1.3. Теплообмін (нагрівання, охолодження й конденсація)

Нагрівання й охолодження належать до операцій, які найчастіше застосовуються в синтезі. Температура впливає на швидкість хімічної реакції і навіть її результати. Підведенням і відведенням тепла також досягають зміни агрегатного стану речовини (плавлення, випарювання, сублімація, конденсація тощо).

Теплопередача здійснюється за допомогою теплопровідності, конвекції й випромінювання. Прийнято вважати, що теплопровідність являє собою обмін тепловою енергією між нерухомими частинками, наприклад у скляній стінці колби або в нерухомому шарі газу. Конвекція ― це передача тепла за допомогою руху й перемішування потоків рідин або газів, а також обмін енергією між потоками й нерухомою поверхнею. Випромінюванням називають передачу тепла за допомогою променів. Кількість тепла (Q), переданого за допомогою механізму теплопровідності, залежить від низки факторів:

Q = λ·F·( Δt / δ),

де λ ― коефіцієнт теплопровідності матеріалу;

F ― площа поверхні теплообміну;

Δt – різниця температур;

δ ― товщина шару (або стінки), через який проводиться тепло.

Таким чином, рушійна сила теплообміну ― різниця температур, тобто чим більше Δt, тим вище ефективність теплопередачі. Із поданого співвідношення також очевидно, що кількість переданого тепла (Q) зростає зі збільшенням коефіцієнта теплопровідності λ, який залежить від природи теплопровідного матеріалу. Теплообмін між нерухомою твердою поверхнею й потоками рідини чи газу може відбуватися як природний рух потоків (природна конвекція) або за допомогою механічного перемішування (примусова конвекція). Для конвективної теплопередачі виконується таке співвідношення:

Q = α F Δt

Коефіцієнт теплопередачі (α) залежить від багатьох факторів: щільності рухомої фази, швидкості потоків, їх теплопровідності й теплоємності. Так, у разі природної конвекції у воді α = 2,0·10^-2 , а у випадку примусової ― α = 1,5·10^-1–кал/с·см²·град. Часто теплопередача в процесі теплообміну здійснюється обома способами. Навіть за дуже інтенсивного руху рідини або газу до твердої стінки «липне» тонкий нерухомий шар середовища, що називається ламінарним, у якому теплопередача здійснюється виключно за рахунок теплопровідності. Оскільки теплопровідність газів і більшості рідин дуже мала, ламінарний шар створює найбільший опір для теплопередачі між фазами, що обмінюються теплом.

Таким чином, на передачу тепла під час нагрівання, охолодження, а також конденсації пари впливає безліч факторів, і успішне здійснення цих операцій залежить від правильності вибору режиму теплообміну, природи теплоносія, швидкості його потоків, конструкції приладу та ін.

Економія енергії й матеріалів, що має неабияке значення в промислових процесах, не відіграє значної ролі в лабораторних синтезах, де визначальним фактором вважається ефективність (швидкість і точність) досягнення необхідної температури.

1.3.1. Нагрівання

Пряме нагрівання на полум’ї спиртівки або газового пальника можливе тільки в разі використання посуду, виготовленого з термостійких матеріалів (метал, термостійке або кварцове скло). Нагрівання здійснюється при безперервному русі пальником для рівномірного обігріву всієї поверхні посудини. Використання електричних плиток (особливо із закритим елементом) ― більш безпечний варіант прямого нагрівання. Однак і він не застосовний для нагрівання легкозаймистих рідин. Зручність прямого способу нагрівання полягає в можливості швидкого видалення джерела тепла. Для уникнення місцевого перегрівання, а також для більш точного регулювання температурного режиму використовують різні бані. Найпростіші бані ― повітряні (рис.4,а). Повітря, однак, ― поганий і ненадійний провідник тепла (можливе місцеве перегрівання реакційної маси в колбі), тому регулювати температуру повітряної бані й реакційної маси важко. Поширений варіант повітряної бані ― парова баня, за допомогою якої можна нагрівати реакційну масу за температури 100 °С. У разі використання піщаних бань ― металевих чашок, заповнених дрібним піском, ― можливе нагрівання практично за всім діапазоном температур, які найчастіше використовуються в органічному синтезі. Однак і в даному випадку можливе місцеве перегрівання, що часто призводить до небажаних наслідків.

а б

Рис. 4. Бані для нагрівання: а – повітряна баня; б – рідинна баня.

Уникнути локальних перегрівань можна за допомогою використання рідинних бань. Найпоширеніший варіант ― водяна баня, що дозволяє здійснювати м’яке нагрівання в діапазоні 20–100 °С. Регулювання температури зазвичай здійснюють за допомогою контактних термометрів, з’єднаних із терморегулятором (рис.4,б). Необхідно відзначити, що в разі використання водяної (і парової) бані важко забезпечити безводні умови для реакційної маси. Тому ці бані небезпечні у випадку роботи, наприклад, із лужними металами. Бані, у яких як теплоносій використовують масло, парафін або гліцерин (вони називаються відповідно масляними, парафіновими або гліцериновими), дозволяють нагрівати реакційну масу до 200 ― 250 °С. Однак за високих температур вони сильно димлять і стають пожежонебезпечними, а потрапляння до них води призводить до розбризкування маси, що може спричинити опіки.

Зручний засіб, що дозволяє здійснити нагрівання вище 80–100 °С, - евтектичні сплави. Найчастіше використовуються сплав Вуда (Тпл =81°С; Bi – 50, Pb – 25, Sn – 12,5, Cd – 12,5 %) і сплав Розе (Тпл =98 °С; Bi – 50, Pb – 25, Sn– 25 %). Такі бані відмінно проводять тепло, легко теплорегулюються й пожежобезпечні. Однак, під час охолодження в них не можна залишати колби й термометри, оскільки сплав кристалізується і руйнує скляний посуд.