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Apr 28, 2023

Simulação de fluidodinâmica computacional de dois

Relatórios Científicos volume 13,

Scientific Reports volume 13, Número do artigo: 9483 (2023) Cite este artigo

Detalhes das métricas

No trabalho de pesquisa atual, o comportamento do fluxo de um processo de extração líquido-líquido (LLE) em um microcanal serpentina foi analisado. A simulação foi realizada usando 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 vazões das fases aquosa e orgânica são baixas e semelhantes, um padrão de fluxo lento é observado. No entanto, à medida que a taxa de fluxo geral aumenta, o fluxo lento se transforma em fluxo paralelo ou fluxo de gotas. Um incremento nos fluxos de água, mantendo uma taxa de fluxo de fase orgânica constante, resulta em uma transição de fluxo lento para fluxo de gotículas ou fluxo de plugue. Finalmente, os padrões de vazão no microcanal da serpentina foram caracterizados e representados. Os resultados deste estudo fornecerão informações valiosas sobre o comportamento dos padrões de fluxo bifásico em dispositivos microfluídicos em serpentina. Esta informação pode ser usada 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 para estudos experimentais.

O uso de sistemas bifásicos líquido-líquido (LL) é predominante no tratamento químico, por exemplo, polimerização, nitração, cloração e extração reativa e solvente1,2,3,4,5. 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 do processo, 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 aumentar a segurança desenvolvida e os requisitos de estoque reduzidos, especificamente para sistemas que usam 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 miscíveis18,19,20,21.

Padrões de fluxo microfluídicos referem-se ao comportamento do fluido em canais ou dispositivos em microescala. Três fluxos principais, fluxo paralelo, de gotas e lento, ocorrem em sistemas microfluídicos. Os mapas de fluxo mostram graficamente esses fluxos principais versus a taxa de fluxo de duas fases. Compreender os padrões de fluxo microfluídicos é importante para projetar e otimizar dispositivos microfluídicos para aplicações específicas. Ao controlar o padrão de fluxo, os pesquisadores podem manipular o comportamento de fluidos em canais de 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 forma do microcanal, características físicas dos líquidos (por exemplo, viscosidade e tensão superficial), taxa de fluxo, taxa de fluxo dos líquidos e comportamento de molhagem de as paredes do microcanal25,26,27. Os padrões de fluxo LL máximos usuais em microcanais bifásicos incluem fluxo slug, fluxo plugue e fluxo de gotículas. O escoamento em golfadas é favorecido por numerosos sistemas devido à rotação interior dentro das golfadas de duas fases e à difusão entre as golfadas contíguas. No entanto, a divisão de fase abrangente dentro da ferramenta microfluídica continua sendo um desafio em regimes de fluxo lento. A hidrodinâmica do slug, como comprimento e velocidade do slug, é de importância significativa, pois afeta o desempenho de dispositivos microfluídicos28,29,30,31.