CN112108101A - 一种仿生肠道自蠕动反应器 - Google Patents

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廖强
王健宇
夏奡
黄云
朱贤青
朱恂
林凯
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    • B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01J—CHEMICAL OR PHYSICAL PROCESSES, e.g. CATALYSIS OR COLLOID CHEMISTRY; THEIR RELEVANT APPARATUS
    • B01J19/00—Chemical, physical or physico-chemical processes in general; Their relevant apparatus
    • B01J19/28—Moving reactors, e.g. rotary drums

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Abstract

本发明公开了一种仿生肠道自蠕动反应器，包括蠕动驱动装置、若干蠕动段、硬质套管、固定装置和阀门；其特征在于：所述仿生肠道自蠕动反应器中，各段蠕动段串联连接形成仿生肠道；仿生肠道的前端连接蠕动驱动装置，仿生肠道的尾端连接阀门；每一段蠕动段均由具有一定拉伸比的弹性软管制成，该弹性软管内流体的脉动流动特性使弹性软管的柔弹性管壁产生周期性蠕动；每一段弹性软管外表面套设硬质套管，所述硬质套管用于限制弹性软管的最大蠕动幅度；各段蠕动段之间通过刚性连接部件刚性连接；刚性连接部件与蠕动段之间通过卡箍固接；仿生肠道内流体的脉动流动特性由蠕动驱动装置提供；本发明可广泛应用于传热、化工和食品等领域。

Description

一种仿生肠道自蠕动反应器
技术领域
本发明涉及反应器技术领域，特别涉及一种仿生肠道自蠕动反应器。
背景技术
在传热、化工和食品等领域内反应器的应用十分普遍，通过反应器能够实现反应过程进而获取目标产物。常见的反应器有釜式反应器和管式反应器，一般均采用坚硬、耐用的钢铁及其合金材料制作而成。这种刚式反应器具有经久耐用、处理量大、耐高温高压和抗腐蚀等优点。然而，由于反应器壁面是刚性的，不会主动参与内部物料的混合，因此常常需要在反应器内部添加搅拌装置，通过搅拌装置来实现物料的混合。然而在处理高粘度料液时，传统的搅拌方式容易产生混合死区降低混合效率；而增大搅拌速率，则会产生较大剪切力，在处理剪切敏感性物料时，如酶、细菌等，则会对这些成分造成一些破坏，同时也会造成能耗急剧增大。
仿生学为解决实际工程应用中的难题提供了丰富的解决方法，被认为是生物、化学工程领域的重要分支。自然界中哺乳动物肠道的蠕动可分为混合型蠕动及推进型蠕动，混合型蠕动是通过肌肉的间隔环形收缩舒张实现不同食节之间的有效混合，推进型蠕动则是通过肌肉的依次收缩舒张实现食物向后输运。哺乳动物的消化道，包括十二指肠、小肠和大肠等可以被看作是一系列特殊的混合反应器。与传统的刚式反应器相比，它们内部没有额外的混合装置，可以看作是一种柔性反应器，通过柔性壁面的运动实现食团的有效混合和运输。
发明内容
本发明所要解决的技术问题在于提供一种仿生肠道自蠕动反应器，以克服针对高粘液体采用传统搅拌方式存在的混合死区以及对高粘生化反应采用传统刚式反应器存在的传质受限、底物沉积、能耗高、催化剂失活等问题。
本发明的技术方案是：一种仿生肠道自蠕动反应器，包括蠕动驱动装置、若干蠕动段、硬质套管、固定装置和阀门；其特征在于：所述仿生肠道自蠕动反应器中，各段蠕动段串联连接形成仿生肠道；仿生肠道的前端连接蠕动驱动装置，仿生肠道的尾端连接阀门；每一段蠕动段均由具有一定拉伸比的弹性软管制成，该弹性软管内流体的脉动流动特性使弹性软管的柔弹性管壁产生周期性蠕动；每一段弹性软管外表面套设硬质套管，所述硬质套管用于限制弹性软管的最大蠕动幅度；各段蠕动段之间通过刚性连接部件刚性连接；刚性连接部件与蠕动段之间通过卡箍固接；仿生肠道内流体的脉动流动特性由蠕动驱动装置提供，以实现流体的周期性脉动流动；通过调节硬质套管管径及阀门开度来调节蠕动幅度；通过调节蠕动驱动装置的脉动频率来调节蠕动周期；所述硬质套管及刚性连接部件分别由第一固定装置和第二固定装置固定。
本发明利用仿生原理，利用仿生肠道自蠕动反应器来强化高粘液体混合特性及高粘生化反应传质特性，通过管内流体的脉动流动特性使弹性软管管壁产生周期性蠕动，实现对高粘液体的径向混合，强化传质效果，消除混合死区及底物沉积等问题。并通过阀门的开度大小调节脉动压力峰值的大小，结合硬质外套管不同管径实现对蠕动幅度的调节。
根据本发明所述的仿生肠道自蠕动反应器的优选方案，所述第一固定装置和第二固定装置的底部均设置有凹槽，滑轨嵌入固定装置底部的凹槽内，调节固定装置在滑轨上的位置用以调节不同的蠕动段长度。
根据本发明所述的仿生肠道自蠕动反应器的优选方案，所述第一固定装置和第二固定装置均由水平杆、垂直杆和滑块组成；水平杆一端与需要固定的硬质套管或刚性连接部件固定连接，水平杆另一端与垂直杆连接，垂直杆底部固定在滑块上，滑块的底部设置有凹槽，滑轨嵌入滑块底部的凹槽内。
根据本发明所述的仿生肠道自蠕动反应器的优选方案，所述蠕动驱动装置为柱塞泵或隔膜泵，蠕动驱动装置由泵基座固定。
本发明所述的一种仿生肠道自蠕动反应器的有益效果是:本发明利用仿生原理来强化高粘液体混合特性及高粘生化反应传质特性，通过管内流体的脉动流动特性使弹性软管的管壁产生周期性蠕动，实现对高粘液体的径向混合，强化传质效果，消除混合死区及底物沉积等问题；柔弹性管壁蠕动还可以消除管壁沉积等问题，无需外加复杂机械装置，维修方便，操作简单，能耗低，便于工业放大，可广泛应用在传热、化工和食品等领域。
附图说明
图1是一种仿生肠道自蠕动反应器结构示意图。
图2是固定装置与刚性连接部件10的连接示意图。
图3是固定装置与硬质套管3的连接示意图。
具体实施方法
参见图1至图3，一种仿生肠道自蠕动反应器，包括蠕动驱动装置1、若干蠕动段2、硬质套管3、固定装置和阀门5；其特征在于：所述仿生肠道自蠕动反应器中，各段蠕动段串联连接形成仿生肠道；仿生肠道的前端连接蠕动驱动装置1，仿生肠道的尾端连接阀门5；每一段蠕动段均由具有一定拉伸比的弹性软管制成，该弹性软管内流体的脉动流动特性使弹性软管的柔弹性管壁产生周期性蠕动；每一段弹性软管外表面套设硬质套管3，所述硬质套管用于限制弹性软管的最大蠕动幅度；各段蠕动段之间通过刚性连接部件10刚性连接；刚性连接部件10与蠕动段之间通过卡箍4固接；仿生肠道内流体的脉动流动特性由蠕动驱动装置1提供，蠕动驱动装置1为管内流体提供脉动压力，以实现流体的周期性脉动流动；通过调节硬质套管3管径及阀门5开度来调节蠕动幅度；通过调节蠕动驱动装置1的脉动频率来调节蠕动周期；所述硬质套管及刚性连接部件分别由第一固定装置9和第二固定装置8固定。
在具体实施例中，所述第一固定装置9和第二固定装置8的底部均设置有凹槽，滑轨7嵌入固定装置底部的凹槽内，调节固定装置在滑轨上的位置用以调节不同的蠕动段长度。具体每段蠕动段长度可根据液体粘度及实际需求进行调节，以达到最适混合效果。
在具体实施例中，所述第一固定装置9和第二固定装置8均由水平杆11、垂直杆12和滑块13组成；水平杆11一端与硬质套管3或刚性连接部件10固定连接，水平杆11另一端与垂直杆12连接，垂直杆12底部固定在滑块13上，滑块13的底部设置有凹槽，滑轨7嵌入滑块底部的凹槽内。
在具体实施例中，所述蠕动驱动装置1为柱塞泵或隔膜泵，蠕动驱动装置1由泵基座6固定。
在具体实施例中，硬质套管3为硬质聚氯乙烯管或金属管，蠕动段采用精密定制乳胶管，最大膨胀可达到1:7；每段蠕动段长5cm；弹性软管的管径与硬质套管管径之比可在1：2～1:6之间。阀门采用针形阀。
本发明利用弹性软管具有良好的韧性和弹性，通过将高粘物料泵入蠕动段内，随着蠕动段管壁蠕动即可实现高粘物料的有效混合。本发明通过蠕动驱动装置1提供的压力驱动实现推进型蠕动，并推动物料向后运输。通过弹性软管的柔性管壁的脉动膨胀及收缩来实现混合型蠕动，以强化径向混合。
本发明可处理粘度在0～5000mPa·s之间的液相流体以及固体负载量在40％以内的液固两相流体。使用本发明时，先将阀门开度开到最大，将高粘液体或者液固两相流体由蠕动驱动装置1驱动进入仿生肠道内，启动控制系统，将蠕动驱动装置1的蠕动频率由0Hz逐渐调大，稳定后逐渐关小针形阀开度至达到适合蠕动幅度，即完成蠕动混合。通过与传统刚式反应器的流场分析对比，混合死区完全消除，混合强度提升明显。
以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的宗旨和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (4)

1.一种仿生肠道自蠕动反应器，包括蠕动驱动装置(1)、若干蠕动段(2)、硬质套管(3)、固定装置和阀门(5)；其特征在于：所述仿生肠道自蠕动反应器中，各段蠕动段(2)串联连接形成仿生肠道；仿生肠道的前端连接蠕动驱动装置(1)，仿生肠道的尾端连接阀门(5)；每一段蠕动段均由具有一定拉伸比的弹性软管制成，该弹性软管内流体的脉动流动特性使弹性软管的柔弹性管壁产生周期性蠕动；每一段弹性软管外表面套设硬质套管(3)，所述硬质套管用于限制弹性软管的最大蠕动幅度；各段蠕动段之间通过刚性连接部件(10)刚性连接；刚性连接部件(10)与蠕动段之间通过卡箍(4)固接；仿生肠道内流体的脉动流动特性由蠕动驱动装置(1)提供，以产生流体的周期性脉动流动；通过调节硬质套管(3)管径及阀门(5)开度来调节蠕动幅度；通过调节蠕动驱动装置(1)的脉动频率来调节蠕动周期；所述硬质套管及刚性连接部件分别由第一固定装置(9)和第二固定装置(8)固定。
2.根据权利要求1所述的仿生肠道自蠕动反应器，其特征在于：所述第一固定装置(9)和第二固定装置(8)的底部均设置有凹槽，滑轨(7)嵌入固定装置底部的凹槽内，调节固定装置在滑轨上的位置用以调节不同的蠕动段长度。
3.根据权利要求2所述的仿生肠道自蠕动反应器，其特征在于：所述第一固定装置(9)和第二固定装置(8)均由水平杆(11)、垂直杆(12)和滑块(13)组成；水平杆(11)一端与需要固定的硬质套管(3)或刚性连接部件(10)固定连接，水平杆(11)另一端与垂直杆(12)连接，垂直杆(12)底部固定在滑块(13)上，滑块(13)的底部设置有凹槽，滑轨(7)嵌入滑块底部的凹槽内。
4.根据权利要求1或2或3所述的仿生肠道自蠕动反应器，其特征在于：所述蠕动驱动装置(1)为柱塞泵或隔膜泵，蠕动驱动装置(1)由泵基座(6)固定。
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