Projeto e avaliação de estruturas inclinadas altamente eficientes de fabricação aditiva

Dec 05, 2023

Scientific Reports volume 12, Artigo número: 19477 (2022) Citar este artigo

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Desenvolvemos um novo misturador em escala milimétrica (unidade de mistura de asas inclinadas, unidade TWM) baseado 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 misturá-los de maneira eficaz. Sua estrutura é simples para fácil fabricação: dois parâmetros principais de projeto de ângulo entre três asas e ângulo de conexão entre unidades inclinadas, que são otimizados usando a análise de dinâmica de fluidos computacional (CFD). A partir da análise CFD, obtemos o módulo de mistura mais bem 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 chega perto de 100%, o que é validado pela experiência e análise. Acreditamos que o misturador em escala mili proposto 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 realizados 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, bem como 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 alteração no desempenho dielétrico com uma ampla faixa de frequências. Porém, quando o PPO é misturado em misturador tipo batelada, geralmente adotado em indústrias químicas devido ao baixo custo de produção, há risco de explosão e é difícil obter alto rendimento da mistura8. Para resolver as limitações dos misturadores tipo batelada, muitos trabalhos de pesquisa têm sido 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 tipo batelada9,10 .

Um misturador contínuo possui algumas condições de processo, como número de Reynolds (Re), tipo de fluido e quantidade de fluxo de fluido. Com base nas condições de mistura, foram propostos diversos misturadores contínuos; 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 treliçada (LSM) tem recebido muita atenção devido à sua alta eficiência de mistura em comparação com o seu comprimento. Geralmente consiste em barras ou hastes complexas que se cruzam (normalmente dez ou mais), e o fluido se mistura à medida que passa por uma estrutura de rede. Portanto, a forma e a estrutura projetadas do LSM afetam o desempenho da mistura. O projeto conceitual do LSM foi proposto pela primeira vez por Sulzer na década de 1960, onde diversas 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 al. realizaram uma análise de mistura na área de misturadores passivos utilizando um misturador do tipo Kenics16, e Fradette et al. conduziram uma análise de fluxo para um misturador baseado em treliça . Pianko-Oprych et al. realizaram uma análise de mistura para fluxo bifásico e mostraram o efeito de uma estrutura de misturador usando dinâmica de fluidos computacional (CFD) , e Li et al. estudaram a análise de fluxo 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. elucidou o princípio da mistura no LSM pela distribuição de velocidade22. Heniche et al.23 e Liu et al.24 estudaram a proporção de mistura do LSM de acordo com o formato de uma estrutura unitária. Ghanem et al. resumiu estudos anteriores e compilou as características de forma, princípios de mistura e campos de aplicação do LSM25. Hirschberg et al. realizaram uma mudança de forma para reduzir o aumento de pressão do LSM26, e Shahbazi et al. tentou otimizar a forma dos LSMs usando um algoritmo genético .