在化工、制藥、高分子材料、冶金以及環保相關的科研工作當中,很多合成與催化類實驗需要長時間維持穩定的溫度、壓力與攪拌狀態,傳統手動操作的反應設備,需要科研人員持續值守,頻繁調整各項運行條件,人為干預會帶來參數波動,也會增加長周期實驗當中的不確定因素,全自動反應器就是針對這類科研場景發展而來的實驗裝備。
全自動反應器依托 PLC 搭配觸控顯示的一體化控制系統,把加熱、攪拌、壓力調節、冷卻保護、數據記錄等功能整合到一套設備體系當中,改變傳統設備依靠實體按鈕進行操作的模式。操作人員在觸控界面錄入整套實驗的工藝條件之后,設備可以自主完成升溫、攪拌啟動、恒溫維持,針對放熱反應,設備可以借助釜內配置的冷凝盤管完成降溫調控,當預設的反應時長結束之后,系統還可以執行冷卻流程,將釜體逐步回落至接近室溫的狀態,整套流程可以減少人為持續介入,適配需要長時間開展的小試、微量合成類實驗場景。
整套控制系統具備完整的數據采集能力,運行過程當中,系統持續采集溫度、壓力、攪拌轉速以及時間相關的過程信息,采集得到的信息可以生成對應的過程曲線,并且以表格文件形式保存,通過外接存儲介質完成數據導出,既可以在設備本地屏幕查看,也支持接入電腦終端開展后續的數據分析處理。對于科研工作來說,完整留存反應全過程的原始記錄,便于后續復盤工藝條件變化對于實驗結果帶來的影響,為工藝條件迭代提供可追溯的實驗依據,這對于催化加氫、聚合反應、酯化、香料合成、超臨界反應這類工藝條件敏感的實驗工作具備實際意義。
設備的攪拌單元采用軟軸磁偶機械攪拌結構,依靠置頂式磁力軟驅動的設計實現攪拌動力傳遞,磁力耦合的傳動方式取消傳統穿過釜蓋的機械動密封結構,規避高壓工況下物料從攪拌軸位置向外滲漏的情況,適配不同粘度的反應物料。面對粘度較高的合成體系,該傳動結構可以輸出對應的扭矩,保障釜內物料混合均勻,讓熱量與反應物之間充分接觸,減少局部過熱或者物料混合不均帶來的實驗偏差。
釜體部分可以選用多種材質,基礎配置為不銹鋼材質,也可以根據實驗介質腐蝕特性更換其他特種金屬材質,同時可以搭配聚四氟、石英材質的內襯構件,應對部分強腐蝕、容易和金屬基體發生反應的物料體系。設備采用開環快開結構,區別于傳統厚重法蘭緊固模式,開合釜蓋的操作步驟得到簡化,實驗結束之后,開蓋取料、內部清洗、更換內襯的操作都可以便捷完成,減少拆裝耗費的時間。設備機箱外殼采用模具一體成型,表面經過靜電噴塑處理,既可以抵御實驗室環境當中的腐蝕性氣體,也具備防靜電的作用,給設備內部電氣組件提供防護。
安全聯鎖邏輯是控制系統當中重要的組成部分,系統內置多重報警機制,當溫度到達設定上限,會觸發報警同時停止加熱輸出;如果冷卻水路出現堵塞、水流異常的情況,系統同樣可以識別并給出提示,定時任務到達預設節點也會觸發對應的提醒信號。整套報警聯鎖可以在出現異常工況的時候做出響應,降低實驗過程當中的風險。設備還搭載各類閥件、壓力傳感部件、溫度傳感部件,完成進氣、泄壓、壓力監測、溫度采集等基礎功能,完整的硬件配置可以覆蓋大部分實驗室化工過程的基礎實驗需求。
在實際的使用場景當中,全自動反應器多用于高校、科研機構的小試研發工作,很多實驗需要連續數小時甚至更久的運行,依靠這套自動化能力,科研人員不必一直守在設備旁邊,但是無人值守并不等同于全放任不管,操作人員依舊需要提前完成氣密性檢查,確認各個密封件、閥門、傳感部件狀態完好,合理設置各項報警閾值,針對放熱劇烈的反應,需要提前評估反應放熱規模,確認冷卻系統可以匹配產熱負荷,規避反應失控帶來的隱患。日常使用結束之后,需要及時清理釜體內腔、攪拌槳、內襯以及各個閥件管路內部殘留物料,防止介質長期附著腐蝕部件;密封墊片這類易損耗構件需要定期檢查,出現老化、劃痕就要及時更換,傳感器也需要按照周期開展校驗,以此保障設備長期運行過程當中采集數據的可靠性。
模塊化的系統架構,也給設備后續功能拓展預留空間,在基礎版本之上,可以根據實驗需求疊加自動進料、自動取樣、pH 反饋調節等附加模塊,以此適配更多復雜的實驗工藝。從整體來看,全自動反應器的價值,在于把重復性的參數調節工作交由設備完成,將科研人員從機械的值守操作當中釋放出來,同時把實驗過程的各類信息完整記錄,為工藝研究提供穩定、可復現的硬件支撐。