Аналитический автоклав

 

1 .АНАЛИТИЧЕСКИЙ АВТОКЛАВ,включающий металлический корпус с днищем и крышкой, с теплообменником, нагреватель в корпусе, выполненные из фторпласта .реакционную емкость с крышкой, внутренняя полость которой выполнена конической и направлена конусностью внутрь реакщюнной емкости, и стакагном-сборником , размещенным внутри емкости с образованием камеры для растворителя, и средство для герметизации, о т л и ч а ю щ и и с я тем, что, с целью расширения области примене : ния за счет совмещения операций вскрытия , растворениями концентрирования растворов исследуемых материалов, повышения надежности работы автоклава за счет локализации зон нагрева и охлаждения и улучшения герметизации при переменных температурах, нагреватель установлен под днищем автоклава в корпусе нагревателя выполнен кмкля для подачи хладагента, теплообменник размещен внутри крышки и выполнен в виде полого Т-образного штока, торЦовая поверхность расширенной части которого соприкасается с нарзгжной поверхностью крышки реакционной емкосггти , и снабжен размещенной по оси штока с образованием кольцевого канала для вьшода хладагента трубкой для ввода хладагента с дисковым распределителем , размещенным в расширенной части Т-образного штока, 2„ Автоклав по п.1, отличающийся тем, что теплообменник снабжен коаксиально размещенными патрубками ввода и вывода хладагента, о S подключенными соответственно к труб (Л ке и кольцевому каналу. 3.Автоклав по п,1, о тли ч а ю щ и и с я тем, что, с целью обеспечения безопасности работы автоклаза за счет компенсации изменения длины корпуса автоклава и реакционной емкости с крышкой при температурном расширении, конец штока выведен над крышкой автоклава и выполнен с резьбой , а средство для герметизации выполнено в виде установленноговнутри о крышки автоклава коаксиально снаружи д штока блока тарельчатых пружин с на-я :л тяжкой гайкой, укрепленной на резь|бовой части штока. . , 4 .Автоклав по п.1, отличающийся тем, что, с целью повышения экспрессноети цикла операций, теплообменник и нагреватель снабжены средствами удаления хладагента, нагрев выпош1ен с возможностью съема.

СОЮЗ СОВЕТСНИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСНИХ

РЕСПУБЛИН

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ НОМИТЕТ

ПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТНРЫТИЯМ

ПРИ ГКНТ СССР

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Н АВТОРСКОМУ С8ИДЕТЕЛЬСТВУ (21) 3377067/23-26 (22) 31.12.81 (46) 15.08.90. Бюл. В 30 (.71) Государственный научно-исследовательский и проектный институт редкометаллической промьппленности (72) .!Э.А.Игнатьев, В.А.Орлова, Т.М.Малютина, M.À.Åðìoõèí °

В.В.Смирнов и Т.И.Кириллова (53) 66.046.8(088.8) (56) Авторское свидетельство СССР кл. В 01 J 3/04, по заявке

¹ 3213006/23-26, 1980.

Авторское свидетельство СССР № 896805„ кл. В 01 J 3/04, 1981. (54) (57) 1.АНАЛИТИЧЕСКИЙ АВТОКЛАВ,включающий металлический корпус с дйищем и крышкой, с теплообменником, нагреватель в корпусе, выполненные из фтор" пласта:реакционную емкость с крышкой, внутренняя полость которой выполнена конической и направлена конусностью внутрь реакционной емкости, и стака-.ном-сборником, размещенным внутри емкости с образованием камеры для раст-ворителя, и средство для герметизации, отличающийся тем, что, с целью расширения области примене ния за счет совмещения операций вскрытия, растворения „и концентрирования растворов и следуемых материалов, повышения надежности работы автоклава за счет локализации зон нагрева и охлаждения и улучшения герметизации при переменных температурах, нагреватель установлен под днищем автоклава в корпусе нагревателя выполнен какал . ()25 В, 01 J 3/04 В 01 Ь 11/00

2 для подачи хладагента, теплообменннк размещен внутри крышки и выполнен в виде полого Т-образного штока, торцовая поверхность расширенной части которого соприкасается с наружной поверхностью крышки реакционной емкос . ти, и снабжен размещенной по оси штока с образованием кольцевого канала для вывода хладагента трубкой для ввода хладагента с дисковым распределителем, размещенным в расширенной части Т-образного штока.

2. Автоклав по п.1, о т л и ч аю шийся тем, что теплообменник снабжен коаксиально размещенными патрубками ввода и вывода хладагента, подключенными соответственно к трубке и кольцевому каналу.

3. Автоклав по п,1, о т л и ч а— ю шийся тем, что, с целью обес- печения безопасности работы автоклава за.счет компенсации изменения длины корпуса автоклава и реакционной

:емкости с крышкой при температурном расширении, конец штока выведен над крышкой автоклава и выполнен с резьбой, а средство для герметизации выполнено в виде установленного внутри крьппки автоклава коаксиально снаружи: штока блока тарельчатых пружин с на я тяжкой гайкой, укрепленной на резьбовой части штока.

4. Автоклав по п.1, о т л и ч а— ю шийся тем, что, с целью повышения экспрессности цикла операций, теплообменник и нагреватель снабжены средствами удаления хладагента, нагре- . мжль выполнен с возможностью съема.

1031035

Изобретение относится к лабораторному оборудованию и может быть использовано для анализа материалов высокой чистоты с применением агрессивных сред и повышенных давлений.

Известен аналитический автоклав, содержащий корпус с установленной на нем на резьбе крышкой, запорное уст-, ройство, размещенное в крьппке, и рас- щ положенный в корпусе изготовленный из

". фторпласта реакционный стакан, снабженный горловиной меньшего диаметра и крьппкой в виде цилиндра с фланцем.

Однако такая конструкция не обес- 15 печивает проведения операции очистки растворителя перегонкой и операции концентрирования растворов исследуемых материалов отгонкой избытка растворителя. 2О

Известен аналитический автоклав, включающий металлический корпус с дннцем и крьппкой с теплообменником, нагреватель в корпусе, выполненные из фторпласта реакционную емкость с 25 крьппкой, внутренняя полость которой выполнена конической и направлена конусностью внутрь реакционной емкости, и стаканом-сборником,. размещенным внутри емкости с .образованием камеры для растворителя, и средство для герметизации.

Охлаждение фторпластового конуса крышки реакционной емкости осуцествляется за счет:теппопроводности мате риала крышки корпуса, и вершина конуса крышки реакционной емкости,,на ко+ торой должен конденсироваться и скапывать растворитель в стакан-сборник, наиболее удалена от теплообменника, 4 вмонтированного. неподвижно в металлическую крышку автоклава по ее периметру, что снижает возможность создания градиента температур в реакционной емкости для проведения опеРа- 45 ции очистки растворителя перегонкой.

Охлаждение конуса крышки реакционной . емкости затруднено еще и тем, что между конусом крышки реакционной емкос- ти и крышкой корпуса автоклава всегда 50 присутствует воздушный зазор, увеличивающийся за счет "отхода" конической части фторпластовой крышки реакционной емкости из-за температурного расширения фторпласта > возникающего в результате нагрева конической по55 верхности крышки реакционной емкости парами растворителя. Если учесть, что теппопроводность фторпласта, очень мала (5,9 10- кал.с С), а коэффициент линейного расширения большой, то чем вьппе температура паров растворителя (или чем больше будет прогрет конус крьппки реакционной емкости), тем больше будет воздушный зазор и хуже охлаждение фторпластового конуса и недостижимее конденсация растворителя на конусе.

Это усугубляется тем, что создать градиент температур в реакционной ем-. кости для операции очистки раствори1 теля перегонкой затрудняет коаксиально вмонтированный на всю длину корпуса автоклава электронагреватель, который создает практически одинаковую температуру на всей длине корпуса авклава, реакционного стакана, а от не-. го и стакана — сборника, что одновременно препятствует накоплению растворителя в жидкой фазе в стаканесборнике. Кроме того, вмонтированный электронагреватель, уплотнение реакционной емкости крьппкой по их бортикам, зажимаемых крышкой автоклава при помощи тяг или прижимных винтов, рас положенных снаружи на некотором расстоянии от корпуса с электронагревателем, не только не повышает надежности герметизации, но ухудшает ее в условиях работы автоклава при переменных температурах из-за различных коэффициентов линейнбго расширения фторпласта — 4 и стали. При нагреве от 25 до 250 С разница в расширениипойдет на дополнительную деформацию бортиков реакционной емкости и крьппки за счет псевдотечения, а при пот..:-. следуюцем остывании уплотнения в нем возникнет соответствующая этой разнице неплотность, Это усугубляется еще,и тем, что запорное устройство . в виде тяг или винтов, расположенных снаружи корпуса с нагревателем, на протяжении всего цикла различных операций в автоклаве остается при практически неизменной температуре.

Кроме того, вмонтированный в корпус электронагреватель увеличивает время охлаждения автоклава, что снижает экспрессность работы с автоклавом.

Учитывая, что вскрытие некоторых исследуемых материалов проводится при температурах, близких макснмальг.. ным рабочим температурам использова": ния фторпласта, и не всегда известна давление, которое возникает в авто клаве при растворении исследуемых ма-.

10 териалов, недостатком прототипа является отсутствие предохранительного устройства для сбрасывания сверхнормативного давления, что отрицательно сказывается на безопасности работы с автоклавом.

Целью изобретения является расширение области применения аналитического автоклава за счет совмещения операций вскрытия, растворения и концентрирования растворов исследуемых материалов, повьппения надежности работы автоклава эа счет локализации зои нагрева и охлаждения и улучшения герметизации при переменных темпера::турах, обеспечение безопасности работы автоклава за счет компенсации изменения длины корпуса автоклава и реакционной емкости с крьппкой при

Ъ температурном расширении и повышение экспрессности цикла операций.

Поставленная цель достигается тем, что в аналитическом автоклаве, включающем. металлический корпус с .днищем и крышкой с теплообменником, нагреватель в корпусе, выполненные из фторпласта реакционную емкость с крышкой, внутренняя полость которой выполнена конической и направлена конусностью внутрь реакционной емкости, и стаканом — сборником, размещенным внутри емкости с образованием камеры для растворителя, и средство для герметизации, согласно изобретению нагреватель установлен под днищем автоклава, в корпусе нагревателя выполнен канал для подачи хладагента, теплообменник размещен внутри крышки и выполнен в виде полого Т-образного штока, торцовая поверхность расширенной части которого соприкасается с наружной поверхностью крышки реакционной емкости и снабжен размещенной по оси штока с образованием кольцевого канала для вывода хладагента трубкой для ввода хладагента с дисковым распределителем; размещенным в расширенной части

Т-образного штока, а также тем, что теплообменник снабжен коаксиально размещенными патрубками ввода и вывода хладагента, подключенными соответственно к трубке и кольцевому каналу, а также тем, что конец штока выведен над крьппкой автоклава и вы.полнен с резьбой, а средство для герметизации выполнено в виде установленного внутри крышки автоклава коаксиально снаружи штока блока тарельча-:

31035 б тых пружин с натяжной гайкой, укрепленной на резьбовой части штока, а также тем, что теплообменник.и нагреватель снабжены средствами удаления хладагента, а нагреватель выполнен с возможностью съема.

Сущность предлагаемой конструкции заключается в том,, что выполнение в заявляемой койструкции автоклава установленного под днищем автоклава. съемного нагревателя, в корпусе которого выполнен канал для подачи хладагента, теплообменника, в виде полого Т-образного штока, размещенного внутри крышки автоклава и соприкаса: юцегося тонкой торцовой поверхностью своей расширенной части с наружной поверхностью крышки реакционной ем20 кости, и оснащение автоклава средст" вами для удаления хладагента из теп-. лообмейника и нагревателя позволяет увеличивать градиент температур в реакционной емкости для проведения

25 операций очистки растворителя перегонкой, койцентрирования растворов исследуемых материалов, и осуществить максимально возможное непосредственное охлаждение фторпластовой крьппки

30 реакционной емкости (не охлаждая крышку корпуса автоклава), на конусе которой происходит конденсация паров и скапывание растворителя в стакансборник (в процессе операции очистки растворителя перегонкой иэ камеры для растворителя в реакционной емкос« ти в стакан-сборник), за счет абсолютного контакта тонкой торцовой поверхности расширенной части теплооб40 менника с наружной поверхностью крышки реакционной емкости с силой, необходимой для герметизации высокого давления в реакционной емкости. Зазоры между стенками и дисковым распре45 делителем внутри расширенной части

Т-образного теплообменника служат для равномерного распределения потока хладагента по всей площади тонкой торцовой поверхности расширенной

50 части теплообменника для одинакового охлаждения всей поверхности крышки реакционной емкости и создания мини. мальной температуры на вершине конуса крышки реакционной емкости, как

55 наиболее удаленной от прогреваемого корпуса автоклава. Кроме того, заявляемая конструкция автоклава и теплообменника предусматривает выполнение резьбы на конце Т-образного штока

1031035 (выведенного над крышкой автоклава) теплообменника и установление на нем натяжной гайки, а внутри крьппки автоклава установку коаксиального сна- .

1 ружи штока блока тарельчатых пружин, которые не только осуществляют герметизацию реакционной емкости крьппкой, превращая теплообменник в запорное устройство, но и компенсируя неизбеж- 1О но возникающие из-эа теплового расширения в условиях переменных темпера. „ тур изменения длины корпуса автоклава и реакционной емкости с крьппкой, обеспечивают надежность герметизации в.

° условиях изменения температур в цикле трех операций и постоянный контакт теплообменника с крышкой реакционной емкости.

Одновременно теплообменник выполня-.20 ет функции предохранительного устрой.ства для сбрасывания сверхцормативного давления. В случае превьппения дав.лением, возникаюцим в реакционной емкости в результате реакции растворе- 2-> ния пробы, тарированного усиления, создаваемого тарельчатыми нружинами и достаточного для герметизации, крышка реакционной емкости приподнимается, сжимая пружины, сверхнормативное 30 давление сбрасывается иэ реакционной емкости, и теплообменник работает как предохранительный клапан.

Заявляемая конструкция автоклава, снабженного устройством для удаления 3»; хладагента из теплообменника, напри-мер компрессор, .позволяет надежно совместить в одном цикле не только операцию очистки растворителя перегонкой с операцией растворения исследуемых 49 материалов в стакане-сборнике, но и выполнить операцию концентрирования растворов исследуемых материалов в стакане-сборнике сотгонкой избытка растворителя из стакана-сборника об- . 45 ратно s камеру для растворителя в реакционной емкости за счет локализации зоны нагрева и охлаждения на дне автоклава при помощи .съемного нагревателя., в корпусе которого выполнен 50 канал для подачи в него хладагента.

При нагревании дна автоклава одновременно с подачей хладагента в .теплообменник создается градиент темпера тур в реакционной емкости и оаущестЮ вляется испарение растворителя из камеры для растворителя (быстронагре-: ваемой за счет тонкого дна реакцион- . ной емкости, с силой прижатого к дну автоклава), конденсация его паров на охлажденном конусе крышки реакционной емкости и вкапывание жидкой фазы растворителя в стакан-сборник, в котором находится исследуемый материал.

Дальнейший нагрев автоклава с теплообменником, освобожденным от хладагента для предотвращения конденсации па-. ров растворов и растворителя на конусе крьппки реакционной емкости и скапывания их в стакан- сброрник, осуществляет растворение исследуемых матЬриалов в накопленном в стакане-сборнике растворителя. При прекращении нагрева и замене нагрева избирательным охлаждением дна автоклава за счет подачи хладагента в канал в корпусе нагревателя, превращающей его в холодильник, осуществляется операция концентрирования растворов исследуемых материалов отгонкой избытка растворителя иэ стакана-сборника обратно в камеру для растворителя в реакционной емкости эа счет градиента температур между нагретыми и обладающими большой теплоемкостью корпусом автоклава, крьппкой реакционной емкости, стаканом-сборником, наполненным продуктами реакции .и избытком растворителя и избирательно охлажденным тонким дном ка.. меры- для растворителя реакционной емкости и использования различных температур испарения продуктов реакции и растворителя. Кроме того, использование данного нагревателя, превращаемого в холодильник эа счет подачи в него хладагента, осуществляет принудительное охлаждение автоклава, что повышает зкспрессность работы автоклава.

На фиг.1 изображен предлагаемый автоклав, содержащий металлический корпус 1 с крышкой 2, нагреватель 3 с каналом 4, теплообменние 5 с коаксиальным вводом и выводом 6 и дисковым распределителем 7, блок тарельчатых пружин 8, натяжную гайку 9, реакционную емкость 10 с крьппкой 11 и стаканом-сборником 12,, подвижную вставку 13.

На фиг.2 изображена схема подачи хладагента в теплообменник и нагреватель и удаления иэ них хладагента при помощи компрессора °

Устройство работает следующим образом.

Реакционную емкость заполняют растворителем, в стакан-сборник помещают

9, . 1031 анализируемую пробу, вводят его в реакционную емкость, закрывают крьппкой и помещают в корпус 1 автоклава. Поворачивая натяжную гайку 9 по часовой стрелке на 1/4+1/2 оборота, сжимают блок, тарельчатых пружин 8 для прида ния запорному устройству усилия, обеспечивающего надежное уплотнение.реакционной емкости .10. Завинчивают крьппку 2 на корпусе 1 автоклава. Придерживая крышку 2, во избежание развинчивания поворачивают натяжную гайку 9 против часовой стрелки. до свободного хода, распуская при этом блок тарельчатых пружин 8, которые с полной силой воздействуют на крышку 11 реакционной емкости 10. При этом на кони-. ческой поверхности емкости 10 происходит взаимная приработка материала реакционной емкости 10 и крьппки 11, благодаря чему достигается герметизация. Проведение цикла операций заключается в следующем. Подготовленный к работе автоклав помещают на нагреватель З,.работающий в режиме нагрева, .осуществляя избирательный нагрев дна корпуса 1 автоклава и дна реакционной емкости 10.

Одновременно с включением электронагревателя подается хладагент в те плообмениик 5 для создания градиента . температур в реакционной емкости 10..

При этом на конусе крышки 11 реакционной емкости - 10 происходит конденсация паров растворителя и скалывания их в стакан-сборник 12.

Время перегонки растворителя выбирается таким образом, чтобы количество растворителя, собранного в стакане.сборнике 12, было достаточным для растворения анализируемой пробы. После этого отключается подача хладоагента в теплообменник. 5. При помощй компрессора хладагент полностью удаляется иэ теплообменника 5. Затем авто- .. клав прогревается до температуры вскрытия анализируемой пробы.. По истечении времени, необходимого для

- вскрытия анализируемой пробы, отклю чают электронагреватель в нагревателе 3 и подачей хладагента в канал в ! корпусе нагревателя переводят.его в ре-. жим охлаждения для автоклава для созда- ния градиента температур с целью прове;,дения операцйи концентрирования раство-, ра пробы отгонкой избытка растворителя ..

Ъосле охлаждения автоклава.до комнатной температуры натяжную гайку 9 по035 10 ворачивают по часовой стрелке для снятия усилия с крышки 11 и свободно го развинчивания крышки 2 корпуса ав "

5 токлава. Развинчивают крышку 2 реак-, -,Э ционную емкость IO BbtHHHcB6T Hs Kop» пуса 1, надавливая на подвижную вставку 13, снимают крышку II и щипцами из фторпласта вынимают стакан-сборник

12 из реакционной емкости IG. Раствор из стакана-сборника 12,используют для проведения анализа.

Вскрытие анализируемых материалов .в автоклаве предлагаемой конструкции использовано в аналитическом контроле качества полупроводниковых материалов, редких тугоплавких,.редкоземельных металлов и их соединений высокой чистоты

20 Проведенные оцыты показали, что предлагаемая конструкция, позволяющая совместить три операции (очистку растворителя, вскрытие анализируемой про,бы и концентрирование раствора пробы), 25 дает возможность обеспечить повышен- ную чистоту проведения аналитических работ, значительно улучшить метрологические характеристики методик анализа: снизить границы определяемых со, 3р держаний ряда примесей, особенно ..цветных и тяжелых металлов, до микро и ." субмикрограммовых концентраций (10. — 10 > Е), повысить воспроизводимость разработанных методик анали-". за, благодаря .исключению контакта с дополнительными источниками sàãðÿçíåний, использованию лабораторной посуды, необходимой для каждой из проводимых в одном стакане-сборнике опе40 раций (аппараты для очистки растворителей перегонки, чашки, тигли, стаканы или автоклавы для растворения анализируемых проб, лабораторная посу- да для проведения операции концентри-.

45 рования), повысить экспрессность про. цесса, эа счет исключения ряда опера, ций (подготовка посуды для каждого опыта, отдельное проведение трех операций) .

В табл. 1 представлены сравнитель ные результаты анализа высокочистых материалов после растворения проб в посуде, являющейся базовым объектом, . в автоклаве — аналоге и в автоклаве предлагаемой конструкции.

В табл. 2 приведено время, необходимое для подготовки пробы в раэлич": ных условиях. орятелк3 Вскритяе пе прося е прел° е

33t 09 3l4C.I

5,8t2,5 1n 4

7 122 5. 333=3

1 ° 2105 105

5 3t2 1 1п

1 ° 1633,1 ° 10 5

S,О ° 1n

5 0.10

5,0 1О 4

1,о.in-+

1,n ° 10 5

1,4tn,6 133 4

1.0-10-4

5,121,2.10 3

6,863 5 10.3

1,420,3.10 5

5 061,1 ° 10 5

1 2t0,2 10 f з,и .о ю

Някелр

Мартекеп

Велело йобаплт

Хрон

Мель

Никола

Мартамеп

Wen4so

Хобаллт

Хрон . °

Мелл

Никеле

Марраиеи

Ienaso

Хобаллт Хроя

Мелл

l1entotoina про6 Внсокоеистни натериалои к аяаляер

Таблмиа 2

33л33Стла РастиоРЯтелл 3 Ескр33тяа комиамтрярооаиле пробя а препиеиион ектоклаие теорителл, нл Врона, е

Оисии те рбяи

Таит аиат л33тяа

Наитопспп таитапа г,s-s,o

6,S-7,0

eo ee b,O

1 ° 52 0

1,5 2,S

1,5-2,5

O,S-O,7

0.6-О,В

0,6-0,В

5 ю3 НС1

10 нл HP (131)

15 нп HP (131) .

S нп HCl

10 нл НУ (131) (5 нл НУ (1:0

2,0 10 нп НС1

О,5 20 Ht (13 l)

230 40 33л НУ (131) 4,О-S,0 МЕ ВСКРЯВаатси/

О ° 6-0,7

0,7-i O

2 наНУ

5 ю3НУ

1.5 2,0

1 ° 5"2 ° 5

2 3М3 HF

5 нл HF

2,0 30 нл Ht

S,O 1OO НУ ОЗгоЗЗ 2

Таким образом, предложенная кон- Снизить в 2-10 раз границы опредеструкция по сравнению с известной по- ляемых содержаний микропримесей. эволяет получить следующий положительный эффект. Значительно расширить круг высокоСовместить проведение трех опера-.. чистых объектов анализа.

5 ций одновременно в одном цикле (очист-: ку растворителя, вскрытие аналиэируе- Повысить экспрессность анализа. мой, пробы, концентрирование раствора . Освободить часть платиновой лабораанализируемой пробы . торной поеудыу

Упростить условия концентрирования Повысить производительность труда растворов анализируемых проб. аналитика.

Т ° алии °

33тонмоебсорб33ЯОМ333333 аяалие 433СОКОЧЯСТ03 О таИТЕЛМТВ ЛЗИяи с яслоплеоиаияен

3 раелнекни способоа полкотоакн

Наеесла проси 2,0 r, Р 0,95

l031035

1031035

®082

Редактор С.Титова

ТехРед Д.0лийнык

Корректор Л.Пилипенко. Заказ 3084 Тираж 424 Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СЧСР

113035, Москва, Ж-35, Раушская наб., д. 4/5

Производственно-издательский комбинат "Патент", г. Ужгород, ул. Гагарина, 101