Model-based Study of Mixing- using Computational Fluid Dynamics and Experiments

Mixing in millimeter scale applications faces completely different challenges compared with the macro scale. A thorough understanding of the physics and mass conservation principles that are affecting the fluid dynamics, are therefore key for development and successful implementation of mixers, in an existing process. Only relying on molecular diffusion for molecules with very low diffusivities can result in unfeasibly long mixing channels, thus making purely diffusive mixing impractical for continuous processes. In contrast, by introducing perturbations to the flow field which breaks up, distorts, stretches and folds the fluid elements continuously, can be used to increase the level of mixing. Mixers can broadly be dealt with in two separate categories, passive and active. Active mixers rely on an external source of power to enhance mixing, while passive mixers work without moving actuators. The result in this thesis show both from Computational Fluid Dynamics and experimental measurements, that the flow regimes and mixing quality, using the ÄKTA T-mixer, in small scale continuous chromatography processes, potentially is limited by set flowrates and running parameters of the process and therefore seems to benefit from additional mixing action from passive and active mixing methods. When it comes to choosing which method to implement it should be based on both what level of mixing that is required as well on what components that are being mixed. To have control over the mixing process and a welldefined dispersion in the mixer is also important. Due to the increased shear rate and sharper gradients in the flow velocity field in active mixers, softer mixing methods, provided by passive mixers, potentially pose a more smooth and controlled mixing process compared to active mixers, when it comes to shear sensitive and fragile compounds.Vi har alla varit med om det när vi stått och rört runt med skeden i morgonkaffet. De fantastiska, komplexa mönster som uppträder när grädden blandar sig med det mörka kaffet, efterhand som vi rör runt med skeden. Även om du kanske själv aldrig har reflekterat över det så är den här typen av mixning och blandningsförlopp, komplexa fenomen som studerats av och sysselsatt forskare, vetenskapsmän och matematiker under lång tid. Mixning bygger på en rad komplexa transportfenomen och är till stor del styrt av typen av flöde och hur strömningsförhållandena är. Kaffekoppsexemplet är exempelvis ett bra exempel på materialtransport där skeden står för den så kallade advektionen, som står för den storskaliga förflyttningen av partiklar och diffusion, som är exemplet på den spontana, naturliga blandningen man fått om man bara låtit grädden blanda sig i kaffet av sig själv, utan omrörning. Den största skillnaden mellan små och storskaliga mixningsprocesser är hur dessa två processer samspelar och hur flödesmekaniken beter sig i de olika skalorna. I storskaliga flöden så är kaotisk mixning med hjälp av turbulens det vanligaste sättet som används för att effektivt blanda olika vätskor medan vid mindre skala blir det jämförelsevis, allt svårare att åstadkomma turbulens på grund av de mindre geometriska förhållandena. Flödet karaktäriseras istället av så kallad laminäritet där friktionskrafterna i vätskan åstadkommer ett mycket välordnat flöde jämfört med det kaosartade flödet som uppstår vid turbulens, vilket gör det svårare att bryta upp vätskornas materialstruktur och åstadkomma en bra blandning på liknande vis som när vi rör ner grädde i kaffet eller blandar vår favoritsaft. För att mixa olika vätskor innebär detta därför att det krävs någon form av ytterligare hjälp från en teknisk apparat som kallas för mixer. Mixrar som används i dagens applikationer kan i stort delas in i två kategorier, aktiva mixrar som drivs av en extern kraftkälla och innehåller rörliga delar som rotorblad eller impellrar som fungerar som en form av mekanisk omrörning, tänk hushållsmixern där hemma i köket, medan passiva mixrar utnyttjar istället smart geometrisk design och de fluidmekaniska förhållandena för att förbättra mixningen. Nedan visas en bild av strömningslinjerna i en simulerad dynamisk mixer med en magnetomrörare och en statisk mixer som visar hur mixningen kan förbättras med olika metoder. Genom att genomföra kopplade simuleringar och experiment genom att blanda vätskor i ett T-kors och mäta salthalten efter inblandningen, kunde studenter från Lunds Tekniska Högskola fastställa och se hur pass välblandad vätskan var i en småskalig kromatografiprocess. Den samlade bilden av datorsimuleringarna och experiment verkade visa på hur två vätskor som inte utsätts för ytterligare mixning från passiva eller aktiva mixrar, helt enkelt lägger sig jämte varandra och inte blandas på det sätt som man intuitivt kan tänka sig. I slutändan blir mixern därför en oumbärlig del i en process för att kunna ha en bra och effektiv omblandning, på precis samma vis som vi måste röra runt i kaffet med skeden istället för att vänta och bara låta kaffet och grädden blanda sig spontant på egen hand