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Oct 18, 2023

Progettazione e valutazione di prodotti additivi inclinati ad alta efficienza

Scientific Reports volume 12,

Scientific Reports volume 12, numero articolo: 19477 (2022) Citare questo articolo

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Sviluppiamo un nuovo mixer su scala millimetrata (unità di miscelazione ad ali inclinate, unità TWM) basato sul progetto per la produzione additiva (DfAM). Il miscelatore ad ali inclinate proposto è sostanzialmente progettato per avere tre ali separate che dividono e uniscono i fluidi per miscelarli insieme in modo efficace. La sua struttura è semplice per una facile fabbricazione: due principali parametri di progettazione dell'angolo tra le tre ali e l'angolo di collegamento tra l'unità inclinata, che sono ottimizzati utilizzando l'analisi della fluidodinamica computazionale (CFD). Dall'analisi CFD otteniamo il modulo di miscelazione meglio combinato analizzando varie combinazioni di unità TWM per un rapporto di miscelazione altamente efficace. Il rapporto di miscelazione di tre unità combinate raggiunge quasi il 100%, il che è convalidato dall'esperimento e dall'analisi. Riteniamo che il miscelatore su scala millimetrata proposto possa essere utilizzato in diversi miscelatori e reattori chimici continui per ridurre al minimo l'uso di sostanze chimiche che possono inquinare l'ambiente.

La miscelazione dei fluidi è un processo importante nell'ingegneria chimica1,2, nell'ingegneria alimentare3, nell'elettronica, nell'industria mineraria4 e in altri settori. Fino ad ora sono stati condotti numerosi studi per migliorare l'efficienza del rapporto di miscelazione con diversi modelli di miscelatori3,4. Con l'aumento del progresso in vari settori industriali e delle questioni ambientali, il processo di miscelazione delle sostanze chimiche richiede prestazioni elevate nonché basso inquinamento e sicurezza2,3,4,5,6,7. Ad esempio, il PPO (ossido di polifenilene) è uno dei materiali chiave per le antenne di comunicazione di quinta generazione (5G) con buone prestazioni elettriche, bassa perdita dielettrica e piccole variazioni nelle prestazioni dielettriche con un'ampia gamma di frequenze. Tuttavia, quando il PPO viene miscelato utilizzando un miscelatore di tipo discontinuo, generalmente adottato negli impianti chimici a causa dei bassi costi di produzione, esiste il rischio di esplosione ed è difficile ottenere un'elevata resa della miscela8. Per risolvere i limiti dei miscelatori di tipo batch, sono stati riportati molti lavori di ricerca sui miscelatori continui grazie alle elevate prestazioni di miscelazione, sicurezza, facilità di controllo, scalabilità e bassa generazione di inquinanti rispetto alle caratteristiche dei miscelatori di tipo batch9,10 .

Un miscelatore continuo presenta alcune condizioni di processo come il numero di Reynolds (Re), il tipo di fluido e la quantità di flusso del fluido. In base alle condizioni di miscelazione sono stati proposti diversi miscelatori continui; mixer caotico11, mixer con superficie minima tripla periodica (TPMS)12, mixer con tessitura orizzontale e verticale (HVW)13 e Kenics14. In particolare, il miscelatore a struttura reticolare (LSM) ha ricevuto molta attenzione a causa della sua elevata efficienza di miscelazione rispetto alla sua lunghezza. Di solito è costituito da barre o aste complesse che si intersecano (normalmente dieci o più) e il fluido si mescola mentre passa attraverso una struttura reticolare. Pertanto, la forma e la struttura progettate dell'LSM influiscono sulle prestazioni di miscelazione. Il progetto concettuale dell'LSM fu proposto per la prima volta da Sulzer negli anni '60, in cui diverse barre all'interno del mixer eseguono la scissione e la ricombinazione di Baker per eseguire la miscelazione dei fluidi15. L'LSM può essere progettato per avere un'ampia gamma di Re da decine a migliaia di flussi di fluido modificando il numero e la dimensione delle barre per controllare il rapporto di miscelazione.

Sin dal primo sviluppo dell’LSM, l’aumento del rapporto di miscelazione e l’ampliamento del campo di applicazione sono stati l’obiettivo principale di molti ricercatori. Arimond et al. hanno eseguito un'analisi di miscelazione nel campo dei miscelatori passivi utilizzando un mixer di tipo Kenics16, e Fradette et al. ha condotto un'analisi del flusso per un miscelatore a reticolo17. Pianko-Oprych et al. hanno eseguito un'analisi di miscelazione per un flusso bifase e hanno mostrato l'effetto di una struttura di miscelatore utilizzando la fluidodinamica computazionale (CFD)18, e Li et al. ha studiato l'analisi del flusso di liquidi non newtoniani per ampliare le applicazioni dell'LSM19,20. Rauline et al. hanno confrontato le prestazioni di diversi miscelatori utilizzando l'analisi CFD21, e Zalc et al. ha chiarito il principio della miscelazione nell'LSM mediante la distribuzione della velocità22. Heniche et al.23 e Liu et al.24 hanno studiato il rapporto di miscelazione dell'LSM in base alla forma di una struttura unitaria. Ghanem et al. ha riassunto gli studi precedenti e compilato le caratteristiche della forma, i principi di miscelazione e i campi di applicazione dell'LSM25. Hirschberg et al. hanno eseguito un cambiamento di forma per ridurre l'accumulo di pressione dell'LSM26 e Shahbazi et al. ha tentato di ottimizzare la forma degli LSM utilizzando un algoritmo genetico27.