АВТОМАТИЗИРОВАННАЯ УСТАНОВКА ДЛЯ ПРОВЕДЕНИЯ ХИМИЧЕСКИХ ИССЛЕДОВАНИЙ Российский патент 2021 года по МПК G09B23/24 

Изобретение относится к учебным приборам и предназначено для проведения химических исследований, а также для проведения химических синтезов в контролируемых условиях и для изучения взаимодействий в растворе. 

Из области техники известна учебная лабораторная установка для получения инициирующих взрывчатых веществ, состоящая из хромоникелевого реактора с донным отверстием, оборудованным клапаном, снабженного мешалкой с электроприводом, рубашкой для обогрева и охлаждения, над которым расположены мерники растворов исходных веществ со сливными трубками, а ниже него расположены вакуум-воронка с вакуум-приемником и вакуум-насосом, при этом установка размещена в отдельной секции стандартного вытяжного лабораторного шкафа, снабженной металлической защитной шторой со смотровым бронированным окном и малыми шторками для удаления лотка с готовым продуктом, а в вакуум-воронке размещены матерчатый и бумажный фильтры, закрепленные на фильтродержателе с возможностью переноса с его помощью на лоток для готового продукта и сбрасывания на него, причем скорость вращения мешалки, которая приводится в движение электромотором, контролируется тахометром, а заданная температура реакционной массы поддерживается ультратермостатом и контролируется термометром, установленным в реакторе, а управление лабораторной установкой осуществляется дистанционно при закрытой подъемной защитной металлической шторе, на внешней лицевой стороне которой расположены ручки управления механическими манипуляторами, а ниже защитной шторы расположены тумблеры управления всеми электроприборами установки и ёмкость с дистиллированной водой, которая используется для промывки готового продукта и которая вместе с вакуум-насосом установлена в секции, расположенной в основании вытяжного шкафа (см. патент на полезную модель RU № 143532, Кл. G09B 23/24, оп. в 2014 г.). Эта достаточно сложная установка имеет узкопрофильное назначение – она предназначена для изучения технологий получения инициирующих взрывчатых веществ.

Известен лабораторно-исследовательский стенд для изучения процессов дегидратации углеводов, включающий реактор синтеза со встроенным перемешивающим устройством и системой термостатирования, реактор содержит шнековый дозатор сыпучих материалов и два перистальтических дозирующих насоса для подачи экстрагента и отвода экстракта, сепаратор для разделения двух жидких фаз, установленный на корпусе реактора и соединенный с ним через боковой отвод по принципу сообщающихся сосудов, при этом реактор снабжен обратным холодильником, в котором охлаждение происходит за счет подаваемого экстрагента, и связанным с ним адсорбером кислот, а также автоматизированную систему управления, включающую датчики, измерительные приборы и панель управления (см. патент на полезную модель RU № 187166, Кл. B01J 8/10, оп. в 2019 г.). Этот стенд имеет более широкое назначение, чем вышеописанная установка и предназначен для моделирования и оптимизации химических реакционных процессов непрерывным и полупериодическим способами. Одна его конструкция ограничена задачами изучения процессов дегидратации углеводов и не может обеспечить выполнение различных учебных и исследовательских задач.

Известен автоматизированный лабораторный выпарной стенд, предназначенный для работы с токсичными и радиоактивными растворами, включающий выпарной аппарат, снабженный выносной греющей камерой и гидростатическим капиллярным плотномером-уровнемером для автоматизированного контроля и управления уровнем кубового раствора, парогенератор и конденсатор, а также весовые дозаторы для автоматизированной непрерывной подачи всех входящих потоков из мерников и измерения и фиксации скорости подачи, автоматизированный слив избытка кубового раствора в сочетании с измерением и регулированием электрической мощности парогенератора по температуре конденсируемого пара в греющей камере, при этом выпарной аппарат снабжен патрубками для ввода реагента в его кубовую часть и флегмы на сменную насыпную насадку, удерживаемую перфорированной тарелкой в верхней его части, а его сепаратор снабжен обогревателем, стенд снабжен абсорбером газов, отходящих из выпарного аппарата и/или из сборника дистиллята, в каждый из которых подаются растворы реагентов из мерников, в состав стенда дополнительно введены весовой дозатор для дозированного отбора из выпарного аппарата газовыделяющего кубового раствора, весы и/или тензодатчики для измерения и регистрации количества всех исходных и конечных продуктов работающего стенда путем измерения массы раствора в емкостях, а также устройства для определения солевого состава солесодержащих продуктов и кондуктометры на линиях передачи всех продуктов, система электромагнитных клапанов для приема и передачи исходного и кубового растворов, а также абсорбатов, измеритель скорости выходящего газового потока, прецизионный стабилизатор электропитания парогенератора, причем стенд выполнен с возможностью подключения к программно-техническому комплексу для учета и предсказания материального баланса по потокам и движению целевого компонента в реальном времени с возможностью выдачи информации на пульт оператора (см. патент на изобретение RU № 2687916, Кл. B01D 1/00, оп. в 2019 г.). Этот более универсальный автоматизированный стенд предназначен для исследований выпарных операций в токсичных, радиохимических, фармацевтических и других производствах, требующих бесконтактного проведения процесса. По этой же причине его возможности ограничены его назначением.

Известен способ автоматизированного обучения, включающий вычислительный сервер для систематизации технологических процессов, снабженный базами знаний, средствами виртуального моделирования процесса, блоком анализа, в котором создают или настраивают технологические процессы с помощью интерфейса инструктора, конструктора технологических процессов и библиотеки технологических единиц, запускают процесс обучения в виртуальной среде и используют генератор нарушений хода процесса для выбора причин и симптомов нарушений из базы знаний посредством интерфейса инструктора, после чего обучаемые управляют процессом при помощи интерфейса и системы автоматизированного управления исполнительными механизмами в виртуальной среде процесса, с помощью блока анализа хода технологического процесса пополняют базу знаний, при этом оценивают знания и фиксируют действия обучаемых, после чего формируют отчет о результативности их действий (см. патент на изобретение RU № 2697957, Кл. G09B 19/00, оп. в 2019 г.). Это изобретение относится к компьютерным средствам обучения, оно полностью виртуально и не предусматривает демонстрацию химических процессов в реальных условиях, участие обучающихся в проведении опытов и исследований.

Наиболее близким аналогом к заявленному изобретению является прозрачный реактор периодического действия, подключаемый к основному сервисному модулю и предназначенный для демонстрации адиабатных и изотермических процессов (для изотермических работ предусмотрено циркуляционное устройство), включающий прозрачный стеклянный бак с температурной рубашкой, по которой проходит горячая вода из основного сервисного модуля или охлажденная вода из циркуляционного устройства, мешалку, которая с переменной скоростью способствует процессу теплопередачи, температурные и кондуктометрические датчики, при этом реактор позволяет изучать влияние температуры на кинетику реакции, влияние концентрации на конверсию, вычисление гидролиза энтальпии и коэффициента теплопередачи, изучение характеристик температуры при экзотермической реакции, использование красителей для демонстрации процесса протекания реакции. Реактор полностью компьютеризирован и оснащен обучающим программным обеспечением, подключается к компьютеру пользователя через USB-интерфейс (см. https://holliday-instruments.ru/ru/catalog/armfield/unitoperations/cexc-servisnyi-modul-khimicheskih-reaktorov). Основной сервисный модуль этого технического решения имеет возможность подключения пяти разных узкоспециализированных реакторов. Реактор периодического действия из них наиболее близок по конструкции и назначению к заявляемому, он может быть использован в учебном процессе, но её обучающие и исследовательские возможности ограничены конструктивными признаками.

Техническая проблема заключается в том, что описанные устройства предназначены для решения узких задач, они не дают возможности управления разным процессами исследования и изменения условий исследования. В них остается нерешенной задача объединения вопросов одновременного изучения химии и электроники на одной универсальной базе. Решение данной задачи не должно ограничиваться только возможностью обучения, оно должно давать возможность проводить различные демонстрации и ставить безопасные эксперименты.

Настоящее изобретение направлено на решение технической задачи повышения универсальности автоматизированной установки для проведения безопасных химических исследований с возможностью проведения различных демонстраций и изменения условий проведения опытов и экспериментов при визуализации получаемых результатов.

Решение поставленной технической задачи достигается за счет того, что автоматизированная установка для проведения химических исследований, содержащая основание с установленными на нём прозрачной реакционной ёмкостью с мешалкой и нагревателем, связанной с ёмкостями для реактивов с крышками, оснащенными перистальтическими насосами с подводящими и отводящими трубками, измерительными средствами, включающими измерительный модуль температуры, связанными с системой управления и визуализации, снабжена измерительным модулем электропроводности, измерительным модулем рН и измерительным модулем редокс-потенциала, связанными с системой согласования сигналов измерительных модулей, при этом мешалка выполнена в виде тефлонового стержня с двумя лопастями и возможностью регулирования по высоте, а нагреватель выполнен в виде пробирки из термостойкого стекла, в которую погружена нихромовая спираль, засыпанная песком, причем крышка реакционной ёмкости снабжена крепёжными гнёздами для щупов измерительных модулей, выполненными в виде цанговых зажимов с резиновой прокладкой, а установка снабжена подвесной полкой - общим основанием для щупов измерительных модулей в нерабочем положении, при этом крышки ёмкостей для реактивов выполнены с возможностью подвешивания на отводящих трубках.

Изобретение поясняется чертежами.

На фиг.1 изображена автоматизированная установка для проведения химических исследований, вид спереди. На фиг. 2 – то же, в изометрии. На фиг. 3 – то же, вид сзади. На фиг. 4 – то же, вид сбоку. На фиг. 5 – то же, вид сверху. На фиг. 6 – то же, схема реактора. На фиг. 7 – то же, электрическая схема соединений. На фиг. 8 – то же, гидравлическая схема соединений.

Автоматизированная установка для проведения химических исследований может быть использована при осуществлении учебных и исследовательских химических реакций, химических синтезов в контролируемых условиях, для изучения взаимодействий в растворе. Управляющими параметрами в реакторе являются время, температура, электропроводность, рН и редокс-потенциал. Версия программного обеспечения для полуавтоматической работы позволяет задавать значения управляемых параметров вручную, а также видеть значения управляющих параметров в зависимости от времени или от управляемых параметров. Также она позволяет сохранять все значения параметров, заданных или измеренных в ходе процесса, удерживать значение температуры в заданном диапазоне или изменять его по заданной программе в зависимости от значения управляющих параметров, дозировать реагенты до достижения определённого значения управляющих параметров или определённой скорости изменения значения управляющих параметров или для удержания значения управляющих параметров в определённых пределах. Автоматизированная установка для проведения химических исследований состоит из следующих узлов: блок дозирования, реакционный блок, блок измерительных модулей и блок управления. Блок дозирования включает перистальтические насосы 1, 2, 3 и ёмкости 4, 5, 6 для реактивов, связанные с насосами 1, 2 и 3 подводящими трубками 7, 8, 9, отводящие трубки 10, 11, 12, установленные в креплениях 13, и блоки 14, 15, 16 управления насосами 1, 2, 3. Реакционный блок состоит из реакционной ёмкости 17, расположенной на полочке 18 и снабжённой мешалкой 19 с приводом 20, погружного нагревателя 21, подключенного к блоку 22 питания. К блоку измерительных модулей относятся модуль 23 электропроводности с погружным щупом, модуль 24 рН с погружным щупом, модуль 25 редокс-потенциала с погружным щупом и модуль 26 температуры с погружным щупом. Измерительные модули 23, 24, 25 и 26 имеют возможность жесткой фиксации на крышке реакционной ёмкости 17 с помощью крепёжных гнёзд 27. В нерабочем положении они закреплёны на общем основании - подвесной полке 28. Погружной нагреватель 21 снабжен датчиком 29 температуры. А измерительные модули 23, 24, 25 и 26 связаны с системой согласования сигналов измерительных модулей электронной платы 30. Использование безопасной конструкции мешалки 19 и безопасного погружного нагревателя 21 даёт возможность использовать погружные щупы любого из измерительных модулей 23, 24, 25 и 26 для проведения различных экспериментов. Блок управления включает электронную плату 30 с USB-разъёмом 31 для соединения с персональным компьютером 32 с монитором 33. Установка имеет дополнительный демонстрационный экран 34, связанный с платой 30, и кнопку 35 включения установки. Дополнительное оборудование на рисунках не показано.

Автоматизированная установка для проведения химических исследований работает следующим образом. Перистальтические насосы 1, 2 и 3 прокачивают жидкость по трубкам 7, 8, 9, 10, 11 и 12, вставленных в них. Для корректной работы насосов 1, 2 и 3 на обоих концах трубок 7, 8, 9, 10, 11 и 12 должно быть атмосферное давление, поэтому нельзя герметично завинчивать ёмкости 4, 5, 6 с реактивами. Для снаряжения перистальтических насосов 1, 2 или 3 нужно отщелкнуть защёлку, вложить в насос 1, 2 или 3 гибкую трубку 7, 8, 9, 10, 11 или 12, прижать её и защёлкнуть защёлку. Для хранения прокачиваемых реактивов используют специальные ёмкости 4, 5 и 6, которые входят в комплект установки. При снятии ёмкостей 4, 5 или 6 их скручивают с крышки (не наоборот!). Крышка при этом может оставаться висеть на трубке 7, 8 или 9, а кончик трубки 7, 8 или 9 следует положить на бумажное полотенце. После снятия ёмкости 4, 5 или 6 следует сразу выкачать содержимое трубок 7, 8 или 9 в какой-нибудь стаканчик на скорости 100-200 об/мин. При установке ёмкости 4, 5 или 6 её накручивают на крышку. Подводящая трубка 7, 8, 9 должна быть погружена до дна ёмкости 4, 5 или 6. Мешалка 19 представляет собой безопасную конструкцию в виде тефлонового стержня с двумя лопастями, который погружают в раствор. Сверху он прикреплён к приводу 20, установленному на раме, высоту которой (а следовательно, и глубину погружения мешалки 19) можно регулировать в некоторых пределах. Скорость вращения мешалки 19 задают в программе.

Нагреватель 21 представляет таже представляет собой безопасную конструкцию в виде пробирки из термостойкого стекла, в которую погружена нихромовая спираль, засыпанная песком. Высота нагревающегося слоя не более 5 см. Мощность нагревателя 21 находится примерно в диапазоне 180-200 Вт. Нагреватель 21 запитан от блока питания 24В постоянного тока. При работе совместно с мешалкой 19 скорость нагрева 400 мл воды составляет около 6-7°С/мин. Крепёжные гнёзда 27 на крышке реакционной ёмкости 17 (см. фиг. 5) щупов измерительных модулей 23, 24, 25 и 26 представляют собой удобные быстроразъёмные цанговые зажимы с резиновой прокладкой. Чтобы вставить щуп модуля (23, 24, 25 или 26), следует ослабить цангу, вращая зажим по часовой стрелке. Когда щуп модуля (23, 24, 25 или 26) будет свободно проходить через в гнездо 27, расположить его на нужной высоте и затянуть зажим.

Измерительный модуль 26 температуры со щупом выполнен в корпусе из нержавеющей стали. В кончике корпуса находится платиновый терморезистор. Точность измерения температуры около 0.2°С. Измерительный модуль 23 электропроводности со щупом измеряет электропроводность в диапазоне 0-250 мСм/см с чувствительностью 0.5 мСм/см. Верхний предел примерно соответствует электропроводности 17% раствора хлорида калия. Модуль 23 позволяет работать с достаточно концентрированными растворами солей. Сенсор измерительного модуля 23 электропроводности представляет собой две плоских параллельных пластины в защитных наплывах. Измерительный модуль 24 рН со щупом измеряет рН в диапазоне 0-14 ед. с чувствительностью 0.02 ед. Сенсор модуля 24 – стеклянный шарик. Он хрупкий, поэтому защищён пластмассовыми наплывами. Измерительный модуль 25 редокс-потенциала со щупом представляет собой платиновый электрод и внутренний хлорсеребряный электрод сравнения, смонтированные в одном корпусе. Между ними измеряют разность потенциалов. Платиновый электрод представляет собой платиновую проволоку на кончике корпуса. Для обеспечения связи между платиновым и хлорсеребряным электродом в корпусе электрода имеется небольшое отверстие, заполненное пористым материалом – электролитический ключ. Внутрь корпуса заливают раствор хлорида калия 3 моль/л.

Интерфейс программного обеспечения автоматизированной установки для проведения химических исследований даёт возможность в полуавтоматическом и автоматическом режимах выполнять ряд различных экспериментов, которые предусмотрены конструкцией установки. Вначале проводят учебные эксперименты для освоения установки, позволяют понять важнейшие процессы, которые используются в синтезах. Работы выстроены в порядке усложнения: последующие работы используют навыки, полученные на предыдущих. Минимальные изменения в экспериментальном дизайне позволяют превратить учебную задачу в проектно-исследовательскую. Далее приведён ряд простых примеров использования автоматизированной установки для проведения химических исследований. При этом, благодаря конструктивным особенностям, повышенной безопасности и использованию различных измерительных модулей 23, 24, 25 и 26, границы исследовательских возможностей установки значительно расширены.

Пример 1.

Задачи: определить скорость нагрева воды при разной мощности нагревателя 21. Определить инерционность нагревателя 21. Подобрать мощность нагревателя 21, которая позволяет удерживать заданную температуру воды в нём («стационарная мощность»). Нагревают жидкость при разной мощности нагревателя 21. Определяют зависимость температуры от времени. В данном эксперименте используют мешалку 19, нагреватель 21 и измерительный модуль 26 температуры. Строят следующие графики зависимости скорости нагрева от мощности нагревателя; зависимости стационарной мощности от удерживаемой температуры; зависимости стационарной мощности от объёма воды; зависимости скорости охлаждения от объёма воды и скорости перемешивания. Сравнивают скорость остывания воды в стаканах из разных материалов и с разной геометрией. Эксперимент проводят в автоматическом или в автоматизированном режиме, используя компьютерную программу и визуализацию результатов либо на мониторе 33, либо на дополнительном демонстрационном экране 34.

Пример 2.

Задачи: подобрать условия очень медленного охлаждения раствора. Определить максимальную скорость охлаждения раствора. Определить минимальную скорость вращения мешалки 19, при которой температура по всему объёму раствора остаётся стабильной. Чтобы температура была равномерной по всему раствору, требуется быстрое перемешивание. И чем меньше мощность нагревателя 21, тем меньше необходимая скорость мешалки 19. В данном эксперименте используют мешалку 19, нагреватель 21 и измерительный модуль 26 температуры . Строят график зависимости стационарной мощности от температуры для всех значений температур, при которых она выходила на плато. Определяют скорость охлаждения жидкости при разных температурах как тангенс угла наклона зависимости температуры от времени в первые 20-30 секунд охлаждения. Строят график зависимости скорости охлаждения от температуры. Для каждой начальной температуры определяют время, за которое при минимальной охлаждающей мощности температура выходит на плато. Определяют зависимость стационарной температуры от скорости вращения мешалки 19 при мощности, стационарной для максимальной скорости. Проводят эксперименты с другими жидкостями, например, смеси воды с этиленгликолем, пропиленгликолем или глицерином. Эксперимент проводят в автоматическом или в автоматизированном режиме, используя компьютерную программу и визуализацию результатов.

Пример 3.

Задача. Определить время растворения соли в воде. Определить, при какой температуре растворяется заданный объём соли. В определённый объём воды помещают определённую массу соли. Включают перемешивание и наблюдают за электропроводностью. Момент, в который электропроводность перестают изменяться, является моментом полного растворения соли. Дополнительно контролируют процесс визуально и сравнивают результаты. Используют мешалку 19 и измерительный модуль электропроводности 23. Строят график зависимости электропроводности от времени; график зависимости времени растворения от массы соли; график зависимости времени растворения от скорости вращения мешалки. Определяют быстро и медленно растворяющиеся соли. Определяют зависимость скорости растворения от размера кристаллов. Определяют скорость растворения переплавленных солей (например, нитрата калия или нитрата натрия). Эксперимент проводят в автоматическом или в автоматизированном режиме, используя компьютерную программу и визуализацию результатов.

Пример 4.

Задача. Построить зависимость электропроводности раствора соли от температуры. Построить зависимость электропроводности раствора электролита от его концентрации. Используют мешалку 19, нагреватель 21, в качестве дозатора – любой перистальтический насос (1, 2 или 3) и любую ёмкость (4, 5 или 6), а также измерительный модуль 23 электропроводности. Определяют зависимость электропроводности от температуры для разных солей при разных концентрациях, а также график зависимости электропроводности от концентрации соли. Эксперимент проводят в автоматическом или в автоматизированном режиме, используя компьютерную программу и визуализацию результатов.

Пример 5.

Задача. Определить точное соотношение растворов электролитов, при котором электролиты реагируют в стехиометрическом соотношении. Готовят растворы хлорида бария и сульфата натрия или калия с приблизительной концентрацией 0.1 моль/кг раствора. 20 мл одного из растворов добавляют в 200 мл воды и медленно дозируют второй раствор. Следят за электропроводностью. Перелом в значении электропроводности соответствует стехиометрии взаимодействия. Используют мешалку 19, измерительный модуль 23 электропроводности и в качестве двух дозаторов – любые перистальтические насосы (1, 2 или 3) и любые ёмкости (4, 5 или 6). Строят график зависимости электропроводности от числа оборотов насоса. Определяют, при каком числе оборотов произошёл перелом на кривой электропроводности. Соотношение числа оборотов соответствует стехиометрическому. Эксперимент проводят в автоматическом или в автоматизированном режиме, используя компьютерную программу и визуализацию результатов.

Пример 6.

Задача. Выяснить температуру начала разложения соли в воде. Медленно (0.5-1°С/мин) нагревают раствор и следят за электропроводностью. Пока соль не разлагается, рост электропроводности обусловлен только ростом температуры. После начала разложения ход электропроводности определяется также образованием новых ионов и разложением старых. При наличии катализаторов (например, соли серебра) при нагревании с выделением газа разлагаются персульфаты. Подбирают мощность нагревателя 21, исходя из того, что лучше производить нагрев очень медленно. Эксперимент проводят в автоматическом или в автоматизированном режиме, используя компьютерную программу и визуализацию результатов.

Пример 7.

Задача: получение крупнокристаллического осадка йодида свинца. Иодид свинца получают из растворимых солей свинца и калия. Если его растворить при нагревании и медленно охлаждать, то выпадают достаточно крупные кристаллы. Причём чем медленнее охлаждать раствор, тем крупнее выпадающие кристаллы. При достаточно медленном охлаждении невооружённым глазом видно, что они представляют собой треугольные или шестиугольные плоские пластины. В эксперименте используют мешалку 19, нагреватель 21 и измерительный модуль 26 температуры. Нагреватель 21 сначала работает в режиме максимальной мощности, а потом – в режиме медленного охлаждения. Определяют, как влияет избыток одного из реагентов или фоновый электролит на размер кристаллов. Эксперимент проводят в автоматическом или в автоматизированном режиме, используя компьютерную программу и визуализацию результатов.

Пример 8.

Задачи: получение розового пигмента на основе сульфата бария. Разработка способа получения пигментов с разной интенсивностью окраски. Получение жёлтого пигмента на основе сульфата бария с примесью хромата бария. Получение других нерастворимых солей взаимодействием двух растворов электролитов, которые добавляют в горячую воду. Используют реагенты: хлорид бария; сульфат натрия, калия или аммония, хлорид аммония, перманганат калия, щавелевую кислоту. Для проведения эксперимента используют мешалку 19, нагреватель 21, измерительный модуль 23 электропроводности, измерительный модуль 26 температуры и в качестве двух дозаторов – любые перистальтические насосы (1, 2 или 3) и любые ёмкости (4, 5 или 6). Эксперимент проводят в автоматическом или в автоматизированном режиме, используя компьютерную программу и визуализацию результатов.

Пример 9.

Задачи: Синтез оксалата меди. Синтез оксалатов других металлов: кобальта, никеля, железа. Размещение полученных оксалатов в пробирках с отводной трубкой (для недопуска воздуха внутрь) и испытание полученных порошков в качестве катализаторов разложения пероксида водорода. Получение нерастворимых солей с другими анионами. Реагенты: оксалат натрия, щавелевая кислота, хлорид меди, ацетон. используется мешалка 19, нагреватель 21, измерительный модуль 23 электропроводности, измерительный модуль 26 температуры и в качестве двух дозаторов – любые перистальтические насосы (1, 2 или 3) и любые ёмкости (4, 5 или 6). Эксперимент проводят в автоматическом или в автоматизированном режиме, используя компьютерную программу и визуализацию результатов.

Пример 10.

Задачи: Синтез крупнокристаллического диоксалатокупрата натрия. Синтез кристаллы оксалатных комплексов с другими центральными ионами и металлами во внешней сфере. Реагенты: оксалат натрия, щавелевая кислота, хлорид меди. Используют мешалку 19, нагреватель 21, измерительный модуль 23 электропроводности, измерительный модуль 26 температуры и любой перистальтический насос (1, 2 или 3) и любую ёмкость (4, 5 или 6) в качестве дозатора для хлорида меди. Эксперимент проводят в автоматическом или в автоматизированном режиме, используя компьютерную программу и визуализацию результатов.

Пример 11.

Задачи: Синтез фосфата меди-аммония. Исследование продуктов получения при доведении рH раствора до разных значений. Исследование продуктов получения при нагревании. Реагенты: хлорид меди, фосфорная кислота 85%, аммиак 5-10%. Дополнительное оборудование: весы, стаканчик для взвешивания, стакан на 50-100 мл, цилиндр мерный на 100-250 мл, пузырёк на 200-500 мл с завинчивающейся крышкой, бинокуляр или микроскоп. В эксперименте используют мешалку 19, измерительный модуль 24 рН, измерительный модуль 26 температуры и любой перистальтический насос (1, 2 или 3), и любую ёмкость (4, 5 или 6) в качестве дозатора. Эксперимент проводят в автоматическом или в автоматизированном режиме, используя компьютерную программу и визуализацию результатов.

Пример 12.

Задачи: Получение кристаллического основного сульфата алюминия. Получение зависимости рН от объёма добавленной щёлочи для всего диапазона рН, наблюдение за выпадением и растворением осадка. Получение основных нитратов из нитрата алюминия при более высоких концентрациях солей. Реагенты: алюмокалиевые квасцы KAl(SO₄)₂⋅12H₂O или алюмоаммониевые квасцы NH₄Al(SO₄)₂⋅12H₂O, гидроксид натрия NaOH. Дополнительное оборудование: весы, стаканчик для взвешивания, стакан на 50-100 мл, цилиндр мерный на 100-250 мл, чашка для выпаривания, опционально – бинокуляр или микроскоп. В эксперименте используют мешалку 19, нагреватель 21, измерительный модуль 24 рН, измерительный модуль 26 температуры и любой перистальтический насос (1, 2 или 3), и любую ёмкость (4, 5 или 6) в качестве дозатора. Эксперимент проводят в автоматическом или в автоматизированном режиме, используя компьютерную программу (и визуализацию результатов.

Пример 13.

Задача: Вырастить крупные кристаллы растворимого соединения путём медленного охлаждения насыщенного раствора. Получить соль по реакции кислоты с основанием. В эксперименте используют мешалку 19, нагреватель 21, измерительный модуль 24 рН, измерительный модуль 26 температуры и любой перистальтический насос (1, 2 или 3), и любую ёмкость (4, 5 или 6) в качестве дозатора. Эксперимент проводят в автоматическом или в автоматизированном режиме, используя компьютерную программу и визуализацию результатов.

Пример 14.

Задача: Получение солей органических кислот из спиртовых растворов. В эксперименте используют мешалку 19, нагреватель 21, измерительный модуль 23 электропроводности, измерительный модуль 26 температуры и любой перистальтический насос (1, 2 или 3), и любую ёмкость (4, 5 или 6) в качестве дозатора. Эксперимент проводят в автоматическом или в автоматизированном режиме, используя компьютерную программу и визуализацию результатов.

Эти примеры демонстрируют широкие возможности автоматизированной установки для проведения химических исследований, предназначенной для проведения исследовательских и учебных экспериментов, относящихся к изучению химических взаимодействий, в том числе химических синтезов в контролируемых условиях. Такая универсальная автоматизированная установка позволяет проводить химические опыты и эксперименты в реальных условиях с использованием автоматического управления и компьютерной визуализации, что позволяет развивать навыки в разных направлениях, совершенствовать не только химические знания, но и приобретения практических навыков в работе с электронной и измерительной техникой. Данное техническое решение объединяет в себе возможности решения задач в химических отраслях с использованием различных приборов, цифровой обработки получаемых результатов, взаимодействия различных элементов установки посредством проводного протокола, а также взаимодействия установки с системой управления измерениями. Благодаря выполнению мешалки в виде тефлонового стержня, и погружного нагревателя в виде пробирки из термостойкого стекла, в которую погружена нихромовая спираль, засыпанная песком, реакционную ёмкость можно использовать для безопасного проведения самых разных экспериментов с использованием измерительного модуля электропроводности, модуля рН, модуль редокс-потенциала и модуля температуры, снабженных безопасными погружными щупами, крепёжными гнёздами на крышке реакционной ёмкости и связанных с системой согласования сигналов измерительных модулей. Автоматизированную установку можно использовать в школах, средних учебных заведениях и в высшей школе, а также при проведении различных научных экспериментов. Перед проведением экспериментов с исследовательской установкой ученики либо студенты предварительно должны ознакомиться с основами электроники, работы системы управления и соответствующего раздела химии, а затем протестировать работу установки и выполнить различные задания.

Таким образом, технический результат, достигаемый с использованием заявленного изобретения, заключается в повышении универсальности автоматизированной установки для проведения безопасных химических исследований с возможностью проведения различных демонстраций и изменения условий проведения опытов и экспериментов при визуализации получаемых результатов.

Изобретение относится к учебным приборам и предназначено для проведения химических исследований, а также для проведения химических синтезов в контролируемых условиях и изучения взаимодействий в растворе. Автоматизированная установка для проведения химических исследований содержит основание с установленными на нём прозрачной реакционной ёмкостью с мешалкой и нагревателем, связанной с ёмкостями для реактивов с крышками, оснащенными перистальтическими насосами с подводящими и отводящими трубками, измерительными средствами, включающими измерительный модуль температуры, связанными с системой управления и визуализации, при этом она снабжена измерительным модулем электропроводности, измерительным модулем рН и измерительным модулем редокс-потенциала, связанными с системой согласования сигналов измерительных модулей, при этом мешалка выполнена в виде тефлонового стержня с двумя лопастями и возможностью регулирования по высоте, а нагреватель выполнен в виде пробирки из термостойкого стекла, в которую погружена нихромовая спираль, засыпанная песком, причем крышка реакционной ёмкости снабжена крепёжными гнёздами для щупов измерительных модулей, выполненными в виде цанговых зажимов с резиновой прокладкой, а установка снабжена подвесной полкой - общим основанием для щупов измерительных модулей в нерабочем положении. Техническим результатом является повышение универсальности автоматизированной установки для проведения безопасных химических исследований с возможностью проведения различных демонстраций и изменения условий проведения опытов и экспериментов при визуализации получаемых результатов. 1 з.п. ф-лы, 8 ил.

1. Автоматизированная установка для проведения химических исследований, содержащая основание с установленными на нём прозрачной реакционной ёмкостью с мешалкой и нагревателем, связанной с ёмкостями для реактивов с крышками, оснащенными перистальтическими насосами с подводящими и отводящими трубками, измерительными средствами, включающими измерительный модуль температуры, связанными с системой управления и визуализации, отличающаяся тем, что она снабжена измерительным модулем электропроводности, измерительным модулем рН и измерительным модулем редокс-потенциала, связанными с системой согласования сигналов измерительных модулей, при этом мешалка выполнена в виде тефлонового стержня с двумя лопастями и возможностью регулирования по высоте, а нагреватель выполнен в виде пробирки из термостойкого стекла, в которую погружена нихромовая спираль, засыпанная песком, причем крышка реакционной ёмкости снабжена крепёжными гнёздами для щупов измерительных модулей, выполненными в виде цанговых зажимов с резиновой прокладкой, а установка снабжена подвесной полкой - общим основанием для щупов измерительных модулей в нерабочем положении.

2. Установка по п. 1, отличающаяся тем, что крышки ёмкостей для реактивов выполнены с возможностью подвешивания на отводящих трубках.