Laboratory reactors: choice criteria

Laboratory reactors – devices for carrying out of chemical reactions. One of the basic criteria at a choice of a design and an operating mode of the chemical reactor are the conditions providing course of reaction in the set direction and with sufficient speed (volume of substances, temperature, pressure and so forth).

Лабораторные реакторы – аппараты для проведения химических реакций. Одним из основных критериев при выборе конструкции и режима работы химического реактора являются условия, обеспечивающие протекание реакции в заданном направлении и с достаточной скоростью (объем веществ, температура, давление и пр.). По принципу действия реакторы можно разделить на периодического и непрерывного действия, промежуточный вариант – полунепрерывного (циклического) действия. В промышленных масштабах при больших объемах производства наибольшее распространение нашли поточные реакторы непрерывного действия. В лабораториях, как правило, используются установки с периодической загрузкой реагентов и выгрузкой продуктов, выгрузка продуктов может осуществляться и в течение всей реакции.

Рис.1 Лабораторный химический реактор IKA

Лабораторные реакторы непрерывного/полунепрерывного действия, представляют собой емкости (возможно герметично закрытые), предусматривающие сливные/наливные операции с помощью отверстий, клапанов, задвижек и пр. Лабораторные реакторы данного типа оснащаются перемешивающими устройствами для интенсивного массообмена и равномерного распределения реагентов по всему объему. Производители данного типа реакторов заранее учитывают пожелания заказчиков и стараются предусмотреть все возможные варианты. Лабораторные реакторы компактны, просты в управлении, позволяют устанавливать дополнительное оборудование (термометры, термопары, диспергаторы, перемешивающие устройства и пр.).

Рис. 2 Химический реактор высокого давления

Многие промышленные установки работают под давлением, поэтому довольно часто при лабораторных испытаниях возникает необходимость поддерживать высокое/среднее давление. Выбор рабочего давления в реакторе обусловлен типом химической реакции, агрегатным состоянием реагентов. Реакторы, работающие под давлением, требуют повышенной техники безопасности; производители таких аппаратов тщательно контролируют качество выпускаемой продукции.

Зачастую у пользователей возникают нестандартные ситуации: сложные условия реакции, подключение особого оборудования и другие, требующие особого подхода. Фирмы, не раз сталкивающиеся с этой проблемой, наладили производство таким образом, чтобы на основе стандартных деталей заказчик смог собрать необходимый ему реактор. Такие мини-конструкторы удобны и пользователю и производителю: сделать новый реактор легче, чем переделать уже имеющийся, особенно, если это стеклянные реакторы, или реакторы высокого давления, требующие аккуратности и точности в исполнении.

Рис. 3 Лабораторный химический реактор и циркуляционный термостат Unistat 510

Одним из важных внешних факторов, влияющих на протекание химической реакции в нужном направлении и с заданной скоростью, является температура. С целью поддержания определенного температурного режима используют различные теплообменные аппараты (внутренние или внешние). Внутренние теплообменники (змеевики, трубчатые пучки и пр.) имеют развитую поверхность теплообмена, но контактируют непосредственно с реагентами, что в некоторых случаях недопустимо, кроме того, поверхность такого теплообменника сложно очищать. Удобнее использовать внешний обогрев (термостатирующие рубашки, водяные бани и др.). Как правило, внешние термостаты в сочетании с перемешивающими устройствами позволяют обеспечить равномерное распределение тепла по всему объему реактора. Использование термостата позволяет не только нагревать и охлаждать, но и автоматически поддерживать температуру на определенном уровне. Большое разнообразие термостатов дает возможность подобрать модель для конкретного пользователя.

Рис. 4 Лабораторный химический реактор и термостат с диапазоном температуры -45С +200°С

При выборе реактора необходимо, в первую очередь, определиться с тем, какие реагенты будут использоваться и каковы будут продукты реакции, как они будут выводиться из системы. Далее, согласно условиям реакции (температура, давление), выбирают тип реактора, сопутствующее оборудование. В конечном итоге определяют, как наиболее компактно, удобно и безопасно разместить все это в пространстве.

Тефлоновые реакторы

Часто встречаемые в повседневной жизни материалы и технологии, постепенно завоевывают свое законное место и в промышленных отраслях. Такой общеизвестный полимер как тефлон мы привыкли видеть в качестве антипригарного покрытия на посуде и поверхности бытовых приборов (утюги, гладильные доски, вафельницы, щипцы для завивки волос и др.). Однако, не многим известно, что благодаря своим уникальным свойствам, тефлон (политетрафторэтилен – PTFE) все чаще применяется для изготовления реакционных сосудов различного назначения.

Уже известно об использовании тефлоновых реакторов в таких процессах как:

– биоорганические синтезы;

– препаративный микроволновый синтез;

– электросинтез;

– дистилляция коррозионноактивных веществ;

– синтезы соединений в агрессивных средах (например, прямой синтез пероксида водорода) и др.

Тефлон – белое вещество, обладающее высокой теплои морозостойкостью. Благодаря низким значениям поверхностного натяжения и адгезии, не смачивается водой, жирами и большинством органических растворителей. PTFE характеризуется особо высокой устойчивостью к химическим соединениям (выдерживает даже воздействие смеси азотной и соляной кислот). Разрушается расплавами щелочных металлов, фтором и трифторидом хлора.

В наш век – век развития новых инновационных технологий и интенсивного совершенствования известных способов – важно идти в ногу со временем. Изо дня в день ужесточаются требования не только к продуктам, но и к самим процессам производства, а значит для поддержания конкурентоспособности на рынке, или для свершения новых открытий в науке, следует обратить внимание на уже имеющиеся технологии и отслеживать новинки.

Благодарим компанию «ТИРИТ» за предоставленный материал.

Поделитесь этой публикацией с коллегами и друзьями Source: #Сп.2 (97) Спецвыпуск «Оборудуем производство» 2009