In-situ Raman-Spektroskopie für die Cyclohexan-Oxidation

Die selektive Oxidation von Cyclohexan ist ein wichtiger Prozess für die chemische Industrie. Die Produkte Cyclohexanol und Cyclohexanon sind Vorprodukte für die Caprolactam-Synthese, ein Monomer für die Polyamid-6-Produktion. Das Zwischenprodukt der Cyclohexanoxidation, Cyclohexylhydroperoxid, und die Produkte Cyclohexanol und Cyclohexanon sind einfacher oxidierbar als Cyclohexan. Daher wird die Reaktion bei einem Gesamtumsatz von Cyclohexan von weniger als 6% durchgeführt, damit eine hohe Produktselektivität an Cyclohexanol und Cyclohexanon von etwa 70-90 % erreicht wird.

Trotz der technischen Bedeutung ist der detaillierte Reaktionsmechanismus noch nicht vollständig aufgeklärt. Daher wurde am Institut für Mikroverfahrenstechnik die Laser-Raman-Spektroskopie eingesetzt, um diese Reaktion unter definierten Bedingungen in einem Mikrokanal bei 80 bar und bis 240 °C zu untersuchen. Die Abbildung zeigt den entsprechenden Versuchsaufbau mit Mikroskop (linkes Bild) und Mikroreaktor (rechtes Bild).

Der Mikroreaktor besteht aus einem Silizium-Wafer, in den mäanderförmig ein rechteckiger Mikrokanal (0,525 mm x 0,525 mm) geätzt wurde. Darauf wurde eine Borofloatglasscheibe anodisch gebondet, wodurch ein maximaler Betriebsdruck von 80 bar erreicht wird. Cyclohexan wird über ein Helium Druckpolster bis 80 bar über Mass-flow-Controller in den Mikroreaktor gefördert. Über einen weiteren Mass-flow-Controller wird Sauerstoff zudosiert und bis max. zur Sättigung gelöst. Der Mikroreaktor kann von der Unterseite fluidisch mit Öl bis 240 °C beheizt werden.

Der Strahl eines kontinuierlich emittierenden, schmalbandigen Argon-Ionen-Lasers (488 nm, 100 mW, blauer Strahl im Bild) wird über sog. dichroitische Spiegel und ein Mikroskop in den Mikrokanal fokussiert. Das dort von den zu untersuchenden Molekülen erzeugte Raman-Streulicht (roter Strahl im Bild) gelangt über das Mikroskop und den dichroitischen Filter zu einem Spektrometer mit gekühlter CCD-Kamera. Die Folgende Abbildung zeigt ein typisches Spektrum, aus dem sich die Konzentrationen der relevanten Stoffe entlang des Reaktionskanals bestimmen lassen.