로버트 M 리우, 펜실베이니아 주립 대학교, 유니버시티 파크, 펜실베이니아
합성 화학 실험실에서 가스의 사용은 매우 촉진적이고 원자 경제적 인 변환의 다양한 수행하는 데 필수적이다. 수소화, 산화 및 아미네이션과 같은 반응은 수소, 산소 및 암모니아와 같은 가스의 사용을 필요로합니다. 일반적인 반응성 솔루션에서 이러한 가스의 열악한 용해도로 인해 의미 있는 반응 속도를 달성하기 위해서는 고압이 필요합니다. 이러한 가스는 반응성이 높을 뿐만 아니라 고압을 사용하면 이러한 작업이 상당히 위험합니다. 고압의 사용에서 가장 큰 과제는 폭발성 혼합물과 폭주 반응의 형성을 피하기 위해 압력과 온도에 대한 면밀한 모니터링과 함께 반응의 전체 기간 동안 고압 가스의 봉쇄입니다.
이러한 반응은 전형적으로 두꺼운 벽의 압력 용기를 사용하여 수행됩니다. 가압 용기는 적절한 안전 문제가 완화된 고압에서 작동할 수 있습니다. 도 1은 고압 반응을 수행하는 데 사용되는 일반적인 압력 용기의 다양한 부분을 보여줍니다. 다음 프로토콜은 이러한 고압 반응기 선박의 안전한 작동 절차를 강조합니다.
그림 1. (a) 고압 반응기 용기의 일부. (b) 조립 된 고압 반응기 선박.
고압 Parr 반응기(또는 이에 상응하는)의 작동은 대략 3단계로 세분화될 수 있다.
1. 충전
2. 정화 및 압박
3화 환기
합성 화학 실험실에서 가스를 사용하는 것은 다양한 고도로 촉진되고 원자적인 경제적 변화를 수행하는 데 필수적이며, 종종 반응용액에 가스의 충분한 용해도를 보장하기 위해 고압이 필요합니다.
수소화, 산화 및 아미네이션과 같은 반응은 각각 수소, 산소 및 암모니아와 같은 가스의 사용을 요구합니다. 일반적인 반응성 솔루션에서 이러한 가스의 열악한 용해도로 인해 의미 있는 반응 속도를 달성하기 위해서는 고압이 필요합니다. 따라서 일반적으로 스테인레스 스틸로 만들어진 두꺼운 벽용기인 고압 반응기 용기는 이러한 반응을 수행하는 데 사용됩니다. 가압 용기는 적절한 안전 문제가 완화된 고압에서 작동할 수 있습니다.
이 비디오에서는 먼저 안전 고려 사항을 검토한 다음 고압 원자로 선박을 충전, 제거 및 배출하는 방법을 배웁니다.
고압 반응기 선박은 3,000 PSI 및 500도의 환경을 유지할 수 있습니다. 고압에 대해 등급이 높은 선박은 두꺼운 벽이 필요하므로 온도 제어가 더 어려워지게 됩니다.
가스가 반응성이 높고 고압이 위험 자체이기 때문에 제조업체의 한계는 작동 중에 유지되어야 합니다. 온도와 압력 외에도 실험을 설정할 때 용량 및 내식성도 염두에 두어야 합니다.
반응 자체는 또한 고려되어야한다, 일부 반응으로, 하이드로 포름화와 같은, 열을 생산하거나 하버 – 보쉬 프로세스와 같은 다른 사람은 기체 제품의 결과 동안. 너무 많은 열이나 가스 형성은 원자로를 작동 한계 밖으로 밀어 폭발로 이어질 수 있습니다.
이러한 안전 고려 사항을 염두에 두고 이러한 선박과 함께 작동하는 방법을 살펴보겠습니다.
절차를 시작하려면 반응이 일어나는 깨끗한 보조 용기를 선택합니다. 반응의 규모에 따라, 이것은 시험 관, Erlenmeyer, 또는 둥근 바닥 플라스크일 수 있습니다.
깨끗한 교반기와 함께 이차 용기에 반응제를 넣습니다.
압력 게이지 어셈블리를 반응 용기 위에 놓습니다. 손가락이 꽉 때까지 시계 방향으로 돌려 통풍구 밸브를 닫습니다.
분할 링을 용기에 추가하여 대각선 반대 나사를 조여 원자로를 밀봉합니다. 나사를 한 번에 조이지 말고 선박 전체에 걸쳐 압력을 가하지 마십시오.
반응기를 벤치탑에 안전 링 안에 놓습니다. 분할 링 위로 링을 밀어 놓고 나사를 분할 링의 들여쓰기와 정렬합니다.
손가락은 안전 반지를 조입니다. 원자로를 밀봉하면 제거되고 가압될 준비가 되어 있습니다.
다음 단계는 불활성 가스로 부착 된 반응기를 제거하는 것입니다. 가스 원을 반응기에 부착하고 레귤레이터의 주 밸브를 엽니다.
실린더 레귤레이터를 사용하면 최종 요구 값의 약 1/3으로 압력을 설정합니다. 압력 게이지에서 벤트 밸브를 천천히 열고 반응기를 가압합니다.
원하는 압력에 도달하면 밸브를 오토클레이브에 닫은 다음 레귤레이터 및 실린더 밸브의 가스 소스에 밸브를 닫습니다.
원자로로 들어가는 압력 라인을 천천히 느슨하게 하여 원자로의 압력이 떨어지기 시작합니다. 압력이 다시 0으로 떨어지면 압력 라인을 다시 닫고 레귤레이터의 주 밸브를 가스 소스로 엽니다.
최종 압력의 2/3으로 이전 프로세스를 반복합니다.
이제 레귤레이터의 압력을 최종 원하는 값으로 조정하고 반응기를 가압합니다. 최종 압력에 도달하면 압력 게이지의 벤트 밸브를 닫고 가스 레귤레이터의 주 밸브를 닫습니다.
압력 라인을 조심스럽게 느슨하게하여 라인의 가스와 레귤레이터가 배출됩니다. 이렇게 하면 화학이 시작되면 가스 원이 원자로에서 분리되도록 합니다.
압력 제어 밸브를 느슨하게 하여 실린더 레귤레이터의 출구 압력을 0으로 다시 설정합니다. 이를 통해 레귤레이터의 주 밸브가 실수로 켜져 있더라도 가스가 누출되지 않습니다.
이제 반응기를 연기 후드에 놓고 원하는 시간 동안 반응을 실행하십시오. 원하는 경우 반응기를 가열할 수 있습니다.
다음 단계는 완성된 반응을 안전하게 배출하는 것입니다. 반응 시간이 경과하면 반응기를 실온으로 식힙니다.
그런 다음 게이지의 벤트 밸브를 천천히 열어 반응기에서 가스를 배출합니다. 용매가 반응기에서 흘러나오는 것을 피하기 위해 가능한 한 느리게 하십시오.
원자로의 압력이 0으로 떨어지면 스플릿 링의 안전 링과 나사를 느슨하게 하십시오. 분할 링을 분해하고 반응기에서 게이지를 제거합니다.
반응기에서 반응 용기를 수집합니다. 물과 아세톤으로 반응기를 헹구는 다. 공기 건조에 열어 둡니다.
방금 JoVE가 고압 원자로 선박을 사용하는 것을 소개하는 것을 지켜보았습니다. 이제 그들의 기능을 이해하고 제대로 충전, 가압 및 환기하는 방법을 이해해야 합니다. 시청해 주셔서 감사합니다!
고압에서 가스의 조작은 Parr 반응기 (또는 동등한) 선박의 사용으로 수행 할 수 있습니다. 폭발 위험이 있는 선박을 운용하는 동안 적절한 안전 예방 조치를 준수해야 합니다.
The use of gases in the synthetic chemistry laboratory is essential for carrying out a variety of highly facile and atom economical transformations, and often require high pressures to ensure sufficient solubility of gases into the reactant solution.
Reactions such as hydrogenation, oxidation, and amination require the use of gases like hydrogen, oxygen, and ammonia, respectively. Due to the poor solubility of these gases in typical reactant solutions, high pressures are necessary to achieve a meaningful reaction rate. Therefore, high-pressure reactor vessels – thick-walled containers, typically made of stainless steel – are used to carry out such reactions. The pressurized vessel allows for operation at high pressure with appropriate safety concerns abated.
In this video, we will first review the safety considerations and then learn how to charge, purge, and vent a high-pressure reactor vessel.
High-pressure reactor vessels can maintain environments of 3,000 PSI and 500 degrees. Vessels rated for higher pressures require thicker walls, though, making temperature control more difficult.
The manufacturer’s limits must be maintained during operation, as the gases are highly reactive, as well as the high pressure being a hazard itself. In addition to temperature and pressure, capacity and corrosion resistance must also be kept in mind when setting up an experiment.
The reaction itself must also be considered, as some reactions, like Hydroformylation, produce heat or while others like the Haber-Bosch-Process result in gaseous products. Too much heat or gas formation could push the reactor outside its operating limits leading to an explosion.
With these safety considerations in mind, let’s see how to work with these vessels.
To begin the procedure, select a clean secondary vessel in which the reaction will take place. Depending on the reaction’s scale, this can be a test tube, Erlenmeyer, or round-bottomed flask.
Add the reactants along with a clean stirbar into the secondary vessel.
Place the pressure gauge assembly on top of the reaction vessel. Close the vent valve by turning it clockwise until finger tight.
Add the split rings onto the vessel, tightening diagonally opposite screws to seal the reactor. Do not tighten the screws all at once to ensure even pressure across the vessel.
Place the reactor inside the safety ring on the benchtop. Slide the ring over the split rings, and align the screw with the indent on the split ring.
Finger tighten the safety ring. With the reactor sealed, it is ready to be purged and pressurized.
The next step is to purge the affixed reactor with an inert gas. Attach the gas source to the reactor and open the main valve on the regulator.
Using the cylinder regulator set the pressure to approximately 1/3rd of the final required value. Slowly open the vent valve on the pressure gauge and pressurize the reactor.
When desired pressure is reached, close the valve to the autoclave, followed by the valve to the gas source on the regulator and the cylinder valve.
Slowly loosen the pressure line going into the reactor, so that the pressure in the reactor starts to fall. Once the pressure falls back to zero, close the pressure line again and open the main valve on the regulator to the gas source.
Repeat the previous process with 2/3rd of the final pressure.
Now adjust the pressure on the regulator to the final desired value and pressurize the reactor. Once the final pressure is reached, close the vent valve on the pressure gauge, and close the main valve on the gas regulator.
Carefully loosen the pressure line, so that the gas in the line and the regulator is vented. This ensures that the gas source is disconnected from the reactor, which is important, once chemistry has been initiated.
Set the outlet pressure on the cylinder regulator back to zero by loosening the pressure control valve. This ensures that gas will not leak, even if the main valve on the regulator is turned on by accident.
Now place the reactor in a fume hood and let the reaction run for the desired amount of time. The reactor can be heated if desired.
The next step is to safely vent the completed reaction. Once the reaction time has elapsed, cool the reactor to room temperature.
Then, slowly open the vent valve on the gauge to vent the gas from the reactor. Do this as slow as possible to avoid the solvent from spilling over in the reactor.
Once the pressure in the reactor has dropped to zero, loosen the safety ring and the screws on the split rings. Disassemble the split rings and remove the gauge from the reactor.
Collect the reaction vessel from the reactor. Rinse the reactor with water and the acetone. Leave it open to air dry.
You’ve just watched JoVE’s introduction to using high-pressure reactor vessels. You should now understand their function, and how to properly charge, pressurize, and vent one. Thanks for watching!
Related Videos
Lab Safety
233.7K views
Lab Safety
82.3K views
Lab Safety
41.9K views
Lab Safety
95.6K views
Lab Safety
41.4K views
Lab Safety
182.3K views
Lab Safety
108.4K views
Lab Safety
44.7K views
Lab Safety
87.3K views
Lab Safety
87.5K views
Lab Safety
68.6K views
Lab Safety
21.9K views
Lab Safety
15.8K views
Lab Safety
28.6K views
Lab Safety
16.1K views
Lab Safety
102.0K views
Lab Safety
199.7K views