Виды холодильников в химии

Обновлено: 18.05.2024

Из этой статьи станет известно, какими бывают химические холодильники по принципу действия, по конструкции, а также, что используется в качестве охладителя.

Химический холодильник – это лабораторный аппарат, применяемый для сбора конденсата при экстракции или выделении отдельных фракций жидкости, а также как один из элементов установок по изучению различных веществ.

Как правило, это прибор, изготовленный из стекла. Представляет собой сосуд, в котором происходит конденсация, плюс охлаждающий контур. В качестве охладителя может выступать воздух, вода или специальные хладагенты, в том числе и твердые.

Обратный и прямой холодильник

По принципу действия химические холодильники могут быть:

прямыми;
обратными;
универсальными.

Прямой холодильник (другое название – нисходящий) применяется, чтобы разделить жидкость на низкокипящие и высококипящие компоненты.

Обратный холодильник используется во время проведения высокотемпературных реакций, при этом пар возвращается в реактор (стеклянную колбу). Конечно, кипячение можно было бы проводить и в герметичном сосуде, но тогда существует высокая вероятность взрыва реактора из-за высокого давления.

Назначение этих двух приборов определяет их конструктивная разница. Обратный холодильник устанавливают вертикально сверху над колбой с кипящей жидкостью, чтобы пар после конденсирования стекал вниз. Прямой холодильник устанавливают под наклоном, чтобы жидкость из него могла свободно стекать в приемник.

Универсальные приборы имеют такую конструкцию, которая позволяет использовать их как прямые и обратные холодильники.

Обратные, или восходящие, холодильники используются при проведении реакции при температуре кипения реакционной смеси, но без отгонки жидкости; они обеспечивают конденсацию паров и стекание конденсата обратно в реактор по стенкам холодильника.

Дефлегматор – холодильник для частичной конденсации лёгкой части пара, дефлегмации.

Простейшим типом лабораторного холодильника является воздушный, представляющий собой обычно просто стеклянную трубку, которая охлаждается окружающим воздухом. Он применяется исключительно в работе с высококипящими жидкостями (желательно с точкой кипения не ниже 300 °С), которые в работе с водяным холодильником за счёт большой разницы температур могли бы дать в стекле холодильника трещину.

Типы холодильников в зависимости от видов сосудов-конденсаторов

Всего по конструктивным особенностям выделяют четыре вида химических охладительных аппаратов. Рассмотрим особенности каждого из них.

Холодильник Либиха

Другие названия этого нисходящего охлаждающего устройства: прямоточный холодильник или холодильник с прямой трубкой (ХПТ). Его изобрел немецкий ученый химик Юстус фон Либих. Конструкция аппарата представляет собой две стеклянные трубки, запаянные одна в другой. Внутренняя трубка наполняется парами кипящей жидкости, а внутри внешней – циркулирует проточная вода.

Эта конструкция имеет широкое применение и может быть частью устройства, с помощью которого осуществляется простая или вакуумная перегонка.

Холодильник Аллина

Змеевиковый холодильник

Лорен Р. Грэхем по-другому изменил конструкцию простейшего химического холодильника, поместив внутрь трубки стеклянный змеевик. Конденсирование в нем происходит намного быстрее, чем в прямоточном или шариковом, но применяться устройство может только как нисходящий из-за капиллярного эффекта.

Разновидность спирального холодильника – охлаждающее устройство Штеделера. Здесь в качестве охлаждающего вещества используется лед с поваренной солью или твердая углекислота с ацетоном. Его применяют для жидкостей с низкой температурой кипения.

Дефлегматор Димрота

Сходен по конструкции со спиральным (змеевиковым) холодильником, но имеет несколько иной принцип действия дефлегматор Димрота.

Этот холодильник представляет собой колбу, внутри которой находится охлаждаемая водой спираль. Витки спирали могут быть раздвинуты или плотно намотаны в зависимости от сферы применения. Пары жидкости конденсируются на спирали и отводятся через отверстие внизу колбы. Температура легко настраивается благодаря штуцеру под термометр, расположенному вверху колбы.

Пальцеобразный холодильник

Информация

Холодильник — это прибор для конденсации пара при помощи охлаждающей среды, чаще всего воды.

В зависимости от способа применения различают следующие типы холодильников:

Прямой холодильник (нисходящий) — применяется для конденсирования паров и отвода образовавшегося конденсата из реакционной системы. Сбор конденсата ведется в колбу-приемник.
Обратный холодильник — применяется для конденсирования паров и возврата конденсата в реакционную массу. Устанавливают такие холодильники обычно вертикально.

Шариковый воздушный холодильник Применяется в качестве обратного. Шариковые холодильники более эффективны, чем обычные (прямые по конструкции) воздушные холодильники, за счет большей поверхности теплообмена. Такие холодильники нашли применение для полумикросинтезов, где количество отводимого тепла невелико и для конденсации даже низкокипящих веществ воздушное охлаждение оказывается вполне достаточным. (При необходимости в этом случае холодильник можно обмотать влажной фильтровальной бумагой.)

Холодильник Либиха Применяется преимущественно в качестве нисходящего примерно до 160°С. Охлаждающим средством для веществ с температурой кипения 100°С) соединений. На наружной поверхности холодильника конденсируется атмосферная влага, которая через капиллярные течи в шлифе может попадать внутрь колбы, поэтому шлифы на холодильнике и колбе следует тщательно смазывать. Рекомендуется также на холодильнике выше шлифа надевать манжету из сухой фильтровальной бумаги. Более высококипяише жидкости в месте спая А (рис.1-в) могут обусловить возникновение внутреннего напряжения, что вызывает растрескивание стекла. Поэтому холодильники Либиха нельзя изготовлять из нетермостойкого стекла.

Следует отдельно заметить, что охлаждающий агент (вода) подается исключительно снизу вверх. При подаче хладоагента сверху-вниз заполнение рубашки холодильника будет неполным, что сделает охлаждение неэффективным. Кроме того при такой подаче холодильник может выйти из строя (треснуть) из-за локальных перегревов рубашки.

Шариковый холодильник Используется исключительно как обратный. Поскольку этот холодильник имеет шаровидные расширения, ток паров становится в нем турбулентным; охлаждающее действие такого холодильника значительно выше, чем у холодильника Либиха. Однако на внешней его поверхности также конденсируется атмосферная влага и место спая А также является опасным. Подача охлаждающего агента производится снизу-вверх. Через шариковый холодильник удобно вставлять ось мешалки, вводить в реактор различные вещества, хорошо смываемые в колбу конденсатом и подогреваемые им. Обычно число шариков у таких холодильников колеблется от 3 до 8. Во избежание захлебывания, когда конденсат не успевает стекать обратно в колбу с кипящей жидкостью, обратный шариковый холодильник устанавливают в наклонном положении, но наклон не должен быть слишком большим, чтобы конденсат не скапливался в шарах. Скопление конденсата приводит к уменьшению эффективной охлаждающей поверхности холодильника.

Змеевиковый холодильник Никогда не используется как обратный, так как конденсат, который недостаточно хорошо стекает по сгибам змеевика, может быть выброшен нз холодильника и послужить причиной несчастного случая. Змеевиковый холодильник, установленный вертикально, является наиболее эффективным нисходящим холодильником, особенно для низкокипящих веществ.

Холодильник Штеделера Модификация змеевикового холодильника, в котором охлаждающий сосуд может быть заполнен смесью льда с поваренной солью, твердой углекислотой с ацетоном и т. д. Такой холодильник можно применять для конденсации веществ, кипящих при очень низких температурах.

Холодильник Димрота

Общее примечание: необходимо постоянно следить, чтобы через рубашку холодильника не прекращалась циркуляция воды, так как отключение холодильника может привести к пожарам и взрывам!

Воздушный и водяной холодильники

В зависимости от используемого охладителя охлаждающие устройства делят на воздушные и водяные.

Воздушный холодильник может использоваться в химической промышленности при синтезе каучука, спирта, ректификации нефти в районах с ограниченными водными ресурсами или для снижения затрат по очистке, перекачиванию и умягчению воды. Такие аппараты просты в уходе, не требуют больших затрат на ремонт и поддержание в рабочем состоянии, а также имеют более долгий срок службы в сравнении с водными охладителями.

Если реакция конденсации происходит при температуре выше 150°С, то охлаждение водой приведет к растрескиванию стекла из-за резкого перепада температуры. В этом случае применяют воздушный холодильник. По конструкции бывает прямоточным или шариковым.

Водяной аппарат для охлаждения использует в качестве хладогена проточную воду. Он применяется не только при проведении лабораторных опытов, но и в промышленности или медицине, например, для получения дистиллированной воды. Они изготавливаются в любой из перечисленных выше конструкций.

Важно: независимо от конструкции холодильника вода или другой нужный хладагент подается в конденсатор снизу вверх, чтобы наполнение рубашки было полным, а работа аппарата эффективной.

Заключение

Химия в повседневном быту современного человека нашла широкое применение. Не только современные хозяйки используют реакцию взаимодействия соды и кислоты для придания пышности выпечке, но и лабораторное оборудование нашло свое применение. Например, химические холодильники используются теми, кто предпочитает домашний алкоголь магазинному.

Посуда химическая лабораторная (п.х.л.) - изделия, изготовленные из стекла, кварца, фарфора и др. материалов, которые применяются для препаративных и химико-аналитических работ.

Требования, которым должна соответствовать химическая посуда:

Термоустойчивость, малый коэффициент теплового расширения материала
Устойчивость к воздействию химических реагентов
Загрязнения должны легко отмываться

В данной статье мы классифицируем всю химическую посуду на три группы по ее назначению: мерная, немерная и специального применения.

Мерная химическая посуда

Мерная посуда имеет точную градуировку, нагреванию ее не подвергают.

Пипетки служат для отбора жидкостей (до 100 мл) и газов (от 100 мл)

Применяются для измерения точных объемов, титрования (метод количественного/качественного анализа в аналитической химии)

С помощью мерных колб, мензурок и цилиндров отмеривают и хранят определенные объемы жидкостей.

Немерная химическая посуда (общего назначения)

К такой химической посуде относятся изделия, многие из которых употребляются с нагревом: пробирки, стаканы, колбы (плоскодонные, круглодонные, конические), реторты.

Служат для переливания и фильтрования жидкостей. Делительные воронки применяются для разделения несмешивающихся жидкостей.

Используется для выпаривания растворов и очистки веществ путем перекристаллизации - методе, основанном на различии растворимости вещества в растворителе при различных температурах.

Сифон химический применяется для безопасного перекачивания жидких сред из бутылей, бочек, канистр. Особенно важен сифон в работе с агрессивными опасными химическими веществами.

Банки служат для хранения твердых веществ, склянки - для хранения жидких веществ, а также в качестве резервуара, из которого жидкость поступает в другой раствор, например, в бюретки в ходе титрования.

Бюкс - баночка с притертой пробкой, используется как емкость при исследовании, в ходе которых высушиваются и взвешиваются сыпучие материалы

Химическая капельница применяется для дозирования растворов и индикаторов.

Используются с целью взятия твердых и сыпучих веществ. Могут служить для перемешивания жидкостей.

Применяется для одновременного размещения и закрепления множества пробирок.

Химическая посуда специального назначения

Данная посуда отличается тем, что предназначена для какой-либо одной цели.

Круглодонная колба с отводом для вставки прямоточного холодильника. Используется для перегонки различных веществ.

Плоскодонная коническая колба, которая применяется для вакуумного фильтрования.

Применяется для фильтрования растворов при помощи фильтровальной бумаги под вакуумом.

Фильтр Шотта представляет собой стеклянную пористую пластинку. Фильтр Шотта используют в ходе вакуумного фильтрования.

Применяется для конденсирования паров и отвода образовавшегося конденсата из системы, сбор конденсата происходит в колбу-приемник.

Применяется для конденсирования паров и возврата конденсата в реакционную массу. Обычно устанавливается вертикально.

Конструктивный элемент химических приборов, чаще всего используется для соединения холодильника с приемником.

Используется в качестве приемника при перегонке. Одним из предназначений колбы Кьельдаля является определения азота в веществах по методу Кьельдаля.

Используется для частичной или полной конденсации паров жидкостей, которые разделяют перегонкой или ректификацией (разделение, основанное на многократной дистилляции.)

Толстостенный стеклянный сосуд, с пришлифованной крышкой, на дно которого помещают влагопоглощающее вещество, в результате чего в эксикаторе поддерживается влажность воздуха приблизительно равная нулю. Эксикатор используется для высушивания и хранения различных веществ.

Склянка Дрекселя - сосуд, используемый для промывания и очистки газов. В результате пропускания газа через склянку Дрекселя он освобождается от механических примесей.

Служат для очистки газов от механических примесей. Также хлоркальцевые трубки применяют для предохранения растворов от попадания в них воды и углекислого газа: с этой целью их заполняют нужным поглотителем.

Применяется для получения газов при действии на твердые вещества растворов кислот и щелочей.

Тигель (от нем. Tiegel — горшок) - термостойкий сосуд-чаша (фарфоровый, глиняный) для нагрева, высушивания, сжигания и обжига различных материалов. Применяют для сплавления.

Чашки для выпаривания используют для выпаривания (упаривания) растворов.

Применяется для измельчения твердых веществ.

Применяются для прокаливания веществ в печи.

Данная статья написана Беллевичем Юрием Сергеевичем и является его интеллектуальной собственностью. Копирование, распространение (в том числе путем копирования на другие сайты и ресурсы в Интернете) или любое иное использование информации и объектов без предварительного согласия правообладателя преследуется по закону. Для получения материалов статьи и разрешения их использования, обратитесь, пожалуйста, к Беллевичу Юрию.

Блиц-опрос по теме Лабораторная посуда

Разделения смешивающихся жидкостей Выпаривания растворов Измерения точного объема Перегонки жидкостей

Химическая бюретка применяется для измерения точного объема.

Перегонки жидкостей Измерения точного объема Разделения смешивающихся жидкостей Выпаривания растворов

Реторта используется главным образом для перегонки жидкостей.

Упаривают растворы Осуществляют перегонку жидкостей Осуществляют вакуумное фильтрование Разделяют несмешивающиеся жидкости

С помощью делительной воронки разделяют несмешивающиеся жидкости.

Кристаллизатор применяется для выпаривания (упаривания) растворов.

Выпаривания растворов Безопасного перекачивания жидкостей Разделения смешивающихся жидкостей Вакуумного фильтрования

Химический сифон служит для безопасного перекачивания жидкостей.

С помощью капельницы дозируют растворы.

Колба Вюрца применяется для дистилляции: например, для разделения жидкостей с разной температурой кипения.

Колбу Вюрца и эксикатор Капельницу и фильтр Шотта Колбу Бунзена и фильтр Шотта Воронку Бюхнера и колбу Вюрца

Для вакуумного фильтрования из всего перечисленного применяют: колбу Бунзена, фильтр Шотта и воронку Бюхнера.

Воронка Бюхнера служит для вакуумного фильтрования.

Сплавления веществ Высушивания и хранения различных веществ Дистилляции Очистки газов от механических примесей

Эксикатор используется для высушивания и хранения различных веществ.

Хлоркальцевые трубки применяются для очистки газов от механических примесей.

Тигли используются для сплавления веществ, сжигания различных материалов.

Обратный и прямой холодильник

По принципу действия химические холодильники могут быть:

прямыми;
обратными;
универсальными.

Принцип работы автохолодильников компрессорного типа

Компрессорный холодильник — это морозильная камера, оборудованная испарителем и компрессором, по принципу работы такой автохолодильник наиболее схож с обычным домашним холодильником. Итак, это металлический контейнер, внутри которого хладагент, как правило фреон, находящийся в жидком виде, подается в испаритель, где происходит его переход в газообразное состояние — испарение, при этом хладагентом у самого испарителя забирается тепловая энергия от его металлических стенок.

Сам испаритель благодаря этому охлаждает воздух уже самой холодильной камеры. Затем газообразный хладагент вытягивается из испарителя компрессором, после чего конденсируется, превращаясь назад в жидкость благодаря высокому давлению, которое создает опять-таки компрессор.

При помощи автохолодильника данного типа продукты можно охладить до -18°С (модели отдельных марок, например, LIBHOF – даже до -25°С), что позволит сохранить их в хорошем состоянии на весьма продолжительное время, в особенности — рыбу, мясо, овощи или фрукты. Использование компрессорного холодильника обеспечит возможность быстро охладить содержимое, выбрав при этом необходимую температуру.

Такие автохолодильники обычно достаточно экономичны, имеют хорошую вместимость, работают от прикуривателя или от 220 Вт автомобильной сети. При этом как недостаток указать можно лишь то, что компрессорные автомобильные холодильники немного больше весят, чем устройства иных типов.

Типы холодильников в зависимости от видов сосудов-конденсаторов

Холодильник Либиха

Холодильник Аллина

Змеевиковый холодильник

Дефлегматор Димрота

Пальцеобразный холодильник

Термоэлектрические установки

Холодильники на термоэлектрическом принципе называют установками прямого поглощения тепла. Здесь нет хладагента, системы циркуляции, перехода агрегатных состояний и других сложностей. Охладителем выступает пластина полупроводника. Термоэлектрическая установка использует эффект Пельтье и работает следующим образом:

при подаче электрического тока определенной полярности пластина охлаждается;
происходит отбор тепла из камеры хранения продуктов;
при подаче напряжения обратной полярности температура полупроводника растет, поэтому термоэлектрическая установка может нагревать содержимое.

Из принципа работы следует группа ограничений, которая присуща всем холодильникам прямого преобразования тепла. Список выглядит так:

сила тока, потребляемого устройством, ограничивается, чтобы не допускать перегрузки источника питания. Поэтому существует понятие дельты температуры. Простыми словами — количество градусов разницы между окружающей средой и пространством камеры хранения. Например, если холодильник обеспечивает снижение на 30, то при сорокоградусной жаре напитки и еда будут охлаждены до 10 тепла;
есть показатель минимально возможной температуры, ниже которой пластина полупроводника не может охладиться. У дорогих моделей термоэлектрических холодильников значение этой характеристики находится в пределах от -6 до -3 градусов Цельсия;
термоэлектрическая установка отводит тепло крайне медленно. Поэтому перед помещением внутрь камеры продукты нужно охладить. Иначе — ждать комфортной температуры напитков или мяса придется крайне долго.

Приведенные ограничения никак не мешают термоэлектрическим холодильниками быть крайне популярными у автомобилистов, любителей путешествий и отдыха на природе. В камеру для облегчения задачи установки можно добавить лед, в продаже есть модели с самыми разными объемами камер — от небольшого хранилища для напитков до нескольких десятков литров.

Воздушный и водяной холодильники

В зависимости от используемого охладителя охлаждающие устройства делят на воздушные и водяные.

Важно: независимо от конструкции холодильника вода или другой нужный хладагент подается в конденсатор снизу вверх, чтобы наполнение рубашки было полным, а работа аппарата эффективной.

Заключение

Развитие науки невозможно представить без проведения различных лабораторных исследований. Даже далекий от науки человек с уверенностью скажет, что в любой лаборатории должен быть холодильник. Различные микроэлементы способны сохранять свои свойства только при наличии определенных условий, в том числе температурных. Также именно при помощи таких исследований вперед движется медицина и ветеринария. Ведь даже для проведения большинства анализов, забранный материал некоторое время нужно хранить при определенной температуре, а не в условиях обычной комнатной температуры. Лабораторное оборудование есть различных видов. Холодильники, в том числе разделяются на определенные категории, ведь иногда требуется температура около 0, а иногда необходима заморозка определенных образцов.

Специальные лабораторные холодильники более удобны в названных целях, чем бытовые холодильники. Также они отличаются некоторыми показателями, так, например, в фармацевтическом холодильнике вентиляция будет отличаться от варианта бытового холодильника. Поэтому, если некоторые препараты, вакцины и образцы требуют соблюдения строгих условий, то их лучше обеспечить.

Можно выделить ряд лабораторных холодильников, которые отличаются температурными показателями, а также структурой, которая позволяет хранить посуду разной формы, колбы, пробирки и т.д. Первый вид это общелабораторные холодильники, которые являются универсальными и позволяют хранить широкий ряд веществ в различной таре. Такие холодильники обычно не имеют стеклянных дверей, а полностью закрывают содержимое от попадания света. Среди них есть как совсем маленькие варианты, вместительность которых всего около 130 литров, так и варианты на несколько секций, объем которых суммарно составляет более 2200 литров. Также есть средние варианты на одну секцию, которые вмещают в себя достаточно большие объемы, но в помещении такой агрегат не занимает много пространства.

Следующим видом являются фармацевтические холодильники. Их конструкция помогает удобно размещать медицинские препараты. Такие холодильники зачастую оснащены выдвижными полками. Таким образом, доступной делается организация хранения, при которой лекарственные средства различных рядов хранятся раздельно. Помимо этого, такие устройства оснащены различными дополнительными функциями, обеспечивающими контроль температуры и безопасность. Причем безопасность действительно должна соблюдаться на должном уровне, ведь в таких холодильниках могут храниться медицинские препараты с содержанием наркотических средств, которые особо важно защитить от противоправных посягательств.

Холодильники для крови должны быть в каждом медицинском учреждении. Такие приспособления помогают хранить образцы, забранные для произведения исследования, а также донорскую кровь. Холодильники этого ряда также имеют различные объемы, что удобно для использования в разных масштабах.

Читайте также: