्रवाह के संख्यात्मक भविष्यवाणियों के साथ प्रत्यक्ष तुलना के लिए उपयुक्त सेट है.</p>

Materials

Material or equipment	Supplier
Aspect 1T imaging spectrometer	Aspect Imaging (Shoham, Israel)
AR-G2 rheometer	TA Instruments, (New Castle, DE)
Seepex metering pumps	Seepex GmbH, (Bottrop, Germany)
Carbopol	The Lubrizol corporation, (Wickliffe, OH)
Manganese Chloride 1M Solution	Fisher Scientific (Pittsburgh, PA)