Analytische Chemie
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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.
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.
Intensified continuous processes are in focus of current research. Compared to traditional batch processes, intensified continuous production allows the synthesis of new and difficult producible compounds with better product uniformity and reduced consumption of raw materials and energy. Flexible (modular) chemical plants can produce various products using the same equipment with short down-times between campaigns, and quick introduction of new products to the market.
Full automation is a prerequisite to realize such benefits of intensified continuous plants. In continuous flow processes, continuous, automated measurements and closed-loop control of the product quality are required. Consequently, the demand for smart sensors, which can monitor key variables like component concentrations in real-time, is increasing. Low-Field NMR spectroscopy presents itself as such an upcoming smart sensor (as addressed, e.g., in the CONSENS project1,2).
Systems utilizing such an online NMR analyzer benefits through short development and set-up times when applied to modular production plants starting from a desired chemical reaction. As an example for such a modular process unit, we present the design and validation of an integrated NMR micro mixer based on computational modelling suited for a desired chemical reaction. This method includes a proper design of a continuous reactor, which is optimized through computational fluid dynamics (CFD) for the demands of the NMR sensor as well as for the given reaction conditions. The system was validated with a chemical reaction process.