Реактордан су жинауға арналған химиялық құрал-жабдықтар

Кіріспе

Реактордан суды жинауға арналған химиялық зертхана аппаратурасы. Маркуссон аппараты, Дин-Старк аппараты, Дин-Старк қабылдағышы, дистилляция тұзағы немесе Дин-Старк басы – синтетикалық химияда реактордан суды (немесе кейде басқа сұйықтықты) жинау үшін қолданылатын зертханалық шыны ыдыс. Ол суды сұйықтықтан бөлу үшін қайта қайнату конденсаттарымен (рефлюкс конденсаторымен) және дистилляция колбасымен бірге қолданылады. Бұл, мысалы, этерификация реакциялары сияқты, қайта қайнату температурасында жүргізілетін химиялық реакция кезінде түзілетін судың үздіксіз алынып тасталуы болуы мүмкін. Джулиус Маркуссонның (1905 жылы ойлап тапқан) бастапқы құрастырылысын американдық химиктер Эрнест Вудвард Дин (1888–1959) және Дэвид Дьюи Старк (1893–1979) 1920 жылы мұнайдағы судың мөлшерін анықтау үшін жетілдірді.

Функция

Дин-Старк тұзақтарының екі түрі бар: бірі судан төмен тығыздықтағы еріткіштермен, екіншісі судан жоғары тығыздықтағы еріткіштермен пайдалануға арналған. Дин-Старк аппараты әдетте тік цилиндрлі шыны түтікшеден тұрады, көбінесе оның толық ұзындығында көлемдік шкала және төменгі жағында дәлдікті тосқауыл, буретке ұқсас. Судың өте аз мөлшерін алу немесе өлшеу үшін жасалған тұзақтар жабылуы мүмкін, тосқауылсыз. Рефлюкс конденсаторының төменгі ұшы цилиндрдің жоғарғы жағына бекітіледі. Конденсатор мен цилиндрдің арасындағы қосылыстың астында цилиндрді реакциялық колбаға жалғайтын көлбеу жақтағы түтік орналасқан. Бұл түтіктің төменгі ұшы тік түтік арқылы реакциялық колбаға қосылады. Реакциялық колба қыздырылады. Оның ішіндегі қайнау бөлшектері реакциялық еріткіш пен алынып тасталатын компоненттің буын қалыпты түрде пайда болуына көмектеседі. Бұл бу реакциялық колбадан конденсаторға өтеді, онда салқындатылып, дестилляциялық тұзаққа тамшылайды. Мұнда араласпайтын сұйықтықтар қабаттарға бөлінеді (су төменде, еріткіш жоғарыда). Олардың жиынтық көлемі түтіктің деңгейіне жеткенде, тығыздығы төмен қабат реакторға ағып бастайды, ал су қабаты тұзақта қалады. Тұзақ су деңгейі түтік деңгейіне жеткенде толық сыйымдылыққа жетеді. Осы кезде тұзақты қабылдау колбасына құю керек. Булау, конденсация және жинау процесі қосымша су пайда болмайынша жалғастырылуы мүмкін. Судан жоғары тығыздықтағы еріткіштерге арналған модель сирек кездеседі. Бұл типтегі тұзақта реакциялық колбаның түбінде органикалық еріткішті реакциялық колбаға қайта ағызуға мүмкіндік беретін түтік бар. Реакция кезінде пайда болған су органикалық фазаның үстінде қалады. Суды алып тастау үшін барлық көлемді сорып тастау керек, ал органикалық қабатты жүйеге қайтару үшін бөліп алуға болады. Бұл жабдық көбінесе азеотроптық дистилляцияда қолданылады. Мысалы, қайнаған толуолдағы реакция кезінде пайда болған суды алып тастау. Толуол мен судың азеотроптық қоспасы дистилляцияланады, бірақ толуол ғана (0,865 г/мл тығыздық) қайтарылады, өйткені ол судың (0,998 г/мл тығыздық) үстінде қалады, ол тұзақта жиналады. Сумен азеотроп түзейтін кейбір жоғары қайнайтын сұйықтықтарды суды алу үшін толуол немесе басқа азеотропты бұзатын еріткіш қосып кептіруге болады. Дин-Старк әдісі тамақ өнеркәсібінде нан сияқты өнімдердің ылғалдылығын өлшеу үшін жиі қолданылады. Бұл жабдықты тек суды алып тастау үшін ғана емес, басқа жағдайларда да қолдануға болады. Мысалы, күкірт қышқылымен катализделген бутанолды уксус қышқылымен этерификациялау. Будың құрамында 63% эфир, 29% су және 8% спирт бар, ал тұзақтағы органикалық қабатта 86% эфир, 11% спирт және 3% су бар, ол қайта енгізіледі. Су қабаты 97% таза. Тағы бір мысал - бензой қышқылы мен бутанолды этерификациялау, онда эфирлі өнім тұзақталса, ал сумен араласпайтын бутанол реакторға қайта ағылады. Осы этерификациялар кезінде суды алып тастау, Ле Шателье принципіне сәйкес, эфирдің пайда болуына қарай химиялық тепе-теңдікті өзгертеді.

Two types of Dean–Stark traps exist – one for use with solvents with a density less than that of water and another for use with solvents with a density greater than that of water. The Dean–Stark apparatus typically consists of a vertical cylindrical glass tube, often with a volumetric graduation along its full length and a precision stopcock at its lower end, very much like a burette. Traps designed to remove or measure very small amounts of water may be closed, with no tap. The lower end of a reflux condenser fits into the top of the cylinder. Immediately below the joint between the condenser and the cylinder is a sloping side arm that joins the cylinder to a reaction flask. The lower end of the side arm turns sharply downward, so that the side arm is connected to the reaction flask by a vertical tube. The reaction flask is heated. Boiling chips within it assist with the calm formation of bubbles of vapor containing the reaction solvent and the component to be removed. This vapor travels out of reaction flask up into the condenser where water being circulated around it causes it to cool and drip into the distilling trap. Here, the immiscible liquids separate into layers (water below and solvent above it). When their combined volume reaches the level of the side arm, the upper, less dense layer will begin to flow back to the reactor while the water layer will remain in the trap. The trap will eventually reach capacity when the level of the water in it reaches the level of the side arm. At this point, the trap must be drained into the receiving flask. The process of evaporation, condensation and collection may be continued until it ceases to produce additional amounts of water. More rarely encountered is the model for solvents with a density greater than water. This type has a tube at the bottom of the collection vessel to allow the organic solvent at the bottom to flow back into the reaction vessel. The water generated during the reaction floats on top of the organic phase. The entire volume must be drained to remove the water and the organic layer can be separated to be returned to the system. This piece of equipment is usually used in azeotropic distillations. A common example is the removal of water generated during a reaction in boiling toluene. An azeotropic mixture of toluene and water distills out of the reaction, but only the toluene (density 0.865g/ml) returns, since it floats on top of the water (density 0.998g/ml), which collects in the trap. Some high boiling liquids that have an azeotrope with water can be dried by adding toluene or another azeotrope breaking solvent to allow the extraction of water. The Dean–Stark method is commonly used to measure moisture content of items such as bread in the food industry. This equipment can be used in cases other than simple removal of water. One example is the esterification of butanol with acetic acid catalyzed by sulfuric acid. The vapor contains 63% ester, 29% water and 8% alcohol at reflux temperature and the organic layer in the trap contains 86% ester, 11% alcohol and 3% water which is reintroduced. The water layer is 97% pure. Another example is the esterification of benzoic acid and n butanol where the ester product is trapped and the butanol, immiscible with the water, flows back into the reactor. Removing water in the course of these esterifications shifts the chemical equilibrium in favor of ester formation, in accordance with Le Chatelier's principle.