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Oct 18, 2023

Projeto e avaliação de aditivo fabricado inclinado altamente eficiente

Relatórios Científicos volume 12,

Scientific Reports volume 12, Número do artigo: 19477 (2022) Cite este artigo

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Desenvolvemos um novo misturador de escala milimétrica (unidade de mistura de asas inclinadas, unidade TWM) com base no projeto para fabricação aditiva (DfAM). O misturador de asas inclinadas proposto foi basicamente projetado para ter três asas separadas que dividem e combinam fluidos para misturar de forma eficaz. Sua estrutura é simples para facilitar a fabricação: dois parâmetros de projeto principais de ângulo entre três asas e ângulo de conexão entre a unidade inclinada, que são otimizados usando a análise de dinâmica de fluidos computacional (CFD). A partir da análise CFD, obtemos o melhor módulo de mistura combinado a partir de análises de várias combinações de unidades TWM para uma taxa de mistura altamente eficaz. A proporção de mistura de três unidades combinadas atinge quase 100%, o que é validado pelo experimento e análise. Acreditamos que o misturador proposto em escala milimétrica pode ser utilizado em diversos misturadores e reatores químicos contínuos para minimizar o uso de produtos químicos que podem poluir o meio ambiente.

A mistura de fluidos é um processo importante na engenharia química1,2, engenharia de alimentos3, eletrônica, mineração4 e outras. Até agora, muitos estudos foram conduzidos para melhorar a eficiência da proporção de mistura com diversos designs de misturadores3,4. À medida que o avanço de vários campos industriais e as questões ambientais são levantadas, o processo de mistura de produtos químicos requer alto desempenho, baixa poluição e segurança2,3,4,5,6,7. Por exemplo, PPO (óxido de polifenileno) é um dos principais materiais para antenas de comunicação de quinta geração (5G) com bom desempenho elétrico, baixa perda dielétrica e pequena mudança no desempenho dielétrico com uma ampla faixa de frequências. Entretanto, quando o PPO é misturado em misturador tipo batelada, geralmente adotado em plantas químicas devido ao baixo custo de produção, existe o risco de explosão e é difícil obter um alto rendimento da mistura8. Para resolver as limitações dos misturadores do tipo batelada, muitos trabalhos de pesquisa foram relatados em misturadores contínuos devido ao alto desempenho de mistura, segurança, facilidade de controle, escalabilidade e baixa geração de poluentes em comparação com as características dos misturadores do tipo batelada9,10 .

Um misturador contínuo tem algumas condições de processo, como número de Reynolds (Re), tipo de fluido e quantidade de fluxo de fluido. Com base nas condições de mistura, diversos misturadores contínuos foram propostos; misturador caótico11, misturador de superfície mínima triplamente periódico (TPMS)12, misturador de tecelagem horizontal e vertical (HVW)13 e Kenics14. Especialmente, o misturador baseado em estrutura de rede (LSM) recebeu muita atenção devido à sua alta eficiência de mistura em comparação com o seu comprimento. Geralmente consiste em barras ou hastes de interseção complexas (normalmente dez ou mais), e o fluido se mistura à medida que passa por uma estrutura de treliça. Portanto, a forma projetada e a estrutura do LSM afetam o desempenho da mistura. O projeto conceitual do LSM foi inicialmente proposto por Sulzer na década de 1960, onde várias barras dentro do misturador realizam a divisão e recombinação de Baker para realizar a mistura de fluidos15. O LSM pode ser projetado para ter uma ampla faixa de Re, de dezenas a milhares de fluxos de fluido, alterando o número e a dimensão das barras para controlar a proporção de mistura.

Desde o primeiro desenvolvimento do LSM, aumentar a proporção de mistura e ampliar o escopo de aplicação tem sido o foco principal de muitos pesquisadores. Arimond et ai. realizaram uma análise de mixagem no campo de misturadores passivos usando um misturador tipo Kenics16, e Fradette et al. conduziram uma análise de fluxo para um misturador baseado em rede17. Pianko-Oprych et al. realizaram uma análise de mistura para escoamento bifásico e mostraram o efeito de uma estrutura de misturador usando dinâmica de fluidos computacional (CFD)18, e Li et al. estudaram a análise de escoamento de líquidos não newtonianos para ampliar as aplicações do LSM19,20. Rauline et al. compararam o desempenho de vários misturadores usando análise CFD21, e Zalc et al. elucidaram o princípio da mistura no LSM por distribuição de velocidade22. Heniche et al.23 e Liu et al.24 estudaram a proporção de mistura do LSM de acordo com a forma de uma estrutura unitária. Ganem et al. resumiu estudos anteriores e compilou as características de forma, princípios de mistura e campos de aplicação do LSM25. Hirschberg et ai. realizou uma mudança de forma para reduzir o acúmulo de pressão do LSM26, e Shahbazi et al. tentou otimizar a forma dos LSMs usando um algoritmo genético27.