Автоматизированный химический реактор
AUTOMATED CHEMICAL REACTOR

Изобретение относится к области химии, а именно к емкостной химической аппаратуре и предназначено для проведения автоматизированного синтеза веществ, в частности для синтеза наночастиц и микрочастиц.
Известны промышленно выпускаемые химические реакторы, например, лабораторный реактор, содержащий стеклянный сосуд с рубашкой и мешалкой, модулем управления температурой, предназначенный для микро дозировки в тонкой химии, производства и исследования в фармацевтической области. Реактор является особенно эффективным для проведения реакции путем минимизации мертвого объема. (Стеклянный лабораторный реактор Minilab | (czl.ru).
Однако представленный реактор не является автоматизированным, в нем отсутствуют система подачи реагентов и блок управления. Выгрузка продукта реакции производится в ручном режиме.
Известен серийно выпускаемый лабораторный химический реактор например, лабораторный реактор, содержащий стеклянный сосуд с рубашкой и мешалкой, с возможностью подключения внешнего термостата и насоса для добавления реагентов, а также с возможностью автоматизации процесса (https://www.syrris.com/families/atlas-hd/).
Однако в данном устройстве не предусмотрен сменный узел, который можно быстро заменить на другой, и, таким образом, исключить перекрестное загрязнение при проведении химических реакций при использовании различных химических реагентов. Выгрузка продукта реакции производится в ручном режиме. В данном устройстве используется реакционный сосуд с двойной стенкой, что значительно увеличивает стоимость оборудования и затраты в процессе эксплуатации.
Известен реактор для синтеза наноструктур, содержащий блок дозирования, блок смешивания и сегментирования, первый и второй блоки термостатирования для нуклеации и роста и блок отбора наноструктур, соединенные с каналом движения материалов последовательно в указанном порядке. Блок дозирования состоит из двух насосов для подачи каждого из двух прекурсоров и насоса для подачи жидкости - носителя (RU 166323, МПК B82B 3/00, опубл. 20.11.2016).
Однако этот реактор является реакторам непрерывного (проточного) синтеза, к недостаткам которых относится низкая производительность и технологические ограничения при переходе к промышленному синтезу наноструктур.
Известен также микрореактор - смеситель многоступенчатый с закрученными потоками, который содержит корпус, патрубки для подачи растворов основных и дополнительных компонентов и патрубок для отвода продуктов. Корпус имеет многоярусную форму, причем каждый ярус соответствует одной ступени перемешивания (RU 2748486, МПК B01J 19/18, опубл. 26.05.2021).
Представленное решение имеет следующие ограничения: во-первых, оно работает только для быстро протекающих химических реакций; во-вторых, оно реализует только часть технологического процесса синтеза наноструктур, а именно - микроперемешивание.
Известен микрореактор, содержащий корпус и патрубки с соплами для подачи исходных компонентов и патрубок для отвода продуктов, в котором корпус имеет цилиндрическую форму с коническим днищем, крышку, патрубки с соплами для подачи исходных компонентов. В крышке соосно корпусу установлен патрубок для подачи продувочного газа, а в днище установлен выпускной патрубок для отвода продувочного газа и продуктов реакции (RU 2625981, МПК B22F 9/24, опубл. 20.07.2017).
Однако оно относится к реакторам аэрозольного типа, которые имеют ряд ограничений: в частности, решение применяется для быстро протекающих химических реакций; сложность в получении высокодисперсных частиц размером единицы нанометров, поскольку размер дисперсной фазы аэрозоля обычно составляет единицы-десятки микрон.
Известен реактор, содержащий корпус, включающий трубчатую стенку с днищем и крышку, приводной вал с мешалками, расположенный в полости реактора, теплоподводящий узел, расположенный вне полости реактора, загрузочный и разгрузочный узлы (см. RU 2263073, МПК C01G 23/00, опубл. 27.10.2005).
Однако данное изобретение предназначено для получения частиц диоксида титана, размером более десятых долей миллиметра, и не обеспечивает получения частиц меньше 1 микрометра и наночастиц.
Наиболее близким по конструкции к заявляемому решению является реактор синтеза наночастиц, содержащий реакционный сосуд для реакционного раствора; теплоизоляционную пленку, установленную по внешней окружности реакционного сосуда; блок ввода прекурсора, содержащий множество выпускных отверстий, установленных для ввода раствора прекурсора в реакционный сосуд; а также мешалку, расположенную внутри реакционного сосуда. В соответствии с вариантом осуществления, множество выпускных отверстий узла впрыска прекурсора может быть в формате многоструйного инжектора. Согласно варианту осуществления, реакционный аппарат может дополнительно включать в себя аппарат для сохранения тепла для равномерного регулирования температуры. Предпочтительно устройство сохранения тепла может быть выполнено в виде змеевика, по которому циркулирует масляная жидкость. Согласно одному варианту осуществления, реактор может дополнительно включать дегазационный газовый клапан (см. патент KR 10-0820231, МПК B82B 3/00, опубл. 8.04.2008).
Устройство предназначено только для синтеза металлических наночастиц; не позволяет обеспечить равномерное термостатирование реакционного объёма, а возникающие температурные градиенты могут влиять на параметры получаемых наночастиц.
Кроме того, во всех перечисленных выше решениях отсутствует информация об автоматизации реализуемых данными устройствами технологических процессов. Подача реагентов осуществляется насосами, что приводит к созданию мертвых зон.
Техническая проблема заключается в разработке реактора для лабораторных исследований для проведения рутинных синтезов частиц меньше 1 мкм и наночастиц, а также в качестве пилотного реактора для масштабирования процесса синтеза с целью его дальнейшего переноса на производственные мощности.
Техническим результатом является обеспечение воспроизводимости параметров при получении металлических и диэлектрических микро - и наночастиц, за счет контроля температуры, скорости перемешивания реагентов, давления и состава газовой атмосферы в реакционном сосуде, а также воспроизводимости длительности и последовательности технологических операций при проведении протокола химической реакции.
Техническое решение с использованием пережимных гидравлических клапанов позволяет уменьшить мертвый объем в системе подачи реагентов.
Кроме того, техническое решение позволяет исключить перекрестное загрязнение при проведении различных химических реакций на данном реакторе.
согласно изобретению,
Технический результат достигается тем, что в химическом реакторе, содержащем реакционный сосуд с внешним теплоизолирующим элементом, мешалку, расположенную в полости реакционного сосуда, загрузочный и разгрузочный узлы,  загрузочный узел содержит, по крайней мере, две ёмкости для подачи реагентов и инертного газа, соединенные с реакционным сосудом внешними трубками, проходящими через пережимные гидравлические клапаны и соединенными с расположенными в реакционном сосуде внутренними трубками подачи реагентов и инертного газа, при этом реакционный сосуд закреплен на стойках, на одной из которых расположен привод мешалки, а на другой - пережимные гидравлические клапаны и ёмкости для подачи реагентов и инертного газа, причем емкости для подачи реагентов и инертного газа имеют пневматические выходы для подключения к блоку управления, запрограммированного с возможностью управления термостатированием, перемешиванием, подачей реагентов, инертного газа, изменением давления инертного газа в ёмкостях для подачи реагентов и в реакционном сосуде, открытием соответствующих пережимных клапанов и выгрузкой продукта.
Реакционный сосуд представляет собой стеклянную емкость, внешний теплоизолирующий элемент выполнен в виде стакана, заполняемого теплоносителем, при этом реакционный сосуд с теплоизолирующим элементом размещены на основании.
Разгрузочный узел выполнен в виде отводящей трубки и пережимного гидравлического клапана.
Внутренние трубки подачи реагентов и газов выполнены из нержавеющей стали и расположены в реакционном сосуде под углом к оси вращения мешалки, формируя однополостный гиперболоид вращения.
.
Реакционный сосуд с мешалкой и внутренними трубками, ёмкости для подачи реагентов и инертного газа и внешние трубки выполнены съемными, при этом мешалка соединена с приводом быстроразъёмной муфтой
Изобретение поясняется чертежами, где на фиг. 1 представлен общий вид заявляемого устройства, на фиг. 2 - вид сбоку, на фиг. 3 – блок-схема предлагаемого устройства.
Позициями на чертежах обозначены:
1 - рабочая камера в виде реакционного сосуда;
2 - мешалка;
3 - ёмкости для подачи реагентов;
4 - пережимные гидравлические клапаны;
5 - внешние трубки подачи реагентов и инертного газа;
6 - основание:
7 - стойки;
8 - привод мешалки;
9 - быстроразъемная муфта приводного вала мешалки;
10 - узел крепления рабочей камеры на стойках;
11 - разгрузочный узел в виде отводящей трубки и пережимного гидравлического клапана;
12 - стакан, заполняемый теплоносителем
13 - шланг подачи теплоносителя
14 - шланг вывода теплоносителя
15 - блок управления;
16 - термостат
17 - управляющий компьютер
18 - электрические кабели
19 - пневматические магистрали
20 - гидравлические магистрали
21 - внутренние трубки подачи реагентов и инертного газа.
Устройство содержит реакционный сосуд 1 и расположенную в нём лопастную мешалку 2, соединенную с приводом 8 быстроразъемной муфтой 9, две ёмкости для подачи реагентов и инертного газа 3 от системы подачи инертного газа ( на чертеже не показана), соединенные с реакционным сосудом 1 силиконовыми трубками 5, проходящими через пережимные гидравлические клапаны 4 и трубками 21 внутри сосуда. Емкости 3 и реакционный сосуд 1 подключаются через пневматические магистрали 19 к блоку управления 15. Реакционный сосуд 1 устанавливается в стеклянный стакан 12, заполняемый теплоносителем, который закреплен на стойках 7 с помощью узла крепления 10, выполненного из термостойкого материала. Термостатирование достигается за счет заполнения теплоносителем полости, образующейся между реакционным сосудом и стаканом. Стеклянный стакан 12 имеет два штуцера с тыльной стороны устройства, к которым подсоединены шланг подачи теплоносителя 13 и шланг вывода теплоносителя 14. Шланги подачи и вывода теплоносителя подсоединены к внешнему термостату 16. Блок управления 15 и внешний термостат 16 получают команды от компьютера 17. Управление осуществляется при помощи специализированного программного обеспечения. Стойки 7 могут быть вкручены в основание 6 или приварены к нему и формируют с ним единый узел (штатив). Стойки 7 и основание 6 выполнены из нержавеющей стали. На одной из стоек 7 закреплен привод мешалки 8 и разгрузочный узел 11 в виде отводящей трубки и пережимного гидравлического клапана. На другой стойке расположены емкости 3 и прижимные клапаны 4. Реакционный сосуд 1 с мешалкой 2, ёмкостями для подачи реагентов 3, силиконовыми трубками 5 могут быть выполнены съемными. Внутренние трубки подачи реагентов и газов 21 выполнены из нержавеющей стали и заведены через крышку реакционного сосуда 1 под углом к оси вращения мешалки 2, формируя однополостный гиперболоид вращения, наиболее узкая часть которого расположена в районе горловины реакционного сосуда 1. Такая конструкция является разборной и позволяет завести в реакционный сосуд до 8 прямых трубок и мешалку через узкую горловину и развести их друг от друга на максимальное расстояние внутри реакционного сосуда 1.
Заявляемое устройство является автоматизированным химическим реактором периодического действия с блоком управления и подключается к внешнему термостату и персональному компьютеру. Мешалка механическая лопастная с герметичным исполнением. Двигатель привода мешалки 8 бесколлекторный, с обратной связью. Соединение вала двигателя с ротором прямое, механическое, быстроразъёмное. Быстроразъемная муфта 9 позволяет разъединять и соединять ротор и привод 8 мешалки 2 во время работы при оборотах до 500 об/мин. Реактор в автоматическом режиме создает инертную атмосферу в зоне реакции и в емкостях 3 для подачи реагентов. Реактор в автоматическом режиме извлекает продукты реакции из реакционного сосуда 1. При необходимости термостатирования зоны реакции, реактор автоматически заполняет рубашку вокруг реакционного сосуда 1 теплоносителем и опустошает её после завершения протокола реакции.
Система добавления реагентов пневматическая. Управление потоками жидкостей внутри реактора происходит путем изменения давления инертного газа в ёмкостях для подачи реагентов 3 и в реакционном сосуде 1, при одновременном открытии соответствующих пережимных клапанов 4 и 11. Пневматическая система добавления реагентов является отличительной особенностью данного реактора. Преимуществом такой системы является то, что она позволяет уменьшить количество пар трения в результате уменьшения количества подвижных деталей внутри реактора и минимизировать мертвый объем системы при больших скоростях добавления реагентов.
Блок емкостей 3 для реагентов сделан съемным и может быть быстро демонтирован без применения инструмента. Благодаря такому подходу емкости добавления реагентов и реакционный сосуд 1 вместе с силиконовыми трубками 5 образуют сменный узел, который можно быстро заменить на другой, и, таким образом, исключить перекрестное загрязнение при проведении различных химических реакций на данном реакторе. В зависимости от типа проводимой реакции, в заявляемом устройстве возможно использование одной или нескольких ёмкостей для подачи реагентов. Добавление реагентов в реактор и выгрузка продукта осуществляются путём изменения давления инертного газа в ёмкостях для подачи реагентов 3 и в реакционном сосуде 1, при одновременном открытии соответствующих пережимных клапанов 4 и 11.
Пример 1.
Для синтеза наночастиц магнетита непосредственно перед реакцией в реакционный сосуд заливают необходимое количество раствора NaOH, в первую емкость для добавления реагентов заливают раствор солей двух- и трехвалентного железа, во вторую емкость для реагентов заливают лимонную кислоту. Далее, для барботирования инертного газа через растворы, открываются пневматические клапаны подачи инертного газа и клапаны выхлопа из емкостей для добавления реагентов 3 и реакционного сосуда 1. После окончания барботирования все открытые клапаны закрываются. Одновременно с этим происходит заполнение стакана 12 теплоносителем и термостатирование реакционного сосуда 1. Перемешивание раствора производится с помощью мешалки 2. Для добавления раствора солей железа, открывается клапан подачи инертного газа в соответствующий сосуд для добавления реагентов, открывается клапан выхлопа из реакционного сосуда и соответствующий гидравлический клапан 4. При этом раствор солей железа под давлением инертного газа подаётся в реакционный сосуд 1. После окончания подачи все клапаны закрываются. Добавление лимонной кислоты проводится аналогично процессу добавления раствора солей железа. После окончания процесса получения наночастиц магнетита открывается пневматический клапан подачи инертного газа в реакционный сосуд 1 и открывается гидравлический клапан разгрузочного узла 11. Под давлением инертного газа продукты реакции извлекаются из реакционного сосуда 1. Таким образом, вывод продуктов реакции происходит автоматически. Далее полученный коллоид диализуют в деионизованной воде 96 часов.
Пример 2.
Для синтеза микрочастиц ватерита непосредственно перед реакцией в реакционный сосуд заливают деионизованную воду, в одну емкость для подачи реагентов заливают водный раствор хлорида кальция, во вторую емкость для подачи реагентов заливают водный раствор карбоната натрия. Вначале процесса происходит заполнение стакана 12 теплоносителем и термостатирование реакционного сосуда 1. Для добавления раствора хлорида кальция, открывается клапан подачи инертного газа в соответствующий сосуд для добавления реагентов, открывается клапан выхлопа из реакционного сосуда и соответствующий гидравлический клапан 4. При этом раствор хлорида кальция под давлением инертного газа подаётся в реакционный сосуд 1. Перемешивание раствора производится с помощью мешалки 2. Аналогично добавляется раствор карбоната натрия. Затем смесь перемешивается 30 секунд, и после этого мешалка останавливается на 30 секунд. После окончания процесса синтеза микрочастиц ватерита продукты реакции извлекаются из реакционного сосуда 1 путём открытия пневматического клапана подачи инертного газа в реакционный сосуд 1 и гидравлического клапана разгрузочного узла 11. Под давлением инертного газа продукты реакции подаются из реакционного сосуда 1 в вакуумный фильтр. Далее с помощью вакуумного фильтра проводят промывку микрочастиц. Промытые микрочастицы просушивают в печи при 50°С.
В предложенном устройстве точность поддержания температуры 0.5°С. Все компоненты, взаимодействующие с реагентами и продуктом реакции, образуют сменный узел, который может быть быстро заменен без применения дополнительного инструмента. Устройство обеспечивает уменьшение мертвого объема в системе подачи реагентов с использованием пережимных клапанов.