Типы автоклавов. Автоклавы лабораторного типа можно отнести к двум классам: автоклавы низкого давления и автоклавы высокого давления.
Автоклавы низкого давления. К этому классу относятся автоклавы, рассчитанные на невысокие (обычно до 10 атм.) давления. Примером может служить обычный автоклав для стерилизации, широко применяемый в биологических лабораториях. В химических лабораториях этого типа автоклавы вследствие ограниченности их применения используются редко.
Автоклавы высокого давления. К этому классу относятся автоклавы, рассчитанные на давление до 1000 атм. Операции под давлением свыше 1000 атм. следует отнести к области сверхвысоких давлений; проведение их требует особых предосторожностей и специальной конструкции приборов.
Существует большое число разнообразных конструкций автоклавов, которые могут быть отнесены к двум основным типам: автоклавы без размешивания и автоклавы с размешиванием. Конструкции их в принципе весьма сходны между собой и различаются лишь тем, что автоклавы второго типа имеют некоторые дополнительные приспособления, как, например, мешалки с затворами и т.д.
Автоклавы без размешивания. Простейший тип представлен на рис. 154. Он состоит из корпуса 1, выточенного из стальной кованой болванки, двух фланцев, верхнего 2 и нижнего 3, удлинителя головки 4, болтов 5, кармана для измерения температуры 6 и затвора 7. В верхней части удлинителя 4 имеется резьба, на которую при помощи гайки 8 привинчивается манометр 9, а сбоку — отверстие с внутренней резьбой, в которое ввинчивается вентиль.
Автоклавы этого типа изготовляются емкостью от 0,25 до 5 л и рассчитаны на давления до 1000 атм. и нагрев до 500°.
В других конструкциях карман устанавливается в центре верхнего фланца, по оси тела автоклава, а удлинитель — сбоку фланца.
Автоклавы с размешиванием. Простейший прием осуществления размешивания достигается тем, что обычный автоклав (описанного выше типа) помещают в специальную качалку, при помощи которой осуществляют взбалтывание (рис. 155).
Неудобство этой конструкции заключается в том, что она несколько громоздка, создает большой шум и, кроме того, требует применения термопар, так как термометры от непрерывного встряхивания вскоре выходят из строя.
Автоклавы с мешалками. Второй способ осуществления размешивания заключается в том, что в реакционное пространство автоклава (в тело) вводят мешалку, обычно пропеллерного типа с двумя лопастями. Стержень мешалки пропущен через удлинитель. Герметичность достигается при помощи двойного сальника с масляным затвором и охлаждением. Вращение осуществляется посредством шкива (или червячной передачи), установленного в верхней части стержня мешалки; скорость вращения составляет 100—200 об/мин.
В некоторых автоклавах конструкция дополнена приспособлением для отбора жидких проб (рис. 156). Для этого в верхнем фланце устанавливается тонкая, почти доходящая до дна тела трубка, соединенная посредством холодильника с вентилем. Отбор пробы газа производится либо через вентиль, предназначенный для выпуска газа, либо через дополнительно поставленный вентиль.
Автоклавы этого типа изготовляются емкостью от 0,5 до 5 л и рассчитаны на нагрев до 500° и давления до 500 атм. Они незаменимы при изучении кинетики различных процессов под давлением.
Наличие в конструкции ряда ответственных деталей (сальники и пр.) требует особо внимательного обращения и ухода. Эти автоклавы имеют ограниченное применение, вследствие того что многие вещества при высоких температурах могут растворять масло из сальников.
Вращающиеся автоклавы. Наиболее простой и в то же время надежной для работы конструкцией, обеспечивающей необходимое размешивание, являются вращающиеся автоклавы. Перемешивание в них достигается за счет вращения самого тела. Простота конструкции и отсутствие дополнительных деталей значительно упрощают их эксплуатацию и гарантируют полную герметичность.
Автоклавы этой конструкции изготовляются двух типов: бутылочные и цилиндрические.
Тип первого автоклава представлен на рис. 157. Благодаря наличию горла он может работать в горизонтальном положении. В центре верхнего фланца, по оси тела, установлен карман для измерения температуры, а под некоторым углом к нему — удлинитель, к которому присоединяются манометр и вентиль. Тело у дна автоклава заканчивается массивным цилиндрическим отростком (хвост), на конце которого укрепляется шкив или зубчатое колесо. Последние посредством ременной или червячной передачи соединяются с электромотором.
Вращение тела автоклава достигается при помощи двух роликов, установленных на станине электропечи, на которую опирается верхний фланец автоклава и подшипника, охватывающего хвост тела и укрепленного на той же станине.
Цилиндрический тип автоклава отличается отсутствием горла, вследствие чего его обычно во время работы устанавливают под некоторым углом — головкой автоклава кверху. Установка под углом достигается при помощи
специальных подъемных винтов, приподнимающих одну сторону рамы с электропечью на требуемую высоту.
Автоклавы обоих типов изготовляются емкостью от 0,5 до 5 л и рассчитаны на давления до 500 атм. и температуру до 500°. Скорость вращения составляет 50—70 об/мин. Этими тремя основными типами исчерпываются обычные конструкции современных лабораторных автоклавов.
Автоклавы эти изготовляются из обычной или нержавеющей стали или, что значительно реже, из сплавов меди. В тех случаях, когда работа производится с корродирующими веществами, в автоклав следует вставить сосуд (широкую пробирку) из некорродирующего материала, например, стекла. Вставные сосуды можно применять, разумеется, только в вертикальных автоклавах. Однако не во всех случаях это гарантирует от коррозии, так как в случае использования низкокипящих веществ пары их все же будут действовать на сталь. Более эффективным средством от коррозии является покрытие внутренней полости автоклава некорродирующими металлами.
Затворы. В процессе развития техники высокого давления было предложено большое число разнообразных конструкций затворов, большинство которых в настоящее время устарело. Переход к более высоким температурам и давлениям заставил полностью отказаться от первоначально применявшихся прокладок из свинца, асбеста, кожи и т.д. В тех конструкциях затворов, в которых необходимы прокладки (обтюраторы), они изготовляются чаще всего из красной отожженной меди и железа или из алюминия. Все современные затворы могут быть сведены к двум типам конструкций: затворы с прокладками и без них.
Герметичность затворов первого типа создается за счет сжатия металлического кольца (обтюратора) между верхним и нижним фланцами.
В безобтюраторных затворах герметичность достигается за счет прижимания по окружности выступающей части верхнего фланца к нижнему.
Как показал многолетний опыт работы автора, последний тип затвора работает обычно безотказно. Описание остальных конструкций затворов можно найти в специальной литературе.
Стягивание фланцев почти во всех конструкциях современных автоклавов производится посредством болтов или шпилек (снабженных массивными гайками), сечение и количество которых рассчитывается, исходя из диаметра горла автоклава и режима работы (t°и Р). Завинчивание болтов производится при помощи специальных ключей с длинной рукояткой.
Вентили. Назначение — впуск и выпуск газа. Наиболее распространенным типом является вентиль точной регулировки (рис. 158). Закрывание прохода газа достигается прижиманием иглы к ниппелю путем вращения головки стержня по часовой стрелке. Герметичность вентиля в открытом состоянии, в процессе наполнения автоклава сжатыми газами из баллонов, обеспечивается сальником, набитым асбесто-графитовым шнуром или баббитом.
О подробностях устройства см. специальную литературу.
Соединительные части. Присоединение автоклава к баллону производится посредством гибких цельнотянутых медных или железных (от 2 до 6 мм) капиллярных трубок, способных выдерживать давления от 200 до 600 атм.
К концам этих трубок припаивают специальные конусы, снабженные нажимными гайками, диаметр и резьба которых точно соответствуют диаметру и резьбе ниппеля автоклава и головки баллона. Герметичность соединения создается завинчиванием нажимной гайки, прижимающей конус к отверстию ниппеля, т.е. по тому же принципу, по которому уплотняются безобтюраторные затворы автоклавов. Существуют уплотнения и с прокладками, в качестве материала применяют свинец, фибру, красную медь или алюминий. Эти уплотнения сходны с обтюраторными затворами автоклавов.
Тиски. Сборка и разгрузка автоклавов производятся в специальных массивных тисках, намертво укрепленных в капитальной стене или при помощи специальной стойки, прикрепленной к полу.
Простейший тип тисков (рис. 159) представляет собой хомут с откидывающейся половинкой, в котором автоклав закрепляется при помощи зажимного винта. Такие тиски пригодны для работы только с небольшими автоклавами.
Более удобная конструкция тисков была разработана экспериментальным заводом Института нефти (Москва). Эта конструкция, помимо того, что обеспечивает плотное укрепление автоклавов любого размера и веса, позволяет укрепленный в тисках автоклав поворачивать под любым углом, что чрезвычайно облегчает его разгрузку и мойку.
Автоклавные манометры. Для измерения давлений в автоклавах применяются манометры двух типов: трубчатые (бурдоновские) и мембранные (шефферовские).
Основной деталью бурдоновских манометров (рис. 160) является полая трубка 1 с сечением эллипса, согнутая по кругу. Один из концов ее припаян к держателю 2, который заканчивается ниппелем 5 с нарезкой, при помощи которого манометр присоединяется к автоклаву. Ниппель и держатель имеют высверленный канал, посредством которого трубка сообщается с внутренней полостью автоклава. Второй конец трубки — подвижный — закрыт пробкой 3, соединенной при помощи передаточных механизмов со стрелкой 4.
Принцип работы бурдоновского манометра основан на стремлении трубки при повышенном давлении выпрямляться. При этом стрелка, связанная со свободным концом трубки, отклоняется от своего первоначального положения. Так как распрямление трубки до известного предела пропорционально приложенному давлению, это позволяет построить равномерную шкалу отсчетов.
Для этого манометр снабжается циферблатом, на котором нанесены деления, выраженные в кг/см2.
Трубки для манометров изготовляются из различных медных сплавов и стали. Из первых изготовляются трубки для манометров до 50 атм.; для более высоких давлений употребляется только сталь.
Манометры этого типа изготовляются на давление до 5000 атм.
Мембранный манометр (рис. 161) имеет следующее устройство. Между верхним фланцем 3, составляющим общее целое с корпусом 4 манометра, и нижним 1 устанавливается мембрана 5. Она представляет собой металлическую пластину, гофрированную концентрическими кругами и посредством передаточных механизмов связанную со стрелкой. При помощи винтов мембрана плотно стягивается между фланцами. Нижний фланец заканчивается ниппелем 2, посредством которого манометр соединяется с автоклавом.
Под влиянием давления мембрана деформируется, эта деформация передается стрелке, которая отклоняется на некоторый угол. Отсчет производится по шкале, нанесенной на циферблат.
Мембраны на низкие давления изготовляются из сплавов меди, а на большие — из стали.
Манометры этой конструкции особенно пригодны для применения в тех случаях, когда приходится работать с газами или веществами, пары которых вызывают коррозию металлов мембраны. В таких случаях под мембрану подкладывают тонкую фольгу из металла, устойчивого против действия этих веществ.
В тех случаях, когда имеется необходимость измерять небольшие изменения давлений при сравнительно большом начальном давлении, можно воспользоваться дифференциальным индикатором, предложенным М.Б. Нейманом. Основными деталями его являются две стальные мембраны (рис. 162) — тонкая 1 и толстая 2. Через просверленное в центре толстой мембраны отверстие проходит штифт, прикрепленный к кружку 3, припаянному к центру тонкой мембраны. Этот штифт упирается в рычаг 4, снабженный зеркальцем 5. Обе части индикатора, лежащие справа и слева от мембран, при помощи трубок, снабженных ниппелями и ввинчивающихся в отверстия 7 и 8, соединяются с прибором высокого давления. Трубка, соединенная с отверстием 7, снабжена вентилем, перекрывающим сообщение с прибором. При малейших изменениях давления в приборе тонкая мембрана прогибается, вызывая поворот зеркальца 5. Угол поворота благодаря наличию окошка 6 из толстого стекла может быть отмечен оптической регистрацией. Тонкая мембрана рассчитана на измерение давления до 1 атм. При более высоких давлениях она прижимается к толстой, и обе начинают работать вместе. В последнем случае масштаб показаний индикатора, разумеется, изменяется. Этот прибор рассчитан на измерение прироста давления от 10 мм до 50 атм.
Кроме того, существуют регистрирующие манометры (рис. 163), автоматически записывающие показания давления, манометры с контрольной стрелкой, которая показывает максимально достигнутое давление, и манометры с электрической сигнализацией, которые при помощи лампочек или звонков предупреждают о том, что давление превысило заданный предел.
Более подробные сведения об устройстве манометров можно найти в специальной литературе.
Нагревание автоклавов. Ранее применявшееся обогревание автоклавов посредством газа со временем почти полностью было заменено электрообогревом. Печи для автоклавов, за малым исключением, изготовляются с нагревательными элементами из проволок сопротивления (нихром или фехраль). Печи для неподвижных автоклавов изготовляются цилиндрической формы с металлическим кожухом, внутри которого помещается нагревательный элемент. Для уменьшения теплоизлучения пространство между нагревателем и стенкой кожуха заполняется асбестом.
Для автоклава с мешалкой печь вместе с приводом к мешалке и электромотором монтируется обычно на общей плите (рис. 164).
Печь для вращающихся автоклавов изготовляется разъемная, состоящая из двух полуцилиндров, соединенных петлями. Нагревательный элемент состоит из двух спиралей нихромовой проволоки, уложенных в желобках полуцилиндров, изготовленных из керамической массы. Обе половинки печи заключены в железные кожухи и имеют самостоятельные клеммы для приключения подводки тока. Печь устанавливается на специальной подвижной раме.
Измерение температуры производится палочными термометрами обычного типа или термопарами.
Регулировка температуры достигается при помощи контактных гальванометров с термопарами, мощных реостатов или автотрансформаторов. Следует помнить, что мощность электропечей для автоклавов весьма велика (может достигать 3 кВт), вследствие чего обычные ползунковые реостаты абсолютно непригодны. При отсутствии указанных регуляторов регулировку нагрева можно осуществлять периодическим включением и выключением нагрева. Такая регулировка, естественно, весьма несовершенна и утомительна и требует особо тщательного наблюдения за температурой.
Сборка автоклава. Сборка аппаратуры должна производиться работником (механиком), хорошо знакомым с общими приемами слесарного ремесла.
Прежде чем новый автоклав загружать исследуемым веществом и производить в нем реакции, необходимо проверить герметичность его соединений.
Прежде всего к головке автоклава привинчивают вентиль и манометр. Выбор манометра должен определяться режимом давления в опыте. Как правило, следует ставить такой манометр, чтобы максимальное давление в автоклаве в процессе проведения опыта не превышало бы 1/2—2/3 максимального давления, на которое рассчитан данный манометр. Для привинчивания манометра и вентиля удлинитель головки плотно зажимают в обычные параллельные тиски. Завинчивание производится гаечным ключом до отказа. Употребление каких-либо рычагов не рекомендуется, так как это может вызвать повреждение резьбы.
После того как головка собрана, тело автоклава плотно зажимают в тиски и проверяют чистоту затвора. Если затвор обтюраторный, кладут обтюратор (прокладку), следя за тем, чтобы в места, подлежащие сжатию, не попали частицы песка, стружки металла и пр. После этого к телу автоклава присоединяют головку. Обычно по окружности обоих фланцев против отверстий для болтов проставлены порядковые цифры, те же цифры имеют и болты. Присоединяя головку автоклава к телу, необходимо следить за тем, чтобы цифры в верхнем и нижнем фланцах соответствовали бы друг другу. После этого в отверстия фланцев вставляют болты, снизу вверх, надевают шайбы и завинчивают гайки. Этот прием очень облегчает сборку, так как, несмотря на тщательность изготовления деталей аппаратуры, всегда возможны некоторые отклонения от стандарта.
В некоторых конструкциях фланцы вместо болтов снабжены шпильками. Шпилька представляет собой обычный болт без головки, один конец которого ввинчен до отказа в специальное гнездо, высверленное в нижнем фланце. Они обычно не вывинчиваются из гнезд. В такой конструкции достаточно сделать на обоих фланцах в одном месте какую-нибудь зарубку, чтобы всегда свинчивать фланцы в одном и том же положении.
Стягивание фланцев производится следующим образом. Сначала завинчивают гайки на всех болтах от руки, затем при помощи ключа с большой рукояткой. Подтягивание производят крест-накрест: подтянув, не очень сильно, один болт, начинают подтягивать противоположный, следя за тем, чтобы затягивание было равномерным. Затем таким же образом подтягивают накрест лежащие. После того как все болты будут подтянуты, операцию повторяют в том же порядке, крест-накрест, но уже несколько сильнее. Под конец затяжку болтов проверяют последний раз, подтягивая их по очереди по кругу. При таком способе свинчивания фланцев перекос будет исключен.
Для наполнения автоклава сжатым газом его при помощи гибкой капиллярной трубки соединяют с баллоном, открывают вентиль автоклава и, приоткрыв вентиль баллона, наполняют газом, следя за показанием манометра. Для проверки герметичности давление в автоклаве следует довести до 50—100 атм. Закрыв плотно оба вентиля, отсоединяют от автоклава капиллярную трубку и проверяют герметичность сборки путем погружения автоклава в воду. Для этой цели полезно иметь металлический бак-ванну надлежащих размеров. Погружать в воду следует весь автоклав до манометра. Последний погружать не рекомендуется из-за возможности коррозии его деталей. Если в соединениях автоклава имеются пропуски газа, они будут моментально обнаружены по появлению пузырьков. В таком случае эти места должны подвергнуться дополнительной затяжке.
Убедившись в том, что автоклав собран герметично, его следует еще проверить при нагревании. Для этого его помещают в предназначенную для него электропечь и нагревают в течение 3—4 ч при температуре, несколько превышающей температурный режим в опыте, следя за показаниями манометра. Если при постоянной температуре обнаружится падение давления, значит, имеется пропуск газа. В этом случае после полного охлаждения автоклава его следует внимательно обследовать. Иногда, что очень редко встречается, пропуск газа происходит при охлаждении. Это можно легко обнаружить, сличив показания первоначального давления (до нагревания) с конечным (после охлаждения).
Как редкое исключение иногда пропуск газа бывает в манометре. Это можно установить, присоединив к автоклаву другой манометр и наполнив автоклав сжатым газом. Вероятность такого случая, что оба манометра пропускают, — весьма мала.
При переносе автоклава, загруженного исследуемым веществом, необходимо следить за тем, чтобы головка с манометром не опускалась ниже тела, так как это может вызвать заливание трубки манометра и вентиля загруженными веществами и закупорку капиллярных отверстий.
Разгрузка. Разгрузка автоклава после проведения опыта производится лишь после того, как автоклав примет комнатную температуру. Сначала, приоткрыв вентиль, выпускают избыток газа. Если загруженные продукты кипят низко, выходящий газ полезно пропустить через охлажденный змеевик и выпуск производить медленно. После того как весь газ выпущен, автоклав переносят в тиски (выпуск газа можно производить и в тисках) и, отвинтив болты, снимают головку.
Расчет поглощения газа. При проведении опытов в автоклавах необходимо уметь рассчитывать, какое количество газа должно поглотиться в процессе реакции.
Так как в автоклавах чаще всего проводят реакции гидрирования, мы приведем пример расчета применительно к этой реакции.
Первое условие — загрузка в автоклаве не должна, как правило, превышать 25—30% объема реактора. Этого следует придерживаться по двум соображениям: во-первых, при большей загрузке возможно (особенно у вращающихся автоклавов) заливание манометра загруженной жидкостью и попадание в него катализатора; во-вторых, оставшееся свободным пространство автоклава может оказаться недостаточным для введения необходимого количества газа (водорода).
Пример. В автоклав литровой емкости введено 234 г (3 г/мол) бензола и необходимое количество катализатора. Объемом катализатора обычно можно пренебречь. Объем загруженного бензола будет равняться 234 : 0,8684 (уд. вес бензола) = 270 мл.
Отсюда, объем свободного пространства автоклава составит 1000 – 270 = 730 мл (0,73 л). Для исчерпывающего гидрирования 3 г/мол бензола необходимо 9 г/мол Н2, т.е. 22,4 · 9 = 201,6 л. При переводе на атмосферы (в данном опыте) это составит 201,6 : 0,73 = 276 атм.
Так как при наполнении автоклава водородом из баллона можно создать давление не свыше 100—120 атм., то, следовательно, для завершения гидрирования придется произвести не менее трех подкачек водорода. Так как подкачки можно производить лишь в остывший автоклав, гидрирование данной загрузки бензола в данном автоклаве займет практически не менее 3—4 дней.
Если же эту загрузку бензола ввести в трехлитровый автоклав, то получим: объем газового пространства = 2,73 л, отсюда теоретически необходимое количество водорода, выраженное в атмосферах, составит 201,6 : 2,73 = 74 атм. Следовательно, опыт гидрирования можно закончить в один день.
Проведение такого предварительного расчета перед каждым опытом позволит правильно выбрать нужную емкость автоклава и загрузку вещества и сэкономить у работающего химика время.
Для удобства расчета можно пользоваться нижеследующей формулой:
D = I · C / (A – B),
где А — объем автоклава, л;
В — объем загруженного вещества, г;
С — количество водорода, л, теоретически необходимое для исчерпывающего гидрирования загруженного вещества В;
D — количество водорода, в атм., необходимое для гидрирования.
Техника безопасности. При работе с аппаратурой высоких давлений, больше чем в каких-либо иных случаях, нужно придерживаться особых мер предосторожности. Ниже приводится ряд элементарных правил, которыми химик, работающий с аппаратурой высоких давлений, должен руководствоваться неукоснительно.
Узнать о покупке б/у аккумуляторов можно здесь. |
На правах рекламы |
|
Здесь могла бы быть Ваша реклама |
|
Copyright © 2005-2012 Xenoid v2.0
Использование материалов сайта возможно при условии указания активной ссылки
Химия: решение задач