Repair of Condenser for Distillation in Unsuitable Conditions
Ремонт холодильника для перегонки в неприспособленных условиях

As part of a research project, it became necessary to synthesize a certain ester with a relatively simple molecular structure. As is known, esters are usually obtained by reacting a carboxylic acid with an alcohol in the presence of sulfuric acid. The acid acts as a catalyst and a dehydrating agent, shifting the reaction equilibrium toward ester formation (the article has not yet been published, so it is too early to reveal the details).

I searched the literature and found a rather inconvenient synthesis method. It turns out that both the ester and even the starting alcohol undergo irreversible decomposition upon exposure to the corresponding acid. The presence of sulfuric acid only worsens the situation. Therefore, indirect methods are usually employed to prepare this ester.

Further literature search showed that a direct reaction between the acid and alcohol is still possible but requires specific conditions. In particular, the ester must evaporate from the reaction flask as quickly as possible, after which its vapors should be cooled rapidly to condense them.

I assembled a setup that looked much like a standard distillation apparatus. After several small-scale trial syntheses with mixed results, I decided to scale up. For the first experiments, I used a Liebig condenser with 14/23 ground joints. For the larger reaction flask, I needed a condenser with a wider vapor tube - otherwise, the ester would accumulate in the flask, decompose, and reduce yield.

The only condenser I could find had 19/26 ground joints, but even here, the internal diameter of the joint limited the rate of vapor removal. I had no choice but to use it.

When I scaled up again, I used a four-neck flask almost three times larger than before. As in previous syntheses, I first inserted the stirrer shaft through the central neck and the distillation adapter. After assembling the setup and attaching the condenser, I discovered that the stirrer shaft was too short for this larger flask. To fix the problem, I disconnected the condenser and adapter, installed a short adapter for the stirrer shaft, and inserted the distillation adapter into one of the two side necks of the flask - one straight and the other curved at a right angle. I chose the straight one without paying attention to its intended purpose. After reattaching the condenser, I attempted to install the dropping funnel, only to realize that it would not fit into the curved neck. The straight neck was meant for the funnel, not the condenser.

Reluctantly, I detached the condenser once more and attempted to connect it to the curved neck. This operation is always unpleasant: the ground glass joints are fragile, and even slight misalignment can break them. To connect the condenser, the ground glass joint of the adapter must be inserted snugly into the condenser joint, after which the condenser is fixed in a retort stand. Any distortion or excessive force can easily crack the glass, especially if the axes of the adapter and condenser do not align perfectly.

For the third attempt, I carefully aligned the joints, inserted the adapter into the condenser, pressed lightly - and the condenser's ground joint cracked. A fragment of glass flew off. Refusing to accept reality, I tried connecting it once more, and another piece of glass broke off.

I had to revert to the narrower condenser I had used before. The synthesis succeeded, but the yield was noticeably lower. I had broken my only suitable wide-bore condenser.

Chemists often try to prevent breakage by wrapping the "male" ground joint with thin PTFE tape (plumber's tape) to improve sealing and reduce stress. I had done so, but it did not help.

Normally, a broken condenser can be repaired: the damaged joint is cut off or unsoldered, and a new ground joint is fused in its place - a simple task for a skilled glassblower. Unfortunately, neither our institute nor nearby institutions employ glassblowers anymore. In the past, every chemical institute or university chemistry department had one, but now they are rare.

Buying a new condenser was not prohibitively expensive, but delivery would take time, and I doubted the project manager would approve the unplanned expense.

In what could be called "stubborn denial of reality," I decided to try gluing the broken joint. The pieces were glued with liquid glass (an aqueous solution of sodium and potassium silicates). The problem was that condensers operate under temperature gradients that could easily destroy the adhesive joint and cause leaks. Even intact ground glass joints are fragile - a glued joint is even weaker.

Nevertheless, I proceeded. I wrapped the "male" adapter joint in thin polyethylene film and inserted it into the broken condenser joint. I applied liquid glass to the broken edges and carefully set the separated fragments back in place. The adapter supported the fragments so they would not fall inward. The polyethylene film prevented the condenser from sticking permanently to the adapter. After waiting a while, I coated the entire outer surface of the joint with liquid glass.

Once dry, I applied a second layer of liquid glass, wrapped the joint with fiberglass, and impregnated it with more liquid glass. The fiberglass served as reinforcement. I also asked a colleague about the heat resistance of silicone sealant; he assured me that it would withstand 200°C - sufficient for my conditions. He coated the fiberglass with sealant, allowed it to cure for several days, and finally wrapped the joint in insulating tape for additional strength. Insulating tape has low heat resistance, but the fiberglass and sealant layer provide sufficient thermal insulation.

When assembling the apparatus again, I first inserted the adapter into the condenser, then asked my colleague to carefully insert the adapter into the flask and secure the condenser in the stand - I no longer trusted myself not to break it. My colleague succeeded, although he was also nervous. This time, the condenser stayed sealed, and the synthesis proceeded successfully.

Later, I realized that such reinforcement could have been applied **before** the joint broke - coating the joint with liquid glass, wrapping it in fiberglass, sealing it, and reinforcing it with tape. This is not a perfect solution, but it would reduce the chance of breakage.

Exhausted, I finished the auxiliary work the next day and began planning a new synthesis. That evening, the project manager called and told me to stop working on this compound - he had other plans for me.

In the end, the condenser repair was unnecessary. Even the narrow condenser would have been sufficient for the last synthesis, albeit with slightly lower yield.

Photos/Video

Ремонт холодильника для перегонки в неприспособленных условиях

В рамках исследовательского проекта возникла необходимость синтезировать определенный сложный эфир со сравнительно простой структурой молекулы. Как известно, сложные эфиры обычно получают реакцией между карбоновой кислотой и спиртом в присутствии серной кислоты. Последняя играет роль катализатора и водоотнимающего вещества, которое смещает равновесие реакции в сторону образования сложного эфира (статья еще не опубликована, поэтому раскрывать подробности еще рано).

Стал искать нужные сведения в литературе - нашел не очень удобный метод синтеза. Оказывается, что данный сложный эфир и даже сам исходный спирт подвергаются необратимой деструкции при взаимодействии с соответствующей кислотой. Присутствие серной кислоты только усугубляет ситуацию. Поэтому для получения данного сложного эфира используют косвенные методы.

Дальнейший литературный поиск показал, что прямая реакция кислоты и спирта также возможна, но она требует специфических условий. В частности, желательно, чтобы эфир как можно быстрее испарялся, покидая реакционную колбу. Затем пары целевого вещества следовало как можно быстрее охладить для конденсации.

Собрал установку для синтеза, которая больше напоминала перегонную установку для дистилляции жидкостей. С переменным успехом провел несколько пробных синтезов, потом решил увеличить масштабы. В пробных экспериментах я использовал холодильник Либыха со шлифными соединениями 14/23. Затем взял колбу побольше. Большая установка требовала холодильника с большим диаметром трубки для пара - в противном случае вещество будет испаряться медленнее, накапливаясь в реакционной колбе, разлагаясь.

Мне удалось найти только холодильник со шлифами 19/26, не больше. Даже в этом случае внутренний диаметр прохода в шлифном соединении лимитировал скорость отвода пара из колбы. Пришлось удовлетвориться имеющимся холодильником.

После нескольких экспериментов я снова увеличил масштаб. В этом раз использовал четырехгорлую колбу, объем которой был почти в три раза больше, чем предыдущей. Сначала ввел в колбу вал мешалки через центральное горло колбы и насадку для перегонки - так я поступал во всех предыдущих синтезах. Собрал установку, в частности - присоединил холодильник. Однако, в этот раз колба была больше, поэтому вал мешалки оказался слишком коротким. Чтобы решить проблему, отсоединил холодильник и насадку для перегонки, а вал мешалки пропустил через короткий переходник. После этого насадку для перегонки можно было вставить в одно из двух боковых горлышек колбы. Одно из них было прямым, второе - изогнутым под прямым углом. Для насадки предназначалось явно второе горлышко, однако я вставил насадку в первое горлышко, не придав значение геометрической форме. Повторно присоединил и закрепил холодильник. Затем необходимо было вставить капельную воронку. И тут я осознал, что вставить трубку воронки в изогнутое горлышко колбы не получится. Для этого предназначено прямое горлышко, в которое я установил холодильник.

Пришлось еще раз демонтировать холодильник, а затем подсоединить его к изогнутому горлышку колбы. Процедура присоединения холодильника к колбе-реактору довольно неприятная, поскольку стеклянные шлифные соединения очень хрупкие и их легко сломать. Необходимо герметично вставить шлиф перегонной насадки в шлиф холодильника, затем закрепить холодильник в лабораторном штативе. Любой перекос холодильника или чрезмерное приложение силы часто ведет к поломке шлифа. Особенно опасно, когда оси перегонной насадки и холодильника не совпадают.

В третий раз я аккуратно совместил шлифы насадки и холодильника, вставил насадку в холодильник, чуть нажал... и шлиф холодильника сломался. От него отлетел кусок стекла. Отрицая очевидное, я еще раз попытался одеть холодильник на шлиф насадки - в результате от холодильника отломался еще один кусок стекла.

Пришлось заменить холодильник на более узкий, с которым я работал до этого. Синтез прошел успешно, однако, выход целевого вещества уменьшился. Нужно было использовать холодильник с более широкой трубкой для пара, которого у меня не было. Единственный подходящий холодильник я поломал.

Кстати, чтобы уменьшить вероятность поломки шлифного соединения и облегчить его герметизацию, химики обматывают шлиф типа "папа" тонкой тефлоновой лентой, которая предназначена для сантехнических работ. В данном случае шлиф насадки для перегонки был обмотан такой лентой, но это не помогло.

Как ремонтируют поломанные стеклянные холодильники? Поврежденный шлиф отрезают или отпаивают, а на его место припаивают новый шлиф. У квалифицированного стеклодува такая процедура занимает всего несколько минут. Однако ни в нашем институте, ни в соседних стеклодувов нет уже много лет. Раньше стеклодувы работали в каждом химическом институте или на химическом факультете университета, а сейчас их осталось единицы.

Купить новый холодильник было не так и дорого, но доставка требует времени, плюс я не был уверен, что руководитель проекта выделит деньги на непредвиденные расходы.

В результате у меня возникла идея, которую можно было назвать "глупое отрицание реальности". Раз возможность провести стеклодувные работы отсутствует, то почему бы не склеить сломанный шлиф? Куски стекла можно склеивать с помощью жидкого стекла (водный раствор силикатов натрия и калия). Проблема в том, что холодильники работают в условиях перепада температур, который легко может привести к разрушению клеевого соединения и разгерметизации установки во время синтеза. Даже целый шлиф был хрупким и непрочным, а склеенный шлиф может сломаться от приложения минимального усилия.

Все равно решил попробовать. Обмотал шлиф переходника ("папа") тонкой полиэтиленовой пленкой и вставил его в сломанный шлиф холодильника. Смазал края сломанного стекла жидким стеклом и аккуратно вернул отделившиеся фрагменты на место. Насадка для перегонки служила опорой, которая не давала кусочкам стекла провалиться внутрь. Полиэтиленовая пленка была необходима, чтобы холодильник навечно не приклеился к насадке. Немного подождал, затем тщательно смазал жидким стеклом всю внешнюю поверхность шлифа холодильника (не только в месте поломки).

Подождал, пока клей высохнет, повторно смазал поверхность жидким стеклом и обмотал шлиф стеклотканью. Поверхность стеклоткани также смазал жидким стеклом. Подождал, пока высохнет. Стеклоткань служила арматурой, поскольку клеевое соединение очень хрупкое и довольно непрочное.

Спросил у коллеги про термостойкость силиконового герметика. Коллега заверил, что до 200°С герметик выдержит, в нашем случае этого было достаточно. Коллега тщательно смазал внешнюю поверхность стеклоткани герметикам, оставили холодильник на несколько дней, чтобы герметик хорошо застыл. Потом он обмотал шлиф изоляционной лентой для дополнительной прочности. Изолента имеет низкую термостойкость, однако, стеклоткань и слой герметика играют роль теплоизолятора.

Необходимо было в очередной раз собирать установку синтеза. В этот раз я не стал вставлять насадку для перегонки в колбу, а сначала вставил ее в холодильник. Затем попросил коллегу вставить насадку в колбу и закрепить холодильник в штативе, поскольку я боялся опять что-то сломать. Коллега справился, хотя он тоже нервничал. Холодильник не разгерметизировался. Синтез прошел успешно.

Позже я осознал, что описанную выше процедуру можно было провести **до** поломки шлифа - смазать внешнюю поверхность шлифа жидким стеклом, обмотать стеклотканью, смазать герметиком и, наконец, обмотать изолентой. Конечно, это - не панацея, но такая процедура должна уменьшить уязвимость шлифного соединения к поломкам.

Уставший, я на следующий день завершил вспомогательные операции и стал планировать новый синтез. Вечером позвонил руководитель проекта и сказал, чтобы я прекратил синтезы данного вещества - он планирует поручить мне другую работу.

Оказалось, что сломанный холодильник можно было не ремонтировать. Для последнего синтеза подошел бы и холодильник с более тонкой трубкой, пусть это и уменьшило бы выход сложного эфира.

To avoid ending on a somber note, here is a photo of crystals of one of the components of the reaction mixture that formed on the stirrer.

Чтобы не завершать наш рассказ на грустной ноте, предлагаю фото кристаллов одного из компонентов реакционной смеси, которые образовались на мешалке.

[ Experiments with Glass. Ceramic ] [ Life of Chemists ]

Glassblowing secrets, working with glass - Discussion on the forum
Adventures of Chemists / Life of Chemists - Discussion on the forum
[Submit a Comment / Error Message - Отправить Комментарий / Сообщение об ошибке]