Reaktionsuppställningen med den utvecklade rör-i-rör-reaktorn:(A)—reaktorn redo att användas; (B)—den demonterade reaktorn; (C)—nylonfoder; (D)—värmekamera och schemat för rör-i-rör-reaktor och två stegvisa kemiska reaktioner involverade. Kredit:International Journal of Molecular Sciences (2022). DOI:10.3390/ijms23052763
Forskare vid St Petersburg University har tillsammans med forskarna från N.D. Zelinsky Institute of Organic Chemistry vid Ryska vetenskapsakademin utvecklat en rör-i-rör-reaktor som ger effektiva reaktioner utan användning av externa värmare. Detta tillvägagångssätt minskar energikostnaderna avsevärt när man utför kemisk forskning.
Resultaten av forskningen publiceras i International Journal of Molecular Science .
Kemiska reaktioner kan fortgå med värmeavgivning (exotermisk) eller med värmeförbrukning (endotermisk). I det första fallet försvinner ofta de resulterande termiska utsläppen. De kan emellertid användas för att starta reaktioner av den andra typen som kräver ytterligare värme för absorption. Strukturen som utvecklats av kemisterna ser ut som en termos som tillåter användning av frigjord värmeenergi för att starta den andra reaktionen.
Forskarna utvecklade en speciell rör-i-rör-reaktor som ger effektiv reaktion av hydrolysen av kalciumkarbid - interaktion mellan kalciumförening och kol med vatten. Idag används kalciumkarbid aktivt inom industrin för att erhålla gasformig acetylen och använda den för att producera ättiksyra, etylalkohol, plast, gummiharts och till och med jetmotorer.
Reaktorn består av ett yttre rör och ett inre rör förbundna med en sammanfogningsdel tryckt med nylon av en 3D-printad. Rören kommer inte i kontakt med varandra. Denna struktur hjälper till att skapa en så kallad värmetermos. Värmaren är placerade i utrymmet mellan de två rören eller i "väggen" av reaktorn.
För att utföra en effektiv reaktion placerade forskarna granulat av kalciumkarbid i utrymmet mellan rören, tillsatte ett lösningsmedel och vatten och blandade det. Blandningen upphettades och den resulterande värmen gick in i den inre delen och startade endoterm reaktion mellan reagensen i den. Forskarna kunde utföra två typer av reaktioner med lägre energiförbrukning utan att använda externa värmare.
Den frigjorda och absorberade värmen registrerades med en värmekamera, som visade en förändring i temperaturen inuti enheten under reaktionen i realtidsläge.
Det visade sig att den termiska effekten i reaktorn beror på typen av lösningsmedel samt på mängden vatten och karbid. Således, om "väggen" på enheten innehöll lite vatten (endast 5%) och mycket lösningsmedel, upptäcktes nästan ingen värmeavgivning. Att öka mängden vatten till 50% och mer, tvärtom, leder till en snabb ökning av temperaturen upp till 90 °С bara inom fem minuter.
"Kalciumkarbid kan starta reaktioner utan externa värmekällor. Den 'rör-i-rör'-anordning som vi utvecklat hjälper till att kontrollera och ändra hastigheten på hydrolysen om det behövs. Den kan användas inom industrin för att få till exempel acetylen. Att tillsätta vatten till karbid genererar så mycket värme att den frigjorda acetylenen polymeriserar och blir oanvändbar. Blandningar av lösningsmedel och vatten kan bromsa denna process, stoppa den oönskade polymerisationen och föra bort värmen på ett mer effektivt sätt", säger Konstantin Rodygin, huvudutredare , forskarassistent vid Laboratory of Cluster Analysis vid St Petersburg University.
Forskargruppen av kemister vid St Petersburg University arbetar också med en strategi för koldioxidneutral produktionscykel som minskar koldioxidutsläppen. + Utforska vidare
