Аналитический автоклав Советский патент 1990 года по МПК B01J3/04 B01L11/00 

Изобретение относится к лаборатор ному оборудованию и может быть использовано для анализа материалов высокой чистоты с применением агрессивных сред и повьпиенных давлений.

Известен аналитический автоклав, содержащий корпус с установленной на нем на резьбе крышкой, запорное устг ройство, размещенное в крышке, и расположенный в корпусе изготовленный из фторпласта реакционный стакан, снабженный горловиной меньшего диаметра и крьппкой в виде цилиндра с фланцем.

Однако такая конструкция не обеспечивает проведения операции очистки растворителя перегонкой и операции концентрирования растворов исследуемых материалов отгонкой избытка растворителя .

Известен аналитический автоклав, включакяций металлический корпус с . ; днищем и крьшгко с теплообменником, нагреватель в корпусе, выполненные из фторпласта реакционную емкость с крьшпсой, внутренняя полость которой выполнена конической и направлена конусностью внутрь реакционной емкости, и стаканом-сборником, размещенным внутри емкости с образованием камеры для растворителя, и средство для герметизации. Охлаждение фторпластового конуса крышки реакционной емкости осуществляется за счет теплопроводности матег риала крышки корпуса, и вершина конуса крышки реакционной емкости,,на которой должен конденсироваться и скапьшать растворитель в стакан-сборник, наиболее удалена от теплообменника, вмонтированного Неподвижно в металлическую крьш1ку автоклава по ее периметру, что снижает возможность создания градиента температур в реакционной емкости для проведения операции очистки растворителя перегонкой. Охлаждение конуса крышки реакцио1«ной емкости затруднено еще и тем, что меж ду конусом крьшпси реакционной емкос-г ти и крышкой корпуса автоклава всегда присутствует воздушный зазор, увеличивакяцийся за счет отхода конической части фторпластовой крьшпси реакционной емкости из-за температу1)ного расширения фторпласта возникающего в результате нагрева конической поверхности крьш1ки реакционной емкости парами растворителя. Если учесть, что теш1опрово1дность фторпласта

очень мала (5, 9 .), а коэффициент линейного расширения большой, то чем вьппе температура паров растворителя (или чем больше будет прогрет конус крьппки реакционной емкости), тем больше будет воздушный зазор и хуже охлаждение фторпластового конуса и недостижимее конденсация растворителя на конусе.

Это усугубляется тем, что создать градиент температур в реакционной емкости для операции очистки растворителя перегонкой затрудняет коаксиально вмонтированный на всю длину корпуса автоклава электронагреватель, которьй создает практически одинаковую температуру на всей длине корпуса авклава, реакционного стакана, а от него и стакана - сборника, что одно.временно препятствует накоплению растворителя в жидкой фазе в стаканесборнике. Кроме того, вмонтированный электронагреватель, уплотнение реакционной емкости крышкой по их бортикам, зажимаемых крьшхкой автоклава при помощи тяг или прижимных винтов, расположенньк снаружи на некотором расстоянии от корпуса с электронагрева- телем, не только не повышает надежности герметизации, но ухудшает ее в условиях работы /автоклав при переменных температурах из-за различньк коэффициентов линейного расширения фторпласта - 4 и стали. При нагреве от 25 до 250С разница в расширении пойдет на дополнительную деформацию бортиков I реакционной емкости и крьш1ки за счет псевдотечения, а при nor- -. следующем остьгоании уплотнения в нем возникнет соответствующая этой разнице неплотность. Это усугубляется е11Щ,и тем, что запорное устройство . в виде тяг или винтов, расположенных снарзгаси корпуса с нагревателем, на протяжении всего цикла различных операций в автоклаве остается при практически неизменной температуре. Кроме того, вмонтированный в корпус электронагреватель увеличивает время охлаждения автоклава, что снижает экспрессность работы с автоклавом. Учитывая, что вскрытие некоторых исследуемых материалов проводится ,. при температурах, близких максимальгным рабочим температурам использоза ния фторпласта, и не всегда известно давление, которое возникает в авто клаве при растворении исследуемых маг

териалов, недостатком прототипа является отсутствие предохранительного устройства для сбрасьюания сверхнормативного давления, что отрицательно сказьтается на безопасности работы с автоклавом.

Целью изобретения является расширение области применения аналитического автоклава за счет совмещения операций вскрытия, растворения и концентрирования растворов исследуемых материалов, повьппения надежности работы автоклава за счет локализации зон нагрева и охлаждения и улучшения герметизации при переменных темпера гурах, обеспечение безопасности работы автоклава за счет компенсации изменения длины корпуса автоклава и реакционной емкости с крьшпсой при температзфном «асширений и повьш1ение экспрессности цикла операций.

Поставленная цель достигается тем что в аналитическом автоклаве, включающем, металлический кордус с днищем и крьшисой с теплообменником, нагреватель в корпусе, выполненные из фторпласта реакционную емкость с крьшкой внутренняя полость которой выполнена конической и направлена конусностью внутрь реакционн ой емкости, и стаканом - сборником, размещенным внутри емкости с образованием камеры для растворителя, и средство для герметизации, согласно изобретению нагреватель установлен под днищем автоклава в корпусе нагревателя выполнен канал для подачи хладагента, теплообменник размещен внутри крышки и выполнен в виде полого Т-образного штока, торцовая поверхность расширенной части которого соприкасается с нарзгасной поверхностью крышки реакционной емкост и снабжен размещенной по оси штока с образованием кольцевого канала для вывода хладагента трубкой для ввода хладагента с дисковым распределителем; размещенным в расширенной части Т-образного штока, а также тем, что теплообменник снабжен коаксиально размещенными патрубками ввода и вывода хладагента, подключенными соответственно к трубке и кольцевому каналу, а также тем, что конец штока выведен над крьшпсой автоклава и вы.полнен с резьбой, а средство для герметизации выполнено в виде установленого внутри крьш1ки автоклава коаксиально снаружи штока блока тарельча-:тых пружин с натяжной гайкой, укрепленной на резьбовой части штока, а также тем, что теплообменник и нагреватель снабжены средствами удаления хладагента, а нагреватель выполнен с возможностью съема.

Сущность предлагаемой конструкции заключается в том,. что выполнение

в заявляемой койструкции автоклава установленного под днищем автоклава, съемного нагревателя, в корпусе которого выполнен канал для подачи хладагента, теплообменника, в виде поло-

го Т-образного штока, размещенного внутри крышки автоклава и соприкаса юхцегося тонкой торцовой поверхностью своей расширенной части с наружной поверхностью крьшгки реакционной емкости, и оснащение автоклава средствами для удаления хладагента из теплообменника и нагревателя позволяет увеличивать градиент температур в реакционной емкости для проведения

-операций очистки растворителя перегонкой, концентрирования растворов исследуемых материалов, и осуществить максимально возможное непосредственное охлаждение фторпластовой крьшпси

реакционной емкости (не охлаждая крышку корпуса автоклава), на корусе которой происходит конденсация паров и скапывание растворителя в стакансборник ( в процессе операции очистки растворителя перегонкой из камеры для растворителя в реакционной емкое ти в стакан-сборник), за счет абсолютного контакта тонкой торцовой поверхности расширенной части теплооб-t

менника с наружной поверхностью крьшки реакционной емкости с силой, необходимой для герметизации высокого давления в реакционной емкости. Зазоры между стенками и дисковым распределителем внутри ра сширенной части Т-образного теплообменника служат для равномерного распределения пото- ка хладагента По всей площади тонкой торцовой поверхности расширенной

части теплообменника для одинакового охлаждения всей поверхности крышки реакционной емкости и создания минимальной температуры на вершине конуса крьш1ки реакционной емкости, как

наиболее удален ной от прогреваемого корпуса автоклава. Кроме того, заявляемая конструкция автоклава и теплообменника предусматривает выполнение резьбы на конце Т-образного штока (выведенного над крышкой автоклава) теплообменника и установление на нем натяжной гайки, а внутри крьшки автоклава установку коаксиального сна ружи штока блока тарельчатых пружин, которые не Уолько осуществляют герметизацию реакционной емкости крышкой, превращая теплообменник в запорное устройство, но и компенсируя неизбежно возникающие из-за теплового расширения в условиях переменных темпера ; тур изменения длины корпуса автоклава и реакционной емкости с крьш1кой, обес печивают надежность герметизации в условиях изменения температур в цикле трех операций и постоянный контакт теплообменника с крышкой реакционной емкости. Одновременно теплообменник выполня ет функции предохранительного устройства для сбрасывания сверхнормативного давления. В случае превышения дав.лением, возникающим в реа кционной емкости в результате реакции растворе ния пробы тарированного усиления, создаваемого тарельчатыми прзгжинами и достаточного для герметизации, крышка реакционной емкости приподнимается, сжимая пружиныf сверхнормативное давление сбрасывается из реакционной емкости, и теплообменник работает как предохранительный клапан. Заявляемая конструкция автоклава, снабженного устройством для удаления хладагента из теплообменника, например компрессор, .позволяет надежно сов местить в одном цикле не только опера цию очистки растворителя перегонкой с операцией растворения исследуемых материалов в стакане-сборнике, но и выполнить операцию концентрирования растворов исследуемых материалов в стакане-сборнике сотгонкой избытка растворителя из стакана-сборника обратно в камеру для растворителя в реакционной емкости за счет локализации зоны нагрева и охлаждения на дне автоклава при помощи -съемного нагревателя в корпусе которого выполнен канал для подачи в него хладагента. При нагревании дна автоклава одновременно с подачей хладагента в теплообменник создается градиент темпера тур в реакционной емкости и осущёствляется испарение растворителя из камеры для растворителя (быстронагре- ; ваемой за счет тонкого дна реакционной емкости, с силой прижатого к дну автоклава), конденсация его паров на охлажденном конусе крьш1ки реакционной емкости и вкапывание жидкой фазы растворителя в стакан-сборник, в котором находится исследуемый материал. Дальнейший нагрев автоклава с теплообменником, освобожденным от хладагента для предотвращения конденсации паг ров растворов и растворителя на конусе крьш1ки реакционной емкости и скапывания их в стакан-сброрник, осуществляет растворение исследуемых материалов в накопленном в стакане-сборнике растворителя. При прекращении нагрева и замене нагрева избирательным охлаждением дна автоклава за счет подачи хладагента в канал в корпусе нагревателя, превращающей его в холо- дильник, осуществляется операция концентрирования растворов исследуемых материалов отгонкой избытка растворителя из стакана-сборника обратно в камеру для растворителя в реакционной емкости за счет градиента температур между нагретыми и обладающими большой теплоемкостью корпусом автоклава, крьшгкой реакционной емкости, стаканом-сборником, наполненным продуктами реакции .и избытком растворителя и избирательно охлажденным тонким дном каг меры для растворителя реакционной емкости и использования различных температур испарения продуктов реакции и растворителя. Кроме того, использование данного нагревателя, превращаемого в холодильник за счет подачи в него хладагента, осуществляет принудительное охлаждение автоклава, что повышает экспрессность работы автоклава. На фиг.1 изображен предлагаемый автоклав, содержащий металлический корпус 1 с крьш1кой 2, нагреватель 3 с каналом 4, теплообменние 5 с коаксиальным вводом и выводом 6 и дисковым распределителем 7, блок тарельчатых пружин8, натяжную гайку 9, реак1щонную емкость 10 с крьшкой 11 и стаканом-сборником 12,. подвижную вставку 13. На, фиг.2 изображена схема подачи хладагента в теплообменник и нагреватель и удаления из них хладагента ри помощи компрессора. Устройство работает следующимобразом. Реакционную емкость заполняют растворителем, в стакан-сборник помещают

анализируемую пробу, вводят его в реакционную емкость, закрывают крьшкой и помещают в корпус 1 автоклава. Поворачивая натяжную гайку 9 по часовой, стрелке на 1/А+1/2 оборота, сжимают блок, тарельчатых пружин 8 для придания запорному устройству усилия, обеспечивающего надежное уплотнение реакционной емкости .10. Завинчивают крьпп- д ку 2 на корпусе 1 автоклава. Придерживая крышку 2, во избежание развинчивания поворачивают натяжную гайку 9 против часовой стрелки до свободного хода, распуская при этом блок тарель- 15 чатых пружин 8, которые с полной силой воздействуютна крышку 11 реакционной емкости 10, При этом на кони-ческой поверхности емкости 10 происходит взаимная приработка материала реакциоиной емкости 10 и крышки 11, благодаря чему достигается герметизация. Проведение цикла операций за-ключается в следующем. Подготовленный к работе автоклав помещают на нагреватель 3, работающий в режиме нагрева, .осуществляя избирательный нагрев дна корпуса 1 автоклава и дна реакционной емкости 10.

Одновременно с включением электро- 30 нагревателя подается хладагент в теплообменник 5 для создания градиента температур в реакционной емкости 10.При этом на конусе крьшки 11 реакционной емкости 10 происходит 35 конденсация паров растворителя и скапывания их в стакан-сборник 12. Время перегонки растворителя выбирается таким образом, чтобы количество растворителя, собранного в стакане- . до .сборнике 12, былодостаточным для раств.орения анализируемой пробы. После этого отключается подача хладоагента . в теплообменник. 5. При помощи компрессора хладагент полностью удаляет- 45 ся из теплообменника 5. Затем авто- . клав прогревается до температуры вскрытия анализируемой пробы.. По истечении времени, необходимого для вскрытия анализируеь1ой пробы, отк.шо- 50 чают электронагреватель в нагревателе 3 и подачей хладагента в канал в корпусе нагревателя переводят его в per жим охлаждения для автоклава для создания градиента температур с целью прове-- г с дения рдерац и концентрирования раствот ра пробы отгонкой избытка растворителя. , осле охлаждения автоклава до комнатной температуры натяжную гайку 9 поворачивают по часовой стрелке для снятия усилия с крышки 11 и свободно го развинчивания крьшки 2 ав токлава. Развинчивают крышку 2, реакг ционную емкость 10 вынимают из корпуса 1, надавливая на подвижную вставку 13, снимают крышку II и щипцами из фторпласта вынимают стакан-сборник 12 из реакционной емкости 10. Раствор из стакана-сборника 12, используют для проведения ана.гтза.

Вскрытие анализируемых материалов в авт.оклаве предлагаемой конструкции спользовано в аналитическом контроле tca4ecTBa полупроводниковых материалов, редких тугоплавких, редкоземельных металлов и их соединений высокой чистоты.

Проведенные опыты показали, что предлагаемая конструкция, позволяющая совместить три операции (очистку растворителя, вскрытие анализируемой пробы и концентрирование раствора пробы) дает возможность обеспечить повьшенную чистоту проведения аналитических работ, значительно улучшить метрологические характеристики методик анализа: снизить границы определяемых со,«. держаний ряда примесей, особенно .-цветных и тяжелых металлов, до ьшкро-. и-: субмикрограммовых концентраций (10 - 10 %), повысить воспроизводимость разработанных методик .анализа, благодаря исключению контакта с дополнительными источниками загрязнений, использованию лабораторной посуды, необходимой для каждой из проводимых в одном стакане-сборнике операций (аппараты для очистки раст)ворителей перегонки, чашки, тигли, стаканы или автоклавы ; для растворения анализируе1Ф1х проб, лабораторная посу да для проведения операции концентрирования), повысить экспрессность про цесса, за счет исключения ряда операций ( подготовка посуды для каждого опыта, отдельное проведение трех операций).,

В табл. 1 представлены сравнительные результаты анализа высокочистых материалов после растворения проб в посуде, являющейся базовым объектом, в автоклаве - аналоге и в автоклаве предлагаемой конструкции.

В табл. 2 приведено время, необходимое для подготовки пробы в {{Ззлич : ных условиях. ,. 103 Таким образом, предложенная конструкция по сравнению с известной позволяет получить следующий положительный эффект. Совместить проведение трех операг: ций одновременно в одном цикле (очистку растворителя, вскрытие анализируемой, пробы, концентрирование раствора анализируемой пробы. Упростить условия концентрирования растворов анализируемых проб.

Атомяо-авсорвпиотшй апшлп ямеекочнстого таитолат ляпм рмлжтык спосово полготовкй

Т б п к а 1

ЯС1ЮПЬЮВ«|Ю«Н

Rncck пробы 2,0 г. F 0.95 Снизить в 2-10 раз границы опредеяемых содержаний микропримесей. Значительно расширить круг высокочистых объектов анализа. Повысить экспрессность анализа. Освободить часть платиновой лабораторной посуды. Повысить производительность труда аналитика.

1 .АНАЛИТИЧЕСКИЙ АВТОКЛАВ,включающий металлический корпус с днищем и крышкой, с теплообменником, нагреватель в корпусе, выполненные из фторпласта .реакционную емкость с крышкой, внутренняя полость которой выполнена конической и направлена конусностью внутрь реакщюнной емкости, и стакагном-сборником, размещенным внутри емкости с образованием камеры для раст- ворителя, и средство для герметизации, о т л и ч а ю щ и и с я тем, что, с целью расширения области примене : ния за счет совмещения операций вскрытия, растворениями концентрирования растворов исследуемых материалов, повышения надежности работы автоклава за счет локализации зон нагрева и охлаждения и улучшения герметизации при переменных температурах, нагреватель установлен под днищем автоклава в корпусе нагревателя выполнен кмкля для подачи хладагента, теплообменник размещен внутри крышки и выполнен в виде полого Т-образного штока, торЦовая поверхность расширенной части которого соприкасается с нарзгжной поверхностью крышки реакционной емкосггти, и снабжен размещенной по оси штока с образованием кольцевого канала для вьшода хладагента трубкой для ввода хладагента с дисковым распределителем, размещенным в расширенной части Т-образного штока, 2„ Автоклав по п.1, отличающийся тем, что теплообменник снабжен коаксиально размещенными патрубками ввода и вывода хладагента, о S подключенными соответственно к труб(Л ке и кольцевому каналу. 3.Автоклав по п,1, о тли ч а ю щ и и с я тем, что, с целью обеспечения безопасности работы автоклаза за счет компенсации изменения длины корпуса автоклава и реакционной емкости с крышкой при температурном расширении, конец штока выведен над крышкой автоклава и выполнен с резьбой, а средство для герметизации выполнено в виде установленноговнутри о крышки автоклава коаксиально снаружи д штока блока тарельчатых пружин с на-я :л тяжкой гайкой, укрепленной на резь|бовой части штока. . , 4.Автоклав по п.1, отличающийся тем, что, с целью повышения экспрессноети цикла операций, теплообменник и нагреватель снабжены средствами удаления хладагента, нагрев выпош1ен с возможностью съема.

nojtrotoiK Пров niecHicmKtm к амлиау

Т е л

Компрессор