Войти
Установка для дистилляции с использованием конденсатора типа Либиха (наклонная двустенная трубка в центре). Жидкость (не видна) в колбе слева нагревается синей мантией до точки кипения. Затем пар охлаждается, проходя через внутреннюю трубку конденсатора. Там он снова становится жидкостью и капает в меньшую колбу для сбора справа, погруженную в охлаждающую баню . Два шланга, соединенные с конденсатором, обеспечивают циркуляцию воды через пространство между внутренней и внешней стенками. В химии конденсатор представляет собой лабораторное оборудование, используемое для конденсации пары - то есть превращают их в жидкости - путем их охлаждения.
Конденсаторы обычно используются в лабораторных операциях, таких как дистилляция, орошение и извлечение. При перегонке смесь нагревают до выкипания более летучих компонентов, пары конденсируются и собираются в отдельном контейнере. При кипячении с обратным холодильником реакция с участием летучих жидкостей проводится при их температуре кипения, чтобы ускорить ее; а пары, которые неизбежно выходят, конденсируются и возвращаются в реакционный сосуд. При экстракции Сокслета горячий растворитель вводят в порошкообразный материал, такой как измельченные семена, для выщелачивания некоторых плохо растворимых компонентов; затем растворитель автоматически отгоняется из полученного раствора, конденсируется и снова вводится.
Было разработано много разных типов конденсаторов для различных приложений и объемов обработки. Самый простой и старый конденсатор - это просто длинная трубка, по которой направляются пары, а наружный воздух обеспечивает охлаждение. Чаще конденсатор имеет отдельную трубку или внешнюю камеру, по которой циркулирует вода (или другая жидкость), чтобы обеспечить более эффективное охлаждение.
Лабораторные конденсаторы обычно изготавливаются из стекла для обеспечения химической стойкости, простоты очистки и визуального контроля за работой; в частности, боросиликатное стекло, чтобы противостоять тепловому удару и неравномерному нагреву конденсирующимся паром. Некоторые конденсаторы для специальных операций (например, перегонки воды ) могут быть сделаны из металла. В профессиональных лабораториях конденсаторы обычно имеют стыки из матового стекла для герметичного соединения с источником пара и резервуаром для жидкости; однако вместо этого часто используется гибкая трубка из соответствующего материала. Конденсатор также может быть соединен с колбой как единая стеклянная посуда, как в старой реторте и в устройствах для микромасштабной дистилляции.
Конденсатор с водяным охлаждением, который популяризировал Юстус фон Либих, был изобретен Вейгель и Гадолин, усовершенствованные Готтлингом, все в конце 18-ый век. Несколько конструкций, которые до сих пор широко используются, были разработаны и стали популярными в 19 веке, когда химия стала широко распространенной научной дисциплиной.
Проектирование и обслуживание систем и процессов с использованием конденсаторов требует, чтобы тепло поступающего пара никогда не превышало возможности выбранного конденсатора и охлаждающего механизма; Кроме того, установившиеся температурные градиенты и потоки материалов являются критическими аспектами, и по мере масштабирования процессов от лаборатории до экспериментальной установки и за ее пределами проектирование конденсаторных систем становится точной инженерной наукой.
Для того чтобы вещество конденсировалось из чистого пара, давление последнего должно быть выше, чем давление пара соседней жидкости; то есть жидкость должна быть ниже ее точки кипения при этом давлении. В большинстве конструкций жидкость представляет собой только тонкую пленку на внутренней поверхности конденсатора, поэтому ее температура практически такая же, как и на этой поверхности. Следовательно, при проектировании или выборе конденсатора главное внимание уделяется тому, чтобы его внутренняя поверхность находилась ниже точки кипения жидкости.
По мере того, как пар конденсируется, он выделяет соответствующее тепло испарения, которое приводит к повышению температуры внутренней поверхности конденсатора. Следовательно, конденсатор должен иметь возможность отводить эту тепловую энергию достаточно быстро, чтобы поддерживать достаточно низкую температуру при максимальной скорости конденсации, которая ожидается. Эту проблему можно решить путем увеличения площади поверхности конденсации, уменьшения толщины стенки и / или обеспечения достаточно эффективного теплоотвода (например, циркулирующей воды) на другой стороне от нее.
Конденсатор также должен иметь такие размеры, чтобы конденсированная жидкость могла вытекать с максимальной скоростью (масса с течением времени), при которой пар, как ожидается, попадет в него. Также необходимо следить за тем, чтобы кипящая жидкость не попала в конденсатор в виде разбрызгивания или образования капель в результате лопания пузырьков.
Применяются дополнительные соображения, если газ внутри конденсатора не является чистым паром требуемой жидкости, а является смесью с газами, имеющими гораздо более низкую точку кипения (что может происходить в сухая перегонка, например). Затем парциальное давление его пара необходимо учитывать при определении температуры его конденсации. Например, если газ, поступающий в конденсатор, представляет собой смесь 25% паров этанола и 75% двуокиси углерода (молями) при 100 кПа (типичное атмосферное давление), поверхность конденсации должна быть ниже 48 ° C, точка кипения этанола - 25 кПа.
Более того, если газ не является чистым паром, конденсация создаст слой газа с еще более низким содержанием пара непосредственно рядом с поверхностью конденсации, что еще больше снизит точку кипения. Следовательно, конструкция конденсатора должна быть такой, чтобы газ был хорошо перемешан и / или чтобы весь он проходил очень близко к поверхности конденсации.
Наконец, если вход в конденсатор представляет собой смесь двух или более смешиваемых жидкостей (как в случае фракционной перегонки ), необходимо учитывать давление пара и процентное содержание газа для каждого компонента, которое зависит от состава жидкости, а также ее температуры; и все эти параметры обычно меняются вдоль конденсатора.
Большинство конденсаторов можно разделить на два основных класса.
Параллельные конденсаторы принимают пар через один порт и подают жидкость через другой порт, как требуется при простой дистилляции. Обычно они устанавливаются вертикально или под наклоном, при этом ввод пара находится вверху, а выпуск жидкости - внизу.
Противоточные конденсаторы предназначены для возврата жидкости к источнику пара, как это требуется при орошении и фракционной перегонке. Обычно они устанавливаются вертикально над источником пара, который входит в них снизу. В обоих случаях конденсированная жидкость может стекать обратно в источник под собственным весом.
Данная классификация не является исключительной, поскольку в обоих режимах можно использовать несколько типов.
Установка для дистилляции с использованием реторты и трубчатого конденсатора из книги 1921 года. Простейшим типом конденсатора является прямая трубка, охлаждается только окружающим воздухом. Трубка удерживается в вертикальном или наклонном положении, а пар подается через верхний конец. Теплота конденсации отводится конвекцией.
Горловина реторты является классическим примером конденсатора с прямыми трубками. Однако такой конденсатор также может быть отдельным оборудованием. Конденсаторы с прямыми трубками больше не широко используются в исследовательских лабораториях, но могут использоваться в специальных приложениях и простых школьных демонстрациях.
Стеклянная неподвижная голова, перевернутая. Закругленная часть предназначалась для установки на верхнюю часть колбы для кипячения. Черно-белое фото объекта в музее Wellcome Trust. Голова - еще один древний тип конденсатора с воздушным охлаждением. Он представляет собой примерно шаровидный сосуд с отверстием в дне, через которое вводится пар. Пар конденсируется на внутренней стенке сосуда и капает по нему, собираясь в нижней части головки и затем стекая по трубке в сборный сосуд внизу. Приподнятая кромка вокруг входного отверстия предотвращает проливание жидкости через него. Как и в трубчатом конденсаторе, тепло конденсации уносится естественной конвекцией. Любой пар, который не конденсируется в голове, может все еще конденсироваться на шее.
Конденсаторы с неподвижной головкой сейчас редко используются в лабораториях и обычно дополняются обратным холодильником другого типа, в котором происходит большая часть конденсации.
Либих 
Аллин 
Грэм 
Димрот 
Фридрихс 
Холодный палец Некоторые обычные конденсаторы.. Синие области - циркулирующая охлаждающая жидкость Конденсатор Либиха - это самая простая конструкция с циркулирующим хладагентом, простая в сборке и недорогая. Он назван в честь Юстуса фон Либиха, который усовершенствовал более ранний дизайн Вайгеля и Гёттлинга и популяризировал его. Он состоит из двух концентрических прямых стеклянных трубок, внутренняя более длинная и выступает на обоих концах. Концы внешней трубки герметизированы (обычно с помощью кольцевого уплотнения из дутого стекла), образуя водяную рубашку, и снабжены боковыми отверстиями рядом с концами для входа и выхода охлаждающей жидкости. Концы внутренней трубки, по которой проходит пар и конденсированная жидкость, открыты.
По сравнению с простой трубкой с воздушным охлаждением конденсатор Либиха более эффективен в отводе тепла конденсации и в поддержании стабильно низкой температуры внутренней поверхности.
Конденсатор West представляет собой вариант типа Либиха, с более тонкой конструкцией, с конусом и патроном. Приваренная более узкая рубашка для охлаждающей жидкости может обеспечить более эффективное охлаждение с точки зрения расхода охлаждающей жидкости.
Конденсатор Allihn или ламповый конденсатор назван в честь (1854–1915). Конденсатор Allihn состоит из длинной стеклянной трубки с водяной рубашкой . Ряд лампочек на трубке увеличивает площадь поверхности, на которой парообразные компоненты могут конденсироваться. Идеально подходит для лабораторного дефлегмации ; действительно, термин обратный конденсатор часто означает именно этот тип.
A Конденсатор Дэвиса, также известный как конденсатор с двойной поверхностью, похож на конденсатор Либиха, но с тремя концентрическими стеклянными трубками вместо двух. Хладагент циркулирует как по внешней рубашке, так и по центральной трубе. Это увеличивает охлаждающую поверхность, так что конденсатор может быть короче, чем эквивалентный конденсатор Либиха. Согласно Алану Галлу, архивариусу Института науки и технологий, Шеффилд, Англия, в каталоге 1981 года компании Adolf Gallenkamp Co. из Лондона (создателей научного оборудования) говорится, что конденсатор Дэвиса был изобретен Джеймсом Дэвисом, директором Компания Галленкамп. В 1904 году Галленкамп предлагал на продажу «Конденсаторы Дэвиса». В 1920 году Галленкамп назначил Дж. Дэвиса директором компании.
A Грэм или конденсатор Грэхема имеет спиральный змеевик с охлаждающей рубашкой, проходящий по длине конденсатора, служащий пароконденсатным путем. Его не следует путать с конденсатором змеевика. Змеевиковые конденсаторные трубки внутри обеспечивают большую площадь поверхности для охлаждения, и по этой причине его наиболее удобно использовать, но недостатком этого конденсатора является то, что по мере того, как пары конденсируются, он имеет тенденцию перемещать их вверх по трубке для испарения, что также будет привести к затоплению раствора смесью. Его также можно назвать конденсатором налоговых поступлений из-за приложения, для которого он был разработан.
A Змеевик конденсатора по сути представляет собой конденсатор Грэма с перевернутой конфигурацией теплоносителя и пара. Он имеет спиральный змеевик, проходящий по длине конденсатора, через который проходит хладагент, и этот змеевик с охлаждающей жидкостью закрыт пароконденсатным трактом.
A Конденсатор Димрота, названный в честь Отто Димрота, чем-то похож на змеевиковый конденсатор; он имеет внутреннюю двойную спираль, по которой течет хладагент, так что вход и выход хладагента находятся вверху. Пары проходят через рубашку снизу вверх. Конденсаторы Dimroth более эффективны, чем обычные змеевиковые конденсаторы. Они часто встречаются в роторных испарителях. Также существует версия конденсатора Димрота с внешней рубашкой, как в конденсаторе Дэвиса, для дальнейшего увеличения охлаждающей поверхности.
Спиральный конденсатор имеет спиральную конденсирующую трубку с впускным и выпускным патрубками вверху и на одной стороне. См. Конденсатор Димрота.
A холодный палец представляет собой охлаждающее устройство в виде вертикального стержня, охлаждаемого потоком изнутри, с обоими портами для охлаждающей жидкости вверху, то есть погружаться в пар, опираясь только на верхний конец. Пар должен конденсироваться на стержне, стекать вниз со свободного конца и в конечном итоге достигать сборной емкости. Холодный палец может быть отдельным элементом оборудования или только частью конденсатора другого типа. (Холодные пальцы также используются для конденсации паров, образующихся при сублимации, и в этом случае в результате получается твердое вещество, которое прилипает к пальцу и его необходимо соскрести.)
Конденсатор Фридрихса (иногда неправильно пишется Фридрих ) был изобретен Фрицем Вальтером Полом Фридрихсом, который опубликовал конструкцию конденсатора этого типа в 1912 году. Он состоит из большого пальца с водяным охлаждением, плотно вставленного в широкий цилиндрический корпус. Палец имеет спиралевидный гребень по всей длине, чтобы оставлять узкий спиральный путь для пара. Такое расположение заставляет пар находиться в контакте с пальцем долгое время.
Vigreux 
Snyder 
Widmer Некоторые общие фракционные дистилляционные колонны Колонна Vigreux, названный в честь французского стеклодува Анри Вигре (1869–1951), который изобрел его в 1904 году, состоит из широкой стеклянной трубки с множеством внутренних стеклянных "пальцев". "точка вниз. Каждый «палец» создается путем плавления небольшого участка стены и толкания мягкого стекла внутрь. Пар, поступающий из нижнего отверстия, конденсируется на пальцах и стекает с них вниз. Обычно он имеет воздушное охлаждение, но может иметь внешнюю стеклянную рубашку для принудительного жидкостного охлаждения.
Колонна Снайдера представляет собой широкую стеклянную трубку, разделенную на секции (обычно от 3 до 6) горизонтальными стеклянными перегородками или перегородками. Каждая перегородка имеет отверстие, в которое помещается полая стеклянная бусина в форме перевернутой «слезинки». Стеклянные «пальцы», похожие на Вигре, ограничивают вертикальное движение каждой бусинки. Эти плавающие стеклянные пробки действуют как обратные клапаны, закрываясь и открываясь потоком пара и улучшая смешивание пара с конденсатом. Колумна Снайдера может использоваться с концентратором для эффективного отделения низкокипящих, таких как метиленхлорид, от летучих, но более высококипящих компонентов экстракта (например, после экстракции органических загрязнителей в почве).
Колонка Видмера была разработана в качестве докторского исследовательского проекта студентом ETH Zurich в начале 1920-х годов, сочетая в себе столбец Голодец- типовое расположение концентрических трубок и стержнево-спиральный сердечник типа Dufton. Он состоит из четырех концентрических стеклянных трубок и центрального стеклянного стержня с более тонким стеклянным стержнем, намотанным вокруг него для увеличения площади поверхности. Две внешние трубки (№ 3 и № 4) образуют изолирующую камеру мертвого воздуха (заштрихованы). Пар поднимается из колбы для кипячения в пространство (1), проходит вверх через пространство между трубками №2 и №3, затем вниз по пространству между трубками №1 и №2 и, наконец, вверх между трубкой №1 и центральным стержнем. Попадая в пространство (3), пар затем направляется через дистилляционную головку (стеклянный разветвитель) на охлаждение и сбор.
Сообщается, что так называемая модифицированная конструкция колонны Видмера широко используется, но не документирована. на 1940 год.
A насадочная колонна представляет собой конденсатор, используемый в фракционной перегонке. Его основной компонент представляет собой трубку, заполненную мелкими предметами для увеличения площади поверхности и количества теоретических тарелок. Трубка может быть внутренним каналом другого типа, например Либиха или Алхина. Эти колонки могут достигать теоретического числа тарелок 1-2 на 5 см упакованной длины.
Было использовано большое разнообразие упаковочных материалов и форм объектов, включая шарики, кольца или спирали (такие как Рашиг или кольца) из стекла, фарфора, алюминия, меди, никеля или нержавеющей стали ; нихром и инконель проволока (аналог), сетка из нержавеющей стали (кольца Диксона ) и т. Д. Конкретные комбинации известны как, и столбцы.
Конденсаторы с принудительной циркуляцией охлаждения обычно используют воду в качестве охлаждающей жидкости. Поток может быть открытым, от крана к раковине, и управляться только давлением воды в кране. В качестве альтернативы может использоваться закрытая система, в которой вода забирается насосом из резервуара, возможно охлажденного, и возвращается в него. Конденсаторы с водяным охлаждением подходят для жидкостей с температурой кипения значительно выше 0 ° C, даже выше 100 ° C.
Вместо воды можно использовать другие охлаждающие жидкости. Воздух с принудительной циркуляцией может быть достаточно эффективным в ситуациях с высокой температурой кипения и низкой скоростью конденсации. И наоборот, низкотемпературные охлаждающие жидкости, такие как ацетон, охлаждаемые сухим льдом или охлажденная вода с антифризами присадками, могут использоваться для жидкостей. с низкой температурой кипения (например, диметиловый эфир, т.кип. -23,6 ° C). Твердые и полутвердые смеси со льдом или водяным льдом можно использовать в холодных пальцах.
