Способ автоматического контроля быстрыхХиМичЕСКиХ РЕАКций Советский патент 1981 года по МПК G01N27/22 

(54) СПОСОБ АВКМАТИЧЕСКОГО КОНТРОЛЯ БЫСТРЫХ Изобретение относится к технике контроля процессов химической технологии и может использоваться в химической, фармацевтической, пищевой промышленности и в биологии для экспресс-анализа быстропротекакяцих процессов в реакционных смесях, дня которых начальная диэлектрическая проницаемость близка к диэлектрической проницаемости продуктов реакции. Известен способ кондуктометрического контроля жидкостей, заключающий ся в наблюдении сигналов измерительной и эталонной секции реакционной камеры, через которую протекает анализируемая жидкость, и определении степени рассогласования сигналов, на основе которой определяют исследуемые свойства Однако сильная зависимость электро проводности от температуры и коицентрацни реагентов приводит к значительным погрешностям измерения. Если же начальная диэлектрическая проницаеХИМИЧЕСКИХ РЕАКЦИЙ мость равна проницаемости продуктов реакции, то этот способ не применим. Дискретный характер измерений затрудняет интерпретацию полученных результатов и снижает качество информации. Наиболее близким к предлагаемому является способ контроля быстрых химических реакций в реакционной камере, включаюцнй непрерывное измеренне текущего значения диэлектрической проницаемости контролируемой среды с помощью, например, /щэлькометра, осиоЗаиный на использовании метода непрерывной струи) и заключагацийся в пропускании струи через камеру, в стенках которой установлеи датчик дпя подачи и электрического сигнала. При этом о химической реакции судят по распределению тангенсов угла.диэлектрических потерь tgcP в реакционной камере Г2. Однако известный способ имеет еледующие недостатки. Величина tgcf определяется отношением мнимой составпякгщей диэлектрической проницаемое™ к действительной, что увеличивает суммарную погрешность, которая оказывается бопьше погрешностей определения составляющих проницаемостей, причем наиболее интенсивное изменение происходит после образования первичных продуктов реакции. Эта задержка во времени приводит к тому, что первичные этапы химических реакций величиной tgcT не определяются. Кроме того, этот способ не позволяет судить об интенсивности реакции. Таким образом, точность и информативность известного способа малы.

Цель изобретения - повышение точности и информативности контроля быстрых химических реакций.

Поставленная цель достигается тем, что в известном способе контроля быст рых химических реакций в реакционной камере, включающем измерение текущего значения диэлектрической проницаемост контролируемой среды с помощью диэлькометра, задают два пороговых значения диэлектрической проницаемости и преобразуют измеренное ее значение в два прямоугольных импульса напряжения таким образом, что начало и конец первого прямоугольного импульса совпадают с моментами равенства диэлектрической и проницаемости нижнему пороговому значению, а начало и конец второго - с моментами равенства диэлектрической проницаемости верхнему пороговому значению, затем по длительности первого прямоугольного импульса судят о периоде и средней скорости реакции, по интервалу между началом первого и началом второго пря моугольных импульсов - об интенсивности процесса ускорения реакции и по интервалу между концом второго и концом первого прямоугольных импульсов - об интенсивности процесса замедления.реакций. Кроме того, нижний порог ди ектрической проницаемости выбирают на уровне, превьппакщем максимальное .значение флюктуации началького уровня на 6 дБ, а верхний - в области наибольших скоростей изменения диэлектрической проницаемости.

На ||иг. изображена типовая зависимость диэлектрической проницаемости от времени в ходе реакцииjна фиг. 2 схема экспериментальной установки, реализующей предлагаег 1й способ.

Способ автоматического контроля быстрых химических реакций в реакционной камере включает измерение текущего значения диэлектрической проницаемости в контролируемой среды с помощью диэлькометра.

Способ осуществляют следующим образом.

Задают два пороговых значения диэлектрической проницаемости я „2 и преобразуют измеренное ее значение в два прямоугольных импульса напряжения и и Urj. (фиг.1) таким образом, что начало и конец первого прямоугольного импульса и совпадает с моментами равенства диэлектрической проницаемости нижнему пороговому значению (1 1, а начало и конец второго прямоугольного импульса U/j совпадают с моментами равенства диэлектрической проницаемости верхнему пороговому значению €р 2 соответственно точки А,Г и Б, В (фиг.1). Сформированные прямо угольные импульсы напряжения дифференцируют (иАиФ.).отрицательные выбросы инвертируют и смешивают с положительными (Ug(( ). Полученные импульсы используют для управления соответствующими хронометрами, затем по длительности первого прямоугольного импульса судят о периоде и средней скорости реакции (интервал А-Г, tl... t4) , по интервалу меяду началом первого и началом второго прямоугольных импульсов - об интенсивности процесса ускорения реакции (интервал А-Б, tl... t2 и по интервалу между концом второго и концом первого прямоугольных импульсов - об интенсивности процесса замедления реакции (интервал В-Г, t3...t4).

Нижний п.орог дизлектрической проницаемости 1 целесообразно выбрать на уровне, превышающем максимальное значение флюктуации ф начального уровня 6цд,на величину , определяемую из соотношенияf с

нач.

что обеспечивает удовлетворительную помехоустойчивость контроля, начинающегося при зтом в предельно ранний момент времени (уровень А-Г).

Верхний порог g. 2 целесообразно выбрать в области наибольших скоростей изменения диэлектрической проницаемости на основе статистического усреднения типовых кривых в контролируемых системах (уровень В-В ) Площадь под кривой в интервалах А-Б и В-Г пропорциональна выходу продукта реакции за измеряемый промежуток времени . Коэффициент пропорциональности является константой реактора и первич ного измерительного преобразователя дизлькометра Сравнивая указанные пло щади в разные временные интервалы, можно судить о производительности реакции в эти интервалы, а зная коэффшщент пропорциональности и полную площадь под кривой АБВГ, можно оценить валовой выход продукта. В основу изобретения положены еледуихцие физико-химические процессы. В процессе протекания реакций возниканщие пограничные слои наиболее интенсивно обогащаются примесями и вьшолняют транспортную функцию. Например, при растворении появляется меж фазовая модифицированная прослойка с нестационарным гидродинамическим пото ком примесей в более глубокие слои жидкости. При этом происходит частичная временная переориентация молекулярных диполей например, в водном растворителе , параэлектрических групп, например, ОН или образуются эффективные кластеры из параллельно упорядоченных диполей растворителя. Одновременно увеличивается поляризуемость жидкости, что и фиксируется в диапазоне высоких частот как временное увеличение диэлектрической проницаемости б . В настоящее время установлено, что скачок наблюдается при протекании процессов гомогенизации растворения, ферментативного катализа и регуляции, в реакциях с переносом электрона и протона, с участием свободных радикалов и комплексбобразованием. Высокая разрешающая способность используемых диэлькометров гарантирует независимость определения . , поэтому рост величины б может быть обусловлен только увеличением поляризуемости (дипопьных моментов) структурных элементов системы. Таким образом, процесс (химическая реакция, нахфимер, растворение) инициирует временное образование крупных (соответствующая частота релаксации, например 10 МП() поляризо1аанных комплексов. Экспериментальная установка (фиг.2; реализующая 1 редлагаемый способ, состоит из реакционной камеры 1, резервуара 2 с крансм, плоскопараллёльных электродов 3 первичного измерительного преобразователя, диэлькометра 4, компаратора 5 кодов, программирующего устройсГтва 6 и трех хронометров 7, 8 и 9. Пример. Контроль процесса гомогенизации водного раствора электролита. В реакционную камеру I наливают I л бидистиллята воды. Резервуар заполняют 0,2%-ным раствором NaCI. В качестве диэлькометра 4 используют прибор Ш2-3. Дпя обработки выходного сигнала диэлькометра применяют ставдартные приборы из комплекса системы сбора и обработки данных типа 1002. Аналоговый выход диэлькометра соединяют с входом компаратора 5 кодов типа 202/1. Программирующее устройство 6 типа 301Б/1 задает пороговые значения ди электрической проницаемости. Компаратор кодов сравнивает измеренные значения диэлектрической проницаемости с пороговыми, вырабатывает прямоугольные управляющие импульсы, дифференцирует эти импульсы, инвертирует отрицательные выбросы и смещивает их с положительными. Первый выход компаратора 5 кодов, задающего пусковой импульс, соединяют со входами старт первого 7 и второго 8 частотомеров-хронометров Ф504, второй его выхрд соединяют со входом стоп частотомера-хронометра 7, третий выход - со входом старт третьем го частотомера-хронометра 9, а четвертый - с входными стоп частотомеров-хронометров 8 и 9. Электроды 3 измерительного преобразователя устанавливают на расстоянии 3,6 и 9см от крана резервуара 2. На входы сброс частотомеров-хронометров 7, 8 и 9 подается импульс напряжения, устанавливающий нулевые показания :этих приборов. Затем открывают кран резервуара 2 в воду вливгиот раствор электролита. Разбавление этого раствора сопровождается кратковременным возрастанием диэлектрической прониаемости. Осуществляют три этапа изерений для расстояния электодов 3 от крана резервуара 2. Максимальная погрещность измерений редлагаемым способом не превышает %, что обеспечивает большую точность змерения, чем известными способами. Использование способа автоматичес кого контроля быстрых химических реа ций позволяет аначительно повысить точность измерений скорости реакций благодаря возможности измерять эту скорость непосредственно, а не по данным о мгновенных свойствах контролируемой среды, как в известных способах. Кроме того, при использова нии точечных измерительных преобразователей возможен локальный анализ контролируемой среды, а при использо вании однолучевых преобразователей анализ анизотропии. Предлагаемый способ обеспечивает также малый разброс контролируемых значений для веществ одного класса в одинаковом температурном режиме, позволяющий унифицировать методику интерпретации,и возможность контрол интенсивности процесса и валового выхода готового продукта. Формула изобретения 1. Способ автоматического контрол быстрых химических реакций в реакционной камере, включающий измерени текущего значения диэлектрической проницаемости контролируемой средеа, отличающийся тем, что, целью повьшения точности контроля, задают два пороговых значения дизле рической проницаемости и преобразую 48 измеренное ее значение в два прямоугольных импульса напряжения таким образом, что начало и конец первого прямоугольного импульса совпадают с моментами равенства диэлектрической проницаемости нижнему пороговому значению, а начало и конец второго - с моментами равенства диэлектрической проницаемости верхнему пороговому значению, затем по длительности первого прямоугольного импульса судят о периоде и средней скорости реакции, по интервалу между началом первого и началом второго прямоугольных импульсов - об интенсивности процесса ускорения реакции и по интервалу меяяу концом второго и концом первого прямоугольных импульсов - об интенсивности процесса замедления реакции. 2. Способ по п.1, отличающий с я тем, что нижний порог диэлектрической проницаемости выбирают на уровне пpeвышaJaцeм максимальное значение флюктуации начального уровня, например, на 6 дБ, а верхний - в области наибольших скоростей изменения даэлектрической проницаемости. Источники информации, принятые во внимание при экспертизе . Авторское свидетельство СССР 457022, кл. О 01 N 27/02, 15.01.76. 2. Авторское свидетельство СССР № 419776, кл. Q 01 N 28/08, 15.03.74 (прототип).