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Recent technical developments of NMR instruments such as in acquisition electronics and probe design allow detection limits of components in liquid mixtures in the lower ppm range (approx.. 5–10 ppm amount of substance). The major advantage of quantitative NMR spectroscopy (qNMR) is that it is a direct ratio method of analysis without the need of calibration. This means that the signal for a specific NMR-active nucleus (e.g., a proton) in an analyte can be compared and quantified by reference to a different nucleus of a separate compound, comparable to a counting of spins in the active volume of the spectrometer.
Technical mixtures can be investigated online directly next to a process setup by using flow probes. This makes it a promising method for process analytical applications, especially during process development in laboratory and pilot plant scale. With the growing market of Benchtop devices based on permanent magnets nowadays an integration of NMR spectroscopy in an industrial environment becomes reasonable.
A special application of qNMR in technical mixtures is the observation in the gas phase, which is rarely applied compared to liquid and solid NMR studies. Because of the low density it results in a reduced sensitivity, which can be improved by applying pressure. Therefore a high-pressure NMR setup was developed based on a commercially available NMR tube made of zirconia. This is currently tested up to 20 MPa, but can be extended up to 100 MPa with regard to pressure rating of its components. This work shows results of gas-phase application on natural-gas like reference gas mixtures produced at BAM, as well as investigations on liquefied gas mixtures with high accuracy provided in piston cylinders.
Besides that amine gas treatment and hydroformylation in a microemulsion represent two other examples of applications in process analytical technology. These show the potential of combination of online NMR spectroscopy with other spectroscopic methods, especially during model development for data evaluation.
Homogen katalysierte Reaktionsschritte sind ein wichtiges Werkzeug in der chemischen Industrie. Durch die milden Reaktionsbedingungen hinsichtlich Temperatur und Druck bei gleichzeitig hoher Selektivität bieten diese die Möglichkeit energieeffizienter und ressourcenschonender Produktionsschritte. Eine der wichtigsten industriellen Anwendungen bildet die Hydroformylierung. Hier besteht das Katalysatorsystem meist aus Übergangsmetallkomplexen, vorwiegend Kobalt und Rhodium, die zur Steuerung der Selektivität und Löslichkeit mit mehrzähnigen Liganden koordiniert sind. Diese Komplexe liegen für eine effiziente Katalysator-rückführung in wässriger Lösung vor, was jedoch die Anwendbarkeit auf kurzkettige Edukte mit hinreichender Wasserlöslichkeit beschränkt.
Ein möglicher Lösungsansatz für die Verwendung langkettiger Alkene ist die Umsetzung der Reaktion in einer Mikroemulsion. Durch die gesteigerte Phasen-grenzfläche besteht ein effektiver Kontakt von Katalysator und Reaktanden bei gleichzeitiger Möglichkeit der Produktseparation durch Phasentrennung, während der Katalysator dem Reaktionsschritt zurückgeführt wird und das Verfahren damit wirtschaftlich macht.[1]
Am Beispiel der Reaktion von 1-Dodecen zu Tridecanal wird der Einsatz von Online-NMR- und -Raman-Spektroskopie für die Prozessanalytik (sowie Applikation von komplexen Regelungskonzepten) innerhalb eines mizellaren Systems demonstriert. Ein speziell konzipierter Laboraufbau ermöglicht die Durchführung von Experimenten unter Prozessbedingungen für die in Mikroemulsionen äußerst anspruchsvolle Entwicklung und Kalibrierung von multivariaten Modellen für die Raman-Spektroskopie. Diese konnten anschließend im Rahmen einer mehrtägigen Betriebs-studie einer Miniplant am realen technischen System erprobt werden.
Homogen katalysierte Reaktionen sind wichtige Werkzeuge der chemischen Industrie. Milde Reaktionsbedingungen und hohe Selektivitäten führen zu einer energie- und ressourcenschonenden Produktion. Ein bedeutender Prozessschritt ist die Hydroformylierung. Hier kommen Kobalt- und Rhodiumkomplexe mit mehrzähnigen Liganden zum Einsatz, die zumeist in wässriger Lösung vorliegen. Die Anwendbarkeit beschränkt sich demnach auf kurzkettige Edukte mit hinreichender Wasserlöslichkeit.
Quantitative Online NMR spectroscopy as a direct ratio method of analysis represents a perfect reference for calibration of further process analytical techniques, e.g., optical spectroscopic techniques. In this work we present a combined approach including Online NMR and Raman spectroscopy on a laboratory setup for development of suitable models for process monitoring. Therefore we investigated the absorption process of carbon dioxide in solutions of monoethanolamine, as well as the homogeneous catalyzed hydroformylation reaction of 1-dodecene taking place in an emulsion stabilized by a technical surfactant. The models for Raman spectroscopy were tested and approved during several days of operational studies of miniplant-scale setups for both mentioned applications.
Recent technical developments of NMR instruments such as in acquisition electronics and probe design allow detection limits of components in liquid mixtures in the lower ppm range (approx.. 5–10 ppm amount of substance). The major advantage of quantitative NMR spectroscopy (qNMR) is that it is a direct ratio method of analysis without the need of calibration. This means that the signal for a specific NMR-active nucleus (e.g., a proton) in an analyte can be compared and quantified by reference to a different nucleus of a separate compound, comparable to a counting of spins in the active volume of the spectrometer.
A special application of qNMR in technical mixtures is the observation in the gas phase, which is rarely applied compared to liquid and solid NMR studies. Because of the low density it results in a reduced sensitivity, which can be improved by applying pressure. Therefore a high-pressure NMR setup was developed based on a commercially available NMR tube made of zirconia. This is currently tested up to 20 MPa, but can be extended up to 100 MPa with regard to pressure rating of its components. This work shows results of gas-phase application on natural-gas like reference gas mixtures produced at BAM, as well as investigations on liquefied petroleum gas mixtures (LPG) with high accuracy provided in constant-pressure piston cylinders.