精进干货丨连续化进料系统关于配比、选型的常用公式和原则

众所周知，连续流技术包含多个技术模块，是一个有机的整体，包括反应系统、进料系统、温控系统、后处理系统、监控系统、主控系统等等。类似于人体模型，反应系统是血管、进料系统是心脏、温控系统是丘脑、后处理系统是肠胃脾肾肺等器官、监控系统是神经、主控系统是大脑。其中，精确物料配比是主要依靠进料系统来实现的。

连续流技术对进料的要求，主要包括液体进料、固体进料、气体进料等三种场景，要求具备精确、稳定、连续、持久等多个特点。根据输送物料的状态不同，常见的进料系统，如液体进料泵、浆料进料泵、固体进料器、气体流量计等。

作为一个新兴学科，对其流量和适用场景有更精确的掌握是不少科研人员的核心诉求。精进科技基于过去这些年的经验和技术积累，对相关产品的选配总结了一套理论，供您参考。

2.1 高压柱塞泵

高压柱塞泵是目前在连续流技术中应用最广、最安全可靠的进料泵；它具有脉冲小、流量准确、耐压高、使用方便等优点。其主要结构包括往复柱塞、工作腔、单向阀等。根据材质不同，常见的高压柱塞泵，如不锈钢材质、哈氏合金材质、四氟材质、非金属材质等。精进的四氟泵更是具备了耐高压、耐腐蚀、高性价比等一系列特点！

高压柱塞泵的流量

高压柱塞泵属于容积式泵，借助工作腔里的容积周期性变化来达到输送液体的目的；原动机的机械能经泵直接转化为输送液体的压力能；泵的容量只取决于工作腔容积变化值及其在单位时间内的变化次数。

理论上，泵的流量只取决于泵的主要结构参数（公式2-1），n（曲轴转速）、S（活塞行程）、D（活塞直径）、Z（活塞数目），流量是恒定的，与排出压力无关，且与输送介质的温度、粘度等物理、化学性质无关。

泵的理论流量：

                 Qt=ASnZ  （2-1）                     

泵的实际流量：

                 Q=Qt－Q  （2-2）                          

式中，A-活塞的截面积（m2）；S-行程（m/r）；n-曲轴转速（r/min）；Z-联数（活塞数）；Qt-泵的理论流量（L/min）；Q-泵的流量损失（L/min）。

液体的压缩或膨胀，阀在关闭时滞后，密封面的泄漏，柱塞、活塞杆或活塞环的泄漏等因素都会造成泵的流量损失。

液体介质的吸入和排出过程是交替进行的，而且活塞在位移过程中，其速度又在不断地变化之中。在只有一个工作腔的泵中，泵的瞬时流量不仅随时间而变化，而且是不连续的。随着工作腔的增多，瞬时流量的脉动幅度越来越小。

多缸单作用泵瞬时流量公式：

                           （2-3）                        

当=0～π时，公式前取正号；当=π～2π时，公式前取负号。柱塞泵的缸数越多，脉冲越小，流量越稳定。以曲柄转角φ为横坐标，流量为纵坐标，作出的瞬时流量和平均流量随曲柄转角变化的曲线（图2-1）。

高压柱塞泵的常见故障：管路堵塞、高压密封圈泄漏，单向阀泄漏。导致故障的原因包括：固体颗粒及粘稠物的附着、物料的腐蚀、固体颗粒的磨损、超压的机械损伤、超温的结构变形等等。实际使用过程中，需要考虑。

2.2 隔膜泵

隔膜泵流量范围较广发，在连续流工业化生产的设备中，隔膜泵是最主要的选择。隔膜泵是容积泵中较为特殊的一种形式。它是依靠一个隔膜片的来回鼓动改变工作室容积从而吸入和排出液体的，工作原理近似于柱塞泵。隔膜泵借助薄膜将被输液体与活柱和泵缸隔开，从而保护活柱和泵缸。隔膜左侧与液体接触的部分均由耐腐蚀材料制造或涂一层耐腐蚀物质；隔膜右侧充满水或油。

隔膜泵常用的壳体材料有：塑料、铝合金、铸铁、不锈钢、特氟龙等。隔膜泵膜片常用的材料有：丁腈橡胶、氯丁橡胶、氟橡胶、聚四氟乙烯、聚四六乙烯等。隔膜泵按其所配执行机构使用的动力，可以分为气动、电动、液动三种，即以压缩空气为动力源的气动隔膜泵，以电为动力源的电动隔膜泵，以液体介质压力为动力的电液动隔膜泵。

2.3 蠕动泵

蠕动泵（图2-3）的工作原理是由滚轮夹挤一根充满流体的软管，弹性软管前后交替挤压，管内形成负压，管内流体向前移动。蠕动泵就是在两个转辊子之间的一段泵管形成“枕”形流体。“枕”的体积取决于泵管的内径和转子的几何特征。流量取决于转速、“枕”的尺寸、转子每转一圈产生的“枕”的个数这三项参数之乘积。

拿转子直径相同的泵相比较，产生较大“枕”体积的泵，其转子每转一圈所输送的流体体积也较大，但产生的脉动度也较大。这与膜阀的情形相似。而产生较小“枕”体积的泵，其转子每转一圈所输送的流体体积也较小；而且，快速、连续地形成的小“枕”使流体的流动较为平稳。

图2-3 蠕动泵

蠕动泵使用过程中，流体只接触泵管，不接触泵体；无阀门和密封件，维护简单；重复性和稳定性较好；密封性好，有良好的自吸能力；有双向输送能力；能输送固、液或气液混合流体，允许流体内所含固体直径达到管状元件内径40%。但是蠕动泵有非常明显的脉冲，并且有压力局限，一般不超过0.3 MPa，且流量受压力影响。在连续流反应过程中，适用性较窄。

在日常使用过程中，长时间使用后尽量更换软管，这样不容易造成硅胶管破裂，液体则从软管渗出流入泵头的滚轮内，伴有腐蚀性的液体流入滚轮缝隙，应及时将泵头拆卸清洗以免风化后凝固在滚轮缝隙中，会造成泵头卡住的现象。软管在使用过程中要根据具体泵的使用频率及时更换，或者经常挪动位置，若果液体具有强腐蚀性，请选择相应材质的进口软管，以免造成泵的损伤。

2.4 气体质量流量计

气体质量流量计（图2-8）是利用热扩散原理测量气体流量的仪表。传感器由两个基准级热电阻（RTD）组成。一个是速度传感器RH，一个是测量气体温度变化的温度传感器RMG。当这两个RTD置于被测气体中时，其中传感器RH被加热，另一个传感器RMG用于感应被测气体温度。随着气体流速的增加，气流带走更多热量，传感器RH的温度下降。根据热效应的金氏定律（公式2-4），加热功率P、温度差△T（TRH-TRMG）与质量流量Q有确定的数学关系式。

         P/△T=K1+K2 f(Q) K3  （2-4）                       

式中，P-加热功率（KW）；△T-温度差（℃）；Q-质量流量（g/min）；K1、K2、K3-与气体物理性质有关的常数。

使用过程中要注意，气体质量流量计不是体积流量计，它的单位虽然是mL/min，但是它代表的不是体积流量。对于体积流量而言，在不同的压力状态下，同样的示数，代表的气体的质量是不同的。而气体质量流量计，输出流量，不受压力影响。气体质量测定准确，不因为温度和压力的波动而失准；流量控制方便；使用过程不可使进出口压差>1 MPa；使用过程中，气体出口后端要连接气体单向阀。

气体流量计是可以输送多种气体的，由于不同气体的相对分子质量不同，其物理常数不同。不同气体之间的换算系数，可参阅《气体质量流量转化系数表》。

2.5 固体进料器

固体进料器（图2-6）是定量、连续输送固体颗粒的设备。固体进料器的结构一般包括料斗、电机及减速机构、螺旋输送杆、计量器、过滤器等结构。固体进料器结构简单、成本低廉、进卸料灵活。固体进料器，一般不能耐受压力，固体进料器市场有销售，也可以定制。

图2-6 固体进料器

实际使用过程中，一定要注意进料口处容易发生物料受潮结块堵塞现象。不同的螺旋杆结构，适用于不同的固体颗粒度。普通梯形螺旋、压力螺旋、两次松弛螺旋、三线螺旋加料杆能够对较粗的物料（平均直径90 μm），实现较好的加料。两次松弛螺旋和三线螺旋加料杆能够对较细的物料（平均直径40μm），实现较好的加料。

2.6 其它进料泵

1）螺杆泵

螺杆泵（图2-9）也是容积式泵的一种，它是靠螺杆与衬套或几根相互啮合的螺杆间容积变化输送液体的。分单螺杆泵和多螺杆泵（有双螺杆、三螺杆、五螺杆等）。螺杆泵流量比较均匀，比往复泵、齿轮泵都要均匀。除单螺杆泵外，其它螺杆泵无往复运动，不受惯性力的影响，转速可以较高。运动平稳、噪音小，且有良好的自吸能力

图2-9 螺杆泵

2 ）齿轮泵

齿轮泵（图2-10）的工作机构是一对互相啮合的齿轮。依靠齿轮相互啮合过程中所形成的工作容积变化来输送液体。根据啮合特点，可分为外啮合、内啮合两种。

图2-10 齿轮泵

齿轮泵的流量与排出压力基本上无关，比柱塞泵更均匀，但是流量和压力是有脉动的，适用于不含固体杂质的高粘度的液体。结构比柱塞泵简单，制造容易，维修方便，运转可靠。

由于泵内有高低压腔，所以存在串漏问题。为保证密封，必须选择适当间隙。由于间隙多，密封面积较大，故密封性不如柱塞泵，所达到的压力也要低一些。

3） 滑片泵

滑片泵又称刮板泵（图2-11），是容积式泵的一种。转子旋转一周，滑片在槽内往复一次，完成一次吸入、排出过程。若制成偏心距可变化的结构，则可以调节流量的变化。

图2-11 划片泵

4） 液环泵

液环泵（图2-12）主要用来抽真空及输送气体介质。液轮偏心地配置在缸体内，并在缸体内引进一定量的液体。

图2-12 液环泵

5 ）磁力泵

磁力驱动泵，简称磁力泵（图2-13），是磁力联轴器和泵结合为一体。它和机械式联轴器完全不同，是利用磁感应原理传递扭矩。是一种无泄漏泵。

图2-13 磁力泵

作为国内连续化进料系统领域的资深企业，精进科技深知技术破局的难度和必要性。以上内容作为您在进行使用时进行计算和选材的参考，在实际使用中如果您碰到更多问题亟待解决，您可以直接联系精进科技的工程师，我们会在第一时间协助您解决！