УСТРОЙСТВО МИКРОВОЛНОВОГО ХИМИЧЕСКОГО СИНТЕЗА
MICROWAVE CHEMICAL SYNTHESIS APPARATUS

Изобретение относится к области технических устройств, обеспечивающих нагрев электромагнитным полем СВЧ реакционной среды при проведении химического синтеза. Изобретение предназначено для химического синтеза наноматериалов для промышленности и науки и позволяет проводить исследования кинетики химического синтеза с обеспечением контролируемого и управляемого воздействия микроволнового излучения на реакционную среду.
Микроволновый синтез представляет собой способ проведения химических реакций, в котором в качестве источника энергии служит микроволновое излучение. Микроволновый синтез проводится в специальных технических устройствах - микроволновых химических реакторах, состоящих из двух основных функциональных частей: микроволновой (генератор, средства подвода энергии к реакторной камере и самой камеры) и химической (реакторный сосуд из прозрачного для микроволнового излучения материала внутри реакторной камеры).
Воздействие микроволновой энергии на реакционную среду носит объемный характер, что приводит к ее нагреву до температур выше точки кипения растворителя, повышению давления, и требует применения средств оперативного контроля, управления и обеспечения безопасности микроволновых химических реакторов. В современных микроволновых химических реакторах осуществляется контроль и поддержание заданных профилей температуры реакционной среды путем введения обратной связи температуры с напряжением источника питания микроволнового генератора, изменяющего его выходную (излучаемую) мощность. При этом вне контроля остаются такие важные параметры микроволнового излучения в реакторной камере, как поглощаемая и отражаемая реакционной средой мощность. Поглощаемая мощность - это та часть выходной мощности генератора, которая непосредственно участвует в химической реакции. Отраженная мощность равна выходной мощности за вычетом поглощенной мощности. При слабополярной реакционной среде отраженная мощность может существенно превосходить поглощаемую мощность. Возникновение отраженной мощности является негативным явлением, поскольку вызывает нарушение стабильности работы генератора, вплоть до прекращения генерации, и приводит к снижению его долговечности. До настоящего времени основными способами борьбы с отраженной мощностью являются введение в реакторную камеру дополнительных поглощающих элементов (Kevin D. Ranner et al. «Microwave reactor for batch organic synthesis». J Org. Chem. 1995, 60, p.p.2456-2460) и использование исключительно полярных растворителей и реагентов (Р.Lidstrom et al. «Microwave-assisted organic synthesis» / Tetrahedron, 59, 2001, 9225-9283). Такие способы имеют существенные недостатки. Поглощающие элементы требуют охлаждения для отвода тепла, а использование только полярных растворителей и реагентов существенно сужает круг проводимых химических реакций, поскольку практически исключает из исследований реакции в неполярных или умеренно полярных растворителях.
Важным аспектом контроля отраженной и поглощенной мощностей является повышение безопасности при проведении химических реакций. Такой контроль служит дополнительным информационным каналом и ограничителем развития химических реакций в непредсказуемых направлениях. В частности, таким образом можно исключить опасность неконтролируемого нагрева частиц металлических катализаторов на стенках реакторных сосудов, поскольку в отличие от контроля температуры реакционной среды контроль отраженной и поглощенной мощностей является безынерционным.
Известно устройство (Патент US №4825028, «Magnetron with microprocessor power control», МПК Н05В 6/64, опубл. 25.04.1989), представляющее собой микроволновый генератор с изменяемой выходной мощностью, содержащий магнетрон, инверторный блок питания и микропроцессор с генератором стробирующих импульсов. Микропроцессор запускает и останавливает генератор стробирующих импульсов, которые переключают полевые транзисторные ключи в инверторе. Микропроцессор, таким образом, может регулировать среднюю за период времени выходную мощность магнетрона, подключая и отключая управляющую цепь на различные временные интервалы или изменяя частоту переключений инвертора.
Недостатком инверторного способа питания магнетрона и регулирования средней выходной мощности генератора является отсутствие регулирования мгновенной выходной мощности генератора в широких пределах и непрерывного режима работы магнетрона, без которых невозможна эффективная работа микроволнового химического реактора.
Известно устройство для микроволнового синтеза (заявка WO №9954035, «Use of continuously variable power in microwave assisted chemistry», МПК B01J 19/12, H05B 6/68, опубл. 28.10.1999), содержащее микроволновый генератор, состоящий из магнетрона и блока питания с непрерывно изменяемым напряжением, реакторную камеру и волновод, соединяющий реакторную камеру с генератором. В реакторной камере размещен датчик, контролирующий температуру реакционной среды. При работе устройства обеспечивается непрерывная регулировка выходной мощности генератора за счет отрицательной обратной связи датчика температуры с блоком питания. Устройство предусматривает поддержание определенного значения температуры реакторной среды. При повышении температуры выше заданного значения за счет обратной связи снижается напряжение на блоке питания магнетрона и соответственно выходная мощность. При понижении температуры происходит увеличение выходной мощности.
Возможности использования такого устройства ограничены проведением химических реакций только в полярных средах, полностью поглощающих микроволновое излучение генератора. Поскольку устройство не имеет средств контроля отраженной от объекта синтеза мощности, проведение химических реакций в слабополярной реакционной среде приведет к нестабильной работе генератора и снижению его долговечности. Инерционность температурного датчика и отсутствие средств контроля мощности, поглощенной в реакторной камере, существенно снижают уровень безопасности при синтезе металлоорганических соединений.
Известно устройство для микроволнового синтеза (сайт компании Sineo Microwave www.sineomicrowave.com/Products_px.asp?pid=10), содержащее генератор, состоящий из магнетрона и блока питания с непрерывно изменяемым напряжением в пределах десяти диапазонов по выходной мощности. Устройство для микроволнового синтеза снабжено датчиками, контролирующими температуру реакционной среды. При работе устройства в пределах каждого из десяти диапазонов мощности обеспечивается непрерывная регулировка выходной мощности генератора за счет обратной связи по температуре.
Такое устройство не имеет средств контроля отраженной от объекта синтеза мощности, что приводит к нестабильной работе генератора и снижению его долговечности. Инерционность температурных датчиков и отсутствие средств контроля мощности, поглощенной в реакторной камере, существенно снижают уровень безопасности при синтезе металлоорганических соединений.
Наиболее близким к заявляемому устройству является устройство, представленное в статье Kevin D. Ranner et al. «Microwave reactor for batch organic synthesis». J Org. Chem. 1995, 60, p.p.2456-2460.
Устройство содержит: магнетрон, блок питания, обеспечивающий плавное изменение напряжения, микроволновую камеру с помещенным в нее реакционным сосудом, волновод, соединяющий микроволновую камеру с магнетроном; ваттметры для измерения выходной (падающей) мощности магнетрона и мощности, отраженной от микроволновой камеры, оптоволоконный термометр, включающий термодатчик, оптоволокно, передающее инфракрасное излучение из реакционного сосуда на термодатчик, и далее через аналогово-цифровой преобразователь термодатчика на компьютер. Ваттметры подключены к волноводу с помощью направленных щелевых ответвителей. Для снижения уровня отраженной мощности в микроволновую камеру введена дополнительная регулируемая нагрузка, преобразующая в тепло ту долю падающей мощности магнетрона, которая не поглощается реакционной средой.
Падающая и отраженная мощности регулируются в ручном режиме изменением напряжения питания магнетрона и сопротивления дополнительной нагрузки. Измерительные устройства (ваттметры и оптоволоконный термометр) используются исключительно для мониторинга состояния реакционной среды.
Устройство характеризуется значительной инерционностью и не обеспечивает надежной безопасности и стабильных температурных условий при проведении химического синтеза в реакционных средах, диэлектрические свойства которых сильно меняются с ростом температуры. При увеличении тангенса угла диэлектрических потерь происходит быстрый рост поглощаемой микроволновой мощности и соответственно температуры реакционной среды. При этом температура может выйти за пределы безопасных значений раньше, чем это будет зафиксировано оптическим термометром. При уменьшении тангенса угла диэлектрических потерь с ростом температуры быстро возрастает уровень отраженной мощности, температура реакционной среды падает. Неконтролируемый рост отраженной мощности может привести к срыву генерации микроволнового излучения магнетроном и полной остановке синтеза. При этом снижается долговечность магнетрона.
Задачей заявляемого изобретения является создание устройства микроволнового химического синтеза, обеспечивающего технический результат, заключающийся в повышении стабильности проведения химического синтеза, повышении безопасности эксплуатации устройства и повышении долговечности магнетрона.
Сущность заявляемого устройства заключается в том, что в устройство микроволнового химического синтеза, содержащее компьютер, магнетрон, блок плавно изменяемого напряжения питания, реакторную камеру с размещенным в ней реакторным сосудом, на который через отверстие в стенке реакторной камеры направлен оптический термодатчик, электрически соединенный с аналогово-цифровым преобразователем термодатчика, выход которого соединен с первым входом компьютера, и волновод прямоугольного сечения, соединенный одним концом с магнетроном, другим концом с реакторной камерой, а выход блока плавно изменяемого напряжения питания соединен с магнетроном, дополнительно введены блок измерения коэффициента отражения, содержащий четыре зонда блока измерения коэффициента отражения и четырехканальный преобразователь аналоговых микроволновых сигналов в цифровой сигнал, каждый из каналов которого электрически связан с одним из зондов блока измерения коэффициента отражения, а выход четырехканального преобразователя аналоговых микроволновых сигналов в цифровой сигнал со вторым входом компьютера, блок динамического согласования, содержащий зонд и шаговый линейный привод блока динамического согласования, электрически связанный с первым выходом компьютера, а механически с зондом блока динамического согласования, при этом вход блока плавно изменяемого напряжения питания электрически соединен со вторым выходом компьютера.
Заявляемое устройство отличается тем, что в него введены новые блоки: блок измерения коэффициента отражения и блок динамического согласования, обеспечивающие обратную связь по отраженной мощности. При работе устройства с указанными блоками отраженная микроволновая мощность, генерируемая магнетроном, непрерывно контролируется блоком измерения коэффициента отражения, и с помощью блока динамического согласования обеспечивается стабильный уровень микроволновой мощности в реакторной камере, необходимый как для стабильных условий проведения химической реакции, так и для стабильного режима работы магнетрона, определяющего его долговечность. Созданы стабильные температурные условия для реакций химического синтеза, в которых диэлектрические свойства реакционной среды сильно меняются с ростом температуры. Такое устройство позволяет отслеживать резкие изменения коэффициента отражения, предупреждающие о возникновении аварийного режима работы, и, таким образом, повышает безопасность. Одновременное отслеживание величины отраженной мощности и значения температуры реакционной среды быстропротекающих химических реакций создает новые возможности для исследования физических свойств различных реакционных сред в отличие от ранее известных устройств, в которых это не осуществлялось из-за недостаточной динамичности в работе устройства.
Заявляемое изобретение поясняет фигура 1.
Фиг.1 Схема устройства микроволнового химического синтеза.
Устройство содержит реакторную камеру 1, реакторный сосуд 2, оптический термодатчик 3, аналогово-цифровой преобразователь термодатчика 4, блок плавно изменяемого напряжения питания 5, магнетрон 6, волновод 7, блок измерения коэффициента отражения 8, модуль из четырех зондов блока измерения коэффициента отражения 9, четырехканальный преобразователь аналоговых микроволновых сигналов в цифровой сигнал 10, блок динамического согласования 11, зонд блока динамического согласования 12, шаговый линейный привод блока динамического согласования 13, компьютер 14. Волновод 7 связан с магнетроном 6 и реакторной камерой 1. В реакторной камере 1 расположен реакторный сосуд 2, на который через отверстие в реакторной камере 1 направлен оптический термодатчик 3, связанный через аналогово-цифровой преобразователь (АЦП) термодатчика 4 с компьютером 14. Блок плавно изменяемого напряжения питания 5 связан с магнетроном 6 и с компьютером 14. Блок измерения коэффициента отражения 8 состоит из модуля из четырех зондов блока измерения коэффициента отражения 9 и четырехканального преобразователя аналоговых микроволновых сигналов в цифровой сигнал 10. Модуль из четырех зондов блока измерения коэффициента отражения 9 расположен на широкой стенке волновода 7, а штыри каждого зонда частично погружены в полость волновода 7. Каждый канал четырехканального преобразователя аналоговых микроволновых сигналов в цифровой сигнал 10 связан с одним из зондов блока измерения коэффициента отражения 9 и с компьютером 14. Блок динамического согласования 11 состоит из зонда блока динамического согласования 12 и шагового линейного привода блока динамического согласования 13. Зонд блока динамического согласования 12 расположен на широкой стенке волновода 7, а его штырь частично погружен в полость волновода 7. Привод блока динамического согласования 13 механически связан со штырем зонда блока динамического согласования 12, а электрически с компьютером 14.
Реакторная камера 1 имеет форму параллелепипеда, может быть изготовлена из высокопроводящего листового металла (например, меди), внутренняя поверхность полированная для снижения потерь микроволновой мощности в камере.
Реакторный сосуд 2 может быть выполнен из кварцевого стекла, имеющего высокую прозрачность для микроволнового, инфракрасного и оптического излучения.
В качестве оптического термодатчика 3 может быть использован бесконтактный датчик температуры T-GAGE M18TB14Q.
В качестве АЦП термодатчика 4 может быть использован модуль компании National Instruments N1 9205 с аналоговым входом.
В качестве блока плавно изменяемого напряжения питания 5 может быть использован блок питания марки СМ340 компании Alter Power Systems, который обеспечивает работу магнетрона мощностью до 0,9 кВт. Управление мощностью осуществляется цифровым (кодовым) управлением или изменением постоянного напряжения на соответствующем входе.
В качестве магнетрона 6 может быть использован магнетрон марки 2М210-М1, компании Panasonic, генерирующий максимальную мощность 900 Вт.
2
Волновод 7 может быть выполнен из серийно выпускаемой прямоугольной медной трубы сечением 90×45 мм.
Возможная реализация модуля четырехзондового блока измерения коэффициента отражения 9 представлена в статье А.Д.Григорьев, А.Д.Тупицын, Б.В.Прищепенко. Измеритель коэффициента отражения в микроволновом химическом реакторе. Известия вузов России. Радиоэлектроника. 2012. Вып.1, с.109-112, где модуль четырехзондового блока измерения коэффициента отражения 9 содержал четыре медных штыря, расположенных в отверстиях в широкой стенке волновода 7 и отстоящих друг от друга на четверть длины волны микроволнового излучения.
Возможная реализация четырехканального преобразователя аналоговых микроволновых сигналов в цифровой сигнал 10 представлена в статье А.Д.Григорьев, А.Д.Тупицын, Б.В.Прищепенко. Измеритель коэффициента отражения в микроволновом химическом реакторе. Известия вузов России. Радиоэлектроника. 2012. Вып.1, с.109-112, где преобразователь состоит из четырех одинаковых каналов, каждый из которых содержит модулятор, детектор, усилитель, синхронный детектор с интегратором, аналого-цифровой преобразователь. В качестве модулирующих и детектирующих элементов могут быть использованы диоды ВАТ 17, усилитель переменного напряжения может быть выполнен на микросхеме К1УС221А.
Шаговый линейный привод блока динамического согласования 13 может быть реализован с использованием линейного шагового двигателя 25BYZ-01 (http://stepmotor.ru/25byz/) и контроллера шагового двигателя Onitex OSM 17R. Зонд блока динамического согласования 12 содержит медный штырь, соединенный с валом линейного шагового двигателя привода.
Компьютер 14 снабжен управляющей программой, созданной в среде конечного пользователя LabVIEW, включает 4-слотовое USB-шасси N1 cDAQ-9174, к которому подключены четыре модуля ввода/вывода С-серии обработки аналоговых, цифровых сигналов и сигналов счетчиков/таймеров.
Устройство работает следующим образом. Реакторный сосуд 2 заполняется жидкой реакционный средой, содержащей реагенты и, как правило, растворитель. Объем реакционной среды ограничен размерами реакторной камеры 1 и не превышает 20 мл. Реакторный сосуд 2 через шлюз в верхней стенке реакторной камеры 1 помещается внутрь так, что его верхний конец остается снаружи.
Включается компьютер 14, после загрузки его операционной системы запускается программа, управляющая работой микроволнового химического реактора. В программе устанавливается время проведения и температура химической реакции, затем задается команда на включение блока плавно изменяемого напряжения питания 5 и осуществляется повышение напряжения питания до начала генерации магнетроном 6 микроволнового излучения малой мощности. С началом генерации включается в работу блок измерения коэффициента отражения 8. Измеряемые модулем четырехзондового блока измерения коэффициента отражения 9 значения падающей и отраженной мощности поступают в четырехканальный преобразователь аналоговых микроволновых сигналов в цифровой сигнал 10, и затем текущее значение коэффициента отражения поступает в компьютер 14. Если текущее значение коэффициента отражения не превышает установленного порога, компьютер 14 дает блоку плавно изменяемого напряжения питания 5 команду на повышение уровня напряжения и соответственно генерируемой мощности.
Если текущее значение коэффициента отражения превышает установленный порог, компьютер 14 дает команду на шаговый линейный привод 13 произвести механическое перемещение штыря зонда блока согласования 12 на заданное число шагов внутрь волновода 7. Воздействие блока динамического согласования 11 на волновод 7 производится до тех пор, пока текущее значение коэффициента отражения не снизится до минимального значения. Одновременно производится измерение температуры реакционной среды оптическим термодатчиком 3. Аналоговый сигнал термодатчика 3 поступает в аналого-цифровой преобразователь термодатчика 4 и затем в цифровом виде передается на компьютер 14. Если текущее значение температуры оказывается менее заданного, компьютер 14 выдает команду на блок плавно изменяемого напряжения питания 5 об увеличении напряжения. При достижении заданной температуры реакционной среды напряжение остается неизменным и даже снижается, если температура в ходе реакции повышается выше заданной. Время проведения химической реакции начинает отсчитываться от момента достижения заданной температуры, и по достижении заданной продолжительности генерации прекращается отключением напряжения питания магнетрона 6. Работа магнетрона 6 может быть прекращена досрочно прекращением подачи напряжения от блока плавно изменяемого напряжения питания 5 в случае резкого изменения текущего значения коэффициента отражения и выхода его за верхний установленный предел.
Таким образом, предлагаемое устройство микроволнового химического синтеза обеспечивает повышение стабильности проведения химического синтеза, повышение безопасности эксплуатации устройства и повышение долговечности магнетрона.