Simulazione fluidodinamica computazionale di due

Apr 13, 2024

Rapporti scientifici volume 13, numero articolo: 9483 (2023) Citare questo articolo

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Nel presente lavoro di ricerca, è stato analizzato il comportamento del flusso di un processo di estrazione liquido-liquido (LLE) in un microcanale a serpentina. La simulazione è stata eseguita utilizzando un modello 3D e i risultati sono risultati coerenti con i dati sperimentali. È stato inoltre esaminato l'impatto del flusso di cloroformio e acqua sul modello di flusso. I dati indicano che una volta che le portate delle fasi acquosa e organica sono basse e simili, si osserva un modello di flusso di lumaca. Tuttavia, quando la portata complessiva aumenta, il flusso di materiale residuo si trasforma in un flusso a pistone parallelo o in un flusso di goccioline. Un incremento dei flussi di acqua mantenendo una portata costante della fase organica si traduce in una transizione dal flusso lumaca al flusso di goccioline o al flusso a tappo. Infine, sono stati caratterizzati e rappresentati gli schemi di portata nel microcanale serpentino. I risultati di questo studio forniranno preziose informazioni sul comportamento dei modelli di flusso bifase nei dispositivi microfluidici a serpentina. Queste informazioni possono essere utilizzate per ottimizzare la progettazione di dispositivi microfluidici per varie applicazioni. Inoltre, lo studio dimostrerà l'applicabilità della simulazione CFD nello studio del comportamento dei fluidi nei dispositivi microfluidici, che può rappresentare un'alternativa economica ed efficiente agli studi sperimentali.

L'uso di sistemi bifase liquido-liquido (LL) è prevalente nei trattamenti chimici, ad esempio polimerizzazione, nitrazione, clorurazione ed estrazione reattiva e con solvente1,2,3,4,5. Tali procedure sono per lo più ostacolate dalle limitazioni dei trasporti, come le piccole velocità di trasferimento di massa6,7,8. Per superare queste limitazioni, la miniaturizzazione è stata riconosciuta come un metodo promettente di intensificazione del processo, riducendo la resistenza al trasporto e aumentando le velocità di trasporto9,10,11. L'utilizzo di microspazi nei dispositivi può comportare elevate velocità di trasferimento di calore e massa12,13,14,15,16,17. La maggiore frazione interfacciale zona-volume negli schemi binari su scala micro rispetto ai sistemi su scala macro si traduce in velocità di trasferimento di calore e massa migliorate e in una maggiore efficienza del processo, che può essere maggiore di un ordine di grandezza rispetto ai sistemi convenzionali. Inoltre, la facilità di sviluppo della sicurezza e la riduzione dei requisiti di inventario, in particolare per i sistemi che utilizzano sostanze chimiche rischiose ed esclusive, rendono i dispositivi microfluidici adatti a un'ampia gamma di applicazioni. L'efficacia di un sistema specifico nei microcanali LL dipende molto dagli schemi di flusso dei due liquidi non miscibili18,19,20,21.

I modelli di flusso microfluidico si riferiscono al comportamento del fluido in canali o dispositivi su microscala. Nei sistemi microfluidici si verificano tre flussi principali, parallelo, flusso di goccioline e flusso di lumache. Le mappe di flusso mostrano graficamente questi flussi principali rispetto alla portata di due fasi. Comprendere i modelli di flusso microfluidico è importante per progettare e ottimizzare dispositivi microfluidici per applicazioni specifiche. Controllando il modello di flusso, i ricercatori possono manipolare il comportamento dei fluidi nei canali su microscala e sviluppare dispositivi in ​​grado di eseguire reazioni chimiche, separazioni e rilevamenti precisi22,23,24.

Diversi modelli di flusso LL sono stati esaminati in strumenti microfluidici in base a fattori quali dimensione e forma dei microcanali, caratteristiche fisiche dei liquidi (ad esempio viscosità e tensione superficiale), portata, rapporto di flusso dei liquidi e comportamento di bagnatura dei liquidi. le pareti dei microcanali25,26,27. I modelli di flusso LL massimi abituali nei microcanali bifase includono flusso lumaca, flusso a tappo e flusso di goccioline. Il flusso degli spezzoni è favorito per numerosi sistemi a causa della rotazione interna all'interno degli spezzoni di due fasi e della diffusione tra gli spezzoni contigui. Tuttavia, la suddivisione completa delle fasi all'interno dello strumento microfluidico rimane una sfida nei regimi di flusso slug. L'idrodinamica dei proiettili, come la lunghezza e la velocità dei proiettili, è di notevole importanza poiché influenza le prestazioni dei dispositivi microfluidici28,29,30,31.