Аппарат Маркусана-Дина-Старка для сбора воды из реактора

Введение

Химический лабораторный аппарат для сбора воды из реактора. Аппарат Маркуссона, аппарат Дина-Старка, приемник Дина-Старка, дистилляционная ловушка или головка Дина-Старка – это лабораторный стеклянный прибор, используемый в синтетической химии для сбора воды (или иногда другой жидкости) из реактора. Он применяется совместно с обратным холодильником и дистилляционной колбой для отделения воды от жидкостей. Это может быть непрерывное удаление воды, образующейся в ходе химической реакции, проводимой при температуре кипения с обратным холодильником, например, в реакциях этерификации. Изначальная установка, разработанная Джулиусом Маркуссоном (в 1905 году), была усовершенствована американскими химиками Эрнестом Вудвордом Дином (1888–1959) и Дэвидом Дьюи Старком (1893–1979) в 1920 году для определения содержания воды в нефти.

Функция

Существует два типа ловушек Дина-Старка: одна для использования с растворителями, плотность которых меньше плотности воды, а другая – для использования с растворителями, плотность которых больше плотности воды. Аппарат Дина-Старка обычно состоит из вертикальной цилиндрической стеклянной трубки, часто с градуировкой объема по всей длине и прецизионным краном на нижнем конце, очень похожим на бюретку. Ловушки, предназначенные для удаления или измерения очень малых количеств воды, могут быть закрытыми, без крана. Нижний конец рефлюксного холодильника вставляется в верхнюю часть цилиндра. Непосредственно под соединением между холодильником и цилиндром расположен наклонный отвод, соединяющий цилиндр с реакционной колбой. Нижний конец отвода резко направлен вниз, так что отвод соединен с реакционной колбой вертикальной трубкой. Реакционная колба нагревается. Кипящие чипы внутри нее способствуют спокойному образованию пузырьков пара, содержащих реакционный растворитель и компонент, который необходимо удалить. Этот пар выходит из реакционной колбы вверх в холодильник, где циркулирующая вокруг него вода охлаждает его и заставляет конденсироваться, стекая в отделительную ловушку. Здесь несмешивающиеся жидкости разделяются на слои (вода внизу и растворитель над ней). Когда их суммарный объем достигает уровня отвода, верхний, менее плотный слой начинает возвращаться в реактор, а водный слой остается в ловушке. В конечном итоге ловушка заполнится, когда уровень воды в ней достигнет уровня отвода. В этот момент ловушку необходимо слить в приемную колбу. Процесс испарения, конденсации и сбора может продолжаться до тех пор, пока не прекратится образование дополнительного количества воды. Реже встречается модель для растворителей с плотностью больше плотности воды. Этот тип имеет трубку в нижней части емкости для сбора, позволяющую органическому растворителю на дне возвращаться в реакционную емкость. Вода, образующаяся в ходе реакции, всплывает над органической фазой. Весь объем необходимо слить, чтобы удалить воду, а органический слой можно отделить и вернуть в систему. Это оборудование обычно используется при азеотропной дистилляции. Типичный пример – удаление воды, образующейся в ходе реакции в кипящем толуоле. Азеотропная смесь толуола и воды дистиллирует из реакционной смеси, но возвращается только толуол (плотность 0,865 г/мл), поскольку он всплывает над водой (плотность 0,998 г/мл), которая собирается в ловушке. Некоторые высококипящие жидкости, образующие азеотропы с водой, можно высушить, добавив толуол или другой растворитель, разрушающий азеотроп, для извлечения воды. Метод Дина-Старка обычно используется для измерения влажности в таких продуктах, как хлеб, в пищевой промышленности. Это оборудование может использоваться не только для простого удаления воды. Одним из примеров является этерификация бутанола уксусной кислотой, катализируемая серной кислотой. Пар содержит 63% эфира, 29% воды и 8% спирта при температуре кипения с обратным холодильником, а органический слой в ловушке содержит 86% эфира, 11% спирта и 3% воды, которая возвращается обратно. Водный слой на 97% чист. Другой пример – этерификация бензойной кислоты и н-бутанола, где эфирный продукт задерживается в ловушке, а н-бутанол, несмешивающийся с водой, возвращается в реактор. Удаление воды в ходе этих этерификаций смещает химическое равновесие в сторону образования эфира в соответствии с принципом Ле Шателье.

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.