DE4140332C2 - Verfahren zur zweistufigen destillativen Abtrennung von Alkoholen aus Alkyloligoglycosid/Alkohol-Gemischen - Google Patents
Verfahren zur zweistufigen destillativen Abtrennung von Alkoholen aus Alkyloligoglycosid/Alkohol-GemischenInfo
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Description
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur zweistufigen de
stillativen Abtrennung von Alkoholen aus Gemischen von Al
kyloligoglykosiden und bei deren Herstellung nicht umge
setzten Alkoholen unter Verwendung eines Schneckenwärmeaus
tauschers.
Alkyloligoglycoside, insbesondere Alkyloligoglucoside, sind
seit langem als leistungsstarke und ökotoxikologisch beson
ders vorteilhafte nichtionische Tenside bekannt, die sich als
Rohstoffe für die Herstellung einer Vielzahl von oberflächen
aktiven Mitteln eignen.
Zur Herstellung der Alkyloligoglykoside geht man üblicher
weise von Glykosen, wegen ihrer hohen Reaktivität und guten
Zugänglichkeit vorzugsweise von der Glucose, aus, die man
entweder direkt mit C₈-C₂₂-Fettalkoholen oder über die Zwi
schenstufe der Niedrigalkyloligoglycoside mit 4 bis 8 Koh
lenstoffatome, insbesondere der Butyloligoglykoside, in
Gegenwart saurer Katalysatoren acetalisiert. Im Hinblick auf
das umfangreiche Schrifttum sei auf die Europäischen Patent
anmeldungen EP 0301298 A1, EP 0319616 A1 und EP 0377831 A1 sowie
auf die Internationale Patentanmeldung WO 90/01489 verwiesen.
Zur Verlagerung des Gleichgewichtes auf die Seite der Pro
dukte wird das bei der Acetalisierung freiwerdende Reakti
onswasser kontinuierlich aus der Reaktionsmischung entfernt.
Aus dem gleichen Grund wird die Alkoholkomponente gegenüber
dem Zucker in großem Überschuß vorgelegt, so daß das Reakti
onsprodukt der Acetalisierung ein Gemisch von Alkyloligogly
kosiden und nicht umgesetztem Alkohol darstellt. Da die
Überschußkomponente die anwendungstechnischen Eigenschaften
des Produktes beeinträchtigt, ist es zwingend erforderlich,
den Alkohol abzutrennen und gegebenenfalls zu recyclisieren.
Werden zur Acetalisierung Fettalkohole mit 8 oder mehr Kohlenstoffatomen
eingesetzt, deren Siedepunkte sehr hoch lie
gen, ist deren Abtrennung mit großen technischen Produkten
verbunden, da sich die in der Reaktionsmischung enthaltenen
Alkyloligoglykoside bei Normaldruck oberhalb einer Temperatur
von 150°C infolge Zersetzung zu verfärben beginnen, im Ex
tremfall sogar verkohlen können und somit für eine Weiter
verwendung nicht mehr in Betracht kommen.
In der Vergangenheit hat es nicht an Ansätzen gemangelt, das
Problem der Verfärbung der Alkyloligoglykoside bei der de
stillativen Abreicherung überschüssigen Alkohols zu lösen.
Gemäß der Europäischen Patentschrift EP 0092876 B1 kann die
Destillation im Feinvakuum unter Zugabe von Schleppmitteln
durchgeführt werden. Hierbei ist jedoch von entscheidendem
Nachteil, daß das Produkt mit zusätzlichen Stoffen in Kontakt
kommt, die sich einerseits nachteilig auf die anwendungstech
nischen Eigenschaften auswirken können und zu deren Abtren
nung und gegebenenfalls Rückführung andererseits auch ein
vermehrter technischer Aufwand erforderlich ist.
In der gleichen Druckschrift wird des weiteren vorgeschlagen,
die Abreicherung des Fettalkohols einstufig in einem Dünn
schichtverdampfer unter turbulenten Strömungsbedingungen
(Reynolds-Zahl < 20 0000) und einer Temperatur von 160 bis
230°C durchzuführen. Unter Dünnschichtverdampfer sind Appa
rate zu verstehen, in denen das Einsatzgemisch auf eine be
heizte Wand aufgegeben wird. Durch rotierende Wischelemente
erfolgt eine mechanische Verteilung, so daß ein sehr guter
Wärmeaustausch zwischen Wand und Fluid zustande kommt und
lokale Überhitzungen vermieden werden. Zur Herstellung von in
Wasser klar löslichen Alkyloligoglykosiden, die einem Rest
alkoholgehalt von weniger als 1 Gew.-% aufweisen, ergibt sich
jedoch eine sehr geringe mittlere Heizflächenbelastung und
damit die Notwendigkeit eines sehr großen Verdampferappara
tes, der das Verfahren im Hinblick auf seine Wirtschaftlich
keit beeinträchtigt.
Aus der Deutschen Patentanmeldung DE 38 33 780 A1 ist ein Ver
fahren bekannt, bei der die Abreicherung des Alkohols zwei
stufig in einer Anlagenkombination aus Dünnschichtverdampfer
und Kurzwegverdampfer erfolgt. Als Kurzwegverdampfer werden
Dünnschichtverdampfer mit innenliegendem Kondensator bezeich
net, die bei Verdampferdrücken zwischen 0,1 und 0,0001 mbar
betrieben werden. Durch die geringe Distanz zwischen Heiz-
und Kondensationsfläche kann es bei Auftreten von Siedeverzü
gen zum Mitreißen der schwer flüchtigen Komponente kommen.
Ein vermehrter Eintrag von Alkyloligoglykosiden in das De
stillat ist sowohl mit einer Reduzierung der Ausbeute, als
auch mit einer Verminderung der Qualität des Destillats ver
bunden und somit unerwünscht.
Gemäß der Europäischen Patentanmeldung EP 0421187 A1 kann die
Abtrennung des Fettalkohols ebenfalls zweistufig erfolgen,
wobei eine grobe Abreicherung in einem Fallfilmverdampfer bei
Temperaturen von 100 bis 220°C und einem Druck von 1 bis 20
mbar und die Feindestiliation in einem Dünnschichtverdampfer
bei Temperaturen von 120 bis 250, vorzugsweise 160 bis 230°C
und einem Druck von 0,5 bis 1,5 mbar erfolgt. Die erforderli
chen hohen Temperaturen im Dünnschichtverdampfer führen je
doch zu einer erheblichen thermischen Belastung des Produktes
und zu einer unerwünschten dunklen Verfärbung. Ein weiterer
Nachteil des Dünnschichtverdampfers besteht darin, daß das
Einsatzmaterial an der beheizten Wandung des Verdampfers an
backen und verkohlen kann, wodurch es zu einer zusätzlichen
Verunreinigung des Produktes kommt.
Schließlich ist aus Ullmanns Enzyklopädie der technischen
Chemie, Verfahrenstechnik 1, Band 2, 4. Aufl., 1972, Verlag
Chemie, Weinheim/Bergstraße, S. 658/659 sowie aus Grundopera
tionen chemischer Verfahrenstechnik, 7. Aufl., 1988, VCH Ver
lagsgesellschaft, Weinheim, S. 580/581 bekannt, daß man vis
kose Lösungen mit Schneckenverdampfern eindampfen und den
Lösungsmittelanteil damit bis auf 0,1 Gew.-% herabsetzen
kann.
Die Aufgabe der Erfindung bestand somit darin, ein verbes
sertes Verfahren zur Abtrennung des Alkohols aus technischen
Alkyloligoglykosid/Alkohol-Gemischen zu entwickeln, das frei
von den geschilderten Nachteilen ist.
Gegenstand der Erfindung ist ein Verfahren zur zweistufigen
destillativen Abtrennung von Alkoholen mit Kettenlängen von 4
bis 22 Kohlenstoffatomen aus einem Gemisch von Alkyloligogly
kosiden und bei deren Herstellung nicht umgesetzten Alkoholen
im molaren Verhältnis 1 : 3 bis 1 : 10, das sich dadurch aus
zeichnet, daß der Alkoholgehalt in der ersten Stufe auf Wer
te kleiner 50 Gew.-% und in der zweiten Stufe mit Hilfe eines
Schneckenwärmeaustauschers unter laminaren Strömungsbeding
ungen bei einer Umdrehungsgeschwindigkeit von 10 bis 100 Upm,
einer Temperatur von 130 bis 180°C und bei einem Betriebs
druck von 0,01 bis 1 mbar auf Werte kleiner 1 Gew.-% - je
weils bezogen auf die Reaktionsmischung - abgereichert wird.
Die Erfindung beruht auf der Erkenntnis, daß die Abreicherung
des Alkohols über einen Schneckenwärmeaustauscher, bei dem
die Wärmeübertragung sowohl über die Mantelfläche als auch
über die beheizte Schnecke erfolgt, bei sehr milden Destiliations
bedingungen durchgeführt werden kann, wodurch Al
kyloligoglykoside erhältlich sind, die sich durch eine deut
lich verbesserte Farbqualität auszeichnen. Weitere Vorteile
des erfindungsgemäßen Verfahrens bestehen darin, daß mit ei
nem vergleichsweise geringeren Temperaturunterschied zwischen
Produkt und Heizmittel gearbeitet werden kann und apparatebe
dingt das Anbacken und Verkohlen von Teilen des Einsatzstof
fes nicht auftreten kann, da die Schnecken selbstreinigend
sind.
Alkyloligoglykoside, die im Sinne der Erfindung von nicht
reagierten Alkoholen befreit werden sollen, folgen der Formel
(I),
R¹O-[G]p (I)
in der R¹ für einen Alkylrest mit 4 bis 22 Kohlenstoffatomen,
[G] für einen Zuckerrest mit 5 oder 6 Kohlenstoffatomen und
p für Zahlen von 1 bis 10 steht.
Vorzugsweise bezieht sich das erfindungsgemäße Verfahren auf
Alkyloligoglykoside, die sich von Aldosen bzw. Ketosen ins
besondere von der Glucose ableiten. Die bevorzugten Alkyl
oligoglykoside sind somit die Alkyloligoglucoside.
Die Indexzahl p in der allgemeinen Formel (I) gibt den Oli
gomerisierungsgrad, d. h. die Verteilung von Mono- und Oli
goglykosiden an und steht für eine Zahl zwischen 1 und 10.
Während p in einer gegebenen Verbindung stets ganzzahlig sein
muß und hier vor allem die Werte p = 1 bis 6 annehmen kann,
ist der Wert p für ein bestimmtes Alkyloligoglykosid eine
analytisch ermittelte rechnerische Größe, die meistens eine
gebrochene Zahl darstellt. Vorzugsweise werden Alkyloligo
glykoside mit einem mittleren Oligomerisierungsgrad p von 1,1
bis 3,0 verwendet. Besonders bevorzugt sind solche Alkyl
oligoglykoside, deren Oligomerisierungsgrad kleiner als 1,7
ist und insbesondere zwischen 1,2 und 1,4 liegt.
Der Alkylrest R¹ kann sich von primären Alkoholen mit 4 bis
22, vorzugsweise 12 bis 18 Kohlenstoffatomen ableiten. Ty
pische Beispiele sind Butanol, Capronalkohol, Caprylalkohol,
Caprinalkohol, Laurylalkohol, Myristylalkohol, Cetylalkohol,
Stearylalkohol, Arachylalkohol, Behenylalkohol sowie deren
technische Mischungen auf Basis von natürlichen Fetten und
Ölen, beispielsweise Palmöl, Palmkernöl, Kokosöl oder Rin
dertalg.
Alkohole, die im Überschuß mit den Alkyloligoglykosiden vor
liegen und deren Abtrennung erfindungsgemäß erreicht werden
soll, folgen der Formel (II),
R²OH (II)
in der R² für einen linearen oder verzweigten Alkylrest mit 4
bis 22, vorzugsweise 12 bis 18 Kohlenstoffatomen steht. Ty
pische Beispiele sind wiederum Butanol, Capronalkohol, Ca
prylalkohol, Caprinalkohol, Laurylalkohol, Myristylalkohol,
Cetylalkohol, Stearylalkohol, Arachylalkohol, Behenylalkohol
sowie deren technische Mischungen auf Basis von natürlichen
Fetten und Ölen, beispielsweise Palmöl, Palmkernöl, Kokosöl
oder Rindertalg.
Das erfindungsgemäße Verfahren eignet sich für die destil
lative Alkoholabreicherung von technischen Gemischen, die
Alkyloligoglycoside und Alkohole im molaren Verhältnis von
1 : 3 bis 1 : 10, vorzugsweise 1 : 4 bis 1 : 8 enthalten.
Das Alkyloligoglykosid/Alkohol-Gemisch kann in der ersten
Stufe beispielsweise in einem Fallfilmverdampfer bei einer
Sumpftemperatur von 100 bis 220, vorzugsweise 140 bis 180°C
und einem Betriebsdruck von 1 bis 20, vorzugsweise 3 bis 10
mbar destilliert werden. Unter diesen Bedingungen resultieren
niedrigviskose Gemische, die einen Restalkoholgehalt von 10
bis 50, vorzugsweise 20 bis 30 Gew.-% aufweisen. Um eine aus
reichende Umfangsbelastung zu erzielen und somit eine voll
ständige Benetzung der Verdampferfläche zu gewährleisten,
empfiehlt es sich, den Verdampfer mit äußerem Zwangsumlauf zu
betreiben.
Bei dem erfindungsgemäß einzusetzenden Schneckenwärmeaustau
scher handelt es sich um einen selbstreinigenden ein- oder
zweiwelligen Extruder mit nebeneinanderliegenden, ineinan
dergreifenden, gleichsinnig drehenden Schnecken mit Dicht
profil. Die Schneckenwellen sind dabei als Hohlwellen ausge
legt, so daß eine Thermostatisierung des transportierten Gu
tes sowohl über den Mantel, als auch über die Schnecken er
folgen. Auf diese Weise ist ein besonders effektiver, das
Einsatzprodukt wenig belastender Wärmeübergang möglich. Durch
ständiges Umschichten und Mischen während des Transportvor
gangs wird in den verschiedenen Produktschichten ein gleich
mäßiges Temperaturniveau gewährleistet und ständig neue Pro
duktoberflächen geschaffen, aus denen der Alkohol abdestil
liert werden kann.
Der verfahrenstechnische Teil des Wärmeaustauschers besteht
aus Schnecken mit konstanter Steigung, die sich gegenseitig
sowie das Gehäuse mit engem Spiel abstreifen. Bei Umdre
hungszahlen von 10 bis 100 Upm herrscht eine streng laminare
Strömung vor. Technischen Daten eines Schneckenwärmeaustau
schers sind in Tab. 1 zusammengefaßt:
Das technische Alkyloligoglykosid/Alkohol-Gemisch kann bei
spielsweise über eine Zahnradpumpe in den Schneckenwärmeaus
tauscher gefördert werden, der bei einer Temperatur von 130
bis 180, vorzugsweise 130 bis 160°C und einen Druck von 0,01
bis 1 mbar betrieben werden kann. Bei einer Geschwindigkeit
von 10 bis 100, vorzugsweise 50 bis 80 Upm wird das Produkt
extrudiert, wobei unter Ausschluß von Rückvermischung ständig
neue Oberflächen entstehen. Der verdampfte Fettalkohol -
dessen Gehalt an Alkyloligoglykosiden weniger als 1 Gew.-%
bezogen auf den Alkohol beträgt - kann über Öffnungen in der
Manteloberfläche entgasen und gelangt über Brüdenleitungen
zunächst in einen Kondensator und von da aus in eine Destil
latvorlage. Die Schmelze der vom Alkohol befreiten Alkyl
oligoglykoside kann über eine Zahnradpumpe in eine Vorlage
transportiert werden, in der die Bleiche und Anpastung mit
Wasser erfolgt.
Im Anschluß an Bleiche und Anpastung ist häufig eine Com
poundierung erforderlich, bei der die Alkyloligoglykoside -
je nach Einsatzgebiet - mit verschiedenen Zusatzstoffen be
aufschlagt werden. In einer besonderen Ausführungsform des
erfindungsgemäßen Verfahrens kann auf eine gesonderte Com
poundierung verzichtet werden, indem man die Destillation in
Gegenwart der Zusatzstoffe, beispielsweise Soda, Natriumsul
fat oder Natriumalumosilicate, durchführt. Dazu ist es aus
reichend, der Alkyloligoglycosid/Alkohol-Mischung die Zu
satzstoffe beispielsweise über einen Stator-Rotor-Mischer vor
Eintritt in den Schneckenwärmeaustauscher zuzusetzen.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform des erfin
dungsgemäßen Verfahrens kann die Abtrennung des Alkohols und
die Bleiche der Alkyloligoglykoside gleichzeitig im Schnec
kenwärmeaustauscher vorgenommen werden. Hierzu empfiehlt es
sich, über die Länge des Wärmetauschers einen Temperaturgra
dienten von 180 auf 90°C anzulegen, die Destillation im Hit
zebereich von 180 auf 150°C und die Bleiche unter Zusatz von
Perverbindungen, beispielsweise Wasserstoffperoxid, Natrium
perborat oder Natriumpercarbonat in der Abkühlzone von 100
auf 90°C durchzuführen. Die unter diesen Bedingungen plasti
sierte Schmelze kann mit Hilfe der Zwangsförderung der
Schnecke ausgetragen werden und zeichnet sich durch eine be
sonders hohe Farbqualität aus.
Die nach dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellten
Alkyloligoglykoside sind hellfarbig und weisen einen Restal
koholgehalt von weniger als 1 Gew.-% - bezogen auf den Fest
stoff - auf. Sie eignen sich zur Herstellung von Wasch-,
Spül- und Reinigungsmitteln sowie Produkten zur Haar- und
Körperpflege, in denen sie in Mengen von 0,1 bis 25, vor
zugsweise 1 bis 10 Gew.-% - bezogen auf die Mittel - enthal
ten sein können.
Die folgenden Beispiele sollen den Gegenstand der Erfindung
näher erläutern, ohne ihn darauf einzuschränken.
In einer zweistufigen Destillationsanlage, bestehend aus ei
nem Fallfilmverdampfer mit 4,5 m² Verdampferoberfläche und
einem Schneckenwärmeaustauscher mit einem Schneckendurchmes
ser von 160 mm und einer Gesamtwärmeaustauschfläche von 2,2
m², wurde ein Gemisch aus C12/14-Kokosalkyloligoglucosid und
C12/14-Kokosfettalkohol (Gewichtsverhältnis 1 : 4,5) ge
trennt. Die Reaktionsbedingungen lauteten wie folgt:
Heizmitteltemperatur : 180°C
Sumpftemperatur : 160°C
Druck : 8 mbar
Sumpftemperatur : 160°C
Druck : 8 mbar
Heizmitteltemperatur : 175°C
Sumpftemperatur : 165°C
Druck : 1 mbar
Geschwindigkeit : 60 Upm
Sumpftemperatur : 165°C
Druck : 1 mbar
Geschwindigkeit : 60 Upm
Bei stationärem Betriebszustand wurde dem Fallfilmverdampfer
ein Massenstrom von 300 kg/h Reaktionsgemisch mit einem Fett
alkoholgehalt von ca. 70 Gew.-% zugeführt. In der ersten De
stillationsstufe wurde der Fettalkoholgehalt auf ca. 30
Gew.-% reduziert, so daß dem Schneckenwärmeaustauscher ein
Massenstrom von ca. 130 kg/h zugeführt werden konnte.
Restalkoholgehalt im Alkyloligoglykosid : 0,8 Gew.-%
Farbzahl(*) : < 100 Klett
Restglykosidgehalt im Destillat : 0,1 Gew.-%
Farbzahl(*) : < 100 Klett
Restglykosidgehalt im Destillat : 0,1 Gew.-%
*) Die Farbzahl wurde bei einer Konzentration von 5 Gew.-%
Alkyloligoglucosid, pH = 7 und unter Verwendung einer 1 cm-Rundküvette
sowie eines Blaufilters (400 bis 465 nm) durchgeführt.
Beispiel 1 wurde wiederholt, der Schneckenwärmeaustauscher
jedoch gegen einen Dünnschichtverdampfer mit 1 m² Verdamp
ferfläche wiederholt. Die Reaktionsbedingungen im Dünnschic
htverdampfer betrugen:
Heizmitteltemperatur : 210°C
Sumpftemperatur : 200°C
Druck : 1 mbar
Sumpftemperatur : 200°C
Druck : 1 mbar
Restalkoholgehalt im Alkyloligoglykosid : 0,9 Gew.-%
Farbzahl(*) : 220 Klett
Restglykosidgehalt im Destillat : 0,1 Gew.-%
Farbzahl(*) : 220 Klett
Restglykosidgehalt im Destillat : 0,1 Gew.-%
Claims (6)
1. Verfahren zur zweistufigen destillativen Abtrennung von
Alkoholen mit Kettenlängen von 4 bis 22 Kohlenstoffato
men aus einem Gemisch von Alkyloligoglykosiden und bei
deren Herstellung nicht umgesetzten Alkoholen im molaren
Verhältnis 1 : 3 bis 1 : 10, dadurch gekennzeichnet, daß
der Alkoholgehalt in der ersten Stufe auf Werte kleiner
50 Gew.-% und in der zweiten Stufe mit Hilfe eines
Schneckenwärmeaustauschers unter laminaren Strömungsbe
dingungen bei einer Umdrehungsgeschwindigkeit von 10 bis
100 Upm, einer Temperatur von 130 bis 180°C und bei ei
nem Betriebsdruck von 0,01 bis 1 mbar auf Werte kleiner
1 Gew.-% - jeweils bezogen auf die Reaktionsmischung -
abgereichert wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß
man in der ersten Stufe einen Fallfilmverdampfer ein
setzt.
3. Verfahren nach den Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekenn
zeichnet, daß man die Destillation im Fallfilmverdampfer
bei einer Sumpftemperatur von 100 bis 200°C durchführt.
4. Verfahren nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 3,
dadurch gekennzeichnet, daß man die Destillation im
Fallfilmverdampfer bei einem Betriebsdruck von 1 bis 20
mbar durchführt.
5. Verfahren nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 4,
dadurch gekennzeichnet, daß man die Destillation im
Schneckenwärmeaustauscher in Gegenwart von Zusatzstoffen
wie beispielsweise Soda, Natriumsulfat oder Natrium
alumosilicat durchführt.
6. Verfahren nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 5,
dadurch gekennzeichnet, daß man über die Länge des
Schneckenwärmeaustauschers einen Temperaturgradienten
von 180 auf 90°C anlegt, die Destillation im Hitzebe
reich von 180 auf 150°C und die Bleiche unter Zusatz von
Perverbindungen in der Abkühlzone von 100 auf 90°C
durchführt.
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OP8 | Request for examination as to paragraph 44 patent law | ||
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