基于仿生学原理的小肠模型反应器的设计和研究

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传统化工反应器是刚性的,反应器壁不可伸缩或运动,因此反应器内物料的输送、混合等过程需借助于诸如泵、搅拌器等其他辅助设备。然而,传统机械搅拌的方法在处理高粘性物料时有很大的局限性,尤其在低雷诺数的情况下,反应器内物料往往存在严重的浓度分布不均的现象。此外,由于传统硬式反应器的器壁是固定不动的,因而物料很容易粘附或沉积于反应器壁上产生结垢问题。从某种意义上来说,人体小肠可以看作是一种功能复杂的管式反应器。该“反应器”利用其独特的蠕动功能实现了高粘性物料的混合、运输和反应,且有效避免了物料在“反应器壁”上的结垢。  基于以上提到的诸多原因,本研究便利用仿生方法学的原理,模仿人体小肠生理结构及功能,设计和制作了一种新型的软管式反应器,即小肠模型反应器(SIMR)。该反应器的器壁具有良好的韧性和弹性,可伸缩,因此可模拟人体小肠的蠕动作用。本文研究了SIMR在蠕动作用下流体的输送过程;测量和阐述了流体在SIMR内的停留时间及其分布特性;考察了蠕动作用对于SIMR内高粘性物料传热过程的影响以及在加入惰性热源或冷源物质后,SIMR内高粘性物料的温度变化及响应;详细探讨了反应器内高粘性物料的混合效果及淀粉水解的反应结果,并将其与可比拟条件下搅拌釜式反应器内的实验结果进行了比较。此外,本文还研究了SIMR内碳酸钙微粒的结垢过程,并详细探讨了蠕动作用对碳酸钙污垢形成及污垢清洗的影响。  实验结果表明,借助于SIMR的蠕动功能,可实现流体在反应器内的主动输送过程,其体积流量受蠕动位置、振幅、频率等因素的影响;通过调节蠕动频率及位置可调控流体粒子在SIMR内的停留时间分布及混合效果;蠕动作用可显著促进反应器内物料的传热过程,提高传热效率,使得相同条件下物料的升温速率及降温速率比未引入蠕动作用时的快,且系统因外界干扰引起温度突变时的稳定性增强;SIMR内的淀粉水解程度要比在传统搅拌釜式反应器内高很多,即表明该新型软式反应器相比于传统的硬式反应器在处理高粘性物料时更有优越性;此外,研究结果还表明SIMR利用其蠕动功能不仅可起到减少反应器内污垢形成的作用,还可显著促进反应器内污垢的清洗过程。因此,该新型软式反应器在处理高粘性物料及易结垢物料等场合具有十分重要的潜在应用价值。
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