Simulação computacional de dinâmica de fluidos de dois

Apr 13, 2024

Scientific Reports volume 13, Artigo número: 9483 (2023) Citar este artigo

763 acessos

1 Citações

Detalhes das métricas

No presente trabalho de pesquisa, foi analisado o comportamento do fluxo de um processo de extração líquido-líquido (LLE) em um microcanal serpentino. A simulação foi realizada utilizando um modelo 3D e os resultados foram consistentes com os dados experimentais. O impacto do fluxo de clorofórmio e água no modelo de fluxo também foi examinado. Os dados indicam que, uma vez que as taxas de fluxo das fases aquática e orgânica são baixas e semelhantes, um padrão de fluxo em golfadas é observado. No entanto, à medida que a vazão geral aumenta, o fluxo em golfadas se transforma em fluxo tampão paralelo ou fluxo de gotículas. Um incremento nos fluxos de água enquanto se mantém uma taxa de fluxo de fase orgânica constante resulta em uma transição do fluxo de slug para o fluxo de gotículas ou fluxo tampão. Finalmente, os padrões de vazão no microcanal serpentino foram caracterizados e representados. Os resultados deste estudo fornecerão informações valiosas sobre o comportamento de padrões de fluxo bifásico em dispositivos microfluídicos serpentinos. Essas informações podem ser usadas para otimizar o projeto de dispositivos microfluídicos para diversas aplicações. Além disso, o estudo demonstrará a aplicabilidade da simulação CFD na investigação do comportamento de fluidos em dispositivos microfluídicos, o que pode ser uma alternativa econômica e eficiente aos estudos experimentais.

O uso de sistemas bifásicos líquido-líquido (LL) é predominante no tratamento químico, por exemplo, polimerização, nitração, cloração e extração reativa e por solvente 1,2,3,4,5. Esses procedimentos são dificultados principalmente por limitações de transporte, como pequenas taxas de transferência de massa6,7,8. Para superar essas limitações, a miniaturização tem sido reconhecida como um método promissor de intensificação de processos, por reduzir a resistência ao transporte e aumentar as taxas de transporte9,10,11. A utilização de microespaços em dispositivos pode resultar em altas taxas de transferência de calor e massa12,13,14,15,16,17. A maior fração interfacial zona-volume em esquemas binários de microescala em comparação com sistemas de macroescala resulta em taxas de transferência de calor e massa aprimoradas e maior eficiência do processo, que pode ser maior em uma ordem de grandeza em comparação com sistemas convencionais. Além disso, a facilidade de aumento de escala, a segurança desenvolvida e os requisitos de inventário reduzidos, especificamente para sistemas que utilizam produtos químicos arriscados e exclusivos, tornam os dispositivos microfluídicos apropriados para uma ampla gama de aplicações. A eficácia de um sistema específico em microcanais LL depende muito dos esquemas de fluxo dos dois líquidos não miscíveis .

Padrões de fluxo microfluídico referem-se ao comportamento do fluido em canais ou dispositivos em microescala. Três fluxos principais, paralelo, gotículas e slug, ocorrem em sistemas microfluídicos. Os mapas de fluxo mostram graficamente esses fluxos principais versus a vazão de duas fases. Compreender os padrões de fluxo microfluídico é importante para projetar e otimizar dispositivos microfluídicos para aplicações específicas. Ao controlar o padrão de fluxo, os pesquisadores podem manipular o comportamento dos fluidos em canais em microescala e desenvolver dispositivos que podem realizar reações químicas, separações e detecções precisas22,23,24.

Vários padrões de fluxo LL foram examinados em ferramentas microfluídicas com base em fatores como tamanho e formato de microcanais, características físicas dos líquidos (por exemplo, viscosidade e tensão superficial), vazão, proporção de fluxo dos líquidos e comportamento de umedecimento de as paredes dos microcanais25,26,27. Os padrões de fluxo LL máximos usuais em microcanais bifásicos incluem fluxo de slug, fluxo tampão e fluxo de gotículas. O fluxo de golfadas é favorecido em vários sistemas devido à rotação interna dentro das golfadas de duas fases e à difusão entre as golfadas contíguas. No entanto, a divisão abrangente de fases dentro da ferramenta microfluídica continua a ser um desafio em regimes de fluxo de golfadas. A hidrodinâmica das lesmas, como o comprimento e a velocidade das lesmas, é de importância significativa, pois afeta o desempenho dos dispositivos microfluídicos .