CN110052233A - 具有双重作用密封件的高温压力消解容器系统 - Google Patents

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Abstract

公开了一种用于高压反应的容器系统。所述系统包括：插塞式聚合物圆柱体反应容器，所述反应容器具有径向地延伸穿过所述反应容器的壁的压力通风开口；以及支撑框架，所述容器被收纳到所述支撑框架中。所述容器上和所述框架上的互补的键锁结构元件将所述支撑框架中的所述反应容器和所述径向延伸的通风开口的定向限于限定的单个位置。

Description

具有双重作用密封件的高温压力消解容器系统
本申请是申请人CEM有限公司于2017年5月1日提出的PCT申请PCT/US2017/030384于2018年12月12日进入国家阶段的申请号为201780036649.0、发明名称为“具有双重作用密封件的高温压力消解容器系统”的发明申请的分案申请。
背景技术
本发明涉及用于高压化学的容器系统，并且特别涉及微波辅助的化学分析，例如于强酸中的消解或于有机溶剂中的萃取。
将微波辐射用于酸消解和溶剂萃取通常在行业内得到确认。
消解涉及几个类型的过程，包括减少在高温炉中灰化的材料。然而，在本发明的背景下，消解主要通过以下操作来进行：将基质(岩石、植物、土壤、食物、药物、塑料、金属)放入强无机酸或几种强无机酸(硫酸、盐酸、磷酸、硝酸)的组合中，并且加热所得组合物，直到酸将基质分解成元素或离子。在消解结束时，得到的通常是澄清或接近无色的溶液，能够将所述溶液稀释，接着使用一种或多种定量分析方法对所述溶液进行测试。
微波辅助的封闭容器萃取明显地减少了溶剂用量，并且能够特别地用以使用比常规塞拉萃取(Sierra extraction)所需的溶剂少一个数量级的量的溶剂来进行许多萃取。
在消解背景下，封闭微波系统的最显著优点是其提供的时间节省。与敞开式消解的5到12个小时(或更久)相比，微波消解能够在小于约一小时的时间中进行。封闭微波系统还准许消解在高于酸的沸点的温度下进行，而敞开式消解被限于酸的沸点。微波消解需要的酸与敞开式消解相比成比例地减少。微波消解在被恰当进行时防止腐蚀性酸雾的损耗和或挥发组分的对应损耗。最终，与敞开式消解相比，微波消解消除了来自外源的污染的风险。
出于特定目的，个别化的单个样本测试最有帮助，但是在许多情况下，同时并行地消解多个类似基质的批量系统会有帮助且有效率。当前实例包括(但不限于)来自CEM公司(美国，北卡罗来纳州(NC)，马修斯(Matthews)；本申请的受让人)的Mars 6TM仪器。
在批量情况下，能够通过在每个批次中包括更多样本来提高效率。因此，目前可用的批量系统常常合并能同时保持至多12个消解容器的转台。通常，每个容器被保持在某一类型的加强结构中，以在微波加热步骤使反应直接达到成功进行消解所需的温度时，帮助将容器保持在封闭状态。
然而，作为一些部分缺点或限制，许多此类系统被限于相当小的容积，且许多此类系统需要连接的控制件以测量温度和压力并且限于一次最多12个容器。通常通过打开容器的盖(即使只是稍微打开)和允许气体逸出来进行大部分封闭微波容器系统中的压力释放。
另外，用以在所要压力下使容器保持封闭(并且在一些情况下，在特定压力限制下动态地打开)的机械系统中的一些需要显著的机械效益，例如多达60英寸磅的扭矩。
基于如此要求，在一个批次中合并12个容器的系统需要付出很大努力以在能够进行批次处理之前关闭所有容器。
因此，需要在转台上包括更多容器以用于批次处理的仪器，其中能够保持至少约数百毫升或更多的容器，不需要用于温度和压力测量的任何连接的控制件，不需要任何金属零件，并且同时更有意地控制动态压力密封件的排气。
发明内容
在一个方面，本发明是一种用于高压反应的容器系统，所述容器系统包括：插塞式聚合物圆柱体反应容器，所述反应容器具有径向地延伸穿过所述反应容器的壁的压力通风开口；以及支撑框架，所述容器被收纳到所述支撑框架中。所述容器和所述框架上的互补的键锁结构元件将所述支撑框架中的所述反应容器和所述径向延伸的通风开口的定向限于限定的单个位置。
在另一方面，本发明是一种用于高压反应的容器系统，所述容器系统包括聚合物圆柱体反应容器，所述反应容器具有径向地延伸穿过所述反应容器的壁的压力通风开口。圆柱形加强套管围绕所述反应容器的除所述径向延伸的通风开口以外的部分。阶梯式滑动封头插塞在所述反应容器的口部中，所述阶梯式滑动封头插塞用于在不打开所述反应容器的所述口部的情况下打开和关闭所述径向延伸的压力通风开口。尺寸稳定的封头在所述封头插塞上。所述容器被收纳在支撑框架中，以及夹具，所述夹具用于通过对所述尺寸稳定的封头施加力来将所述容器紧固在所述框架中。所述容器和所述框架上的互补的键锁结构元件将所述反应容器和所述径向延伸的通风开口的定向限于限定的单个位置。
在另一方面，本发明是一种进行高压反应的方法，所述方法包括以下步骤：加热反应容器中的反应物，所述反应容器用滑动插塞封闭；以及通过滑动所述插塞以打开所述反应容器中的径向延伸的通风开口、但不会将所述滑动插塞从所述容器移除或用其他方式打开所述容器来从所述反应容器释放气体。
基于结合附图进行的以下详细描述，本发明的前述和其他目标和优点和实现所述目标和优点的方式会变得更清楚。
附图说明
图1是本发明的合并反应压力容器和支撑框架的容器阵列的透视图。
图2是反应容器和支撑框架的透视图。
图3和4是从支撑框架的相对侧截取的相应侧面正视图。
图5是沿着图2的线5-5截取的横截面图。
图6是沿着图5的线6-6截取的横截面图。
图7至图10是框架的底座的相应平面图、透视图以及横截面图。
图11是反应容器的横截面图。
图12是反应容器的透视图。
图13是沿着图12的线13-13截取的容器的横截面图。
图14、图15和图16是尺寸稳定的封头的相应透视图、俯视平面图和横截面图。
图17和18是阶梯式滑动封头插塞的相应透视图和横截面图。
图19是大体上对应于图5的横截面图的放大图。
具体实施方式
本发明是以下各物的组合：通风聚合物(PTFE是示例性的)反应容器、周围的复合套管、封头插塞、在所述封头插塞上的封头盖以及周围的支撑框架，所述反应容器被收纳到所述支撑框架中。
本发明提供优于现有容器系统(例如，分别是美国专利8795608和6136276)的优点。作为一个改进容器，本发明提供更稳固的容器系统，所述容器系统能够承受较高温度和压力，包括难消解基质所需的温度和压力。
作为另一改进，本发明提供更牢固的封头，所述封头具有结合了更窄剖面(即，在微波仪器中同时具有更多容器)的更好通风系统。
PTFE容器将用具有三个可识别区段的模制或铸造PTFE插塞封闭。最下面的区段具有用以匹配靠近PTFE反应容器的顶部(但不在顶部处)的圆周锥体的圆周锥体。所述插塞的中间圆柱体分段在楔形区段上方(在一般定向中)，并且较宽的圆柱形顶部区段在所述中间分段上方。
所述聚合物容器与所述复合套管之间的关系使得所述套管沿着所述容器的侧面延伸以至少包括与实心插塞的渐缩部分相接的容器内部的渐缩部分。在先前容器中，所述复合套管不会(轴向地)到达结构的密封部分。
尺寸稳定的盖覆盖所述实心插塞和所述反应容器的上部轮缘两者。在过量压力下，所述插塞将在所述容器中轴向地移动，从而在所述插塞的渐缩区段和中间区段与容器壁之间形成小间隙。这种压力诱发的间隙形成与所述容器中的横向延伸的压力释放开口的连接。然而，因为所述插塞是阶梯式的，所以所述插塞的上部部分保持与所述反应容器的上部轮缘持续接触。当通风通过预期的压力释放开口进行时，所述结构使所述容器的剩余部分保持密封。
尺寸稳定的盖呈倒“U”的形状，并且支腿与所述聚合物反应容器的上部轮缘相接，以防止所述反应容器在气体释放期间圆周膨胀。
所述容器、所述封头元件和所述复合套管将与框架结合使用，所述框架包括竖直定向的螺栓，所述螺栓带螺纹并且能够转动以对所述尺寸稳定的盖施加力。
因为所述插塞的锥体很浅，所以较小扭矩能够施加到所述盖以获得令人满意的封闭。举例来说，在本发明中，所述框架螺栓可被施加约15英寸磅的手扭矩。通过比较，在一些当前容器中，通常在台架保持器中，必须对所述螺栓施加约60英寸磅的扭矩。避免台架扭转步骤给予本发明对应的时间和效率优点，特别是对于重复地进许多消解测试的实验室。
作为另一优点，所述容器系统和所述框架被键锁或计时，使得所述容器和封头仅能够在单个限定位置插入到所述框架中，如此反过来限定气体开口的位置。这样转而允许对应气体(通风)开口定位在所述框架中，使得能够视需要引导退出气体。在大部分情况下，所述气体开口将“向内”指向；即，朝着容器的一般转台布置的中心指向。
所述封头系统能够整体地由微波可透过且耐酸的材料形成(通过比较，一些当前容器合并用于一些圆周密封的金属环)。最后，总框架比许多对应的容器和框架高且窄，从而允许16个容器和框架的组合处于保持(例如)多于12个常规容器和框架的同一转台上。
图1是用30大体上指示的结合转台型微波仪器使用的类型的容器阵列的透视图，所述转台型微波仪器例如(但不限于)CEM MARS6TM仪器。如图1图示的，本发明在转台25上提供至少约16个容器和框架组合。与典型的12容器布置相比，这种布置表示至少约三分之一的增量，从而为频繁使用的用户带来显著效率。
图1中未图示反应容器本身，但是对于每个支撑框架32，实行夹紧功能的控制螺栓31可见。图1还图示了转台25带有多个T形肋板26，所述肋板啮合每个框架上的转台凹口42(图2)以将框架32定位并固定在转台25上。
图2是用33大体上指示的插塞式聚合物圆柱体反应容器的框架和外部的透视图。图2图示了图示为盖34的尺寸稳定的封头。用35来图示容器通风开口，在图5和图19中更详细地图示了所述容器通风开口。
支撑框架32包括框架通风管44，所述通风管的操作以图5和图19中更好地图示的方式来补充容器33的操作。
框架32限定容器腔室36，反应容器33收纳到所述容器腔室中。控制螺栓31(示出了其螺纹37)在相对尺寸稳定的盖34收紧时充当夹具，以提供使反应容器在加热步骤期间所产生的高压力下保持密闭的闭合力。
作为其他细节，能够将框架形成为部分凹槽型工件以便减轻重量和节约材料，并且假设框架的其余部分保持足够坚固以用于预期用途。
图2还图示了，如果需要，框架32能够形成具有凹口42或使得在给定转台上对准框架32更简单或更容易的等效结构。框架底座43形成框架的底部。
图3和4是支撑框架32的相应相对侧面正视图。这些图图示了和图2相同的项目中的许多项目，所述项目包括夹紧控制螺栓31和其螺纹37、通风框架管44、转台凹口42以及框架底座43。
图5是沿着图2的线5-5截取的横截面图，并且图示了许多额外项目。与图1至图4一致，图5图示了控制螺栓31、框架32、尺寸稳定的盖34、框架通风管44以及反应容器33。
图5还图示可阶梯式滑动封头插塞45，所述封头插塞搁置在反应容器33的口部。控制螺栓31能够被转动而以任何更大或更小程度靠在尺寸稳定的盖34上，以将所述插塞保持在所述反应容器中的安放位置，直到反应容器33内的压力超过由螺栓31和支撑框架32施加的力。关于图17、18和19更详细地给出了对阶梯式滑动封头插塞45的结构和所述插塞相对于其他元件的操作的描述。
在所图示的实施方案中，并且如许多情形中所常见的，反应容器33被套管46围绕。所述组合提供许多优点。反应容器33由相对消解中所使用的强无机酸或萃取中所使用的各种有机溶剂来说惰性的的聚合物形成。含氟聚合物为此是示例性的，并且聚四氟乙烯(例如，)特别地有利。然而，PTFE型材料在高压下可挠曲，并且套管46帮助在高温高压反应期间保持反应容器33的径向尺寸稳定性。
出于兼具强度和必要挠性目的，套管由一个或多个层的编织工程纤维和一种或多种恰当聚合物形成的复合结构。美国专利No.6,534,140中所描述的套管是示例性的，而非限制性的。在微波辅助背景下，此类材料还保持可透过微波辐射。
为了维持当容器和套管处于框架32中时的轴向稳定性，将PTFE底座47定位在反应容器的与控制螺栓31和封头34相对于的末端，并且另外安放在信号传输开口50中，所述信号传输开口也用以允许(例如)反应期间的容器33的红外温度测量。
所述容器和套管经过大小设定以留下小的底部间隙51，以允许反应容器33沿着其轴线略微膨胀，并且径向间隙52被保持在容器套管46与容器框架32之间，以提供一些额外冷却。
图5还图示了一个版本的控制螺栓31，所述控制螺栓具有在一些情形中使用以提供对(例如)温度或压力的无创测量的任选轴向钻孔53。
图6是大体上沿着图3的线6-6截取的横截面图。图6图示了框架32和反应容器33的上部部分。特别地，图6图示了容器上的外环55，在所图示的实施方案(例如，图2)中，容器通风开口35穿过所述外环。外环55包括至少一个(图示了两个)楔形部分，所述楔形部分被图示为与框架32中的较小矩形开口60的限定角落57相接的凹口56。所述容器和所述框架上的这些互补的键锁结构元件限制框架32中的反应容器33的定向，并且转而将径向延伸的通风开口35对准到单个限定位置。
对通风的方向控制还帮助提高所述系统的总安全性，并且通过将排气烟雾限于预期的限定方向来帮助保护操作员。
图6还帮助图示框架32中的容器腔室61和较大矩形开口62，容器33能够插入到所述容器腔室中以安放在所述容器腔室中。同样图示了框架32中的结构凹槽40和41。
图7到10图示了PTFE底座47以及其底座指状物54，所述指状物将底座47定位在框架32中的信号传输开口50中。在所图示的实施方案中，底座47还具有限制其在框架中的定位的物理设计，但所述物理设计是任选的，而不是强制性的，并且在其他实施方案中，底座47整体上是圆形的(即，单一直径)。
图11是大体上沿着图12的线11-11截取的反应容器33的横截面图。特别地，图11帮助图示所述容器具有组成所述容器33的轴向尺寸的大部分的反应圆柱体分段63。在容器口部64处，所述容器限定几个额外结构元件。在轴向上，下一个元件是渐缩分段65，所述渐缩分段转而对口部圆柱体分段66打开。外环55包括容器压力通风开口35。
图13是带通风开口35的外环55的横截面图，并且图示了用于将容器33定向在框架32中的单个位置中的键结构的第二实施方案。
图14、15和16是尺寸稳定的盖34的相应透视图、俯视平面图和横截面图。这三个图还图示了封头34包括用于收纳控制螺栓31的底座67。封头盖34还包括悬垂的环状环70，所述环状环啮合反应容器33的口部圆柱体分段66和阶梯式滑动封头插塞45的盖区段71。
如本文背景中所使用，术语“尺寸稳定的”意味盖34由一种材料形成，所述材料在于高温消解或萃取期间在反应容器33内所产生的一般预期的温度、压力和合力下不屈挠、膨胀或收缩。
当前实施方案由聚醚酰亚胺(PEI)形成，ULTEMTM聚醚酰亚胺是被广泛认可的商业变型。在示例性实施方案中，所述封头是模制或铸造玻璃以增加封头的尺寸稳定性。
相关工程聚合物包括在高温下同样具有极佳的机械或耐化学性质的聚醚醚酮(PEEK)。本领域的技术人员将能够在无过度实验的情况下选择这些或其他工程聚合物中的一种。
图17和18更详细地图示了阶梯式滑动封头插塞45。特别地，插塞45由PTFE或等效材料形成，具有啮合容器口部64的渐缩区段65的圆周渐缩部分或分段72。第一圆柱体分段73的直径略微小于容器33的口部圆柱体分段66的直径。容器匹配区段或分段74在第一圆柱形区段73上并且具有啮合反应容器33的较宽口部圆柱体66的直径的直径。盖分段71足够宽以搁置在容器33的顶部边缘并且将插塞45维持在容器33的顶部。
在一些实施方案中，插塞45上的渐缩部分72的角度略微不同于在反应容器33的口部64处的渐缩区段65的角度；例如，相差约2°。这样促进渐缩部分72的最下方部分变成啮合反应容器33的口部64的第一部分。与相同的渐缩角度相比，这种啮合反过来减小形成密封所需的单位力。
尺寸稳定的盖34上的环状环70防止容器33的顶部处的整个封头的径向膨胀。
在图18中指示为西塔(Θ)口部分段65的相对较浅锥度小于45°，并且在一些情况下在轴向上看小于30°或更小。结合邻近渐缩口部分段65提供径向支撑的复合套管46的存在，浅锥度以与常规框架和容器系统相比更适度的力安放插塞45。这样反过来允许控制螺栓31在多个批量过程中更容易收紧并且因此更快速地得到较高效率。
容器33和插塞45的浅锥度或咬合在特定消解中提供另外的潜在优点。如本领域的技术人员认可的，当基质含有许多不同材料(即，是异质的)时，那些材料中的一些材料会在比其他材料低的温度下消解；实际上，一些材料会开始在室温下在强无机酸中消解。因此，这些材料中的一些材料会提供相当大量的挥发材料—常常是二氧化碳和水蒸气—的早期释放。在这些情形中，容器33内的压力能够在相对低温度下并在基质的其余部分消解之前达到螺栓31和框架32对插塞45的匹配压力。此时，插塞45会在轴向方向上略微移动以准许早期压力释放，但是会快速地返回到其安放位置，使得容器33中的反应继续，直到获得这些基质的更难部分的完全消解所需的较高温度。
图19是对应于图5的顶部部分的放大横截面图。特别地，图19示出了本发明的压力释放的动态性质，并且本质上是处于压力释放定向的容器系统的快照。
图19表示反应容器33中的压力已相对于尺寸稳定的盖34向上推动插塞45的状态。这样使所述容器匹配区段从邻近所述容器通风开口的其安放位置脱离并且使所述容器匹配区段轴向地移动，使得第一圆柱形区段33—所述第一圆柱形区段的直径略微小于容器33的口部圆柱体分段66的接口—邻近容器通风开口35，并且插塞45的圆周渐缩部分略微从容器33的渐缩口部分段65移开。
此轻微脱离足够允许气体从反应容器33的内部，通过插塞45的圆周渐缩部分和第一圆柱形区段73，接着穿过容器通风开口35而逸出。如所图示和示例性的，框架通风管44被定向并且与容器通风开口35对准，使得排出气体直接行进通过所述框架通风管；即在预期位置处并且在预期方向上。当然，这种对准是关于图6所描述的键元件的结果。
然而，在气体逸出期间，容器匹配区段74保持整体啮合到容器33的口部圆柱体分段66的上部部分，使得容器以其他方式在其口部处保持封闭。当已释放足够的气体以减小容器内的压力以与由控制螺栓31施加的力平衡时，螺栓31和尺寸稳定的盖34推动插塞45并且使所述插塞滑动返回到防止气体逸出的完全安放位置中。
图19还图示了外环55服务于相对于反应容器33轴向地定位复合套管46的第二目的。
在方法背景下，本发明包括以下步骤：加热反应容器中的反应物，所述反应容器用滑动插塞封闭，接着通过滑动所述插塞以打开所述反应容器中的径向延伸的通风开口、但不会将所述滑动插塞从所述容器移除或用其他方式打开所述容器来从所述反应容器释放气体。
在示例性实施方案中，所述方法包括在微波可透过的聚合物容器中使用微波辐射来加热所述容器内的反应，以及对所述滑动插塞施加限定力以阻碍所述插塞滑动，直到所述容器中的气体压力超过所述施加的限定力。
在图式和说明书中，已经阐述了本发明的优选实施方案，并且尽管已使用了特定术语，但是所述术语仅在一般和描述性意义上使用而不用于限制目的，本发明的范围是在权利要求中限定。

Claims (3)

1.一种进行高压反应的方法，所述方法包括：
加热反应容器中的反应物，所述反应容器用所述容器的所述口部中的阶梯式滑动封头插塞封闭；以及
通过滑动所述阶梯式插塞以打开所述反应容器中的径向延伸的通风开口、但不会将所述阶梯式滑动封头插塞从所述容器的所述口部移除或用其他方式打开所述容器来从所述反应容器释放气体。
2.如权利要求1所述的方法，所述方法还包括在微波可透过的聚合物容器中使用微波辐射来加热所述反应。
3.如权利要求2所述的方法，所述方法还包括对所述阶梯式滑动封头插塞施加限定力以阻碍所述插塞滑动，直到所述容器中的气体压力超过所述施加的限定力。
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