CS208429B1 - Způsob sledování tepelných změn provázejících chemické pochody a zařízení k provádění tohoto způsobu - Google Patents

Abstract

Předmětem vynálezu je způsob průběžného sledování rychlosti teplotních změn provázejících chemické pochody měřením teploty v pomocném prostoru, periodicky naplňovaném reakční směsí a zařízení k provádění tohoto způsobu tvořené měřící nádobou, s výhodou tepelně izolovanou, opatřenou jedním či více uzaviratelnými otvory pro ; přívod a obvod reakčnísměsi či pomocného plynu, j teploměrem, případně míchadlem.

Description

Vynález se týká způsobu průběžného sledování rychlosti teplotních změn provázejících chemické reakce a zařízení vhodné k tomuto sledování. Rozšiřuje možnosti automatického řízení chemických pochodů, založeného na měření a vyhodnocování teplotních změn reakční směsi způsobených reakčním teplem.

Součástí automatizovaných chemických procesů bývají chemické reakce, jejichž průběh lze předem jednoznačně definovat. Jsou-li známé koncetrace a kvalita výchozích i pomocných látek, je možno při dodržení předem stanovených podmínek jednotlivé složky přesně dávkovat a reakci ukončit podle pevně nastaveného programu. Kolísá-li však kvalita ěi koncentrace surovin, nebo není-li možno přesně dodržet předepsané reakční podmínky, např. teplotu či pH, mění se i reakční doba. Na jejím dodržení závisí často nejen výkon výrobního zařízení, ale i výtěžek a jakost produktu. V těchto případech bývá výhodné kontinuálně vyhodnocovat složení reakční směsi vhodnými analyzátory a na základě jejich údajů proces automaticky nebo ručně ukončit. Dosud vyvinuté analyzátory však umožňují sledovat pouze malou část chemických reakcí.

Je všeobecně známo, že chemické reakce jsou provázeny větším či menším tepelným efektem. Této skutečnosti se však k objetivnjmu sledování a případně k řízení chemických procesů při průmyslové syntéze podařilo využít pouze ojediněle, napr. u reakcí probíhajících v adiabatickém průtočném reaktoru. Známá je i aplikace průtočné entnalpiometrie, umožňující automatickou analýzu reakční směsi se zpětnou vazbou na výrobní proces. Širšímu uplatnění termometrických metod v uvedené oblasti, především pak při řízení diskontinuálních procesů, bránila dosud řada faktorů. Tepelné změny, provázející většinu chemických reakcí, jsou relativně malé, takže vzrůst či pokles teploty reakční směsi, jimiž se uvedené změny projevují a které je možno měřit a vyhodnocovat, býv&jí v technologickém měřítku značně ovlivňován^ kolísající teplotou okolí, průběhem vedlejších a následných reakcí, jakož i reakcí pomocných látek, např. neutralizací, dále rozpouštěním či vyhičováním reakčních složek s reakčních produktů.

Podle A. O. č. 205 687 je možno výše uvedené rušivé vlivy v řadě případů eliminovat a chemické procesy objektivně sledovat, řídit a ukončovat tak, že še kontinuálně nebo periodicky měří rychlost teplotní změny reakční směsi, přičemž pokles této rychlosti nebo s výhodou snížení rychlosti tohoto ί poklesu na předem zvolenou hodnotu se využívá Jako signál ke změně reakčních podmínek anebo j k ukončení procesu. I tento postup má však některé nevýhody, které omezují možnosti jeho využití. íNení vhodný pro sledování a řízení izotermě i vedených reakcí, v některých případech není poí užitelný tehdy, je-li reakční směs třeba chladit či 'zahřívat. Není dostatečně přesný také tam, kde i tepelné zabarvení chemické reakce je vzhledem k výměně tepla s okolím příliš malé. Aplikace výše uvedeného postupu může být znesnadněna i nedostatečnou tepelnou homogenitou reakční směsi ve větších a špatně tepelně izolovaných či nedokonale míchaných nádobách.

Uvedené nedostatky odstraňuje způsob sledování tepelných změn provázejících chemické pochody, který podle tohoto vynálezu spočívá v tom, že se měří teplota reakční směsi v pomocném prostoru periodicky naplňovaném vzorkem reakční směsi odebíraným z reakčního prostoru.

Zařízení podle vynálezu je tvořeno měřicí nádobou, s výhodou tepelně izolovanou, opatřenou jedním nebo více případně uzavíratelnými otvory pro periodický přívod a odvod reakční směsi, teploměrem a s výhodou míchadlem. Zařízení může být podle vynálezu dále opatřeno jedním nebo více otvory pro přívod anebo odvod pomocného plynu.

Kvapalinu v měřící nádobě libovolného tvaru lze vyměňovat čerpadlem nebo pneumaticky s použitím stlačeného plynu či vakua. Někdy je možno k výměně využít proudění reakční směsi v reaktoru.

Nádoba, v níž se sledují tepelné změny provázející chemické pochody, může být tvořena částí potrubí, jímž protéká reakční směs. Obsah této části potrubí je pak od zbývající reakční směsi periodicky oddělován dvěma uzavíracími orgány, např. ventily či kohouty, s výhodou však klapkami. Obecně je výhodné, aby těleso měřicí nádoby mělo co nejmenší tepelnou kapacitu.

Tento nový způsob sledování tepelných změn provázejících chemické reakce, jakož i zařízení určené k provádění tohoto způsobu jsou vhodné pro kontinuální i diskontinuální procesy. U nepřetržitých pochodů bývá někdy výhodné sledovat tepelné změny ve dvou nebo více vzorcích reakční směsi odebíraných současně z různých míst reakčního prostoru. Jedná se tedy o vzorky reakční směsi s různou, předem definovanou dobou prodlení v reaktoru. Podle rozdílu nebo poměru rychlostí teplotních změn v jednotlivých nádobkách, periodicky naplňovaných reakční směsí, lze usuzovat na průběh reakce.

Způsob i zařízení dle tohoto vynálezu jsou určeny především pro sledování tepelných změn provázejících chemické reakce. V některých případech jsou však vhodné i pro sledování tepelných změn souvisejících s krystalizaci či rozpouštěním. ! .

Na přiložených výkresech je znázorněno (příkladné provedení zařízení podle vynálezu. Obr. 1 znázorňuje měřicí nádobu, opatřenou dvéma oddělenými otvory pro přívod a odvod reakční směsi, obr. 2 nádobu vybavenou navíc otvorem pro přívod pomocného plynu. Na obr. 3 je schéma měřicí nádoby s jedním společným otvorem *pro přívod i odvod reakční směsi a se dvěma otvory pro přívod a odvod pomocného plynu, na obr. 4 schéma nádoby, opatřené kromě otvorů pro přívod a odvod kapaliny zásobníkem použité reakční směsi. Obr. 5 znázorňuje dvě měřicí nádoby tvořící součást trubkového reaktoru.

Na obr. 1 je pomocný prostor, v němž se měří teplota reakční směsi, tvořen Dewarovou nádobou 1, opatřenou teploměrem 3 a míchadlem 4. Do otvorů 2 je zaústěna trubka 6 s ventilem 10 pro přívod a trubka 7 s ventilem 10 pro odvod reakční směsi.

Z reaktoru se periodicky v předepsaných časových intervalech čerpadlem či pneumaticky dopravuje trubkou 6 do měřicí nádoby 1 čerstvá reakční směs, která použitou reakční směs, jejíž teplotní změny byly teploměrem 3 již změřeny, vytlačí trubkou 7 zpět do reaktoru. Míchadlo 4 je trvale v činnosti.

Na obr. 2 je schematicky znázorněna měřicí nádoba 1, která kromě součástí, jimiž je vybaveno zařízení uvedené na obr. 1, je opatřena otvorem 5 pro přívod stlačeného plynu, do něhož je zaústěna trubice 8 s ventilem 10.

Čerstvá reakční směs periodicky přitéká z reaktoru do měřicí nádoby 1 přes zpětný ventil 10 přívodní trubkou 6 samospádem a po ukončeném měření je z nádoby 1 trubkou 7 vytlačována pomocným plynem, např. vzduchem či dusíkem, přiváděným trubkou 8, zpět do reaktoru.

Další možné řešení je znázorněno na obr. 3. Měřicí nádoba 1 s teploměrem 3 a míchadlem 4 je opatřena trubkou 8 pro přívod a trubkou 9 pro odvod pomocného plynu. Obě trubky, vybavené uzavíracími ventily 10 jsou zaústěny do otvorů 5. Nádoba 1 je dále opatřena pouze jediným otvorem 2 se zaústěnou trubkou 6.

Do nádoby 1, která se trubkou 9 evakuuje, se nasává otvorem 2 a trubkou 6 čerstvá reakční směs z reaktoru. Po předepsané prodlevě, během níž probíhá měření teploty v nádobě 1 podle předem stanoveného programu, se použitá kapalina vytlačí pomocným plynem, přiváděným trubkou 8, opět otvorem 2 a trubkou 6 zpět do reaktoru. Tento cyklus se periodicky opakuje. V průběhu měření se reakční směs míchá míchadlem 4.

Na obr. 4 je znázorněna měřicí nádoba 1, opatřená teploměrem 3, míchadlem 4 a dvěma otvory 2, do nichž je zaústěna jednak trubka 6 se zpětným ventilem 10, jednak trubka 7 se zpětným ventilem 10, spojující nádobu 1 s pomocnou nádobkou 11, opatřenou trubicí 8, zapojenou přes trojcestný ventil 12 na přívod stlačeného plynu, i a trubicí 9, zapojenou na vakuum. Pomocná i nádoba 11 je dále opatřena trubicí 13 s klapkou 14. Ventil 12 a klapka 14 jsou ovládány automaticky. !

Reakční směs se přes měřicí nádobu 1 nasaje do pomocné nádoby 11, odkud se pak stlačeným plynem vytlačí zpět do reaktoru. Mezitím v nádobě 1 probíhá po předepsané prodlevě měřené teploty. I Tento pracovní cyklus se v předem stanovených j intervalech nepřetržitě opakuje.

Ke sledování kontinuálního procesu může sloužit zařízení schematicky znázorněné na obr. 5.

Konec trubkového reaktoru 15 je opatřen dvěma měřicími nádobami 1, které jsou tvořeny stěnami potrubí, jímž proudí reakční směs. Každá z těchto nádob je opatřena teploměrem 3 a otvory 2 pro přítok a odtok reakční směsi. Od zbývajícího potrubí jsou tyto nádoby 1 odděleny uzavíracími orgány 10, v tomto případě automaticky ovládanými klapkami.

Oběma nádobami 1 proudí střídavě v předem stanovených intervalech kapalina vytékající z reaktoru 15. V nádobě, která je právě uzavřena, se měčí teplotní změny teploměrem 3.

Způsob a zařízení dle vynálezu umožňují měření a vyhodnocování i velmi malých tepelných změn provázejících chemické reakce a to nezávisle na změnách teploty okolí a nuceném chlazení či vyhřívání reakční směsi. Hodí se tedy i pro izotermně vedené reakce. Lze s úspěchem aplikovat i ve velkých a nedokonale míchaných nádobách, kde nedostatečná tepelná homogenita reakční směsi dosud bránila využití technologických metod ke sledování průběhu reakcí.

Postup podle vynálezu je v dalším textu blíže osvětlen příklady, které však především pokud se týká druhu chemických reakcí, pro jejichž sledování, třízení a ukončování může být navržený postup využit, nikterak předmět nevymezují ani neomezují, Rovněž níže uvedené příklady zařízení představují pouze některé základní varianty vhodné k provádění navrženého způsobu. Popisované roztoky či suspenze jsou charakterizovány molárními koncentracemi.

i

Příklad 1 ' K[ 1000 1 0,1 M roztoku trinatriové soli aminoazobarviva vzorce Ial5110M roztoku hydroxidu sodného se při 10 °C přidá 19 kg kyanurchloridu.

HOOC — C — C — N =

N C — OH \ /

(I)

V průběhu kondenzace se uvedená teplota udržuje í vnějším chlazením. Ihned po smísení komponent i se počne v měřicí nádobě 1 obr. 1 až 4, každých 60 s i periodicky naplňované čerstvým vzorkem reakční I směsi, snímat teplota. Automaticky se vyhodnocují diference vždy mezi dvěma údaji, získanými přesně po 30 a 50 s po naplnění měřicí nádoby 1. Jakmile i rozdíl mezi dvěma bezprostředně po sobě zjištěný208429 mi diferencemi (diference druhého řádu) nabude hodnoty blízké nule (asi po 10—20 min.), přidá se * 100 1 1 M roztoku sodné soli kyseliny sulfanilová,' vzniklá směs se zalkalizuje přídavkem 10 1 10 M hydroxidu sodného a reakční směs se vyhřeje na 30 °C. Obsah měřicí nádoby 1 se nyní automaticky vyměňuje vždy po 100 s, teplota se snímá vždy po 30 a 90 s po naplnění měřicí nádoby 1 a opět automaticky vyhodnocuje. Po dosažení prakticky nulové hodnoty diference se proces kondenzace ukončí.

Příklad 2

200 1 0,5 M suspenze 4-aminofenyl-P-sulfatoetylsulfonanu se po přídavku 401 5 M roztoku kyseliny chlorovodíkové diazotuje běžným způsobem 20 1 5 M roztoku dusitanu sodného. Do takto připravené suspenze diazolátky se připustí 1001 0,5 M roztoku dinatriové soli l-amino-8-naftol3,6-disulfokyseliny. Ihned nato se zapne automatické zařízení, které pravidelně vždy po 60 s naplní čerstvou reakční směsí měřicí nádobu 1. Automa-

Claims (3)

1. PŘEDMĚT

   1. Způsob sledování tepelných změn provázejících chemické pochody vyznačený tím, že^se měří teplota reakční směsi v pomocném prostoru‘periodicky naplňovaném vzorkem reakční směsi odebíraňým z reakčního prostoru.
2. 2. Zařízení k provádění způsobu podle bódu 1 vyznačené tím, že je tvořeno měřicí nádobou (1), tický obvod vyhodnocuje rozdíly mezi dvěma teplotami, naměřenými vždy 30 a 50 s po naplnění nádoby 1, obr. 1 až 4. Po dosažení předepsané diference, jejíž hodnota je blízká nule, se reakční směs zneutralizuje přídavkem sody. Kopulace do o-polohy k hydroxylové skupině proběhne téměř okamžitě a proces se ukončí.

   Příklad 3

   Do trubkového reaktoru se kontinuálně v poměru 100 : 13 přivádí směs 0,5 M roztoku sodně soli

   6-nitro-l-diazo-2-naftol-4-sulfoskupiny a 4 M roztoku 1-naftolátu sodného. Na výstupu z reaktoru prochází reakční směs střídavě dvěma měřicími nádobami 1, z nichž jedna je vždy 10 s uzavřena a druhou reakční směs protéká. Teplota se měří vždy v uzavřené měřicí nádobě 1. Rychlost dávkování obou komponent, t.j. doba prodlení kopulafní směsi v reaktoru, se odvozuje automaticky z prvé derivace teploty podle času. Při dosažení předem zvolené experimentálně zjištěné hodnoty blíjiké nule je rychlost dávkování optimální.

   VYNÁLEZU s výhodou tepelně izolovanou, opatřenou jedním nebo více případně uzavíratelnými otvory (2) pro periodický přívod a odvod reakční směsi, teploměrem (3) a s výhodou míchadlem (4).
3. 3. Zařízení podle bodu 2 vyznačené tím, že je opatřeno jedním nebo více otvory (5) pro přívod anebo odvod pomocného plynu.