Глава 8 ОПЕРАЦИИ С ЖИДКИМИ ВЕЩЕСТВАМИ

Жидкие вещества и их водные и неводные растворы находят широкое применение в лабораторной практике. Их дозируют, определяют расход, транспортируют, перемешивают, перегоня­ют, очищают тем или иным способом, определяют их вязкость, температуру кипения и кристаллизации, совершают другие опе­рации. Для всего этого требуются разнообразные приборы.

Настоящая глава и посвящена рассмотрению этой техники, необходимой для выполнения большинства работ с жидкими фазами.

8.1. Регулирование расхода жидкости При синтезе веществ часто возникает необходимость в строгом дозировании жидкой фазы. Способов ее дозировки описано очень много. В этом разделе рассмотрены только наиболее простые, для которых не нужна сложная электронная аппаратура.



Рис. 151- Сосуды Мариотта постоянного уровня (а) и постоянной скорости истечения {б, в)
Сосуды Мариотта. Сосуды с таким названием применяют для поддержания постоянного уровня жидкости в той или иной емкости и постоянной скорости ее истечения. Например, уро­вень выпариваемого в чашке 5 (рис. 151, а) раствора поддержи­вается постоянным при помощи трубки 1, через которую в сосуд 2 поступает воздух извне. Как только уровень жидкости в чашке понизится ниже конца трубки 1, в склянку 2, содержащую упа­риваемый раствор, начнет через эту трубку поступать воздух, и сифон 3 переведет из нее часть раствора в чашку до первона­чального уровня. После выравнивания уровней раствора в чаш­ке и сосуде 2 (по нижнему срезу трубки 1) перемещение жид­кости прекратится, перестанет поступать и воздух в сосуд 2.

Сосуд Мариотта позволяет также поддерживать постоянную скорость истечения жидкости под заданным гидростатическим давлением h.

Скорость истечения регулируют при помощи капилляра 3, припаянного к воронке с пористой пластинкой 4 (рис. 151, б). Температура окружающей среды должна быть при этом посто­янной, так как ее изменение оказывает влияние на вязкость жидкости (см. разд. 8.8), как и атмосферное давление над ее поверхностью в сосуде 2. Подобное устройство может быть ис­пользовано для автоматического титрования. Для этого бюретку (см. рис. 81) превращают в сосуд Мариотта, трубку 1 снабжают Опорным клапаном, срабатывающим по сигналу датчика, кон­тролирующего изменение цвета или рН титруемого раствора. При дозировке до 1 мл/мин и точности термостатирования  1 °С отклонения от среднего значения не будут превышать 0,6 %.

Капиллярный регулятор расхода жидкости (см. рис. 151,6) неудобен тем, что он требует набора сменных капилляров 3, когда необходимо изменять значение расхода жидкости. Этот недоста­ток иногда устраняют введением в капилляр платиновой проволочки. Сопротивление капилляра потоку жидкости изменяют путем углубления проволочки в капилляр или частичным ее извлечением. К сожалению, такой способ не всегда дает вос­производимые результаты при одинаковом погружении прово­лочки. Оказалось, что сопротивление капилляра потоку жид­кости различно в зависимости от того, располагается проволоч­ка по оси капилляра или эксцентрично.

Полное количество использованной жидкости в рассмотрен­ных приборах ограничено емкостью сосудов 2 Заполнение хс_е их новой порцией жидкости нарушает скорость истечения. По­этому заранее определяют необходимое количество жидкости для выполняемой операции.

Простое регулирование истечения жидкости производят так­же при помощи сосуда 2 с маностатом 4 (рис. 151, в). Кран 3 имеет калиброванное отверстие, а жидкость вытекает из сосуда 2 под постоянным гидростатическим давлением h. Сосуд 2 мо­жет периодически заполняться через трубку 1 без существенного изменения скорости истечения. Точность регулирования исте­чения в таком устройстве колеблется от 1 до 10%.

Мариотт Эдм (1620 - 1684) - французский физик, один из основателей Па­рижской академии наук. В 1684 г. сконструировал сосуд, названный его име­нем.

Устройства постоянного слива жидкости. Для поддержания уровня жидкости на постоянной высоте в той или иной емкости применяют довольно простые конструкции (рис. 152). Уст­ройства типов а - в соединяют как сообщающиеся сосуды через трубку 3 с емкостью 4 (рис. 152, а), в которой необходимо под­держивать постоянный уровень. Трубка 1 служит для подачи непрерывного потока жидкости, основная часть которой стекает через сливную трубку 2, а меньшая часть пополняет убывающую по тем или иным причинам жидкость в емкости 4, являющейся, например, водяной баней с непрерывно испаряющейся водой (см. рис. 110).

Сливное устройство типа б позволяет регулировать уровень жидкости путем подъема и опускания сливной трубки 2, крепя­щейся к нижнему тубусу сливного сосуда отрезком резиновой трубки 5.

Если давление в сливном сосуде несколько выше атмосферного и в сосуде находится газ, который не должен попасть в приемник сбрасываемой жидкости через трубку 2, то на пути слива ставят сифонный затвор 6 (рис. 152, в). Высота сифона или гидростатического давления вытекающей жидкости должна быть больше избыточного давления над сливной трубкой 2.



Рис. 152. Устройства постоянного слива жидкости: стационарные (а - в) и по­плавковый (г)
Си­фон снабжают воздушником 7, иначе слив не будет функциони­ровать и вся жидкость из сливного сосуда и частично из ем­кости 4 вытечет через сифон. Сифоны применяют только до значения h = 40 - 50 см (см. также разд. 2.5).

Поплавковые регуляторы уровня можно изготовить в любой химической лаборатории, располагающей стеклодувной мастер­ской. Наиболее простой уровнемер (рис. 152, г) имеет полый стеклянный шар-поплавок 9 диаметром 5-7 см и плечо 10 длиной 2-4 см. Поплавок соединен своим плечом (стеклянный стержень) с трубкой 1 при помощи отрезка вакуумного резино­вого шланга 5, имеющего прорезь 8, доходящую до внутренней Полости шланга. При понижении уровня жидкости в сливной камере 11 поплавок опускается, его плечо изгибает резиновую трубку и открывает прорезь, через которую жидкость снова на­полняет камеру 11.

Клапанные поплавковые уровнемеры. Известно несколько "Ростых устройств, регулирующих уровень жидкости с помощью поплавков, являющихся одновременно и клапанами. Поплавкоавй уровнемер с верхним клапаном (рис. 153, а) имеет эллипсоидный пустотелый поплавок 4 с нижней трубкой 5, в которую элита ртуть 6. Вверху поплавок снабжен коротким стеклянным стержнем, заканчивающимся отшлифованным шариком 3. Шарик при подъеме уровня жидкости в сосуде 7 запирает трубку I, подающую жидкость и имеющую пришлифованное седло для шарика



Рис. 153. Клапанные поплавковые уровнемеры с верхним (а) и нижним (б) клапаном и регулятор Гюппнера (в):

б: 1 - трубка; 2, 5 - сосуды; 3 - электронагреватель; 4 - крышка; 6 - поплавок; 7 - трубка с ртутью; 8 - шарик; 9 - седло
Ртуть наливают в трубку 5 в таком количестве, чтобы попла­вок погрузился в жидкость до глубины нескольких миллиметров от его середины. Поплавок должен всегда удерживаться строго вертикально, даже при полном его погружении в жидкость. Ес­ли поплавок отклоняется от вертикального положения, то либо удлиняют трубку 5, либо укорачивают верхний стержень с ша­риком. Обычные размеры стеклянного поплавка: экваториаль­ный диаметр 2-4 см, высота - 2/3 от значения диаметра, длина трубки 5 около 4 см, а длина верхнего стержня 0,5 - 1,0 см.

Когда жидкость в сосуде с постоянным уровнем необходимо перемешивать или кипятить, поплавок 6 помещают в отдельную камеру 5 (рис. 153, б), сообщающуюся с сосудом 2. Пришлифованная крышка 4 позволяет заменять поплавок и очищать каме­ру 5, особенно ее запирающее устройство.

Поплавковый уровнемер Гюппнера (рис. 153, в) очень прост. Когда уровень жидкости постоянен и она непрерывно стекает через трубку 2, то стеклянный поплавок 1 покоится на стеклянных шипах 3. Стоит только уровню жидкости резко подняться, как поплавок всплывет и закроет выход из верхней трубки.

Расходомеры. Расход жидкости измеряют при помощи пиллярных реометров. В кольцевом реометре (рис. 154, а) манометрической жидкостью 6 может быть либо ртуть, либо сама жидкость, расход которой контролируется.



Рис. 154. Капиллярные реометры: кольцевой (а) и "бочка данаид" (б):

а. 1,4- трубки; 2- капилляр; 3- резиновая трубка; 5- шкала; 6- ртуть;

7- контроли­руемая жидкость; 8 - кран

В последнем случае высоту воздушного столба над уровнем жидкости регулируют краном 8. Если расход жидкости внезапно возрастает, часть воз­духа выдавливается через отводную трубку 4. Высота воздушного столба не оказывает влияния на полученные значения расхода жидкости, так как последний определяется разностью уровней жидкости в коленах. Вместо капилляра 2 в реометр можно вста­вить фильтрующую пластинку из пористого стекла (см. разд. 1.5).

В емкостном расходомере (рис. 154, б) значение расхода определяют по положению мениска 4 на шкале 3 самой жид­кости, которую периодически заливают через трубку 1 в сосуд 2. Такой расходомер иронически называют "бочкой данаид", т. е. бездонной бочкой. (В греческой мифологии дочери царя Даная Убили своих мужей в брачную ночь и в наказание должны были наполнять водой бездонную бочку.) Вытекает жидкость через Капилляр 5 в воронку 6.

Капиллярные реометры градуируют, пропуская через них строго отмеренные объемы жидкости в единицу времени и от­учая одновременно высоту ее подъема в манометрической трубке.

Когда потеря давления при измерении расхода жидкости кидается небольшой, применяют ротаметры (от лат. rotare -вращать) и объемные счетчики (рис. 155).

Коническая трубка ротаметра 2 - это стеклянный тщательно отшлифованный и отполированный изнутри конус с углом 1 -2⁰ С. Такие трубки могут изготовить только опытные стеклодувы.

При пропускании жидкости через ротаметр поплавок увлекается вверх ее потоком, пока не установится равновесие между массой поплавка и динамическим действием потока на площадь самого широкого сечения поплавка. Отсчет производят по положению верхней поверхности поплавка. При точных измерениях расхода жидкости ротаметр необходимо устанавливать строго вертикально, а жидкость не должна содержать взвешен­ных частичек.

Ротаметры градуируют под строго определенную жидкость, с конкретной плотностью, вязкостью и температурой. Диапазон измерений расхода жидкости обычно составляет от 0,1 до 1000 мл/мин.

В ротаметрах с конусом 4 (рис. 155, б), который расположен по оси цилиндрического стеклянного корпуса 3, потоком жид­кости увлекаются поплавки 5 и 6 из полипропилена, имеющие форму кольца с острой внутренней гранью 7. Поплавок 6 имеет отверстие большего диаметра, чем поплавок 5. Диаметры выби­рают таким образом, чтобы поплавок 6 начал свое движение по конусу Столько тогда, когда поплавок 5достигнет его вершины. Пределы перемещения поплавков ограничивают упоры 2. Труб­ки1и 8 служат для выхода и входа жидкости.

Объемные счетчики жидкости имеют различную конструкцию. Одна из них (рис. 155, в) позволяет периодически измерять объ­ем. Для измерения закрывают краны 4, 5 и отсчитывают время наполнения сосуда 3 от метки Мг до метки М|. После замера краны 4 и 5 снова открывают и жидкость свободно стекает в приемник, который сообщается с атмосферой через трубку 2.

В других объемных измерителях расхода (рис. 155, г) жид­кость поступает через трубку 1 в сосуд 2 непрерывно, и когда ее уровень достигнет верхней части сифона 4, она сливается в один прием. Счет циклов слива ведут по числу электрических им­пульсов, возникающих при разрыве контакта между электрода­ми 3 и 5. Чтобы измерение было правильным, скорость поступ­ления жидкости в сосуд 2 должна быть значительно меньше скорости слива при опорожнении сосуда через сифон. Точность измерения таким счетчиком не превышает 1 - 2%.

Перекачивание жидкости применяют в лабораторных установках Для синтеза веществ, при дозировании ядовитых и легко вос­пламеняющихся жидкостей, при работе с особо чистыми ве­ществами, для транспортировки легко окисляющихся на воздухе Жидкостей и в ряде других случаев. Для перекачивания приме­няют центробежные, сильфонные, трубчатые насосы и монтежю.

Перекачивание жидкости с помощью этих средств сильно упрощает технику работы, освобождает руки экспериментатора.

Стеклянные центробежные насосы. Центробежный насос состоит из стеклянного кожуха 1 (рис. 156, а), закрытого фторо пластовой пробкой 4, служащей одновременно и подшипником для оси ротора 2.



Рис. 156. Стеклянный центробежный насос (а), трубчатый ротор {б) и уплотне­ние ротора (в)
Поэтому отверстие в пробке должно иметь почти такой же диаметр, что и ось, которая при вращении рото­ра не должна совершать колебаний. Фторопластовая поверх­ность отверстия пробки превосходно скользит по стеклу без всякой смазки и не изменяет своих свойств до 200 °С. Трубка 3 соединена с приемником жидкости.

Если такой насос работает вне перекачиваемой жидкости, то часть ее неизбежно вытекает через зазор между осью и внутрен­ней поверхностью отверстия в пробке, но количество теряемой жидкости невелико, не более 1 мл/ч, если диаметры отверстия и оси почти совпадают. Чтобы уменьшить потери жидкости при­меняют простое сальниковое уплотнение 3 из фторопластового волокна (рис. 156, г), а верхнюю часть пробки Сделают с нарез­кой, на которую навинчивают гайку 3 с отверстием для оси 1.

Так как ротор 2 и корпус насоса 1 изготовлены из стекла, на­сос можно использовать для перекачивания практически любых жидкостей, кроме сильно щелочных и содержащих фтороводород или фториды щелочных металлов.

Для того чтобы насос исправно работал, зазор между ротором и нижней и верхней частями корпуса не должен превышать 1- 2 мм. При диаметре корпуса 50 мм, ширине лопастей ротора 10 мм, числе оборотов ротора 1000 об/мин, насос вне жидкости развивает давление в 50 торр и перекачивает до 3 л/мин жидкости.

Насос перед пуском полностью заполняют перекачиваемой жидкостью. Если внутрь корпуса попадет воздух, то перекачива­ние жидкости прекращается. Воздух удаляют, снова заполняя насос жидкостью или повторно включая и выключая электро­двигатель.

Для нормальной работы стеклянных центробежных насосов выбирают более широкие резиновые шланги и устраняют любые сужения на пути потока жидкости: краны с узким отверстием, соединительные трубки малого диаметра, изгибы трубок с ост­рым углом и др.

Сильфонные насосы (рис. 157, а), изготовленные из фторо-пласта-4, конструкции Гойхраха, позволяют перекачивать особо чистые агрессивные жидкости. Приведенный на рисунке насос состоит из двух сильфонов 1, клапанной коробки 2 и электро­двигателя 3. Производительность такого насоса 5-60 л/ч. Про­изводительность насоса регулируют путем изменения хода сильфона при помощи ручки 4, связанной с механической час­тью насоса.

Сжатие и растяжение фторопластового сильфона (рис. 157, б) во избежание его разрыва делают небольшим. Для некоторого уравнивания пульсаций потока жидкости служит газовый бу­фер (рис. 157, в). Поток жидкости тормозится краном 3, перед которым размещают колбу 1, наполненную наполовину газом, при возрастании расхода часть жидкости проникает в колбу, сжимая газ.

В сильфонных насосах устранен недостаток поршневых насо­сов - неплотность между поршнем и цилиндром.

Гойхрах Арон Израилевич (1912 - 1989) - русский инженер, конструктор многих приборов для работ с особо чистыми веществами.

Трубчатый (бесклапанный) насос (рис. 158) действует путем пережимания резиновой эластичной трубки 1 тремя роликами 2 по стенке корпуса 3 насоса. Ролики прокатываются один за другим по резиновой трубке, проталкивая в ней жидкость слева направо. Ролики укреплены на оси 4 ротора, приводимого в движение электромотором. Недостаток трубчатого насоса - стремление резинового шланга к сдвигу по направлению враще­ния роликов. Поэтому с внутренней стороны корпуса насоса по ходу движения жидкости шланг имеет уплотняющее кольцо 5, предотвращающее такой сдвиг.

Насос позволяет создавать на выходе давление до 0,3 МПа и перекачивать суспензии и эмульсии.

Для перекачивания жидкостей при помощи монтежю приме­няют либо сжатый воздух (рис. 159, а), либо вакуум (рис159, б).

Сжатый воздух или азот из баллона подают в монтежю через трубку 1 (рис. 159, а). Сосуд 2 заполняют жидкостью через воронку 5, имеющую внизу поплавковый клапан 4. Когда под давлением воздуха уровень жидкости в сосуде 2 достигнет отметки 0-0, воздух через регулятор уровня 3 свободно начнет прохо­дить в трубку 6 и перекачивание жидкости прекратится.



Рис, 159. Монтежю для сжатого воздуха (а) и вакуума (б)
В это время начнет поступать жидкость из воронки 5 и постепенно заполнять сосуд 2, поднимаясь до уровня А - А. Достигнув этого уровня, жидкость заполнит колено 3 и перекроет доступ воздуха в трубку 6. Давление воздуха в сосуде 2 возрастет, клапан 4 закроет доступ жидкости из воронки в сосуд 2, и жидкость будет выдавливаться по трубке 6 в приемный сосуд 7. Передавливание жидкости закончится, когда ее уровень понизится до отметки 0-0. Выход для воздуха освободится, давление его в сосуде 2 понизится и клапан 4 снова откроет путь для жидкости из воронки 5 в сосуд 2.

Ядовитые и сильно пахнущие жидкости передавливать таким способом нельзя. Как только открывается доступ воздуха в трубку 6, он будет пробулькивать через оставшуюся в ней часть жидкости и, выходя из сосуда 7, выносить пары жидкости в лабораторию.

Монтежю с использованием вакуума (рис. 159, б) работает следующим образом. Воздух непрерывно отсасывается через трубку водоструйным насосом (см. рис. 258). Как только уровень жидкости в нижнем сосуде 5 достигнет отметки А - А, жидкость по трубке 4 начнет поступать в сосуд 2, и клапан 3 под воздействием вакуума поднимется и закроет сток жидкости.

При понижении уровня жидкости до отметки 0-0 разряжение в сосуде 2 упадет, жидкость начнет поступать в сосуд 5 через трубку 7. Одновременно поплавок 3 опустится, и жидкость нач­нет вытекать из сосуда 2. Пары жидкости, увлекаемые током воздуха, попадают через трубку 1 в водоструйный насос и уно­сятся потоком воды, не загрязняя воздух лаборатории.

Клапаны двух рассмотренных монтежю - стеклянные со шлифованным седлом и нешлифованным шариком (см. рис. 40). Корпус поплавка полый, так что он плавает в жидкости и шарик все время слегка прижат к седлу. При вместимости ниж­них сосудов 250 мл и высоте расположения верхних сосудов в 3 м можно перекачать в течение 1 ч около 30 л жидкости.

8.3. Удаление влаги и растворенных газов из органических жидкостей

Вода содержится в виде примеси во всех органических раство­рителях, поскольку она часто присутствует в них при синтезе, а также в связи с тем, что практически все органические раство­рители в той или иной степени гигроскопичны. Газы, входящие в состав атмосферы, также являются постоянными примесями всех жидкостей.

Примесь воды удаляют из органических растворителей с по­мощью осушающих средств (см. разд. 7.2), в качестве которых выбирают вещества, плохо растворимые в жидкости и не всту­пают с ней в химическое взаимодействие.

Жидкое органическое вещество высушивают либо в эксика­торе (см. рис. 32), либо в плоской широкой чашке над осушите­лем, либо встряхивая в конической колбе вместе с осушающим реагентом. В последнем случае твердую фазу отделяют фильтро­ванием (см. разд. 9.4), а фильтрат перегоняют (см. разд. 8.4). Перегонку органического растворителя без предварительного удаления осушителя проводить не следует, так как некоторые осушители, например СаС1₂, легко при нагревании выделяют воду. В тех случаях, когда требуется довести содержание воды до 0,005% и ниже, рекомендуют использовать сульфат кальция CaSO₄ .Сульфат кальция хуже других осушителей растворим в большинстве органических растворителей, не реагирует с ними в отличие от Р₄О₁₀, не катализирует их разложение, механиче­ски устойчив и легко регенерируется.

Обезвоживание простейших спиртов осуществляют при по­мощи алкоголята магния. В частности, для удаления примеси воды (0,5-0,7%) из этанола, метанола или пропанола применяют следующий способ. В колбу емкостью 1,5 л, снабженную обратным холодильником (см. рис. 58), насыпают 5 г стружек магния.

О 5 г иода (катализатор) и заливают 60 - 70 мл спирта, напри­мер этанола. Смесь нагревают на водяной бане до прекращения выделения водорода:

Mg + 2С₂Н₅ОН = Mg(C₂H₅0)₂ + Н₂.

После окончания реакции в колбу вводят 800 - 900 мл обез­воживаемого этанола и кипятят в течение 20 - 30 мин. Затем обратный холодильник заменяют на дефлегматор (см. рис. 162) и обычный холодильник и отгоняют этанол, освобожденный в значительной степени от примеси воды. Полученный в первой реакции этилат магния в процессе кипения этанола взаимодей­ствует с примесью воды:

Mg(C₂H₅0)2 + 2Н₂0 = Mg(OH)₂ + 2C₂H₅OH.

При перегонке этанола гидроксид магния Mg(OH)₂ остается в кубовом остатке.

Органические жидкости, не взаимодействующие с Na и Са, например диэтиловый эфир, ацетон, осушают небольшим ко­личеством этих металлов. Очищенные от поверхностной пленки оксидов кусочки Na или Са разрезают ножом на части размером с горошину и быстро помещают в обезвоживаемую органическую жидкость. Колбу закрывают пробкой, трубка которой соединена со склянкой Тищенко (рис. 28, д), наполненной Р₄О₁₀ (см. разд. 7.2). Через сутки обезвоженную жидкость отгоняют.

Малополярные органические растворители типа бензола С₆H₆, хлороформа СНС1₃, диэтилового эфира (С₂Н₅)₂0, этил-ацетата CH₃COOС₂H₅ и других можно высушить при помощи медленной фильтрации через колонку с гранулированным обез­воженным А1₂Оз или Si0₂. После такой операции содержание влаги, в частности, в (С₂Н₅)₂0 и СН₃СООС₂Н₅ снижается с 1 -2% до 0,01%.

Для более полного удаления примеси воды из некоторых ор­ганических растворителей применяют перегонку (см. разд. 8.4) тройных азеотропных смесей. Так, чтобы понизить в этаноле содержание воды до 0,2% при исходной концентрации примерно 5%, к нему добавляют рассчитанное количество бензола и смесь перегоняют. Сначала при температуре кипения 64,86 °С отгоняется тройная азеотропная смесь, содержащая 74,1% C₆H₆, 0,5% С₂Н₅0Н и 7,4% Н₂0, а затем, если продолжать перегонку - двойная смесь с температурой кипения 68,24 °С, содержа­ла 67,6% С₆Н₆ и 32,4% С₂Н₅ОН, после чего уже при температуре кипения 78,4 °С перегоняется этанол с содержанием воды всего 0,2%. Вместо бензола можно использовать для удаления примеси воды из этанола перегонку тройных азеотропных смесей содержащих дихлорэтан или тетрахлорид углерода.


Рис. 160. Установка с обратным холодильником (а) и сосуды-приемники (б, в):

1 - трубка; 2 - холодильник; 3 - кран; 4 - колба; 5 - капилляры; 6 – колбонагреватель;.

7- переходник; 8- приемник; 9- трубка; 10- пробка

Напомним, что азеотропные смеси характеризуются равен­ством составов равновесных жидкой и паровой фаз и при их перегонке образуется конденсат того же состава, что и исходный раствор. Поэтому азеотропные смеси называют также нераздельнокипящими. При изменении внешнего давления азеотропная смесь может оказаться уже другого состава.

После перелива жидкости приемник 8 закрывают пришлифованной пробкой 10. Приемником жидкости может служить и сосуд с нижним спуском (рис. 160, в).

Если жидкость обладает низкой температурой кипения, то применение вакуума нецелесообразно. В этом случае ограничи­ваются кипячением жидкости под атмосферным давлением,

пропуская через обратный холодильник жидкий хладоагент, а не водопроводную воду.