ПРОВЕДЕНИЕ ВЫПАРИВАНИЯ (1 2)
Для ускорения кипения при выпаривании растворов, содержащих объемистые осадки, и нагревания аморфных масс или кашицы из мелких кристаллов для получения более крупных рекомендуется применять приспособление, изображенное на рис. 458. Оно состоит из широкой воронки, имеющей ножки высотой до 5 мм, и насадки цилиндрической формы с 4—5 отверстиями. Это приспособление ставят на дно соответствующих по размеру стакана или выпарительной чашки, по возможности покрывая почти все дно. Приспособление должно быть целиком погружено в жидкость. При нагревании сосуда пузырьки пара и воздуха поднимаются вверх по воронке и своим током увлекают через отверстия насадки частицы осадка. Циркуляция осадка вверх и вниз по воронке препятствует образованию толчков и разбрызгиванию жидкости.
При выпаривании для устранения опасности перегрева жидкости применяют прибор, изображенный на рис. 459. Аппарат состоит из U-образной трубки /, 2 (рис. 459,а), помещаемой в водяную или другую баню 3. Концы трубки соединены с пароотделителем 4, снабженным патрубком 5 для отвода паров в холодильник (нисходящий) или в воздух. Жидкость непрерывно испаряется из коле? на 2. Благодаря непрерывному движению жидкости кипе: ние яроисходит лишь на поверхности последней, чем устраняется вспенивание, -
Рис, 457. Аппарат для выпаривания под вакуумом: 1 — сосуд; 2 —насадка с пароотводной трубкой; S -капельная или делительная воронка; 4 — масляная или водяная баня.
Чтобы избежать обратного тока жидкости, можно нагревать лишь часть 2 (рис. 459, в) или же обернуть колено / изолирующим материалом, или сконструировать колено 2 из двух трубок (рис. 459, б), увеличив этим поверхность испарения. Чем длиннее U-образная трубка и чем глубже она помещена в баню, тем интенсивнее идет выпаривание.
Аппарат заполняют раствором, подлежащим выпариванию, через патрубок .5, для этого в пароотделителе нужно создать небольшой вакуум.
Аппарат можно применять для работы как под обыкновенным давлением, так и под уменьшенным.
Небольшие модели такого аппарата очень удобны при всякого рода микроопределениях, так как после отгонки растворителя оставшееся в U-образной трубке /, 2 вещество может быть взвешено вместе с прибором. Определив заранее массу прибора, по разности можно определить массу вещества.
Небольшие количества жидкости (около 50 мл) удобно выпаривать при помощи специальной выпарительной чашки с рубашкой, диаметром около 70 мм (рис. 460). Нагревание в этих чашках можно проводить при помощи паров таких веществ, как нафталин, бензохинон или сера, или же высококипящими жидкостями. Выпарительную чашку укрепляют в горле колбы емкостью около 250 мл, содержащей теплоноситель и нагреваемой на электроплитке или на какой-либо бане. Рубашка выпарительной чашки имеет отвод, в котором можно укрепить или обратный холодильник, или просто стеклянную трубку (воздушный холодильник).
Иногда выпаривание проводят в сушильном шкафу. Для этого выпарительную чашку со взятым раствором (обычно в небольшом количестве) помещают в сушильный шкаф, в котором поддерживают соответствующую температуру.
В сушильном шкафу можно выпаривать преимущественно водные растворы или подсушивать влажные осадки, содержащие большое количество воды. Органические огнеопасные жидкости выпаривать в сушильном шкафу не рекомендуется. Эфирные, бензольные, ацетоновые растворы выпаривать в сушильных шкафах, даже электрических, совершенно недопустимо, так как' при этом возможен взрыв.
Пары некоторых органических веществ образуют с воздухом взрывоопасные смеси, взрывающиеся от искры и в некоторых случаях даже при небольшом повышении температуры. Для каждого такого органического растворителя существует свой верхний и нижний предел взрывоопасных концентраций в воздухе. В таблицах, приводимых в специальных справочниках, указываются минимальные концентрации паров органических веществ в воздухе, ниже которых смесь их с воздухом не является взрывоопасной, и максимальные, выше которых смесь их с воздухом также не взрывоопасна.
Пример. Объем сушильного шкафа равен 0,02 м3, и в ием сушат вещество, содержащее ацетон. Минимальная взрывоопасная концентрация паров ацетона равна 60,5 г/л»3 воздуха, максимальная 218 г/ж3. Чтобы образовалась взрывоопасная смесь в этом случае, количество паров ацетона в объеме шкафа должно быть: для нижнего предела 60,5-0,02 =1,21 г; для верхнего предела 218-0,02 = = 4,36 г. Если воздух, находящийся внутри шкафа, будет содержать ацетона меньше 1,21 г или больше 4,36 г, то опасность взрыва уменьшается, но не исключается.
Для выделения малых количеств растворенных веществ из больших объемов растворов в летучих растворителях с полной рекуперацией их рекомендован прибор, изображенный на рис. 461.
Делительную или капельную воронку 5 укрепляют в аллонже 4 на резиновой или корковой пробке. Конец воронки должен не доходить до узкой части аллонжа на 1,5—2 см. Лллонж 4 имеет отводную согнутую под углом трубку для соединения с холодильником 6. Узкую трубку аллонжа на пробке вставляют в широкую пробирку 3, опущенную в баню /. На дно этой пробирки помещен колокол Гернеца 7 для создания равномерного кипения жидкости и предупреждения выбросов. Колокол Гернеца' можно заменить так называемой кипятильной палочкой.
Выпаривание органических огнеопасных жидкостей следует проводить «беспламенным» способом, используя для этого закрытые электроплитки. Водяную или иную баню, применяемую для нагревания широкой пробирки, предварительно нагревают на электроплитке или же нагревательный элемент, если позволяют обстоятельства, помещают в баню под пробирку, как показано на рис. 461.
В качестве приемника можно использовать или двух-горлые колбы, или склянку Вульфа, или другой аналогичный прибор, оборудовав его так, как показано на рис. 461.
Много трудностей вызывает упаривание растворов термочувствительных веществ, т. е. таких, которые могут изменяться при нагревании, иногда даже небольшом.
Для выпаривания растворов таких веществ применяют специальные аппараты, в том числе так называемые пленочные испарители. Они бывают или горизонтальные, или вертикальные (рис. 462). Для того чтобы избежать распада растворенного вещества, упари* вание лучше всего проводить с применением вакуума, -
Рис. 463. Схема горизонтального пленочного испарителя
,
Рис. 464. Схема прибора для выпаривания с циркуляцией: 1-края- для стока упареииого раствора; 2г-обогревающая спираль, 3 — циклон; 4 — место для термометра; 5 - холодильник; 6- приемники.
Горизонтальные пленочные испарители (рис. 463) бывают постоянно вращающиеся, причем скорость вращения должна быть небольшой (несколько оборотов в минуту) .
Для упаривания небольших объемов (500 мл) жидкости при постоянной циркуляции применяют прибор, изображенный на рис. 464. Упариваемую жидкость нагревают горячей водой или паром, пропускаемым через спираль. Нагреваемую часть соединяют с коническим сосудом-циклоном 3, что вызывает постоянную цирку* ляцию жидкости. Это препятствует образованию корочки, мешающей испарению жидкости. Упаренную жидкость спускают через кран /. Если объем жидкости уменьшится настолько, что циркуляция прекратится, то в циклон добавляют новую порцию упариваемой жидкости. Пары растворителя конденсируются в холодильнике, и образовавшаяся жидкость поступает в приемник.
Этот прибор особенно удобен для упаривания растворов термочувствительных веществ, так как упаривание можно проводить под вакуумом.
Выпаривание жидкостей можно проводить, пользуясь инфракрасной лампой мощностью 250 вт. Для этой цели пригоден прибор, показанный на рис. 465. В небольшой кристаллизатор / диаметром около 15 см и высотой 7,5 см помечают стеклянную крышку 2, имеющую подводящую трубку 3, через которую вдувают очищенный профильтрованный воздух или, если это необходимо, инертный газ. Такую стеклянную крышку можно сделать из другого кристаллизатора, но меньшего диаметра (14 см). Стеклянную крышку помещают на стеклянной подставке.
Пары испаряющейся жидкости удаляются через пространство между кристаллизатором и крышкой. При работе с таким испарителем исключается возможность загрязнения остатка после выпаривания и, кроме того, сам процесс выпаривания ускоряется. Жидкость в кристаллизатор нужно наливать в таком количестве, чтобы между уровнем жидкости и крышкой оставалось пространство для выхода паров жидкости.
Для упаривания фильтратов и промывных вод следует пользоваться стаканами, но не коническими колбами. Жидкость, налитая в стакан, должна занимать не более 2/з—3A его объема. Упаривать наиболее удобно на песочной бане. Упариваемый раствор следует иногда перемешивать стеклянной палочкой. Если этого не делать, может произойти внезапное вскипание и выброс жидкости. Такое вскипание особенно часто происходит, если упаривают в конических колбах.
При упаривании не следует допускать сильного кипения жидкости, так как это также связано с опасностью потери ее в результате разбрызгивания. Слабое кипение допустимо, но и оно нежелательно.
Некоторое затруднение может вызвать выпаривание больших об/ьемов жидкостей с целью выделения растворенных в ней твердых веществ, например выпаривание очень разбавленных водных солевых растворов. Чтобы избежать применения громоздких выпарительных чашей и других подобных приспособлений, собирают прибор, состоящий из кварцевого, стеклянного, фарфорового или металлического стакана, капельной вбронки и горелки или электроплитки (рис. 466).
Жидкость, подлежащую выпариванию, наливают в капельную воронку при помощи химической воронки.
Рис. 465. Прибор для выпаривания жидкостей при помощи инфракрасной лампы: 1 — кристаллизатор; 2-крышка; 3 - газоподводящая трубка; 4 — инфракрасная лампа.
Рис. 466. Схема прибора для выпаривания больших количеств жидкости: 1 — химическая воронка; 2 —капельная воронка; 8 — стакан; 4 — электроплитка; 5 —штатив; 6 — кольцо для крепления воронки.
Конец капельной воронки опускают внутрь стакана до половины его высоты. Включают обогрев и, когда дцо стакана нагреется, открывают кран капельной воронки так, чтобы жидкость вытекала со скоростью 3—4 капли в секунду. Температуру обогрева можно регулировать или толщиной асбестового слоя, подложенного под стакан, или при помощи реостата (для электрообогрева), или величиной пламени газовой либо другой горелки.
Иногда требуется путем упаривания раствора повысить его концентрацию. Для облегчения работы можно заранее подсчитать, до какого объема нужно упарить жидкость.
Повышение концентрации растворенного вещества может быть достигнуто ие только испарением растворителя. Для этой же цели используют прием вымораживания. Этот прием * представляет особый интерес для концентрирования летучих и термически нестойких веществ, которые разрушаются даже при сравнительно невысокой температуре. Как известно, растворы замерзаю{ при температуре более низкой, чем температура замерзания растворителя. Однако кристаллизация растворителя начинается до того, как замерзнет иесь раствор. Поэтому, охлаждая раствор до температуры, немного не доходящей до температуры, при которой замерзает весь раствор, можно добиться того, что растворитель начнет кристаллизоваться. Раствор (около 1 л), подлежащий концентрированию, наливают в стеклянную или пластмассовую склянку и помещают в камеру для охлаждения или в криостат. Процесс вымораживания длится несколько часов, и в результате его в центральной части сосуда образуется сконцентрированный раствор, окруженный как бы оболочкой из замерзшего растворителя. Вымораживаемый раствор необходимо время от времени встряхивать, чтобы предотвратить переохлаждение. Более удобно склянку с раствором соединить с устройством для встряхивания или перемешивания.
РЕКОМЕНДУЕМАЯ ЛИТЕРАТУРА
Об упрощенном вращающемся испарителе см. StegemennH., Chem. Ztg., 81, № 4, НО (1957); РЖХим, 1958, № 15, 124. реф.50162,
Простой вращающийся испаритель, изготовляемый из стандарт* ных стеклянных- и полиэтиленовых деталей, описан Brady W., Thomson J. В., Lab. Pract., 8, № 12, 415 (1959); РЖХим, 1960, № 15, 163. реф. 61249.
О простом вращающемся пленочном испарителе см. А г-nett Е. M., Chem. Educ, 37, № 5, 247 (1960); РЖХим, 1961, Кя 1, 160 (60), реф. 1Е81.
О горизонтальном пленочном испарителе см. Anal. Chem., 22, 1462 (1950).
О вертикальном пленочном испарителе см. В а г t h о 1 о m е w W. H., Anal. Chem., 21, 517 (1949).
О применении центробежно-плепочных аппаратов см. Кафа< ров В. В.. Шатро С. И., Хим. пром.. Xs 8, 17 (1955); Орехов А. Пч Химия алкалоидов, Изд. АН СССР. 1955; Вишневский Н. E.. Г л у х а н о в Н. П., Ковалев И. С., Аппаратура высокого давления с экранированным электродвигателем, M.—Л., 1956; Барашков С. Г., Медиц. пром. СССР, № 11, 34 (1958); Chem. Eng., № 7, 278 (1955). \
О лабораторном пленочном испарителе для быстрого концентрирования разбавленных растворов см. Bush М. Т., Analyt. Bio-chem., 1, № 3, 274 (1960).
О пленочном испарителе см. Lab. Pract., 15, № 7, 101 (1963); РЖХим, 1964, ЗД46.
* Ои применим в тех случаях, когда растворитель и растворимые вещества ие образуют смешанных кристаллов (твердых растворов)..
Испаритель для упаривания растворов на водяной бане с регулируемой температурой см. DuboFF G. S., Chemist Analyst, 49, № 3, 83 (1960); РЖХим, 1961, Ks 11, 167, реф. 11Е51.
О выпарном аппарате с водяным обогревом для упаривания растворов после экстракции см. Evans Е. G., Lab. Pract., 10, № 6, 403 (1961); РЖХим, 1962, реф. 2Е88.
Об испарителе для полного удаления растворителя см. CoI е-man М. Ii., Lab. Pract., 11, Ks 7, 543 (1962); РЖХим, 1963, реф. 4Д56.
Вибрирующий испаритель описан Момсеэ Ц у т о м у, J. Phar-mac. Soc. Japan, 83, Ks 6, 653 (1963); РЖХим, 1964, 6Д72.
Вакуум-испарительный прибор для быстрого упаривания жидкостей описали С и л о н о в а Г. В., Л и с о в с к а я Н. П., Ливан-цова Н. Б., Вопросы мед. химии, 10, Ks 4, 434 (1964); РЖХим, 1965, 15Д27.
Вращающийся вакуумный испаритель описал С а г 1 s t о п R. О., Chem. Educ, 39, Ks 5, 256 (1962); РЖХим, 1965, 4А69.
О ротационном вакуумном испарителе в исследовательской лаборатории см. Genser F., Richter И., Glas- u. Instr.-Techn., 7, Ks 11, 620, 622 (1963); РЖХим, 1964, 12Д57.
Вращающийся выпарной аппарат описал N ё m е с I., Chem. listy, 57, W9 10, 1074 (1963); РЖХим, 1964, 12Д56.
О концентрировании при помощи замораживания и оттаивания см. Gibor A., Sci., 133, Х° 3447, 193 (1961).
О вымораживании как безопасном методе концентрирования разбавленных растворов см. Shapiro J., Sci., Ks 3470 2063 (1961); РЖХим, 1962, реф. 14Е75.
О концентрировании замораживанием водных разбавленных растворов см. Kobayashi Shigeru, Lee G. F., Analyt. Chem., 36, Ks II, 2197 (1964); РЖХим, 1965, 7ГЗ.
О концентрировании разбавленных растворов методом вымораживания см. Smith G. H., Tasker М. P., Anal. Chim. Acta, 33, Ks 5, 559 (1965); РЖХим, 1966, 10Г2.
О волюмометрической колбе для выпаривания см. Taus-sk у Н. H., Analyt. Biochim., 6, 283 (1963); РЖХим, 1964, 8Д34.
Об удобном и безопасном методе отгонки органических растворителей см. К a m р h a u s е n Н. A., Chem. Educ, 39, Ks 4, 208 (1962); РЖХим, 1964, 19А60.
О фотометрическом контроле процесса упаривания см. С м и р-нов А. В., Зав. лаб., 30, № 10, 1261 (1964); РЖХим, 1965, 9Д97.
О регулировании скорости испарения применением поплавковых тел см. Faggiani S., Schippa G., Calore, 35, Xs 8, 342 (1964); РЖХнм, 1965, 7Д96.