DE2635566A1

DE2635566A1 - Verfahren zur herstellung von oxiranverbindungen durch kracken von hydroxyester-haltigen mischungen

Info

Publication number: DE2635566A1
Application number: DE19762635566
Authority: DE
Inventors: Jimmy Peress; Martin B Sherwin
Original assignee: Chem Systems Inc
Current assignee: Chem Systems Inc
Priority date: 1975-08-07
Filing date: 1976-08-06
Publication date: 1977-02-10
Also published as: LU75561A1; DE2635566C3; NO144886C; AT351551B; AU1588676A; SE7608644L; NL7608796A; JPS5219609A; BE844833A; FR2320298A1; DE2635566B2; AU501287B2; GB1551146A; JPS5519215B2; NO144886B; CA1086326A; ES450523A1; NO762746L; SE430786B; US4012424A

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein neues und verbessertes Verfahren zur Herstellung von Oxiranen. Insbesondere bezieht sich die Erfindung auf die Herstellung von Oxiranen aus Hydroxyestern durch Dampfphasenkrackung in Gegenwart eines basischen Materials, wie es in der US-Patentanmeldung Nr. 444 836 sowie in der belgischen Patentschrift 812 109 beschrieben ist.

Die Hydroxyesterzufuhr für das vorhergenannte Krackverfahren wird am häufigsten in Verbindung mit anderen Materialien, nämlich vicinalen Diestern und Glykolen angetroffen. Beispielsweise können die Hydroxyester durch Oxidation einer olefinisch

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ungesättigten Verbindung mit molekularem Sauerstoff in einem Carbonsäuremedium in Gegenwart eines Katalysators erhalten werden. Solche Oxidationsverfahren sind in der britischen Patentschrift 1 124 862, und in den US-Patentschriften 3 479 395, 3 637 515, 3 668 239, 3 770 813, 3 715 388, 3 715 389, 3 743 672, 3 778 468 und 3 789 065 beschrieben..,.Während..diese Verfahren verschiedene Mengen der vicinalen Hydroxyester erzeugen, werden ebenso Alkylenglykoldiester und Glykole gebildet.

Die vicinalen Hydrpxyester können ferner durch Veresterung von vicinalen Glykolen erhalten werden. Wieder enthalten die Produkte, welche gebildet werden, Gleichgewichtskonzentrationen von nicht umgesetzten vicinalen Glykolen und vicinalen Diestern.

Eine andere Einsatzmaterialquelle für die Reaktion sind die nichtumgesetzten Materialien aus dem Krackverfahren selbst. Nach der Abtrennung der gewünschten Oxiranverbindungen verbleiben dort Zumischungen von Alkylenglykolmonoestern, Alkylenglykoldiestern und Alkylenglykolen, mit dem Diester als dem überwiegenden Bestandteil.

Bisher wurde angenommen, daß zur erfolgreichen Durchführung des Krackverfahrens es notwendig sei, die vicinalen Glykole und Diester abzutrennen. Der Hauptgrund für diese Ansicht lag darin, daß vicinale Glykole und Diester in ihrem reinen Zustand beim

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Kontakt mit dem basischen Qxiran-bildenden Katalysator sich nichtselektiv zur Bildung von unerwünschten Produkten zersetzen und daher die Selektivität der Gesamtumsetzung erniedrigen würden.

Es wurde jedoch nun erfindungsgemäß gefunden, daß die vorhergenannten Mischungen der Hydroxyester, Glykole und/oder Diester unmittelbar zu der Kräckstufe' geleitet werden können, ohne daß die Wirksamkeit der Umsetzung des Hydroxyesters zu dem Oxiran vermindert wird. Dies ist ein besonderer Vorteil, weil sich die Trennung der Hydroxyester, Diester und Glykole wegen ihrer ähnlichen Löslichkeitseigenschaftän und sehr nahen Siedepunkten als schwierig erwies. Beispielsweise besitzen Äthylenglykol, Äthylenhydroxyacetat und Äthylendiacetat Siedepunkte von 198°, 190 bzw. 190°C, und Propylenglykol, Propylenhydroxyacetat und Propylendiacetat von 188,2°, 185° bzw. 186°C.

Obwohl die Mischung im Gegenstrom mit Xylolen unter Verwendung von Wasser als Gegenstromlösungsmitte1 zur Abtrennung des Diacetats (welches in das Xylol eintritt) aus dem Glykol und dem Hydroxyester extrahiert werden konnte, mußten beide Lösungsmittel danach aus den Produkten destilliert werden. Dies bringt hohe Energiekosten mit sich. Das Glykol konnte danach aus dem Hydroxyester durch Destillation als ein niedrigsiedendes Azeotrop durch Zugabe einer azeotrop-bildenden Verbindung entfernt werden, wie in der US-Patentschrift 3 809 724 beschrieben ist. Diese Stufe erfordert

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-A-

ebenso einen großen Energieverbrauch. In gleicher Weise konnte das Glykol und der Hydroxyester ebenso durch Extraktion abgetrennt werden.

Wenn die Mischung des Hydroxyesters, Glykols und Diesters vorherrschend ' einen der beiden letzteren Bestandteile enthält, ist es eine bevorzugte Ausführungsform der Erfindung, eine solche Mischung zur Erzielung einer 20 bis 80 %-igen, vorzugsweise 30 bis 70 %-igen Veresterung zu behandeln. Wo der Diester der überwiegende Bestandteil ist, ist die ausgewählte Behandlung die Hydrolyse, während wenn das Glykol der Hauptbestandteil ist, die Veresterung verwendet wird. Diese Ausführungsform ist besonders wichtig, da das Kracken von Mischungen mit geringeren Mengen des Hydroxyesters solch niedrige

Umsetzungen je Durchgang ergibt, daß die Verfahren für die Bildung von Oxiranen praktisch nicht verwendet werden können. Die angeführte prozentuale Veresterung ist besser unter Berücksichtigung der Tatsache verständlich, daß das Glykol für sich vollständig unverestert ist, der Hydroxyester zu 50 % verestert und der Diester zu 100 % verestert ist. Falls die prozentuale Veresterung in dem vorhergenannten weiten Bereich, nämlich von 20 bis 80 % vorliegt, wird vom statistischen Standpunkt die Gleichgewichtsmischung einen Molenbruch des Hydroxyesters von wenigstens 0,32 enthalten, während im Fall des bevorzugten Bereiches, nämlich von 30 bis 70 % der Molenbruch des Monoesters wenigstens 0,42 ist.

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Die Veresterung und Hydrolyse kann sowohl säure—als auch basenkatalysiert sein, wie einem Fachmann bekannt ist. Typische saure Katalysatoren sind Schwefelsäure, Phosphorsäure, Säureionenaustauscherharze und insbesondere die Säure des Esters des Hydroxyesterreaktionsteilnehmers. Typische basische Katalysatoren sind Alkalimetall- und Erdalkalimetallcarboxylate. Katalysatorkonzentrationen von 0,05 bis 0,5 'Mol Äquivalenten werden im allgemeinen verwendet, um die gewünschte Reaktionsgeschwindigkeit zu erzielen. Die Katalysatorzugabe ist bei Temperaturen unter 180 C sehr wichtig; andernfalls wird die Umsetzung träge.

Die Verwendung der Carbonsäure ist insbesondere bevorzugt, weil sie die Zugabe einer anderen Komponente zu dem System nicht erfordert. Temperaturen für die Hydrolyse und die Veresterung liegen bei 80 bis 25O°C, vorzugsweise bei 130 bis 22O°C.Niedrigere Temperaturen verlangsamen die Geschwindigkeit dieser Reaktion, während höhere Temperaturen zur Produktzersetzung führen Die Zeit zur Erzielung einer Gleichgewichtsmischung hängt von der Katalysatorkonzentration, der Temperatur und der Ausgangsmischung ab. Normalerweise sind Zeiten von 0,5 bis 5 Stunden ausreichend.

Danach kann die Gleichgewichtsmischung von der Hydrolyse oder der Veresterung, wie gerade der Fall vorliegt, direkt zu der Krackstufe geleitet werden. Die Umsetzungsprodukte aus der Krackstufe können durch Destillation abgetrennt werden und das

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ORIGINAL INSPEGTED

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Carbonsäureprodukt, der nichtumgesetzte Hydroxyester, die nichtumgesetzten Diester und das nichtumgesetzte Glykol können zusammen mit der Verdünnungsmittel zur Hydrolysen-oder Veresterungsstufe, welche auch immer angemessen ist, im Kreislauf zurückgeführt werden. Nach der Abtrennung der Carbonsäure (bis 1 Gew.-% oder weniger) kann der Hydrolysen- oder Veresterungsausstrom im Kreislauf zurückgeführt werden.

Es ist verständlich, daß solche Materialien nicht nur aus einer Olefinoxidationsstufe und aus der Rückführung der Krackstufe erzielt werden können, sondern daß solche Materialien auch aus anderen Quellen erhalten werden können. Daneben kann es vom praktischen her gut sein, daß die Krackvorrichtung Material aus beiden Quellen empfängt, wobei entweder das eine oder beide vor dem Einleiten zu der Krackvorrrichtung hydrolysiert werden..

Die Krackstufe kann wie in der belgischen Patentschrift 812 109 vollständig beschrieben, durchgeführt werden.Sie kann wie folgt ausgeführt werden: Vorzugsweise wird eine gesättigte Lösung oder eine 0,1 molare wässrige Lösung (welche weniger gelösten Stoff aufweist) des basischen Materials verwendet, die einen pH von 8 bis 13 besitzt. Es wird angenommen, daß sich während der Reaktion ein alkalisches Carboxylat bildet, welches kontinuierlich Ln situ regeneriert wird. Das basische Material, welches zugesetzt werden kann, ist vorzugsweise ein Alkalioder Erdalkalimetall-

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ORlGSiSiAL INSPECTED

borat-phosphat-oxid, -carbonat, -aluminat oder -silicat. Diese Materialien können mit oder ohne Träger, wie beispielsweise «^-Aluminiumoxid, Siliciumcarbid, Siliciumsilicat, Zirconiumsilicat und Aluminiumsilicat vorliegen.

Der Hydroxyester mit einem Gehalt des Glykols, des Diesters oder von beiden kann zu der Reaktionszone ohne oder gewünschtenfalls verdünnt mit einem Trägergas. eingespeist werden. Das Trägergas kann eine Flüssigkeit bei Zimmertemperatur sein, wie beispielsweise Benzol, Toluol, Xylol, Pseudocumol oder Wasser oder ein nicht-kondehsierbares Trägergas wie beispielsweise Stickstoff, Helium oder Kohlendioxid. Wenn ein Trägergas verwendet wird, machen die Hydroxyester etwa 10 bis 75 Gew.-%, vorzugsweise 25 bis 60 Gew.-% der Gesamtzufuhr aus.

Die Reaktionstempefatur muß ausreichend sein, um den Hydroxyester in der Dampfphase unter den Reaktionsbedingungen zu halten. Geeignete Temperaturbereiche variieren in Abhängigkeit des besonderen Hydroxyesters, der Anwesenheit des Trägergases und des Systemdruckes. Im allgemeinen läuft die Deacyloxilierung oder das Kracken des Hydroxyesters bei einer Temperatur von etwa 250° bis etwa 600°C, vorzugsweise bei 250 bis 45O°C, und insbesondere bei 350 bis 4 25°C ab.

2 Die Drucke können bis zu 28,1 kg/cm (absolut) und ein

Vakuum bis auf 0,007 kg/cm (absolut) betragen. Der Partialdruck

des Hydroxyesters sollte im allgemeinen 7,03 kg/cm (absolut) nicht

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überschreiten und zur Erleichterung der Verfahrensweise wird oft Atmosphärendruck bevorzugt. Überraschenderweise wurde jedoch gefunden, daß eine Verfahrensweise mit reduziertem Druck zu höheren Umsetzungen ohne Selektivitätsverlust führt, Daher ist es bevorzugt, daß der Partialdruck des Hydroxyesters bei

2 2

0,07-1,05 kg/cm (absolut), inbesondere bei 0,14-0,56 kg/cm (absolut) liegt.

Für optimale Umsetzungen können die Speiseraten 0,5 bis 1000 Mol Hydroxyester je Mol basisches Material je Stunde verwendet werden. Vorzugsweise liegt die Speiserate bei 5 bis 250 Mol je Mol je Stunde und insbesondere bei 10 bis 100 Mol je Mol je Stunde.

Die Erfindung wird nun durch die folgenden Beispiele näher erläutert.

Beispiel 1

Ein 10,2 cm großer rostfreier Stahlreaktor mit einem Volumen von 40 cc wurde mit 32 g Katalysator beschickt. Der Katalysator bestand aus 8,65 Gew.-% Kaliumsilicat auf Alundum (feuerfeste Tonerde) mit einer Korngröße von 8 bis 12 Maschen. Relativ reines Propylenglykolmonoacetat wurde zu diesem System eingespeist und für Vergleichszwecke wurden dieZufuhren mit einem Gehalt von erheblichen Propylenglykol- oder Propylenglykoldiacetat-

609886/1189 ORiGlMAL INSPECTED

mengen ebenfalls untersucht. Die Bedingungen des Testes sind in nachstehender Tabelle aufgeführt.

Komponente, Mol % Zufuhrzusammensetzungen

Propylenglykolmonoacetat

Propylenglykoldiacetat

Kontaktzeit (bezogen auf das leere Rohr), Sekunden

Ergebnisse

Propylenglykolmonoacetat Umsetzung %

Selektivität zu Propylenoxid %

50,6 1,5

36,5

25,1

0,92

36,6

87,8

38,9

Propylenglykol	6,5	11,4	29,7
H₂O	41 ,4	27,0	27,2
Bedingungen		Bedingungen
Temperatur ⁰C	400	400	400
Gesamtdruck mm Hg	100	160	160
Propylenglykol- monoacetat, Partial- druck, mm Hg	51	58	62

0,84 1,07

Ergebnisse

37,7 31,8

93,7 87,8

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Dies verdeutlicht, daß es keinen nachteiligen Einfluß auf die Ergebnisse, insbesondere auf die Selektivität gab, wenn große Mengen Diacetat und Glykol in der Zufuhr enthalten sind.

Vergleichsbeispiel A

In zwei getrennten Versuchen wurden reines Propylenglykol und reines Propylenglykoldiacetat durch einen Verdampfer gepumpt und über einen Katalysator, der aus 10 Gew.-% Natriumborat auf einem &-Alumniumträger bestand, bei einer Atmosphäre Druck unter den nachstehend aufgeführten Bedingungen geleitet.

	Zufuhr	1OO Gew.-& Propylenglyko1	100 Gew.-% Propylenglykol diacetat
	58	56
Zufluß,cc/h	360	369
Temperatur, C	10,9	15,5
Katalysator Gew., %	4,0	-3,0
Umsetzung, %
Selektivität	26	17
Propylenoxid	11	52
Propionaldehyd	13	31
Aceton	41	-
Allylalkohol	9
Sonstiges

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Wie aus den vorstehenden Daten ersichtlich wird, wurden äußerst große Mengen Propionaldehyd, Aceton und Allylalkohol gebildet, wenn die reinen Komponenten umgesetzt wurden. Dies steht im scharfen Gegensatz zu den in Beispiel 1 gezeigten Ergebnissen wo nur eine kleine, nicht-selektive Zersetzung beobachtet wird.

-. Beispiel 2

100 g Propylenglykoldiacetat wurden' mit 200 g Wasser vermischt

und auf 185°C erhitzt. Der Systemdruck stieg auf 5,6 kg/cm (Manometerdruck) an. Nach fünf Stunden wurde das System abgekühlt und die Essigsäure und das Wasser wurden über Kopf abdestilliert. Das Produktgemisch bestand aus 55 Gew.-% Propylenglykolmonoacetat, 33 Gew.-% Diacetat und 12 Gew.-% Propylenglykol.

Diese Mischung wurde danach bei einer Rate von 1,3 g je Min. zu einem Reaktor, der einen Katalysator enthielt, eingespeist, wobei bei 400⁰C und 250 mm Quecksilberdruck gearbeitet wurde. Der Katalysator bestand aus 40 g 11,8 Gew.-% K₂Si₃O₅ auf Alundum mit einer Korngröße von 8 bis 12 Maschen. 32 % des Propylenglykolmonoacetats reagierten zu Propylenoxid, Propionaldehyd und Aceton in molaren Selektivitäten von 85 %, 10 % bzw. 5 %.

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Beispiel 3

10Og Propylenglykol wurden in ein Gefäß eingesetzt, das 150 g Essigsäure und 0,25 g Schwefelsäure enthielt. Die Mischung wurde auf 200⁰C bei einem Druck von etwa 9,8 kg/cm (Manometerdruck) 2 Stunden lang erhitzt. Nach dem Abkühlen wurden die
Essigsäure und das Wasser über Kopf abdestilliert und danach wurden die gemischten Glykolester verdampft und gesammelt. Die Produktmischung bestand aus 30 Gew.-% Propylenglykoldiacetat, 50 % Monoacetat und 20 % Glykol.

Diese Mischung wurde danach bei einer Rate von 2 g je Min. zu einem Reaktor,- der einen Katalysator enthielt eingespeist, wobei die Reaktion bei 410°C und 300 mm Quecksilber durchgeführt
wurde. Der Katalysator bestand aus 80 g 15 Gew.-% Natriumsilicat auf Carborundum. 42 % des Monoacetats wurden zu Propylenoxid,
Propionaldehyd und Glykol in molaren Selektivitäten von 78 %,
18 % bzw. 8 % umgesetzt. Die Umsetzung des Diacetats und des
Glykols war geringer als 1 %.

Beispiel 4

Eine Zufuhr, die aus 41 Gew.-% Propylenglykolmonoacetat,
52 Gew.-% Propylenglykoldiacetat, 2 Gew.-% Propylenglykol und
4 Gew.-% Wasser zusammengesetzt war, wurde in einen Mehrbettkrackreaktor mit "Zwischenstufennacherhitzung eingespeist. Der

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Katalysator bestand auf 15 Gew.-% Kaliumsilicat auf Carborundum mit einer Konrgröße von 3,2 mm. Die Reaktionstemperatur

variierte von 425 bis 400°C über jedem Bett und der Auslaßdruck

betrug 0,39 kg/cm (absolut). Die Verweilzeit des Dampfes betrug 1 Sek. 40 % des Monoacetats reagierten zur Bildung von Propylenoxid, Propionaldehyd und Aceton in molaren Selektivitäten von 85 %, 10 % bzw. 5 %.

Die ümsetzungsprodukte wurden abgekühlt, kondensiert und die Dämpfe wurden auf Atmosphärendruck zum Kondensieren der gekrackten Produkte komprimiert. Nach Sammlung der gesamten Reaktionsflüssigkeiten wurden das Propylenoxid, der Propionaldehyd und das Aceton durch Destillation für eine weitere Reinigung entfernt. Der Kolonnenboden v/ar wie folgt zusammengesetzt:

Essigsäure ' 9,2 Gew.-%

Propylenglykolmonoacetat 27,2 Gew.-%

Propylenglykoldiacetat 58,1 Gew.-%

Propylenglykol 1,0 Gew.-%

H₂O 4,5 Gew.-%

100,0 Gew.-%

2 Die Böden wurden auf 17,6 kg/cm (Manometerdruck) gepumpt

und auf 220 C 1 Stunde lang erhitzt, um die Mischung wieder ins Gleichgewicht zu bringen. Die Produktkonzentrationen nach dieser Zeitspanne waren:

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Essigsäure 13,8 Gew.-%

Propylenglykolmonoacetat 36,2 Gew.-%

Propylenglykoldiacetat 45,8 Gew.-%

Propylenglykol 1,0 Gew.-%

H₂O 3,2 Gew.-%

100,0 Gew.-%

Die Essigsäure und das Wasser wurden aus dieser Mischung abdestilliert und das verbleibende Material mit einem aus einem Olefinacetoxylierungsverfahren hergestellten frischen Zustrom vereinigt ,um das Ausgangseinsatzmaterial· wieder zu bilden. Die frische Zufuhr bestand aus 35 Gew.-% Propylengl·ykolmonoacetat, 47 Gew.-% Diacetat und 18 Gew.-% Wasser. Die vereinigten Materialien, die 41 Gew.-% Propylenglykolmonoacetat,' 52 Gew.-% Diacetat und 2 Gew.-% Glykol enthielten, wurden zu dem vorstehend beschriebenen Krackreaktor eingespeist. Die Umsetzung und die Produktverteilung waren im wesentlichen die gleichen.

Beispiel 5

Eine Speisemischung, die 40 Gew.-% Äthylenglykolmonoacetat, 45 GeWo-% Diacetat und 15 Gew.-% Wasser enthielt, wurde zu einem Krackreaktor bei einer Rate von 0,7 g je Min. eingespeist. Der Reaktor enthielt 40 g 8 Gew.-% Natriumacetat auf Siliciumdioxid

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und wurde bei 41O⁰C und 100 nun Quecksilber gehalten. Die Monoacetatumsetzung betrug 45 % und bildete Äthylenoxid und Acetaldehyd in molaren Selektivitäten von 65 % bzw. 35 %. Es erfolgte eine geringfügige Umsetzung des Diacetats oder des Glykols.

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Claims

Patentansprüche

Γ)

(Ιχ Verfahren zur Herstellung von Oxiranverbindungen, wobei ein Alkylenglykolmonoester in der Dampfphase in Gegenwart eines basischen Materials gekrackt wird, dadurch gekennzeichnet, daß man ein Alkylenglykol oder einen Alkylenglykoldiester oder beide zu der Krackstufe zusammen mit dem' Alkylenglykolmonoester einspeist.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Molenbruch des Alkylenglykolmonoesters, der in der Zufuhr vorhanden ist, wenigstens 0,32, insbesondere wenigstens 0,42 (bezogen auf die Gesamtmenge von Alkylenglykoldiester, Alkylenglykolmonoester und Alkylenglykol) beträgt.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß man eine Masse einspeist, die hergestellt wurde, indem ein Alkylenglykol mit einer Carbonsäure zur Bildung einer Zumischung mit einem Molenbruch des Alkylenglykolmonoesters von wenigstens 0,32 (bezogen auf die Gesamtmenge von Alkylenglykoldiester, Alkylenglykolmonoester und Alkylenglykol) verestert und die nicht-umgesetzte Carbonsäure abgetrennt wurde.
4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß man eine Masse einspeist, die hergestellt wurde, indem ein Alkylenglykoldiester zur Bildung einer.

Zumischung mit

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einem Molenbruch des Alkylenglykolmonoesters von wenigstens 0,32 (bezogen auf die Gesamtmenge von Alkylenglykoldiester, Alkylenglykolmonoester und Alkylenglykol) und eine Carbonsäure hydrolysiert und die Carbonsäure abgetrennt wurde.
5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß man eine Masse einspeist, die aus Olefinen hergestellt wurde, wobei die Olefine anfangs mit molekularem Sauerstoff in Gegenwart einer Carbonsäure zur Bildung einer ersten Zumischung von Alkylenglykolmonoestern und Alkylenglykoldiestern oxidiert wurden und die erste Zumischung zur Bildung einer Gleichgewichtsmischung mit einem Molenbruch des Alkylenglykolmonoesters von wenigstens 0,32 hydrolysiert und wenigstens etwas Wasser und Carbonsäure mit dem Abflußstrom aus der Hydrolyse abgetrennt wurde.
6. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß man das Oxiranprodukt von den nicht-umgesetzten Estern und Glykolen abtrennt und danach den verbleibenden Alkylenglykolmonoester, Alkylenglykoldiester und das verbleibende Alkylenglykol zur Bildung einer Hydrolysengleichgewiahtsmischung, mit einem Molenbruch des Alkylenglykolmonoesters von wenigstens 0,32 hydrolysiert und die Mischung unmittelbar zu der Krackstufe nach Abtrennung von wenigstens eines Teils des Wassers und der Carbonsäure zum Kreislauf zurückführt.

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