蠕动泵在化学反应过程中的应用

蠕动泵( Peristaltic Pump) 又称通道泵、胶管泵等,是 20 世纪 50 年代产生和发展起来的一种新的泵类。由于被输送的流体运动缓慢,又呈脉动的方式向前流动,犹如爬行动物蠕动前行,故称蠕
 
[1]69
动泵 。
 
近年来,随着科学技术的飞速发展,蠕动泵已经广泛用于各领域,如生物医学工程、化工、制陶、水处理以及食品饮料行业等216。文献[1,]3指出,国外蠕动泵的生产已经具有很大规模,如英国
 
WATSON-MARLOW 公司生产 7 个系列的数十种蠕动泵; 瑞士 ISMATEC 公司也生产 7 个系列的蠕动泵,流量范围从 0. 001 ~ 13000mL /min,通道数从单通道到 24 通道,而且可通过串口与 PC、MCU
 
等连接,实现智能控制; 美国 COLE-PARMER 公司也有专门生产蠕动泵的工厂。国内少数几家从事蠕动泵的研发和生产的公司也初具有规模,如保定兰格恒流泵有限公司生产 6 个系列的数十种蠕动泵; 保定创锐泵业有限公司生产 5 个系列的数十种蠕动泵,包括基本型、流量型、分配型、工业型和防爆型; 慧宇伟业( 北京) 流体设备有限公司以北京
 
科技大学、哈尔滨工业大学、河北工业大学、河北联合大学等多所高等院校为依托,生产 2 个系列的数
 
十种蠕动泵。
 
1 蠕动泵工作原理
 
蠕动泵主要由驱动器、泵头、软管和控制单元组成( 图 1) 4,靠密封的工作容积的变化进行工作,所输送的液体、气体、浆状物料等在密闭的软管内流动。软管从泵头的一端伸到另一端,在弧形压力板的作用下被挤向压辊。所有的压辊均匀地固定在转子周围,驱动器驱动转子转动,从而使压辊
 
[5]
周期性地挤压软管外壁 。

蠕动泵在化学反应过程中的应用 61

 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
图 2 蠕动泵工作示意图
 
如图 2 所示,当压辊挤压软管时,将软管压扁,从而将软管中的流体挤压出去; 当压辊压过软管后,软管弹性恢复,形成局部真空,将后面的流体抽吸进来,以备在下一轮挤压过程被挤压出去。只要这种挤压过程连续不断地进行,对流体的抽吸和输送也就不断地形成,从而造成一定的流体从泵头的一端吸入,由泵头的另一端送出。显然,蠕动泵的流量与压辊挤压软管的速度、软管的口径和其他结构参数有关,从而可按要求改变流量。在同一个泵头上同时挤压多根软管,则可同时输送多个通道的
 
[1-2,7,15-16]
流体 。
 
2 蠕动泵在化学反应过程中的应用
 
众所周知,化学反应具有一定的危险性,这就要求实验者必须具备一定的实验素质和操作水平。在给反应釜中添加反应原料时,也需要精确操作,操作者劳动强度较大。而采用蠕动泵进料,可以替代传统实验方式下大量的人工操作,极大地减轻实验人员的劳动强度,提高实验效率和科研成果的产
 
出效率。
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
图 3 蠕动泵在化学反应过程中应用
 
如图 3 所示,蠕动泵分别与装有不同原料的原料锅相连,通过调节各个蠕动泵的运行状态,达到
 
控制原料锅向反应釜中进料的目的。
 
2. 1 蠕动泵在化学反应过程中的应用优势
 
采用蠕动泵代替人手在化学反应过程中给反
 
[1,7,12,15]
应釜送料,具有以下优点

在软管里流动,不与泵体接触,避免了泵体对原料的污染,减少化学反应时杂质的影响。同时也不会因原料的腐蚀性损坏泵体的机械元件。
 
2) 蠕动泵启动时无须灌泵,自吸能力强,可产生足够的真空吸力将原料从原料锅中吸到软管里,从而可通过调节软管长度使蠕动泵的安装位置变
 
得灵活。
 
3) 蠕动泵结构简单,适应性强,适合输送高黏
 
度、大比重的反应液。
 
4) 泵体无泄漏、无密封等特殊要求,杜绝了因泄漏化学反应原料而造成的损失和污染。泵停机
 
时压辊本身就起到阀门的作用,防止倒流。
 
5) 蠕动泵的作用敏感、吸排稳定,能被控制用
 
于连续泵送化学原料,也可用于自动化管理。
 
6) 蠕动泵流量精度高,易于实现微量和超微量抽液、加液和滴液。在各种原料输送和配制时定
 
量准确,简单而可靠。
 
7) 每个原料锅由一个蠕动泵独立控制,各原料泵送互不干扰,易于合成各种比例的溶液。
2. 2 蠕动泵软管的应用要求
 
蠕动泵的应用范围十分广泛,能够适用于各种化学反应原料的输送,关键在于它有封闭的泵腔———软管,软管的性质决定了蠕动泵的使用条
[1]71 。在化学反应过程中,减少蠕动泵软管对反
应原料的影响显得尤为重要。软管需满足以下几个条件。
 
[6]39 ,即软管径向受压后能
1) 具有自弹恢复性
迅速恢复到挤压前的内腔饱满状态。用于化学反应过程的蠕动泵长期运行,软管接触化学原料,长期受高强度挤压,如果自弹恢复性不好,会影响管道内径均匀性,或使得软管内径变小,进而影响蠕动泵的输送精度和反应实验结果。因此,软管需定期检查、更换。在转子转速一定的情况下,观察蠕动泵使用过程中的流量变化情况,能监测软管是否受损。
 
2) 具有一定的耐磨、耐压性,即软管在不断的
 
[6]39
 
挤压和摩擦作用下要有较长的寿命 。蠕动泵在工作时,弧形压力板把软管挤向压辊,压辊随转子转动而周期性地挤压软管外壁。随着时间的推移,如果软管耐磨、耐压性差,软管外壁极易出现坏损,若不及时更换,会发生原料泄漏现象。然而,频繁更换软管又会造成经济上的浪费,降低工作效率。
 
3) 对所泵送的酸、碱、腐蚀性原料有抗耐

 
限性。现在一般采用的是基于 PLC 控制的数字化蠕动泵,可以作为精确流量控制的系统。如图 4 所
示,在这个控制系统中,驱动装置采用步进电机,与伺服电机相比,步进电机成本低,且其运行速度及运行方向也容易控制,启动和停止迅速,步距
[11]
精确   。
62 北 京 印 刷 学 院 学 报 2013 年
           
[6]39 和化学相容性。蠕动泵工作时,软管是在压 [9]    
缺点    
力条件下与化学流体接触的,这就需要软管具有比 3  蠕动泵的控制
普通管道更高的化学相容性级别和抗耐性,否则,
       
软管会失效或出现破裂渗漏,造成泵的损坏或事 在使用蠕动泵做驱动装置的流量控制系统中,
故。只有确保软管的抗耐性和化学相容性,才能使 蠕动泵的运行状况,特别是泵速的稳定性,直接影
其具有良好的泵送性能及安全性能,完成正常的泵 响着系统的流量精度。传统的蠕动泵主要是机械
送化学原料工作。某些酸液或溶剂在与软管接触 控制,不能实现流量流速的量化控制,特别是不能
数小时或数日后,哪怕只是微量,也会对软管造成   [10] ,对于化学研究具有很大的局
作更精确的输出
足够的破坏。在使用软管泵送原料时,应核查溶液中的每一种化学物质,以确保它们都能与所选择的

 
软管相容。
 
2. 3 蠕动泵常用软管举例
 
[1] [4] 列举了几种常用的适合
张万成 、李想等
在化学反应过程中给料的蠕动泵软管。
 
1) 硅橡胶管,由分子结构为二有机硅氧烷的硅橡胶制成,柔性、耐热性、耐寒性、耐老性和耐曲挠性都比较好,在高温 200 ~ 300℃ 以下仍可使用,在 - 60℃ ~ - 70℃ 不发脆,长期在空气中不发黏,不龟裂,表面活性好、不降解,但耐碱性有待改进。这种软管适于输送中等强度或者氧化性的化学药品、臭氧、高浓度氢氧化钠等,不宜输送低浓度氢氧化钠、浓酸、某些溶剂和油品。
 
2) 氟橡胶软管,适于输送酸类、溶剂、某些燃料油以及较高温度下的大多数化合物,**高使用温度 120℃ 以上,不宜输送卤素元素、碳氢化合物溶剂、苯酚和一些侵蚀性酸类。
 
3) 丁基橡胶软管,适于输送动、植物油脂,各种油类,滑润脂,臭氧,强烈氧化性化合物等。**高使用温度为 80℃ ,要避免接触石油溶剂和煤焦油溶剂。
 
4) 氯丁橡胶软管,适于输送中等强度的化学药品和酸类、臭氧、油脂、滑润脂、许多油品和溶剂,**高使用温度 80℃ ,应避免接触氧化性酸类。
 
5) 聚氯乙烯软管,适于输送中等强度的化学药品、动物油品、酸类和酒精等,**高使用温度
 
60℃ ,对于浓酸、某些油品和溶剂不宜使用。
 
上海橡胶制品研究所研制的氟硅胶管为半透明细胶管,具有良好的弹性和一定的机械强度,并且耐油、耐溶剂、耐酸碱和其他有腐蚀性溶剂的
[8]
侵蚀 。
 
迈图公司用 92506 硅橡胶生产的蠕动泵用硅橡胶泵管性能稳定,具有耐磨、变形小、回弹性好等特点,克服了普通硅橡胶过氧化物硫化及普通加成型硅橡胶生产泵管产生的易粘连或计量不准确等
 

图 4 蠕动泵控制系统结构框图
 
1) 硬件部分。硬件部分主要为控制面板、PC
 
机、PLC 控制器、步进电机驱动器。PLC 按需采用不同厂家的系列产品。PLC 采用软件来改变控制过程,并有体积小、组装灵活、编程简单、抗干扰能力强及可靠性高等特点,被人们称为现代工业控制
 
[13]
三大支柱之一 。
 
2) 软件程序部分。可以根据不同厂家的硬件采用相关 PLC 编程软件来进行梯形图的编写。通
 
常的 PLC 编程软件能进行程序开发、维护、在线监控、诊断。由于运用了梯形图逻辑测试功能,能够更方便地进行调试作业,既可以通过 PC 机来控制
 
[14,17]
PLC 操作,也可以通过触摸屏面板来控制
 
4 结 语
 
蠕动泵在各领域有着广泛的应用,在化学反应过程中更有良好的应用前景。蠕动泵能够精确地控制化学反应过程中的原料添加,有利于提高化学实验结果的准确性。通过分析蠕动泵化学反应过程中的应用特点和优势,阐明蠕动泵应用于化学反
 
( 下转第 68 页)

68 北 京 印 刷 学 院 学 报 2013 年

 
向**终用户,可管理的颗粒度**细,而认证服务器
 
Radius Server 选择放在核心 3 层交换机 Cisco6509
 
的服务器网段,通过防火墙隔离,在 RadiusServer
 
和交换机通信距离**长,可测试的范围**广。
 
Cisco6509 FWSM 模块配置:
 
源地址: 0. 0. 0. 0 源端口: any
 
目的地址: 202. 205. 107. 129 目的端口:
 
1812 /1813 /80
 
动作: 允许
 
表示只允许任何网内地址访问 Radius 服
 
务器特定认证和计费端口。
 
ACL 配置:
 
Access - list 101 permit ip host 202. 205. 107. 129 any
 
#interface vlan switch #ip access - group 101 in
 
表示只允许 RADIUS 服务器访问交换机网段,
 
可以发送 EAPOR 报文。
 
4 结 语
 
本研究是在中型宽带网络接入认证方面提出了一个较新和通用的技术方案初样,设计了对内网安全防范有针对性的服务器和客户端,拥有**佳性

价比。基于 802. 1X 协议扩展的RADIUS 服务器客户端架构使校园网在控制内网安全方面达到**优,并减少网络资源的开销有效控制网络介质的访问,
 
不失为校园网实施安全接入控制的较好选择。
 
 
 
参考文献:
 
[1] 彭伟. 使用 802. 1X 实现校园网认证[J]. 计算机应用,2003,
 
23( 3) : 27-29.
 
[2] 陈群. 选择无线局域网的安全策略[J]. 计算机安全,2008,18
 
( 10) : 43-46.
 
[3] 袁建国,方宁生,姜浩. 802. 1X: 基于端口的访问控制协议
 
[J]. 微机发展,2005,15( 12) : 160-163.
 
[4] IEEE 802. 1X 协议介绍[EB /OL]. [2013 - 10 - 2] http: / /
 
wenku. baidu. com /view /90a6e5e79b89680203d8253a. html.
 
[5] 曹垣亮,彭国荣,彭奥. 需求推动下高性能 RADIUS 软件架构
 
设计[J]. 数据通信,2005( 6) : 43-46.
 
[6] Peter Eeles. 架构实战: 软件架构设计的过程[M]. 北京: 机械工业出版社,2010.
 
[7] Christopher M. King,Curtis E. Dalton,T. Ertem Osmanoglu. 安全体系结构的设计、部署与操作[M]. 北京: 清华大学出版社,2003.
 
[8] Radius认证服务器的配置与应用[EB /OL]. [2013-10-2] ht-
 
tp: / /wenku. baidu. com /view / 99c174abd1f34693daef3e34. ht-
 
ml.
 
( 责任编辑: 邱林华)

 
( 上接第 62 页)
 
应过程的可行性,简述了适用于化学反应过程的蠕动泵软管和一种常见的蠕动泵控制方案。