РАБОТА С ПРИМЕНЕНИЕМ ВЫСОКОГО ДАВЛЕНИЯ
При проведении многих химических работ возникает необходимость пользоваться высоким давлением. Так, многие органические вещества можно синтезировать только в условиях повышенного давления.
Повышенное давление в рабочем пространстве может быть создано:
1. Давлением паров веществ, применяемых для реакции, или образовавшихся газообразных продуктов последней, при нагревании реакционного сосуда до высокой температуры при постоянном объеме пространства, в котором протекает реакция.
2. Искусственным увеличением давления с помощью специальных приспособлений.
3. Уменьшением пространства, в котором протекает реакция, или уменьшением объема в сочетании с нагреванием.
Ниже будут рассмотрены только два первых приема.
Устройство аппаратуры для работы с естественным давлением, развивающимся при нагревании или в результате реакции, зависит от количества применяемых для реакции веществ и отчасти от того, какое давление нужно для данной реакции.
Когда для реакции применяют малые количества вещества, пользуются толстостенными запаянными трубками из термически прочного стекла. Такие трубки выдерживают внутреннее давление до 10—12 атм. Вещества, применяемые для проведения реакции, помещают в запаянные с одного конца трубки. Реагенты не должны оставаться на внутренних стенках близко к открытому концу трубки. У заполненной трубки оттягивают открытый конец так, чтобы образовался толстостенный капилляр длиной около 10 мм, который затем запаивают.
Трубки нагревают до 100 0C в специальных приспособлениях, обогреваемых на водяной бане или водяным паром. Если же необходимо нагревание до более высокой температуры, то применяют специальные бронированные трубчатые печи с газовым или электрическим обогревом, снабженные или термометрами, или другими приспособлениями для измерения температуры. Запаянные трубки перед помещением их в печь предварительно обертывают или бумагой (при нагревании не выше 100 С), или листовым асбестом (при нагревании до более высокой температуры), причем класть их в печь нужно так, чтобы часть капилляра выходила наружу. Печь должна стоять наклонно, чтобы капиллярный конец трубки был выше другого ее конца.
При нагревании трубок в печах возможен взрыв. Поэтому нагревание обычно проводят в отдельных помещениях, приспособленных для этой цели.
Когда реакция окончена, трубкам следует дать остыть; вскрывают их только тогда, когда они остынут до комнатной температуры. Трубки вскрывают с большой осторожностью, не вынимая их из печи. Капиллярный конец трубки вначале осторожно нагревают, чтобы удалить находящуюся в нем жидкость. Когда это достигнуто, капилляр нагревают тонким пламенем паяльной горелки до тех пор, пока имеющиеся в трубке газы, находящиеся под давлением, не прорвут размягчившееся стекло капилляра. Когда давление в трубке уравняется с атмосферным, трубку можно вынуть из печи и отрезать оттянутый конец.
Когда для проведения реакции применяют относительно большие количества веществ (несколько десятков или сотен грамм), для работы применяют специальные аппараты, так называемые химические автоклавы, приспособленные для работы под давлением.
Такие автоклавы подразделяют на автоклавы низкого давления (до 10 атм) и автоклавы высокого давления (до 1000 атм). Первый тип ближе подходит к бактериологическим автоклавам и применяется не так часто. Наибольшим распространением пользуются автоклавы второго типа, т. е. автоклавы высокого давления. Условно принято считать, что пределом высокого давления является 1000 атм. Давление свыше 1000 атм относят уже к области сверхвысоких давлений и работы с таким давлением требуют специальных приборов и особой предосторожности.
Лабораторные химические автоклавы имеют обычно емкость 0,25—5 л. Они рассчитаны на давление до 100 атм. Чаще всего встречаются автоклавы, рассчитанные на давление 15—25 атм. Имеются автоклавы (рис. 509), рассчитанные на давление до 1000 атм и нагревание до 500° С.
При работе с автоклавом сначала отвинчивают болты и открывают крышку. Внутреннюю поверхность автоклава хорошо очищают и моют. Затем, вытерев бак досуха, вводят реакционную массу, закрывают крышку, проверив предварительно, проложена ли прокладка. Болты на крышке завинчивают не подряд, а в следующем порядке: вначале завинчивают один какой-либо винт, потом тот, который стоит против завинченного на противоположном конце диаметра, и т. д. Очень важно, чтобы крышка не имела перекосов. Предохранительный клапан должен быть установлен на заданное давление. Проверяют, закрыт ли спускной кран, и вставляют в гнездо термометр. Еще раз проверяют, правильно ли собран аппарат, и, если необходимо, создают требуемое давление. Только после этого начинают обогревать автоклав. Обогрев проводят в течение заданного времени.
В настоящее время наиболее распространен обогрев в специальных электропечах. В зависимости от того, в каком автоклаве проводится работа — в подвижном или укрепленном стационарно, применяют или цилиндрическую электропечь с кожухом или разъемную, сделанную из двух полуцилиндров, соединенных петлями. В последнем случае оба полуцилиндра обычно заключают в железные кожухи. Мощность электропечей для автоклавов может быть около 3 кет. Для регулирования температуры применяют мощные реостаты или автотрансформаторы. Если приборов для регулирования температуры нет, обогрев следует периодически включать и выключать. Во время обогрева время от времени проверяют показания манометра и температуру. По истечении установленного времени обогрев прекращают и дают аппарату полностью остыть, или же, открыв спускной кран, уравнивают давление с атмосферным, и только после этого можно открывать автоклав.
Автоклав, находящийся под давлением, открывать нельзя, так как это может привести к несчастному случаю. При органических синтезах применяют лабораторные автоклавы (рис. 510), снабженные мешалкой. По объему они такие же, как и описанный выше, но работать с ними можно только при давлении до 15 атм. Крышку такого автоклава крепят к корпусу при помощи болтов.
На рис. 511 показан автоклав для высокого давления с мешалкой. Обогрев нужно начинать, только когда будет проверена правильность сборки аппарата. Мешалка приводится во вращение электромотором мощностью 0,2—0,25 л. с.
Автоклавы с мешалками могут быть заменены вращающимися и качающимися автоклавами. Наиболее удобны вращающиеся автоклавы, качающиеся автоклавы менее удобны, так как их устанавливают на специальных аппаратах для встряхивания, работа которых сопровождается значительным шумом.
Рис. 511. Автоклав для высокого давления с мешалкой.
После окончания реакции автоклав открывают с соблюдением описанных выше условий. Отвинчивать болты нужно также крест-накрест и только после того, как давление будет полностью спущено.
Работа с автоклавом требует большой осторожности и точного соблюдения всех требований техники безопасности. Работать можно только с проверенными автоклавами и создавать давление не выше указанного в паспорте, приложенном к аппарату.
Давление внутри автоклава может быть поднято или нагнетанием газа или сжатым газом из баллона. Газ поступает по гибким цельнотянутым медным или железным капиллярным трубкам с наружным диаметром от 2 до 6 jhjh. Такие трубки могут выдерживать давление от 200 до 600 атм. К концам этих трубок припаивают специальные конусы, снабженные накидными гайками, диаметр и резьба которых точно соответствуют диаметру и резьбе ниппеля автоклава и штуцеру на выпускном вентиле баллона (см. гл. 22 «Газовые баллоны и обращение с ними»). Герметичность соединения достигается путем завинчивания накидной гайки, прижимающей конус к отверстию ниппеля. Для того чтобы наполнить автоклав газом, приоткрывают вентиль баллона, постоянно Наблюдая за показаниями манометра. Когда будет достигнуто нужное давление, впуск газа прекращают, а баллон отсоединяют, предварительно закрыв автоклав.
Нужно быть крайне внимательным при впускании газа из баллона в автоклав, особенно если приходится работать с вредными или опасными газами (хлор, фосген, ацетилен и др.), а-также при спускании давления после работы. Следует строго придерживаться всех правил техники безопасности. Работающий с автоклавами должен пройти специальный инструктаж.
Для работы с автоклавами должны быть отведены специальные комнаты — автоклавные. По требованиям техники безопасности стены, потолки и двери таких комнат изготовляют из котельного железа соответствующей толщины. На уровне глаз в стене или в двери делают окошко небольшого диаметра, так называемый «глазок», для наблюдения за работой автоклава.
РЕКОМЕНДУЕМАЯ ЛИТЕРАТУРА
Ц и к л и с Д. С, Техника физико-химических исследований при высоких давлениях, изд. 2-е, Госхимиздат, 1958.
Описание лаборатории для работы с высокими давлениями см. Craig L. E.. Dew J. E., lnd. Eng. Chem., 51, № 10, 1249 (1959); РЖХим, 1960, № 13, 152, реф. 51782\
Техника высоких давлений в лаборатории см. T о d t е n h-аир Т. D., Brennst. Chem., 46, № 8. W94 (1965); РЖХнм, 1965, 5Д38.