Устройство для проведения химических процессов Советский патент 1985 года по МПК B01F7/10 

Изобретение относится к химии и может быть использовано для изучения кинетических характеристик химических процессов, преимущественно поликонденсационных, а также в калориметрии. Известна установка для определения кинетических параметров реакции, содержащая термостат с реакционной колбой, снабженной вводами реагентов и инертного газа, а также выводами продуктов реакции и мещалкой, специальную склянку для улавливания выделяющегося при реакции НС1 1. Однако она не обеспечивает необходимой точности исследований. Наиболее близким к изобретению по технической сущности и достигаемому результату является реакционный сосуд калориметра, содержащий рабочую камеру, размещенный в камере исполнительный механизм, выполненный в виде разрущаемой ампулы и бойка-мещалки, соединенной с полым щтоком сменным стержнем, и связанный с манипулятором, уплонительный узел с фиксатором и механизм управления, размещенный между манипулятором и рабочей камерой 2.

Однако известное устройство имеет ограниченное применение, поскольку выполнение в нем рабочей камеры герметичной не предусматривает возможности продувки реакционной среды инертным газом и выноса им продуктов реакции для последующего их анализа. Кроме того, известное устройство обеспечивает проведение процессов с использованием не более двух легколетучих реагентов, один из которых помещается в ампулу, а другой - в камеру, что в целом ограничивает класс исследуемых процессов.

В известном устройстве отличающемся сложностью, отсутствует средство для крепления легко бьющихся ампул непосредственно на мешалке, что практически исключает возможность их вращения и перемешивания реакционной среды при проведении процесса, а также делает невозможным располагать ампулы в заданных, фиксированных зонах реакционного объема, например при необходимости установки в нем иных средств в область с наименьшим градиентом температуры, положение которой может зависеть от расхода инертного газа и других факторов, что сказывается ина точности экспериментальных результатов.

Цель изобретения - повышение производительности и надежности.

Поставленная цель достигается тем, что в устройстве для проведения химических процессов, содержащем термостатированный реакционный сосуд с днищем, мещалку с исполнительным механизмом и разрушаемые ампулы, мещалка снабжена устройством для закрепления ампулы, выполненным в виде

соответственно для вещества и газа-носителя, выводом продуктов реакции (не показан) и мешалкой 5 с крыльчаткой-лопастями 6 для перемешивания реакционной среды (содержимого реакционной зоны) 7.

На конце мещалки крепится либо одна сферическая ампула 8 с одним реагентом, либо две ампулы 9 и 10 полусферической формы, снабженные на вытянутом конце отростками 11, которые располагаются, как преимущественный вариант, горизонтально, а средство для крепления ампул выполнено в виде радиального канала 12 эллиптического сечения, по меньшей мере, с одним боковым ответвлением 13 в стакане мешалки, причем в зонах пересечения с каналом 12 ответвления 13 имеют расширенные участки 14.

При закреплении ампулы 8 (фиг. 1, 3) ее/конец с отростком 11 вводят по каналу 12 до уровня ответвления 13, где ее поворачивают на 90°,в результате чего отросток 11, пройдя поучастку 14, попадает в ответвление 13 до упора с его боковой поверх- : ностью 15 и -опускается на его ложе -16, выполненное со скосом к вертикальной

оси мешалки. Для надежной фиксации в стенке канала 12 напротив ответвления 13 выполнено углубление 17, в которое попадает вытянутый конец ампулы при соскальзывании с поверхности ложа 16 ее отростка. При вращении мешалкл отросток 11 прижимается к поверхности 15. Если используется мещалка с обратным вращением, необходимо (в процессе изготовления мещалки) изменить положение участка 14 на противоположное. В случае использования

двух ампул 9 и 10 (фиг. 2, 4) при вращении мешалки они прижимаются одна к другой, что обеспечивает их надежную фиксацию. Для контроля температуры в сосуде 2 служит преобразователь температуры (датчик) 18, связанный с нагревателем 19. а в

термостате 1 - преобразователь температуры (датчик) 20, связанный с нагревателем 21, Расположенные вокруг сосуда электроды 22 и 23 служат для создания в реакстакана по меньщей мере с одним радиальrfbiM эллиптическим сквозным отверстием. При этом днище снабжено эксцентричным выступом. Кроме того, разрущаемые ампулы снабжены радиальным отростком, расположенным в верхней их части. На фиг. 1 показан вариант конструкции устройства со средствами подвеской одной сферической ампулы; на фиг. 2 - то же, со средством подвески двух сферических ампул; на фиг. 3 - сечение А-А на фиг. 1 на фиг. 4 - сечение Б-Б на фиг. 2; на фиг. 5 - сечение В-В на фиг. 3. Устройство содержит термостат 1, реакционный сосуд 2, снабженный вводами 3 и 4

ционной зоне электрического (электромагнитного) поля.

Несколько иное исполнение имеет устройство для проведения низкотемпературной полиэтерификации (фиг. 2). В данном случае реакционный сосуд (реактор) 2 устанавливают в калориметр 24, снабженный внутренним и внешним преобразователями температуры - датчиками, выполненными, например, в виде цилиндрических стаканов 25 и 26, подключенными к схеме 27 измерения, с выхода которой сигнал, соответсвующий разности температур ДТ внутри и вне калориметра (последний может быть помещен в термостат), подается на регистратор 28, например самописец КСП 4И.

Для поддержания с высокой точностью скорости вращения мешалки с закрепленными на ней ампулами служит схема 29 стабилизации оборотов, управляющая приводом 30 мешалки, постоянно анализируя сигнал с преобразователя угол поворота - код 31, установленногона оси привода.

Мешалка снабжена исполнительным механизмом 32, обеспечивающим ее вертикальное перемещение, необходимое для разрушения ампул, происходящего в результате их надавливания на выступ 33 на дне сосуда. В варианте устройства с одной капсулой (фиг. 1) выступ 33 смещен на необходимую величину в сторону от оси реактора.

Контроль за температурой реакционной среды 7 обеспечивает быстродействующий преобразователь-датчик 34, подключенный к схеме 35 измерения, сигнал с выхода которой подается на регистратор 28.

Работа устройства показана на примерах высокотемпературной поликонденсации (для варианта по фиг. 1) и низкотемпературной поликонденсации (для варианта по фиг. 2). При этом необходимо учесть, что поскольку от точности- поддержания соотношения веществ, вступающих в реакцию, зависит ее ход и воспроизводимость результатов, заранее приготовляют серию ампул со строго дозированным количеством веществ, подвергая капсулированию наиболее легколетучие и малостойкие из них.

Лример 1. Проведение реакции высокотемпературной поликонденсации 4,4-диоксидифенил-2,2-пропана (диана) с дихлорангидридом изофталевой кислоты (ДХАИК).

Ампулу 8, содержащую реагент Р2 - раствор О, 40605 г (0,002 моль) ДХАИК в 3 мл дифенилоксида, закрепляют на нижнем конце мещалки 5. В реакционном сосуде 2 растворяют 0,45658 г (0,002 моль) диана в 17 мл дифенилоксида, вводят в полученный раствор - реагент 1 мешалку с ампулой погружения, последней, закрывают сосуд пробкой и приводят мешалку во вращение с заданной, например к 1000 об мин , скоростью, обссиечибая стабильность вращения- с точностью ±0,5% в течение всего

процесса, после чего осуществляют нагрев

со скоростью 0,4 град-с1. Одновременно

с нагревом реагентов Р1 и Р2 нагревается и

подаваемый через ввод 4 инертный газ-

азот, пропускаемый через реакционную

5 смесь 7.

По достижении заданной температуры Т ус-т реакционной смесью 7 и уравнивая ее с температурой реагента Р2 в ампуле 8, что достигается некоторой заданной временной выдержкой содержимого реакционной зоны при Т-уст (в данном случае термостатирование обеспечивается с точностью ±0,1°С), с помощью исполнительного механизма 32 опускают мешалку с ампулой 8 на 2-4 мм, которая после приведения в контакт с выступом 33 легко разрушается, а реагент Р2 начинает смещиваться с реагентом Р1, вступая с ним в реакцию, о чем свидетельствует выделяющийся НС1, регистрируемый известным методом, например титрованием нормальной щелочью.

По полученным данным о выделении HCI строят кинетическую кривую и определяют константу скорости К, энергию активации Е и другие необходимые характерис-, тики процесса.

Непрерывная регистрация HCI по электропроводности его, водного раствора позволяет определять К с точностью ±0,8%.

Значения полученных констант скорости К, относительной погрешности А к/К100% 0 степени завершенности и энергии активации Е в зависимости от ТустВ сравнении с базовым объектом 1 приведены в табл. 1.

В табл. 2 приведены значения указанных

параметров для реакции диана и дихлорангидрида 1,1-дихлор-2,2-ди(п-карбоксифе5 нил) этилена при различных температурах.

Пример 2. Проведение реакции низкотемпературной полиэтерификации диана с ДХАИК.

В силу больших скоростей, характериQ зующих данный тип реакции, используются слабоконцентрированные растворы реагентов ( 0,01-0,001 моль/л).

В одногорлую колбу- сосуд 2 со специальной фторопластовой пробкой 6 зали- ваЕОт 14 мл дихлорэтана - Р1.

5 В полусферические ампулы 9 и 10 помещают соответственно реагент Р2 - раствор 0,04566 г (0,0002 моль) диана и 0,056 мл (0,0004 моль) тр этиламина в 3% мл дихлорэтана и реагент РЗ - раствор 0,04061 г

0 (0,0002 моль) ДХАИК в 3% мл дихлорэтана.

Затем ампулы 9 и 10 закрепляют на кон- . це мешалки 5 и после установки последней в сосуде 2 его помещают в калориметр и 5 приводят мешалку во вращение.

После того, как температура в калориметре 24 (определяется датчиком 25) сравняется с заданной температурой Т-ует 30

в термостате (не показан), а ее абсолютное значение дрейфа Т составляет 0,0025°С за 30 мин (измеряется схемой 27), ампулы вскрываются указанным приемом и осуществляется запуск реакции, о ходе которой судят по изменениям температуры ЛТ и dT/dt в колбе, происходящим за счет выделяющегося при реакции тепла, фиксируемого датчиком 34. Величины AT и dT/dr записываются самописцем 28.

Вычисленное значение константы скорости реакции равно 528 л/моль с.

Предлагаемое устройство существенно расширяет экспериментальные возможности, поскольку делает возможным проведение более щироко класса реакции (прототип не обеспечивает возможности осуществления реакции поликонденсации) при различных скоростях перемешивания реакционной среды.

Кроме того, предлагаемое устройство отличается простотой конструкции и надежностью и обеспечивает высокую точность и воспроизводимость экспериментальных результатов.

1. УСТРОЙСТВО ДЛЯ ПРОВЕДЕНИЯ ХИМИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ, содержащее термостатированный реакционный сосуд с днищем, мешалку с исполнительным механизмом и разрущаемые ампулу, отличающееся тем, что, с целью повыщения производительности и надежности, мешалка снабжена устройством для закрепления ампулы, выполненным в виде стакана по меньшей мере с одним радиальным эллиптическим сквозным отверстием. 2.Устройство по п. 1, отличающееся тем, что днище снабжено эксцентричным выступом. 3.Устройство по пп. 1 и 2, отличающееся тем, что разрушаемые ампулы снабжены радиальным отростком, расположенным в верхней их части. J4 /

Таблица 1

Таблица 2

Фиг.З 66

/J /4 12 17 5

I.L I

в-в

Фиг. 5