CN114307705A - 仿生柔性反应器 - Google Patents

Abstract

本发明属于反应器设备领域，提出了一种仿生柔性反应器。仿生柔性反应器，包括法兰盘、侧壁和底座，法兰盘设置进料口，底座设置出料口；侧壁为仿肠三维桶状器壁结构，通过拉伸、压缩或旋转侧壁，利用其褶皱结构挤压物料，促进物料的混合和反应。侧壁复合片材结构单元选自三角形构成的矩形或平行四边形，侧壁由复合片材结构单元组成的折叠结构或在侧壁上设置铰链结构形成具有复合片材结构单元的折叠结构。本发明反应器使用寿命为1000h～7000h，容积为10cm³～1m³，混合高粘度的液体混合时长30s～2000s，混合高粘度的膏体混合时长100s～5000s，混合性能优于现有的柔性反应器。

Description

仿生柔性反应器

技术领域

本发明涉及反应器设备领域，尤其涉及一种仿生柔性反应器。

背景技术

混合在化工生产中是一个重要的生产单元，强化混合能够强化反应的传质与传热，进而增加反应的速率。在常见的食品、药品、聚合物、乳剂制备等场景中，高粘度流体的混合是重要的操作，混合效果影响产品的性能。搅拌桨式反应釜是常规物料混合设备，但是当体系雷诺数低于500时，由于粘性力的作用，层流只出现在搅拌桨附近，远离桨叶部分混合不均匀，产生所谓的死区。因此开发一种适用于高粘度液体混合的设备是十分必要的。

随着工业的不断发展，人们开发出了一系列适用于高粘度物料混合的搅拌设备。现在应用较为广泛的主要是螺旋带式搅拌桨与锚式搅拌桨。其优点是流体同时产生纵向和径向流动，提供了强大的剪切力，增强了粘性物料混合所需的剪切力。然而这些桨的尺寸接近反应器的直径，叶轮体积大，有效反应体积小，功耗相对较大，另外混合还需要高转速，不适用于剪切力敏感的体系。因此开发一种既满足高粘度物料混合需求同时体系不受内部旋转机械影响的混合设备是十分有意义的。

大自然是工程学上重要灵感的来源，人的小肠可以有效地输送高粘度的食糜，但是其内部没有旋转搅拌结构。消化机理主要是结构与组织构成决定的，肌肉的协同收缩引起肠道运动，允许液体在小肠内混合和运输。小肠的结构包括浆膜、环状肌和纵向肌，小肠的浆膜提供柔性支撑，保护组织液，环状肌产生径向收缩，研磨食物，纵向肌产生纵向收缩，输送食糜。

因此该研究的目标是模仿小肠的结构和消化原理，开发具有纵向径向收缩能力，实现小肠功能的柔性反应器。

由于小肠的褶皱结构复杂并且需要径向纵向收缩，使用3D打印技术，打印的柔性反应器，材料的柔性难以达到要求。而折纸作为具有百年历史的艺术，经过不断的发展与进步，已经由一门艺术发展成为了一门科学。小到基因折叠大到航天飞行器上的太阳能板，都采用折叠的方式提出了新的有效解决方法。

现报道有模仿动物小肠和胃的的柔性反应器，这些反应器虽然在一定程度能够促进物料的混合，但是仍然存在以下的问题：1、柔性反应器的结构不够复杂，只有简单的挤压器壁所引起的变形，混合效果不够好，存在较多的死区。2、反应器功能不够完全，反应器不能加热，不能控制内部流体的温度，不能用于生产日化产品，食品。本发明将折纸结构和小肠结构结合，强化了反应器侧壁变形的复杂程度，强化了物料的混合效果。

发明内容

本申请旨在提供一种仿生柔性反应器，以解决现有技术中柔性反应器混合效果差，不能控制内部物料的温度，存在较大的死区的问题。

为了实现上述目的，本发明技术方案如下：一种仿生柔性反应器，包括法兰盘1、侧壁3和底座4，从上到下布置，三者之间均设有密封装置2；法兰盘1设置进料口，底座4设置出料口；侧壁3为仿肠三维桶状器壁结构，通过拉伸、压缩或旋转侧壁，利用其褶皱结构挤压物料，促进物料的混合和反应。

所述侧壁3由复合片材结构单元组成的折叠结构或在侧壁3上设置铰链结构形成具有复合片材结构单元的折叠结构，其是在二维平面上设计的折纸片材结构，然后通过折叠形成三维桶状器壁结构或采用铰链结构将所述折纸片材结构单元中的三角形链接，形成三维桶状器壁结构。复合片材结构单元为三角形构成的矩形或平行四边形，边长尺寸为5mm～4m，较优为2cm～10cm；垂直于压缩方向上布置不少于3个复合片材结构单元，较优为5～7个；平行于压缩方向上布置不少于2个复合片材结构单元，较优为4～6个。

所述仿生柔性反应器单独进行使用，或通过进料口和出料口的连接实现多个反应器串联或并联使用，或通过与其他热反应器、光反应器、催化反应器、测试仪器连接使用。

所述侧壁3或底座4复合有电加热带，通过通电产生的焦耳热为柔性反应器内的反应物料加热；或/和侧壁3外层复合光热转化材料，用于为仿生柔性反应器加热；电加热带为带状，排列分布方式为蛇形或环形，单层或多层并联；加热温度范围为室温～180℃；光热转化材料为碳基材料、有色聚合物材料、金属纳米材料、非金属材料或复合材料。

所述侧壁3为柔性材质或刚性材质，材料为高分子薄膜材料、金属薄膜材料、非金属薄膜材料、复合材料、金属、非金属板材、高分子板材、复合板材中的一种或两种以上形成的单层或多层复合结构。

所述底座4上通过反应器支座5安装有轴承6。

所述法兰盘1和底座4分别固定到动力装置两侧，实现对仿生柔性反应器拉伸、压缩的控制。固定方法包括螺栓固定，胶水粘接固定、密封条固定。所述仿生柔性反应器的伸缩距离和频率通过控制软件来调节或手动控制调节。其中仿生柔性反应器通过固定顶部法兰盘1移动底座4或固定反应器底座4移动顶部法兰盘1所述密封装置2的材料包含硅橡胶，高分子聚合物、碳纤维材料等，较优为硅橡胶。

通过调节所述仿生柔性反应器的侧壁3的复合片材结构单元的角度、边长、排列方式使反应器呈现不同的运动形式。

所述仿生柔性反应器的侧壁复合片材结构单元选自三角形构成的矩形或平行四边形。当复合片材的结构为矩形底座时，所述仿生柔性反应器是仅会发生的拉伸和压缩运动的反应器。当复合片材的结构为平行四边形时，所述仿生柔性反应器是能够发生拉伸和压缩运动，且沿拉伸的垂直方向发生旋转运动的反应器。

所述仿生柔性反应器的侧壁复合片材的结构单元是平行四边形，且相邻上下两层平行四边形结构单元的倾斜方向相反，此反应器是能够发生拉伸压缩运动且沿拉伸的垂直方向旋转的反应器。

所述仿生柔性反应器壁面的旋转方向取决于反应器壁面片材设计的方向，根据侧壁3片材不同的设计方向，仿生柔性反应器既可以顺时针方向旋转也可以逆时针方向旋转。

所述铰链结构可以是高分子材质，也可以是金属材质。所述折纸结构侧壁是柔性材质时折叠形成的褶皱结构的功能和刚性材质的铰链结构功能相同，均为反应器的伸缩旋转变形提供约束。

所述顶部法兰盘1可以将柔性反应器顶部封闭，也可以保持柔性反应器顶部敞开；所述底座4将折纸结构侧壁底部密封；所述顶部法兰盘1和底座4的材质可以是金属、无机非金属、高分子聚合物或复合材料。在反应器的顶端密封层装置2上，可以包含能够缓冲压力的装置，该装置能够缓冲反应器的内部空间挤压时带来的压力变化，还能将反应器和外界隔离，避免混合物料时，带来的物料损失以及被污染的问题。所述反应器内通入惰性气体，以保护反应物料。所述反应器的密封方式包括填料密封、机械密封、干气密封、迷宫密封、油封密封、动力密封和螺旋密封。所述反应器的侧壁和反应器的底座之间优选软填料的方式固定密封。软填料包括硅橡胶，聚合物纤维、碳材料等，其中优选硅橡胶。

所述仿生柔性反应器的折纸结构可以是仅有拉伸、压缩的简单运动，也可以同时具有拉伸、压缩和旋转的复合运动；所述仿生柔性反应器可以调整到与竖直方向呈0～90°的任意方向进行拉伸、压缩运动。优选的，所述仿生柔性反应器放置方向为竖直放置。

所述仿生柔性反应器的顶部法兰盘和底座可以分别固定到动力装置上，所述仿生柔性反应器通过在顶部法兰盘1和底座4设置进料口和出料口实现物料的实时进出，达到连续化混合或反应的目的。

所述仿生柔性反应器的容积通过改变所述折纸片材结构形状、分布、结构单元尺寸和数量进行调控。所述仿生柔性反应器片材的结构单元形状包含由三角形构成的矩形和平行四边形，结构单元的分布方式包括同向和反向分布；所述仿生柔性反应器的容积范围为10cm³～1m³。

所述仿生柔性反应器能够适用于固-液，液-液，固-固混合。所述仿生柔性反应器特别适用于高粘度体系的混合，包括阿拉伯树胶、海藻酸钠溶液、壳聚糖溶液、甘油、聚乙烯醇溶液的混合。所述柔性反应器特别适用于对剪切力敏感的体系，包括生产精细化学品过程中的复配与混合。所述仿生柔性反应器也能够作为反应器完成化学反应，反应包括高分子材料的酶催化水解反应和聚合反应等。

与现有技术相比，本发明的有益效果如下：

经试验证实，本发明反应器使用寿命为1000h～7000h，容积为10cm³～1m³，混合高粘度的液体混合时长30s～2000s，混合高粘度的膏体混合时长100s～5000s，混合性能优于现有的柔性反应器。

附图说明

图1a为仅能够发生伸缩运动的仿生柔性反应器侧壁片材的二维平面结构示意图。

图1b为仅能够发生伸缩运动的仿生柔性反应器的三维结构示意图。

图2a为能够发生伸缩运动且沿拉伸的垂直方向旋转的仿生柔性反应器侧壁片材的二维平面结构示意图。

图2b为能够发生伸缩运动且沿拉伸的垂直方向旋转的仿生柔性反应器的三维结构示意图。

图3a为能够发生拉伸压缩运动且相邻两层单元之间能够沿拉伸的垂直方向发生双向旋转的仿生柔性反应器侧壁片材的二维平面结构示意图。

图3b为拉伸压缩运动且相邻单元之间能够沿拉伸的垂直方向发生双向旋转运动的仿生柔性反应器的三维结构示意图。

图4为仿生柔性反应器加热带的蛇形设计图。

图5为仿生柔性反应器加热带的环形设计图。

图中：1.法兰盘，2.密封装置，3侧壁，4.底座，5.轴承，6.支座。

具体实施方式

以下结合附图和技术方案，进一步说明本发明的具体实施方式。

实施例一

本发明的具体实施方式提供了仿生柔性反应器的具体步骤,具体制作步骤如下：

第一步：使用CorelDraw软件在二维平面上设计折纸结构，用划纸机在聚对苯二甲酸乙二醇酯的薄片上切割出设计的图案，将带有图案的聚对苯二甲酸乙二醇酯的薄片和带有背胶的硅橡胶层复合。然后按片材上设计的图案折叠侧壁片材，折叠好片材后，使用胶水将侧壁片材密封。

第二步：使用solidworks软件绘制出反应器的底座4反应器的支座5、法兰盘和注模工具，然后使用3D打印机打印建好的模型，打印机使用的线材是1.75mm的聚乳酸线材。

第三步：使用ecoflex-50硅橡胶注模，将硅橡胶的两种成分等重量混合，混合均匀后，使用真空泵抽出硅橡胶当中的气泡，然后将硅橡胶注入反应器的底座中，放置好反应器侧壁的位置，放置2～3h，硅胶完全凝固。底座4的硅胶凝固之后，使用同样的方式配置适量的硅胶，将硅胶注入注模工具之中，将反应器倒置，固定反应器顶端的位置，放置2～3h，硅胶完全凝固，反应器密封完成。

经试验证实：本发明反应器使用寿命为1000h～7000h。

所述仿生柔性反应器侧壁的结构包含其他类似的片材结构，以及相似的复合方式、顺序。

实施例二

本发明的具体实施方式提供了反应器混合高粘度液体物料的具体步骤。

所述仿生柔性反应器使用酸碱指示剂法来监测反应器混合物料的进程，甘油充当混合介质。所述仿生柔性反应器混合实验具体步骤如下：

第一步：配置1mol/L的KOH溶液，以KOH溶液为溶剂，配置0.01g/mL的溴百里酚蓝溶液。配置2mol/L的HCl溶液。

第二步：用量筒量取30mL的甘油，向甘油中加入0.3mL的0.01g/mL的溴百里酚蓝溶液，搅拌均匀后移入反应器。

第三步：用移液枪移取0.3mL的2mol/L的HCl溶液，将液体注入液面下1cm处，启动反应器，开始混合。每隔5s，拍摄1张图片，使用python编辑的识别图片RGB均值的程序识别图片，等到分析所得的RGB均值不再变化，混合完成。

经试验证实：反应器混合高粘度液体物料混合时间为30s～2000s。

对照实例一：

所述仿生柔性反应器使用酸碱指示剂法来监测反应器混合高粘度液体物料的对照实例，甘油充当混合介质，反应器使用三种不同类型的搅拌桨。所述对照混合实验具体步骤如下：

第一步：配置1mol/L的KOH溶液，以KOH溶液为溶剂，配置0.01g/mL的溴百里酚蓝溶液。配置2mol/L的HCl溶液。用量筒量取30mL的甘油，向甘油中加入0.3mL的0.01g/mL的溴百里酚蓝溶液，搅拌均匀后移入反应器。

第二步：使用3D打印机，打印出叶轮式搅拌桨，锚式搅拌桨和双螺旋带式搅拌桨。

第三步：用移液枪移取0.3mL的2mol/L的HCl溶液，将液体注入50mL烧杯内甘油的液面下1cm处，启动搅拌器，和柔性反应器保持相同的工作频率。每隔5s，拍摄1张图片，使用python编辑的识别图片RGB均值的程序识别图片，等到分析所得的RGB均值不再变化，混合完成。

经试验证实：反应器混合高粘度液体物料混合时间为442s～4000s。

实施例三

本发明的具体实施方式提供了反应器混合高粘度的固体物料。

所述仿生柔性反应器使用孟加拉玫瑰红来监测反应器混合物料的进程，牙膏充当混合介质。所述牙膏混合实验具体步骤如下：

第一步：配置0.1g/mL的孟加拉玫瑰红水溶液。将1mL的上述孟加拉玫瑰红溶液与3g的纯白牙膏混合均匀，得到染色的牙膏。

第二步：向反应器内加入50g的纯白牙膏，然后使用移液枪将配置好的染色牙膏注入纯白牙膏下1cm处，启动反应器，开始混合。每隔5s，拍摄1张图片，使用python编辑的识别图片RGB均值的程序识别图片，等到分析所得的RGB均值不再变化，混合完成。

经试验证实：反应器混合高粘度膏体物料混合时间为100s～5000s。

实施例四

本发明的具体实施方式提供了反应器混合高粘度的液体和固体物料制备牙膏的具体方式。

所述仿生柔性反应器在侧壁片材中加入了加热带，加热带的平面结构如图4所示。所述牙膏制备实验具体步骤如下：

打开仿生柔性反应器的电源，使用计算机设定好反应器的伸缩距离和伸缩频率。加入22g甘油，运行反应器，在反应器运行过程中，缓慢的加入1g的羧甲基纤维素钠固体粉末，搅拌10min左右，以达到足够的分散。加入27g的去离子水，打开仿生柔性反应器的加热系统，将反应器内部的流体加热至60℃，在60℃下保持300s后停止加热。加入48g二水磷酸氢钙固体粉末，混合均匀后，加入1.5g的十二烷基硫酸钠固体粉末，继续混合得到膏体均匀的牙膏。

以上所述仅为本申请的优选实施例而已，并不用于限制本申请，对于本领域的技术人员来说，本申请可以有各种更改和变化。凡在本申请的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种仿生柔性反应器，其特征在于，该仿生柔性反应器包括法兰盘(1)、侧壁(3)和底座(4)，从上到下布置，三者之间均设有密封装置(2)；法兰盘(1)设置进料口，底座(4)设置出料口；侧壁(3)为仿肠三维桶状器壁结构，通过拉伸、压缩或旋转侧壁(3)，利用其褶皱结构挤压物料，促进物料的混合和反应。

2.根据权利要求1所述的仿生柔性反应器，其特征在于，所述侧壁(3)由复合片材结构单元组成的折叠结构或在侧壁(3)上设置铰链结构形成具有复合片材结构单元的折叠结构；复合片材结构单元为三角形构成的矩形或平行四边形，结构单元的分布方式包括同向和反向分布，边长尺寸为5mm～4m，垂直于压缩方向上布置不少于3个复合片材结构单元，平行于压缩方向上布置不少于2个复合片材结构单元。

3.根据权利要求1或2所述的仿生柔性反应器，其特征在于，所述仿生柔性反应器单独进行使用，或通过进料口和出料口的连接实现多个反应器串联或并联使用，或通过与其他热反应器、光反应器、催化反应器、测试仪器连接使用。

4.根据权利要求3所述的仿生柔性反应器，其特征在于，所述侧壁(3)或底座(4)复合有电加热带，或/和侧壁(3)外层复合光热转化材料，用于为仿生柔性反应器加热；电加热带为带状，排列分布方式为蛇形或环形，单层或多层并联；加热温度范围为室温～180℃；光热转化材料为碳基材料、有色聚合物材料、金属纳米材料、非金属材料或复合材料。

5.根据权利要求1、2或4所述的仿生柔性反应器，其特征在于，所述侧壁(3)为柔性材质或刚性材质，材料为高分子薄膜材料、金属薄膜材料、非金属薄膜材料、复合材料、金属、非金属板材、高分子板材、复合板材中的一种或两种以上形成的单层或多层复合结构。

6.根据权利要求3所述的仿生柔性反应器，其特征在于，所述侧壁(3)为柔性材质或刚性材质，材料为高分子薄膜材料、金属薄膜材料、非金属薄膜材料、复合材料、金属、非金属板材、高分子板材、复合板材中的一种或两种以上形成的单层或多层复合结构。

7.根据权利要求1、2、4、6、8或9所述的仿生柔性反应器，其特征在于，所述法兰盘(1)和底座(4)分别固定到动力装置两侧，实现对仿生柔性反应器拉伸、压缩的控制。

8.根据权利要求3所述的仿生柔性反应器，其特征在于，所述法兰盘(1)和底座(4)分别固定到动力装置两侧，实现对仿生柔性反应器拉伸、压缩的控制。

9.根据权利要求5所述的仿生柔性反应器，其特征在于，所述法兰盘(1)和底座(4)分别固定到动力装置两侧，实现对仿生柔性反应器拉伸、压缩的控制。

10.根据权利要求7所述的仿生柔性反应器，其特征在于，所述法兰盘(1)和底座(4)分别固定到动力装置两侧，实现对仿生柔性反应器拉伸、压缩的控制。

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