DE4140332C2

DE4140332C2 - Verfahren zur zweistufigen destillativen Abtrennung von Alkoholen aus Alkyloligoglycosid/Alkohol-Gemischen

Info

Publication number: DE4140332C2
Application number: DE19914140332
Authority: DE
Inventors: Franz-Josef Dr Carduck; Rainer Dr Eskuchen
Original assignee: Henkel AG and Co KGaA
Current assignee: Henkel AG and Co KGaA
Priority date: 1991-12-06
Filing date: 1991-12-06
Publication date: 1995-09-07
Anticipated expiration: 2011-12-07
Also published as: DE4140332A1; WO1993011143A1

Description

Gebiet der Erfindung

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.

Stand der Technik

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.

Beschreibung der Erfindung

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:

Tabelle 1

Technische Daten Doppelschneckenwärmeaustauscher

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.

Gewerbliche Anwendbarkeit

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.

Beispiele Beispiel 1

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 C_12/14-Kokosalkyloligoglucosid und C_12/14-Kokosfettalkohol (Gewichtsverhältnis 1 : 4,5) ge trennt. Die Reaktionsbedingungen lauteten wie folgt:

a) Fallfilmverdampfer

Heizmitteltemperatur : 180°C
Sumpftemperatur : 160°C
Druck : 8 mbar

b) Schneckenwärmeaustauscher

Heizmitteltemperatur : 175°C
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.

Kenndaten der Produkte der 2. Destillationsstufe

Restalkoholgehalt im Alkyloligoglykosid : 0,8 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.

Vergleichsbeispiel V1

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

Kenndaten der Produkte der 2. Destillationsstufe

Restalkoholgehalt im Alkyloligoglykosid : 0,9 Gew.-%
Farbzahl(*) : 220 Klett
Restglykosidgehalt im Destillat : 0,1 Gew.-%

Claims

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.