Количественная Смешивание использованием магнитно-резонансная томография

Summary

Магнитно-резонансная томография (МРТ) предоставляет мощный инструмент для оценки эффективности технологического оборудования в процессе эксплуатации. Мы обсуждаем использование МРТ для визуализации перемешивания в смеситель. Приложения, имеющие отношение к личной гигиены, но могут быть применены к широкому спектру пищевой, химической, биомассы и биологических жидкостях.

Abstract

<p class="jove_content"> Перемешивание работы установки, которая объединяет два или более компонентов в однородную смесь. Эта работа включает в себя смешение двух вязких жидких потоков, используя в линию статического смесителя. Смеситель сплит-и-рекомбинируют дизайн, который работает сдвига и экстенсиональным потока увеличить межфазное контакт между компонентами. Прототип сплит-и-рекомбинации (SAR) микшера был сооружен, совместив серии тонких лазерной резки поли (метилметакрилат) (PMMA) пластины удерживается на месте в трубу ПВХ. Перемешивание в это устройство показано на фотографии в<strong> Рис. 1</strong>. Красный краситель был добавлен в части испытательной жидкости и использовать в качестве незначительных компонента смешивают с основной (неокрашенного) компонента. На входе в смеситель, вводится слой жидкости трассирующими разделяется на два слоя, как она течет через смешивание разделе. С каждым последующим смешиванием раздела, количество горизонтальных слоев дублируется. В конечном счете, единый поток краситель равномерно рассеяны по всему сечению устройства.</p><p class="jove_content"> Использование неньютоновской испытательной жидкости на 0,2% Carbopol и легированных жидкости трассирующими аналогичного состава, смешивая в единицу визуализируется использованием магнитно-резонансной томографии (МРТ). МРТ является очень мощным экспериментальным зондом молекулярных химических и физических условий, а также образец структуру на масштабах от микрон до сантиметра. Эта чувствительность привела к широкому применению этих методов для характеристики физических, химических и / или биологических свойств материалов, начиная от людей, чтобы продукты, чтобы пористых средах<strong> [1, 2]</strong>. Оборудования и условия, используемые здесь, являются подходящими для работы с изображениями жидкостей, содержащих значительные количества ЯМР мобильных¹ Я таких, как обычная вода, а органические жидкости, в том числе масла. Традиционно МРТ использовала сверхпроводящей магнитов, которые не подходят для промышленных условиях и не переносимы в лаборатории (<strong> Рис. 2</strong>). Последние достижения в магнит технологии позволили строительство большого объема промышленного совместимы магниты подходят для визуализации потоков процесса. Здесь, МРТ обеспечивает пространственным разрешением концентрации компонентов в разных местах осевого во время процесса смешивания. Эта работа документов в режиме реального времени перемешивания высоковязких жидкостей с помощью дистрибутивного смешения с приложением к личной гигиены.</p>

Protocol

<p class="jove_title"> 1. Смеситель дизайн</p><ol><li> Используйте программу CAD для разработки смешивания участков статического смесителя.</li</ol><p class="jove_content"> Смесителя SAR состоит из ряда различных геометрий пластин; эти геометрии приведены в<strong> Рис. 3</strong>. Каждый лазерной резки поли (метилметакрилат) (PMMA) пластины 1,59 мм и имеет прямоугольную ключ на дне, чтобы он мог быть выровнен в трубу ПВХ с акриловым стержня. Геометрия, аналогичных описанным в<strong> [3, 4]</strong> За исключением того, что стены в расширения и сжатия формируются серии дискретных "лестница" шаги из-за выравнивания дискретных пластин, а не гладкие диагональ поверхностей. Хотя конструкционный материал здесь ПММА и ПВХ, непрозрачные неметаллических смесителей могут быть построены, а также.</p><ol start="2"><li> Align отдельных пластин развивать повторяющихся единиц смеситель. Позиция пластины плотно в течение 1 ½ дюйма Schedule 40 ясно труб ПВХ.</li><li><strong> Рис. 4</strong> Иллюстрирует статического смесителя смотреть со стороны. Обратите внимание, что две жидкости попадают в левой части рисунка. Незначительных компонентов, показаны как темные области, поступает через сопло (табл. S, рис. 3) и формы потока незначительных компонентов (бесцветный) основных компонента. Звене начинается после пластины S на первом C пластины и простирается вниз по течению через пластины 48, которая также пластин С. В каждом звене, два потока жидкости на 8 пластин открытого канала (табл. С). Жидкость затем физически разделены на две вертикальные каналы на восемь пластин табл. I, после чего фактическое смешение разделе. Смешивание раздел общей сложности 16 пластин, из вышестоящих нижестоящим: Плиты I, A, B, D, E, F, G, J, J, K, L, M, N, O, P и H. жидкости листьев смешивания раздел и впадает в 8 пластин пластины H, в которой жидкость физически разделен на две горизонтальных каналов. "Н" раздела следуют 8 пластин открытого канала (табл. С). Эта картина из 48пластин повторяется 6 раз в смесителе. Два повторяющихся звеньев показаны на<strong> Рис. 4</strong> В виде пластины 1-96.</li></ol><p class="jove_title"> 2. Поток системы с МРТ системы и смесителя</p><ol><li> Соберите проточной системы для перекачки Carbopol решения путем в линию сплит-и-рекомбинируют статического смесителя. Иметь возможность контроля и учета массового расхода жидкости теста. Кроме того, включить датчик давления перед смесителем для контроля давления.</li><li> Позиция микшер в магнит<strong> (Рис. 5)</strong>. Магнит часть 1 Тл с постоянными магнитами основе изображений спектрометр (Формат изображения, промышленная зона Хевель Модиин, Шоам, Израиль), с 0,3 т / м пик градиент силы размеры магнита корпуса составляют 700 х 700 х 600 мм.</li><li> Dope часть Carbopol решение с хлористого марганца (MnCl₂). Это будет незначительным компонентом. Основным компонентом является нелегированного Carbopol решение.<strong> Рис. 6</strong> Иллюстрирует схема проточной системы.</li></ol><p class="jove_title"> 3. Характеристика испытательной жидкости</p><ol><li> Подготовьте 0,2% в / Carbopol (Lubrizol Corporation) решение, медленно просеивания взвешенное количество полимера в деионизированной воды в мешалкой. Это семейство продуктов полимер на основе сшитого акриловой кислоты и химии широко используется в личной гигиены и бытовой химии в качестве реологических модификаторов. Нейтрализовать карбопол раствор с 50% NaOH раствор до рН 7; нейтрализации позволяет решением для достижения максимальной вязкости, как набухает полимера в воде с образованием геля. Подготовка второго решения карбопол содержащие отличие MR агент MnCl₂, Чтобы конечная концентрация 0,040 мм; это решение называют легированных жидкости индикатора.</li><li> Охарактеризовать потока поведения, или реология, из карбопол решения с Т. А. Инструменты AR-G2 реометр (Нью-Касл, DE) со стандартной геометрией Куэтта (14 мм диам. Х 42 мм высота) на жидкость температурой 25 ° C . Для сдвиговой вязкости, использование стационарного состояния напряжения сдвига развертки от 0,1 500 Па в логарифмическом режиме с 10 пунктов / десятилетие и допуск 5%. Методы описаны в<strong> [5]</strong>.</li></ol><p class="jove_content"> В этой работе, реологические свойства два решения были неразличимы и проиллюстрированы на<strong> Рис. 7</strong>, Данные были пригодны для модели степенного закона и показать, разжижения при сдвиге поведения.</p><p class="jove_content"> Охарактеризовать вязкоупругих свойств 0,2% в / карбопол решение с небольшой амплитудой колебательных тестирования. Выполните динамических испытаний на фиксированном напряжении 1 Па, что соответствует линейной области вязкоупругого. Мера напряжение на частоте развертки с 628 – 0,63 рад / с (100-0.10 Гц) в логарифмическом режиме с 10 пунктов / десятилетие.</p><p class="jove_content"> Хранения и потери модулей, G 'и G "соответственно, показаны на<strong> Рис. 8</strong>. Кривые характерны для гелевой системы с '> G "и G' G довольно постоянным<strong> [5]</strong>. Значения загар (δ) = G "/ G 'увеличится с 0,05 на более низких частотах до 0,3 – 0,5 при более высокой частоте. Соответствующий лаг-фазы (δ), а затем та же тенденция, с ограничениями быть δ = 0 для Hookean твердых тел и δ = π / 2 для ньютоновской жидкости.</p><ol start="3"><li> Оценка относительного вклада вязким силам силы инерции во время потока с использованием числа Рейнольдса. Так как сечение каждой пластины изменяется, средняя скорость потока через пластины и число Рейнольдса вычисляется и приведены в<strong> Таблица 1</strong>.</li></ol><p class="jove_content"> Эти значения числа Рейнольдса значительно меньше, чем 1,0 и характеризует потоки, в которых вязких сил постоянно находятся на инерционных сил. Другими словами, смешивание ламинарным растяжения и сдвига, а не турбулентностью.</p><p class="jove_title"> 4. MR сбора данных</p><ol><li> Выберите соответствующую катушку радиочастот.</li></ol><p class="jove_content"> Эта работа использует электромагнитный с четырьмя поворотами, в которую помещена цилиндрический объем диаметром 60 мм и 60 мм длиной. Эта катушка близко подходит труба ПВХ и добились хорошего отношения сигнал-шум сигнала.</p><ol start="2"><li> Выполнить несколько ломтик градиент эхо последовательность и приобрести МР изображений.</li></ol><p class="jove_content"> Эта последовательность импульсов было выбрано так как интенсивность сигнала чувствительна к материальным спин-решеточной релаксации. Относительной интенсивности сигнала между двумя материалами с различными временами релаксации вычисляется из уравнения. Интенсивность сигнала различия, общее время приобретения для изображения относительно влияния молекулярной диффузии во время получения изображения все должны быть рассмотрены при выборе соответствующих параметров экспериментальным. Кроме того, концентрация контрастного вещества (MnCl₂) Выбрана так, что интенсивность сигнала изменения, вытекающие из контраста концентрации агента являются линейными. Добавление MnCl₂ Уменьшается спин-решеточной релаксации (T₁) Для испытательной жидкости от 2,998 сек (нелегированного) до 0,515 с (легированной). Легированных решение Carbopol кажется ярче, чем нелегированных Carbopol решение в образах, поскольку интенсивность очень взвешенные по времени релаксации спиновой решетке. Параметры импульса последовательности эхо времени (TE) от 2 мс, а время повторения (TR) от 30 мс; поле зрения (FOV) составляет 64 мм на 128 кодировок, которые дает в плоскости пространственным разрешением 0,5 мм / воксела. С помощью этого мульти-срез последовательности, мы приобретаем 32 поперечного сечения ломтиками толщиной 1,4 мм на изображение среза.</p><p class="jove_title"> 5. Изображений жидкости</p><ol><li> Насос как крупных и мелких компонентов через миксером до постоянного потока достигается. Относительная скорость потока основных и второстепенных компонентов составляет 10:1. Одновременно остановка насосов и изображения жидкость в смеситель. MR последовательность не включает компенсации расхода;, чтобы избежать артефактов движения, изображения осуществляется на спокойной жидкости. Изображениями время порядка 1-4 минут.</li><li> Перемещение смесителя несколько раз, чтобы изображение цилиндрических объемов в различных осевых местах.</li></ol><p class="jove_content"> В этом исследовании, несколько цилиндрических объемов смесителя в образ будут включены и могут быть расположены в<strong> Рис. 9</strong>. Объем выбирается скользящей трубке смесителя аксиально через магнит, до желаемого объема в сладкое место определяется центре катушки ЯМР в центре магнита.</p><ol start="3"><li> Анализ данных МРТ с процедурами анализа изображений в документ пространственного распределения концентраций компонентов. Отношения между нормированной интенсивности сигнала (х) и доли легированных жидкости (у) в этом исследовании у = 1.419x-0,482 (R² = 0,99). Эта связь имеет отношение к анализу смешивания process.To проиллюстрировать возможности визуализации течения использованием МРТ, следующие результаты выбранных изображений на различных осевых местах.</li></ol><p class="jove_title"> 6. Представитель Результаты</p><p class="jove_content"<strong> Рисунок 10</strong> Показывает изображения в щели сопла (форсунки), чтобы показать сечений легированных и нелегированных введите первые звене. Эти изображения также ясно показывают разницу в интенсивности сигнала в диапазоне от 100% легированных и нелегированных жидкости жидкостью.</p><p class="jove_content"> Смесителя SAR эффективно и равномерно разбивает поток, как это показано в образах Platesdownstream Н из 1^Й, 2^Й И^3-й Смешивания разделы (<strong> Рис. 11</strong>, В первом ряду). Число легированных жидкости "полосами" двойных через каждый смешивания разделе. Второй ряд<strong> Рис. 11</strong> Иллюстрирует процедуру анализа изображений, что пороги изображения в "1" (полос) и "0" с (все остальное). Эти обработанные изображения наглядно иллюстрируют увеличение поверхности раздела между легированных и нелегированных жидкостей, жидкостей расколы и рекомбинирует.</p><p class="jove_content"> Последовательные изображения с помощью второго смешивания разделе показаны на<strong> Рис. 12</strong>.</p><img src="/files/ftp_upload/3493/3493table1.jpg" alt="Table 1"><p class="jove_content"<strong> Таблица 1</strong>. Площадь поперечного сечения каждого скорости пластины и средней по сечению, с соответствующим числом Рейнольдса (Re), определенные для жидкости степенной закон (PL), с использованием эквивалентного диаметра.</p><span class="pdflinebreak"</span<img> Рисунок 1.</strong> Фотографии для иллюстрации потока через сплит-и-рекомбинируют микшерный пульт Carbopol окрашенных в красный цвет, как второстепенный компонент и неокрашенные Carbopol решения как главный компонент.</p><span class="pdflinebreak"</span<img> Рисунок 2.</strong> 2 Тесла сверхпроводящей магнитом, ибо размер ссылки, конвейер движется 3 авокадо в визуализации региона.</p><img src="/files/ftp_upload/3493/3493fig3.jpg" alt="Figure 3."> Рисунок 3.</strong> Пластина типов и буквенные обозначения, которые используются для создания повторяющихся звеньев в САР смесителя.</p><span class="pdflinebreak"</span<img> Рисунок 4.</strong> Схема пролитой-и-рекомбинируют смесителя.</p><img src="/files/ftp_upload/3493/3493fig5.jpg" alt="Figure 5."> Рисунок 5.</strong> 1 Тесла с постоянными магнитами основе изображений спектрометр (Формат изображения).</p><span class="pdflinebreak"</span<img> Рисунок 6.</strong> Схема потока системы.</p><img src="/files/ftp_upload/3493/3493fig7.jpg" alt="Figure 7."> Рисунок 7.</strong> Кажущейся вязкости 0,2% Carbopol решение.</p><img src="/files/ftp_upload/3493/3493fig8.jpg" alt="Figure 8."> Рисунок 8.</strong> Вязкоупругих свойств 0,2% Carbopol решение.</p><span class="pdflinebreak"</span<img> Рисунок 9.</strong> Повторяющиеся единицы SAR смесителя.</p><span class="pdflinebreak"</span<img> Рисунок 10.</strong> Два изображения на инжектор: вверх по течению части сопла круглого сечения для легированных жидкость, которая постепенно становится все щели на входе в первый повторяющегося звена SAR смесителя.</p><img src="/files/ftp_upload/3493/3493fig11.jpg" alt="Figure 11."> Рисунок 11.</strong> Жидкости на выходе из первого, второго и третьего разделов смешивания, проиллюстрированные на пластины H.</p><span class="pdflinebreak"</span<a><img src="/files/ftp_upload/3493/3493fig12.jpg" alt="Figure 12."> Рисунок 12.</strong> Последовательности из 16 последовательных изображений с помощью второго смешивания разделе.</p>

Discussion

<p class="jove_content"> Магнитно-резонансная томография является быстрым и количественный метод анализа жидкости смешивания. Измерение занимает несколько минут, чтобы сделать и обеспечивает концентрацию жидкости в зависимости от позиции в сплит-и-рекомбинируют смесителя. Эта техника подходит для применения в широком диапазоне смешивания проблем и геометрии [<strong> 6-11</strong>]. Ограничения на прием в том, что немагнитные смесителя должна быть построена и используется в МРТ оборудования, и по крайней мере один из материалов должен обеспечить устойчивый сигнал для сбора данных. Устойчивый сигнал ЯМР требует активных ядер с достаточной плотности.</p><p class="jove_content"> МРТ может быть также использована для количественного смешивания твердых тел и жидкостей, двух жидкостей с существенно различными реологическими свойствами, а также смешения в реагирующих системах. Смешивание твердых веществ в жидкости будет давать различные изображения, чем у смесителя SAR. В смешивания твердых тел твердых распады сигнал компонента быстро и не вошедшие в образ, поэтому сигнал от жидкости только и концентрация твердых происходит от потери сигнала по сравнению с чистой жидкости сигнала.</p><p class="jove_content"> МРТ смешивания изображений обеспечивают отличное испытание вычислительной смешивания экспериментов. Данные изображения дает представление о важности жидкости реологические свойства и отклонения от идеальных условиях. В<strong> Рис. 12</strong> Отклонения от идеально равномерного слоя жидкости очевидны. Изображения, полученные таким образом представить подробные наборы данных, подходящие для прямого сравнения с численных прогнозов сложных течений.</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)