УСТАНОВКА ДЛЯ ПРОВЕДЕНИЯ ХИМИЧЕСКИХ РЕАКЦИЙ

Предполагаемая полезная модель относится к области химического машиностроения и может быть использована для промышленной реализации высокотемпературных химических процессов.
Известна установка фирмы BASF для производства ацетилена (см., например, New burner opens door to arc, Chem. Week, 94 (Jan. 1964), p.64), включающая систему задания электрической дуги, устройства подачи реагентов и отвода конечного продукта и реактор.
Известное устройство обеспечивает высокую производительность выхода конечного продукта, однако его использование для синтеза других продуктов весьма проблематично и, кроме того, невозможно без существенной доработки конструкции.
Наиболее близким аналогом-прототипом является установка для проведения химических реакций (см., например, СВЧ - энергетика под редакцией Э.Окресса, т.3 «Применение энергии сверхвысоких частот в медицине, науке и технике», Изд. «Мир», М. 1971, с.с.169-172), содержащая блок задания сверхвысокочастотной (СВЧ) энергии, выполненный в виде магнетрона с резонатором, взаимодействующим с реактором, вакуумный насос, электромагнитные клапаны и ротаметры, а также системы охлаждения реактора и подачи реагентов в реактор и вывода получаемого в установке продукта, причем система подачи реагентов и вывода получаемого продукта выполнена в виде трубопроводов, связывающих реактор соответственно с емкостями, содержащими реагенты, и с емкостями для получаемых в установке продуктов, при этом емкости с реагентами соединены с трубопроводом через соответствующие ротаметры, а вакуумный насос и емкости для получаемых в установке
продуктов связаны с трубопроводом с помощью соответствующих электромагнитных клапанов.
Известное устройство обеспечивает возможность получения газообразных фаз, например, азота, водорода, кислорода и др., свободных радикалов, например, ОН и CN и др., а также возможность синтеза и перегруппировки различных химических веществ (см., например, СВЧ - энергетика под редакцией Э.Окресса, т.3 «Применение энергии сверхвысоких частот в медицине, науке и технике», Изд. «Мир», М. 1971, с.172), однако, поскольку время жизни ряда получаемых соединений чрезвычайно мало, установку необходимо автоматизировать.
Задача полезной модели состоит в усовершенствовании известного устройства и обеспечении возможности его функционирования в автоматическом режиме.
Сущность полезной модели состоит в том, что установка для проведения химических реакций, содержащая связанный с реактором блок задания сверхвысокочастотной (СВЧ) энергии, вакуумный насос, манометр, девять электромагнитных клапанов и три ротаметра, а также системы охлаждения реактора и подачи реагентов в реактор и вывода получаемого в установке продукта, при этом системы подачи реагентов и вывода получаемого продукта выполнены в виде трубопроводов, соответственно связывающих реактор на входе с тремя источниками, содержащими соответствующие реагенты, и на выходе с двумя емкостями для получаемых в установке продуктов, причем с первого по третий источники реагентов соединены с системой подачи реагентов через соответствующие с первого по третий ротаметры и с первого по шестой электромагнитные клапаны, при этом на входах ротаметров установлены соответственно первый, второй и третий электромагнитные клапаны, а на выходах этих ротаметров помещены
соответственно четвертый, пятый и шестой клапаны, причем манометр установлен в системе подачи реагентов на входе реактора, а вакуумный насос и первая и вторая емкости для получаемых в установке продуктов системы вывода получаемого в установке продукта связаны с выходом реактора через соответственно с седьмого по девятый электромагнитные клапаны, отличающаяся тем, что установка снабжена датчиком температуры и блоком измерения температуры, блоком аналого-цифровых преобразователей (АЦП), блоком управления и компьютером, причем источники, содержащие реагенты, выполнены в виде трех соответствующих емкостей, в установку дополнительно введены n содержащих реагенты емкостей и n ротаметров, а также m электромагнитных клапанов и k манометров, где n=1, ..., N; m=1, ..., M; и k=1, ..., К, при этом первый дополнительный электромагнитный клапан установлен на входе реактора в трубопроводе системы подачи реагентов, а со второго по М-й дополнительные электромагнитные клапаны помещены соответственно на входах и выходах соответствующих N дополнительных ротаметров, причем К дополнительных манометров установлены на выходах соответствующих ротаметров за соответствующими электромагнитными клапанами, при этом входы с первого по третий электромагнитных клапанов и М дополнительных электромагнитных клапанов соединены соответственно с первого по (М+3)-й выходами блока управления, (М+4)-м выходом подключенного ко входу блока задания СВЧ энергии, а входом и группой входов соединенного соответственно с выходом и с группой выходов компьютера, входом подключенного ко входу установки, а группой входов соединенного с группой выходов АЦП, с первого по (К+1)-й входами подключенного к выходам соответственно манометра и К дополнительных манометров, (К+2)-м и (К+3)-м входами соединенного соответственно с (М+5)-м выходом блока управления и с выходом блока измерения температуры, первым и вторым входами
подключенного соответственно к (М+6)-му выходу блока управления и к выходу датчика температуры, входом подключенного к (М+7)-му выходу блока управления.
Предложенная установка обеспечивает возможность автоматизации процедуры проведения химических реакций, что гарантировано позволяет получать конечные продукты, зависящие от времени взаимодействия исходных реагентов.
В работах по химическим реакциям в высокотемпературной плазме (см., например, Колесников В.Н. Дуговой разряд в инертных газах. Труды Физ. Ин-та АН СССР, 30, 1964, с.66) указано, что одной из главных функций высокой температуры является образование промежуточных компонент реакции (свободных радикалов), следствием взаимодействия которых является получение желаемого продукта, причем промышленная эффективность таких процессов значительно повышается при работе с низкотемпературной плазмой (см., например, Goldberger W.M. Trends in high-temperature chemical processing, Chem. Eng., 73, March 14, 1966, p.173).
Проведенные исследования показали, что для создания условий для таких реакций оптимальным является использование установок, с элементами СВЧ-тракта, работающие на частоте 2450 Мгц с регулируемой мощностью порядка 1,2 квт (см., например, СВЧ - энергетика под редакцией Э. Окресса, т.3 «Применение энергии сверхвысоких частот в медицине, науке и технике». Изд. «Мир», М. 1971, с.172).
На фиг.1 приведена функциональная схема предлагаемой установки для проведения химических реакций.
Установка содержит реактор 1, предназначенный для проведения процедуры взаимодействия реагентов и выполненный в виде кварцевой трубки (см., например, СВЧ - энергетика под редакцией Э.Окресса, т.3, «Применение энергии сверхвысоких частот в медицине,
науке и технике». Изд. «Мир», М. 1971, с.171), помещенной в зоне максимальной напряженности, создаваемой магнетроном (на фиг. не показан) блока 2 задания СВЧ энергии с частотой 2450 Мгц, выполненного в виде микроволновой печи KOR-6C17 фирмы «ДЭУ» с регулируемой мощностью до 1,2 квт (см., например, www.deros.ru).
При этом система 3 охлаждения реактора 1 также помещена в печи блока 2 задания СВЧ энергии и выполнена в виде герметично окружающей трубку реактора 1 наружной оболочки (на фиг не пронумерована) из стекла пирекс (см. например, СВЧ - энергетика под редакцией Э.Окресса, т.3 «Применение энергии сверхвысоких частот в медицине, науке и технике», Изд. «Мир», М. 1971, с.171), внутри которой циркулирует (на фиг.1 показано стрелками) обладающее низкими диэлектрическими потерями, например трансформаторное, масло (см., например, Н.И.Карякин и др. Краткий справочник по физике. Издание второе. Изд. «Высшая школа», М. 1964, с.548), охлаждаемое водой в холодильнике (на фиг. не показан).
1
2
Реактор 1 своими входом и выходом соединен соответственно с системой 4 подачи реагентов в реактор и с системой 5 вывода получаемого в установке продукта через электромагнитные клапаны 6 (на фиг.1 клапаны 6 и 6 соответственно), предназначенные для управления процессом подачи в реактор 1 и вывода из него соответственно реагентов и получаемого в установке продукта и выполненные в виде, например 2/2-ходовых электромагнитных клапанов для агрессивных сред типа 0117-A-01,2-EA-TZ-GM81-012/DC-04 (см., например, . asp?PID=10822&GID=1617).
Система 4 подачи реагентов выполнена в виде трубопровода (входного трубопровода) 7, связывающего реактор 1 с выполненными в виде емкостей 8 источниками, содержащими реагенты, при этом емкости 8 соединены с трубопроводом 7 через соответствующие ротаметры 9, выполненные в виде устройств типа РМФ ЖУЗ (для жидкостей)
или ГУЗ (для газов) фирмы ООО «Энергоприбор» (см., например, http://www.energopribor.com/stat43. html) и предназначенные для дозировки подаваемых в реактор 1 реагентов.
1
К+1
Во входном трубопроводе 7 реактора 1 и в каждом трубопроводе (на фиг. не пронумерованы), соединяющем ротаметры 9 со входным трубопроводом 7 установлены манометры 10 (соответственно 10-10), предназначенные для измерения давления поступающих в реактор 1 реагентов и выполненные в виде преобразователей давления КРТ-СТ (см., например, http://pribor-komplekt.ru/catalog_227.html).
3
N+4
N+5
2N-2
Кроме того, на входах и выходах ротаметров 9 помещены со второго по шестой и 2N дополнительных электромагнитных клапанов 6 (на фиг.1 на входах клапаны 6-6, а на выходах клапаны 6-6 соответственно) предназначенные, как уже указано выше, для управления процессом вывода из соответствующих емкостей 8 реагентов в соответствующие ротаметры 9, подачи этих реагентов в систему 4 и соответственно выполненные в виде, например 2/2-ходовых электромагнитных клапанов для агрессивных сред типа EA-TZ-GM81-012/DC04 (см., например, http://www.fluidcontrol.ru/catalog/default. asp?PID=10822&GID=1617).
1
2
2N-1
2N
Система 5 вывода получаемого в установке продукта выполнена в виде трубопровода (выходного трубопровода) 11, связывающего реактор 1 с емкостями 12 (соответственно 12 и 12) для получаемых в установке продуктов, при этом емкости 12 соединены с трубопроводом 11 через электромагнитные клапаны 6 (на фиг.1 6 и 6), также выполненные в виде, например, 2/2-ходовых электромагнитных клапанов для агрессивных сред типа EA-TZ-GM81-012/DC04.
Здесь следует указать, что, так как общее количество электромагнитных клапанов 6 в установке составляет М+9, а из конструктивного выполнения установки следует, что количество
дополнительных электромагнитных клапанов 6 равно M=2N+1 (где, как уже указывалось выше, N-количество дополнительных емкостей 8 (соответственно, ротаметров 9)), то общее количество электромагнитных клапанов 6 в установке равно 2N+10. Аналогично получаем, что общее количество емкостей 8 для поступающих в реактор 1 реагентов и соответственно ротаметров 9 равно N+3, а общее количество манометров 10 составляет N+4.
Эти данные были использованы при описании установки и для указаний индексов составляющих установку узлов и блоков на фиг.1.
Трубопровод 11 соединен с вакуумным насосом 13, предназначенным для обеспечения заданного давления в установке и выполненным в виде, например, пластинчато-роторного вакуумного насоса серии VT фирмы «BECKER» (см., например, http://www.takovakuum.ru/pumpen_drehschib_trocken 01.php).
В реактор 1 помещен датчик 14 температуры, использованный в соответствии со своим функциональным назначением, выполненный в виде, например, термопреобразователей сопротивления ТС-1288Э/6 (см., например, www.elemer.ru) и своим выходом соединенный со входом блока 15 измерения температуры, предназначенный для преобразования получаемых от датчика 14 температуры показаний в электрические сигналы и выполненный в виде, например, многоканального измерителя серии ТМ 5100 (см., например, www.informpribor.ru/CATALOG/character/Izmeriteli_texnologiche-skie_mnog...).
1
N+4
Манометры 10 (соответственно 10-10), своими выходами подключены соответственно ко входам (соответственно с первого по N+4) блока 16 АЦП, примененного в соответствии со своим функциональным назначением и выполненного в виде КМОП-схемы с параллельными выходами типа ILC 7109 (см., например, У.Титце и К.Шенк «Полупроводниковая схемотехника», М., «Мир»,
1982, с.464), своим N+5 входом соединенного с выходом блока 15 измерения температуры, N+6 (управляющим) входом подключенного к первому выходу блока 17 управления, а группой выходов соединенный с группой входов компьютера 18, входом подключенного ко входу установки, а управляющим выходом и группой выходов соединенный соответственно с управляющим входом и с группой входов блока 17 управления.
Блок 17 управления, предназначенный для задания требуемых режимов работы установки и выполненный в виде соответствующего устройства (см., например, описание патента РФ №2117326), своими со второго по 2N+11 выходами подключен ко входам соответствующих электромагнитных клапанов 6, a 2N+12 и 2N+13 выходами соединен со входами датчика 14 температуры и блока 15 измерения температуры соответственно.
Компьютер 18, предназначен для определения требуемых режимов работы установки и контроля их воспроизведения и выполнен в виде, например, промышленного компьютера IРРС-950Т фирмы Advantech (см., например, справочник «Передовые технологии автоматизации», Москва, апрель 1999, с.5, составитель справочника и поставщик продукции фирма ProSoft, адрес в Web - http://www.prosoft.ru).
При этом группа выходов АЦП 16 (соответственно группа входов компьютера 18) включает N+5 линий, а группа входов блока 17 управления (соответственно группа выходов компьютера 18) содержит 3N+15 линий.
В реализованной установке количество N дополнительных емкостей 8 и дополнительных ротаметров 9 было выбрано равным 1 и соответственно общее количество электромагнитных клапанов составило 11, а общее количество манометров 10 равнялось 5.
Установка для проведения химических реакций работает следующим образом:
Емкости 8 заправляют реагентами в виде, например, газов под давлением около 1 атм. В соответствии с запрограммированной в компьютере 18 процедурой проведения химической реакции с помощью блока 17 управления открывают соответствующие электромагнитные клапаны 6 и через ротаметры 9 подают в реактор 1 заданные реагенты. Одновременно с помощью блока 2 задания СВЧ энергии в реакторе 1 создают требуемый уровень плазмы, обеспечивающий взаимодействие поступивших реагентов.
1
2
Продукты реакции за счет создаваемой с помощью вакуумного насоса 13 разницы давлений поступают в емкости 12 или 12 (регулируется компьютером 18), где собираются в виде, например, конденсатов, охлаждаемых в ловушке с жидким воздухом (на фиг. не показаны).
Режимы процедуры контролируют с помощью датчика 14 температуры и манометров 10, сигналы которых через блок 15 измерения температуры и/или через АЦП 16 поступают в компьютер 18, который производит сравнение полученных данных с предварительно введенной соответствующей информацией и в зависимости от имеющихся расхождений передает команды блоку 17 управления на включение (отключение) соответствующих устройств установки.