Ну что, погнали? Самая интересная глава, ИМХО)
...
1.5. Рабочая установка на основе реакционного сосуда (РС) или колбы. Добавление реактивов и перемешивание
Теперь разберемся с нашей основной установкой, где будут происходить все химические реакции. Сначала сформулируем требования, которым она должна удовлетворять. Итак:
- Реакционный сосуд (РС) должен состоять из материалов, устойчивых к реактивам, которые в него помещаются, к температурам, которые внутри него появляются, обеспечивать возможность хорошего просмотра того, что в нем делается и помещения внутрь него приборов контроля (хотя бы градусника).
- Чтобы реакция шла как следует, надо контролировать температурный режим, т.е. нагревать, охлаждать или поддерживать определенную температуру в РС. Также надо перемешивать содержимое.
- Надо загружать исходные реагенты и выгружать продукты реакции, полезные и побочные.
- Для управления ходом реакции надо иметь возможность регулировать количество и скорость добавления ключевого реактива.
- Для успешного проведения реакции и/или общего комфорта надо управлять паром и газом, которые могут выделяться в ходе реакции – либо возвращать обратно в зону реакции, либо удалять и собирать, либо утилизировать.
Рисунок 2. Схема установка на основе колбы 10 л
- Водяная баня
- Подставка для РС
- ТЭН
- РС в виде колбы 10 литров.
- Якорь мешалки
- Боковые горла 14/23
- Трубка системы откачки на пробку 14/23
- Пробки 14/23 и 29/32
- Переход П1 45/40-29/32
- Тройники 29/32-29/32
- Затвор вала мешалки 29/32
- Обратный холодильник (ОХ) на шлифе 29/32
- Двигатель мешалки
- Отвод к поглотительному каскаду 14/23
- Воронка на шлифе 29/32
- Капельная воронка на шлифе 29/32
- Термометр на шлифе 14/23
- Штатив с лапками крепления
Устройство основной установки показано на Рисунке 2. Традиционно, в качестве материала для большинства РС в химии используется стекло. Стекло устойчиво к большинству используемых в химии (и к 100% в нашем процессе) реактивов, причем в отличие от пластиков типа полиэтилена (РЕ) или полипропилена (РР) оно не «стареет», т.е. не теряет свои свойства и после большого количества реакций, не размягчается от высокой температуры и полностью прозрачно, что позволяет глазами увидеть все процессы, происходящие внутри. Современное (боросиликатное) стекло способно выдерживать температуру до 250°C (с резкими перепадами до 90°С), и довольно прочное к вибрациям и ударам, хотя злоупотреблять этим не стоит. Основной РС выполнен в виде круглодонной колбы (в продаже свободно можно найти колбы объемом до 10 литров) или в виде цилиндра (до 20 литров, см. Рисунок 3). Колба имеет круглое дно, основное горло, в которое вставляются через разветвители основные вспомогательные приборы (воронка, холодильник, мешалка) и два дополнительных горла, из которых одно используется для введения градусника (или щупа электронного термометра/ термостата), другое удобно использовать для откачки жидкости вакуумом. В продаже имеются два вида колб – КГУ (см. Рисунок 4), у которых боковые горла находятся под углом к вертикали, и КГП с прямым вертикальным расположением дополнительных горл. КГУ удобней тем, что прямая стеклянная трубка, введенная через боковое горло под углом, как раз упирается в самую нижнюю точку колбы, в то время как через вертикальное боковое горло (колбы КГП) приходится для откачки жидкости использовать гибкую трубку. Та же проблема у РС в виде цилиндра, который имеет плоское дно, и остатки жидкости приходится по этому дну собирать. В целом работать в круглодонной колбе удобнее, но РС в виде цилиндра имеет в 2 раза большую емкость при одинаковом диаметре. Также цилиндрическому РС не нужен тройник в основном горле, т.к. на его крышке имеются аж 4 горла и их хватает.
Рисунок 3. Цилиндрический РС (меньшего размера, но принцип понятен).
РС закрепляется за основное горло на штативе с помощью специальных лапок и ставится в водяную баню – емкость с водой, которую надо иметь возможность нагревать или охлаждать по ситуации, регулируя тем самым температуру в колбе. Не стоит ставить РС на нагреватели, имеющие открытый огонь (горелка) или электрические нагреватели, типа плиток. У нас в сосуде куча горючих и ядовитых жидкостей, а температура плитки может расколоть стеклянное дно и вызвать пожар или потоп. Кроме того, такие плитки не умеют охлаждать (а нам это даже более нужно, чем нагрев). Отсюда также следует, почему не стоит использовать так называемые магнитные мешалки, когда вращение перемешивающего элемента (якоря) осуществляется магнитным полем через дно сосуда. Через емкость с водой магнитное поле не пробьёт. Да и охлаждать магнитные мешалки тоже не умеют (нагревать некоторые модели умеют). В общем низ РС у нас занят приборами, которые поддерживают температуру.
Горла у колбы и РС имеют герметичные соединения в виде шлифованного конуса (шлифы), которые обозначаются по диаметру и длине шлифа: 45/40 (45 мм диаметр/40 мм длина), 29/32 и 14/23. Шлифы размера 14/23 (боковые горла колбы) маленькие, в них можно вставить термометр, отсасывающую или подающую трубку. Основное горло имеет размер 45/40, а т.к. большинство остальных приборов имеют соединение 29/32, в большое горло сначала вставляется переходник П1-45/40-29/32, а потом уже тройник П3П-29/32, состоящий из 3 муфт (шлиф-«мама») и одного керна (шлиф-«папа») размера 29/32 (см. Рисунок 5).
Рисунок 4. Колба КГУ и ось ее бокового горла
Рисунок 5. Тройник на шлифах (схема)
В среднее горло вставляется вал якоря (мешальника) верхнеприводной мешалки через специальную муфту или затвор в форме пробки под тот самый размер 29/32 (см. Рисунок 6). Он обеспечивает сносную, хотя и не идеальную герметичность, главное, чтобы размер вала и отверстия в пробке совпадали. Якорь лучше взять из стали, покрытой PFTE (тефлоном) – якоря из нержавеющей стали может разъесть (не сильно, но достаточно, чтобы загрязнить нашу реакционную массу (РМ). Длина вала (обычно 500-600 мм) выбирается, чтобы лопасти мешальника висели невысоко над дном РС, верх вала закрепляется в двигателе мешалки, двигатель закрепляется на стойке штатива над РС. Надо отрегулировать расположение колбы и двигателя мешалки, чтобы они находились на одной прямой, иначе вся конструкция будет сильно трястись, а тефлоновое покрытие вала просто перепилится затвором (и быстро). По этой же причине зажим затвора тоже надо отрегулировать, не очень туго, но и не очень свободно, чтобы из РС не сифонило. Регулировать соосность двигателя, пробки, якоря и колбы лучше на малом ходу включенной мешалки, до начала основной работы, тогда биения будут хорошо видны и могут быть поправлены креплениями колбы, переходников и двигателя мешалки к стойке штатива. В более продвинутых установках стоек у штатива несколько, хотя бы две, жестко закрепленных на одной платформе, и двигатель мешалки, колба и переходники привязываются к обоим стойкам – так конструкция гораздо жестче и более устойчива к вибрациям от работающей мешалки. После регулировки винты на лапках надо затянуть покрепче – если они от вибрации ослабнут и сдвинутся, и регулировать придется еще раз, уже во время реакции, что весьма неудобно.
Вообще, при сборке установки не жалейте креплений. Каждый стеклянный элемент должен быть прикреплен лапками к стойке штатива, длинные элементы, типа капельной воронки или ОХ – желательно дважды. И совсем хорошо, если штатив будет с двумя (или тремя) стойками, и лапки от всей установки будут прикреплены к этим стойкам попеременно. Так конструкция станет жестче, и меньше шансов случайной разгерметизации, утечки запахов и т.д. И еще – при сборке по рисунку имейте ввиду, что рисунок нарисован в плоскости, а ваша установка – объемная. Вы можете расположить элементы установки удобнее, разворачивая из в глубину установки.
Рисунок 6. Затвор вала мешалки
В боковые горла тройника, вставленного в основное горло колбы, вставляются дополнительные приборы. Прежде всего это обратный холодильник (ОХ), который служит для охлаждения и возврата в РС паров, выделяющихся в зоне реакции. Обратным холодильник называется потому, что конденсат возвращается обратно по направлению к движению паров, т.е. пары заходят в ОХ снизу, из РС, и конденсат сливается туда же. Поэтому ОХ ставится вертикально над РС, в отличие от прямого холодильника, который ставится горизонтально с наклоном в сторону от РС, и конденсат сливается из другого выхода.
Рисунок 7. Обратные холодильники разной конструкции
Холодильники бывают разной конструкции (см. Рисунок 7) – шариковые, спиральные и т.д. Самый ударопрочный – шариковый, самый эффективный – спиральный с внешним и внутренним охлаждением (холодильник Димрота). ОХ охлаждается внешней холодной водой, поэтому надо обязательно подключить к воде и канализации (или к замкнутой системе типа чиллера), и перед началом работы включить циркуляцию. Сам по себе ОХ охлаждать не умеет.
А верхний выход из ОХ нам нужен вот для чего: полностью герметизировать установку мы не можем – случись внутри выделение газов, и герметичную стеклянную установку порвет на британский флаг. В самом легком случае давлением выдавит пробки. Если дырок в установке будет много, будет сильно вонять. Поэтому мы оставляем единственное отверстие, по которому газы могут свободно выходить, именно сверху ОХ. При этом идущие из установки пары будут при прохождении через ОХ сконденсированы и вернутся обратно, а те газы, которые ОХ задержать не могут, будут охлаждены и направлены в поглотительный каскад и на скруббер (о них дальше).
Рисунок 8. Капельная воронка с компенсатором давления
Второе боковое горло тройника мы вставляем капельную воронку (см. Рисунок 8) – средство дозированной подачи ключевого реактива. Тут может возникнуть проблема в том, что двухлитровые капельные воронки достаточно широкие и могут задевать двигатель мешалки, что нежелательно, т.к. он вибрирует. Решает проблему использование второго тройника, вставленного в первый, который поднимает капельную воронку над двигателем мешалки. А заодно у нас появляется свободное горло, для загрузки реактивов до начала реакции, т.к. снимать и вставлять обратно капельную воронку неудобно. Это горло на время реакции зарывается пробкой на шлифе. Если и это не поможет – можно использовать своеобразный «удлинитель» – переход с керном и муфтой 29/32 (П1-29/32-29/32), Или можно использовать 1-литровую воронку, что не так удобно, т.к. ее надо перенаполнять во время работы.
Рисунок 9. Термометр со шлифом
Про боковые стеклянные горла размера 14/23 я уже упоминал. В одно из них вставляем термометр (на шлифе 14/23, см. Рисунок 9) – или щуп от термостата в оболочке PFTE через переходник на шлифе с отверстием. А по-другому, т.е. через тройник в верхнем горле термометр до зоны реакции просто не достанет. Другое горло можно использовать для откачки РМ из РС после проведения реакции с помощью вакуумного насоса (об этом позже). Неиспользуемые горла в любом случае закрываем пробкой на шлифе.
И еще раз про материалы. Силиконовые шланги удобные и прочные, но не сильно стойкие к выделяющимся во время реакции парам и протекающим по ним жидкостям. Они служат от 1-2 реакций до десятка. Их надо перед каждой реакцией осматривать, и по необходимости заменять. Фактически – это расходный материал. Также перед каждой реакцией надо менять смазку стеклянных шлифов – разбирать шлифы, насухо бумажной салфеткой вытирать старую смазку, наносить новую и собирать шлифы заново. Лучше использовать так называемую «густую силиконовую смазку с добавлением PFTE (тефлона)» - она ходит гораздо дольше, чем стандартный химический вазелин для смазки шлифов. Смазка продается практически везде, где торгуют автозапчастями или инструментами. Имейте в виду – если у вас шлиф смазан свежей смазкой и плотно закрыт, то площадь контакта смазки с разъедающими парами очень маленькая (по кольцу торца шлифа), и смазку может проедать долго – она может выдержать и несколько циклов реакций. Но если во время реакции у вас шлиф случайно откроется (например, его слегка приподнимет давлением), то смазка начнет стремительно проедаться уже по всей площади и буквально через несколько минут установка начнет «сифонить». Так что, если такое случилось, желательно разобрать шлиф, насухо вытереть старую грязную смазку, нанести новую, и опять плотно закрыть шлиф. По этой же причине все шлифы должны быть закрыты на клипсы – металлические или пластмассовые, последние удобнее, но тоже периодически съедаются агрессивными парами и просто ломаются, так что их надо иметь некоторый запас. Ну а в общем, во время проведения реакции, которая со всеми промывками занимает от 8 до 16 часов, лучше установку не разбирать – содержимое на разных стадиях изрядно пахнет.
Без ограничения можно использовать стеклянные трубки, фарфоровые ложечки. Отличный уплотнитель, который можно и нужно использовать – сантехническая фум-лента (она из PFTE). Если нужны мягкие трубки, тут подойдут силиконовые, только вовремя их меняйте, если они портятся. Если нужны полужесткие трубки, можно использовать полиэтиленовые, например для пневматики (ходят долго, но все равно потихоньку стареют и заменяются) или тефлоновые – эти вечные. Пробки можно использовать стеклянные, ПЭ (PE) и ПП (PP) или тефлоновые (PFTE). Для того, чтобы иметь возможность померить Ph (кислотность) смеси, понадобится лакмусовая бумажка и длинный узкий металлический пинцет (который тоже может портиться, но его хватит примерно навсегда). Лакмус пинцетом можно опустить в боковое горло РС (во время реакции одно боковое горло свободно, туда вставляется трубка или воронка только для загрузки и выгрузки реагентов), оттуда же можно взять пробу жидкости бюреткой – длинной узкой трубкой с носиком.
Если во время работы у вас начнет слегка сифонить затвор, через который проходит якорь мешалки, то можно, не прерывая работы, просто протереть сухой бумажной салфеткой капли того, что вылезло наружу, и выбросить салфетку в мусорный мешок. Слишком сильно затягивать затвор не надо – это приведет к порче якоря. В целом установка во время реакции должна быть почти герметична (за исключением выхода сверху ОХ, который идет в очистку воздуха) – это избавит вас от массы неприятных ощущений и даже позволит одевать маску и перчатки только во время загрузки и выгрузки.
Рабочая установка на основе РС-цилиндра собирается в принципе точно также, только выходов в крышке цилиндра четыре, и все 29/32. В центральный вставляется затвор и вал мешалки, по одному уходят на ОХ и капельную воронку (или пробку со шлангом от дозирующего насоса). Последний служит между реакциями для загрузки и выгрузки, а во время реакции в нем стоит термометр. Если места вокруг крышки цилиндра мало, и приборы касаются друг друга, стучат друг о друга при работе, можно смело использовать разветвители и тройники, только не забывайте закрывать свободные выходы пробками (с клипсами). То же касается и установки на основе колбы.
