基于仿生学的柔性反应器的设计及混合机理研究

发布时间：2020-07-27 13:07

【摘要】：人和动物的整个消化系统可以看成一个微型化工厂,内部进行着各种各样精密的单元操作。近年来,生物体内的反应器受到了越来越多的关注,其中消化道可以通过柔性壁面的蠕动促进食糜的混合、破碎和输送等。从工程角度出发,可以把消化道看作是由多个柔性的生化反应器所组成的动态系统。这些柔性系统可以处理不同流变学性质的食糜,且很少发生堵塞、结垢和腐蚀等在工业中经常遇到且难以解决的问题。基于这些柔性系统所展现出来的一系列优势,本研究利用仿生学原理,模仿消化系统通过壁面运动促进流体混合这一特殊机制,开发了一套柔性反应器系统。该系统中的容器由橡胶材料制作而成,通过机械外力的方式使柔性容器发生周期性的形变和恢复,促进容器内的流体混合。本文详细介绍了柔性容器的制作过程、柔性反应器系统的搭建及改进等;研究了柔性反应器在不同实验条件下的混合时间、流体结构等,探讨了当前实验条件下哪些因素影响柔性反应器的效率;将柔性反应器和传统的搅拌桨式反应器在相同的实验条件下进行对比;针对柔性反应器存在的混合隔离区,提出了解决方案并成功实施;使用量纲分析的方法,进一步分析了与柔性反应器的混合有关的参数;随后在以上研究的基础上开发了其他形式的柔性反应器并对其进行研究。实验结果表明,柔性反应器通过壁面运动能够有效的促进流体的混合,其混合效率受到了包括柔性容器壁面形变的频率、程度、位置、壁面厚度、注入点等一系列参数的影响,其中柔性容器壁面形变的频率和程度为两个主要因素;在有些实验条件下发现柔性反应器中存在混合隔离区,针对隔离区存在的位置对柔性反应器系统进行了改进,通过双侧对挤的方式有效的消除了隔离区,提高了混合效率;还将柔性反应器和传统搅拌桨联用,不仅能够消除混合隔离区,而且在较低的频率和搅拌速度下实现了高粘度流体的混合;随后研究了不同大小和琼脂含量的琼脂块在柔性反应器中的破损行为,发现琼脂颗粒在柔性反应器中混合时不易发生破损;本文开发的密封式椭球形柔性反应器系统在拉伸和挤压的双重作用下,能够实现高粘度流体的快速混合。
【学位授予单位】：苏州大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TQ052
【图文】：

搅拌槽,偏心式,搅拌桨,相对位置

以降低槽体的制作成本。当处理高温高压的物料时，槽底以半锥形底的搅拌槽[34]，这种底部设计在分散含有固体颗粒物的物土搅拌等。当待混合物料无有毒有害的物质产生且不需要隔绝污染时，搅拌槽上部通常为敞口的，如污水处理、湿法冶金等立方米的大型搅拌混合设备，大部分都是平底敞口搅拌槽。合系统中，搅拌槽与搅拌轴的相对位置也有很多种，如图 1.方式（搅拌槽的中心线与搅拌轴重合）比较常见，此外其他形的偏心式[35-40]、斜进式[41]、底进式和侧进式[42,43]等。同样的实搅拌效率略高，但是搅拌轴和桨叶由于受力不均，容易发生变和桨叶的制作材料和工艺有较高的要求，另外侧进式和底进式

搅拌桨,流型,径向流,轴向流

图 1.2.3 不同类型的搅拌桨Fig. 1.2.3 Different kinds of agitators的搅拌桨适合不同的混合需求，放置位置也不一样，桨叶中各尽相同。另外不同类型的搅拌桨产生的流型有很大差异。物料槽中进行三维流动，有三种流型：轴向流、径向流和切向流。拌轴平行时为轴向流；径向流沿半径方向向上和向下输送液体旋现象，物料在这种流型下被排向周围，垂直方向上的流体通过加入挡板等方式促进垂直方向流体混合。这三种流型可能态下，推进式搅拌桨在产生大量的轴向流动的同时还有切向流的搅拌桨。式搅拌桨。桨式搅拌桨[44,45]结构简单，最为常见，由两到三个成。根据叶片垂直或者倾斜，可以分为轴向流型和径向流型。

示意图,静态混合器,示意图,宏观混合时间

图 1.2.5 SK 型静态混合器示意图Fig. 1.2.5 SK- Static mixer器可以处理均相体系的物料，也可以在非均相体系中使连续，可间歇，放大过程不复杂。内部流体的流动状态过渡态。的实验研究方法拌槽中主要对以下三个方面进行实验研究，一是多久能够主要通过宏观混合时间来表征；二是流场结构；三是能中测量混合时间、流场和功率所用到的仪器和原理及计方法，可以借鉴并改进后将这些方法用于新的混合设备合时间

【参考文献】