L'acetato di vinile (VAc), noto anche come acetato di vinile o acetato di vinile, è un liquido incolore e trasparente a temperatura e pressione normali, con formula molecolare C4H6O2 e peso molecolare relativo di 86,9. Il VAc, una delle materie prime organiche industriali più utilizzate al mondo, può generare derivati ​​come la resina di acetato di polivinile (PVAc), l'alcol polivinilico (PVA) e il poliacrilonitrile (PAN) attraverso autopolimerizzazione o copolimerizzazione con altri monomeri. Questi derivati ​​sono ampiamente utilizzati in edilizia, tessile, meccanica, medicina e ammendanti. Grazie al rapido sviluppo dell'industria dei terminali negli ultimi anni, la produzione di acetato di vinile ha mostrato un trend in aumento di anno in anno, con una produzione totale di acetato di vinile che ha raggiunto le 1970 kt nel 2018. Attualmente, a causa dell'influenza delle materie prime e dei processi, i processi di produzione dell'acetato di vinile includono principalmente il metodo dell'acetilene e il metodo dell'etilene.
1、Processo all'acetilene
Nel 1912, il canadese F. Klatte scoprì per primo l'acetato di vinile utilizzando acetilene e acido acetico in eccesso a pressione atmosferica, a temperature comprese tra 60 e 100 °C, e utilizzando sali di mercurio come catalizzatori. Nel 1921, la società tedesca CEI sviluppò una tecnologia per la sintesi in fase vapore dell'acetato di vinile a partire da acetilene e acido acetico. Da allora, ricercatori di diversi paesi hanno costantemente ottimizzato il processo e le condizioni per la sintesi dell'acetato di vinile a partire dall'acetilene. Nel 1928, la società tedesca Hoechst istituì un'unità produttiva di acetato di vinile da 12 kt/a, realizzando una produzione industrializzata su larga scala di acetato di vinile. L'equazione per la produzione di acetato di vinile con il metodo dell'acetilene è la seguente:
Reazione principale:

Effetti collaterali:

Il metodo dell'acetilene si divide in metodo in fase liquida e metodo in fase gassosa.
Lo stato di fase del reagente del metodo in fase liquida con acetilene è liquido e il reattore è un serbatoio di reazione dotato di un dispositivo di agitazione. A causa dei difetti del metodo in fase liquida, come la bassa selettività e la produzione di numerosi sottoprodotti, questo metodo è stato attualmente sostituito dal metodo in fase gassosa con acetilene.
In base alle diverse fonti di preparazione del gas acetilene, il metodo in fase gassosa acetilene può essere suddiviso in metodo Borden con acetilene a gas naturale e metodo Wacker con acetilene a carburo.
Il processo Borden utilizza l'acido acetico come adsorbente, migliorando notevolmente il tasso di utilizzo dell'acetilene. Tuttavia, questo processo è tecnicamente difficile e richiede costi elevati, pertanto rappresenta un vantaggio nelle aree ricche di risorse di gas naturale.
Il processo Wacker utilizza acetilene e acido acetico prodotti dal carburo di calcio come materie prime, utilizzando un catalizzatore con carbone attivo come vettore e acetato di zinco come componente attivo, per sintetizzare VAc a pressione atmosferica e a una temperatura di reazione di 170~230 °C. La tecnologia di processo è relativamente semplice e presenta bassi costi di produzione, ma presenta svantaggi come la facile perdita dei componenti attivi del catalizzatore, la scarsa stabilità, l'elevato consumo energetico e il notevole inquinamento.
2. Processo dell'etilene
Etilene, ossigeno e acido acetico glaciale sono tre materie prime utilizzate nella sintesi dell'etilene nel processo di acetato di vinile. Il principale componente attivo del catalizzatore è tipicamente l'elemento metallico nobile dell'ottavo gruppo, che viene fatto reagire a una determinata temperatura e pressione di reazione. Dopo la successiva lavorazione, si ottiene il prodotto finale, l'acetato di vinile. L'equazione di reazione è la seguente:
Reazione principale:

Effetti collaterali:

Il processo in fase vapore di etilene fu sviluppato per la prima volta dalla Bayer Corporation e avviato alla produzione industriale per la produzione di acetato di vinile nel 1968. Linee di produzione furono installate rispettivamente presso Hearst e Bayer Corporation in Germania e National Distillers Corporation negli Stati Uniti. Si basa principalmente sull'aggiunta di palladio o oro su supporti resistenti agli acidi, come perle di gel di silice con un raggio di 4-5 mm, e di una certa quantità di acetato di potassio, che può migliorare l'attività e la selettività del catalizzatore. Il processo per la sintesi di acetato di vinile utilizzando il metodo USI in fase vapore di etilene è simile al metodo Bayer e si divide in due parti: sintesi e distillazione. Il processo USI ha trovato applicazione industriale nel 1969. I componenti attivi del catalizzatore sono principalmente palladio e platino, mentre l'agente ausiliario è l'acetato di potassio, supportato su un supporto di allumina. Le condizioni di reazione sono relativamente blande e il catalizzatore ha una lunga durata, ma la resa spazio-temporale è bassa. Rispetto al metodo dell'acetilene, il metodo in fase vapore dell'etilene ha registrato notevoli progressi tecnologici e i catalizzatori utilizzati nel metodo dell'etilene hanno continuato a migliorare in termini di attività e selettività. Tuttavia, la cinetica di reazione e il meccanismo di disattivazione devono ancora essere esplorati.
La produzione di acetato di vinile con il metodo dell'etilene utilizza un reattore tubolare a letto fisso riempito di catalizzatore. Il gas di alimentazione entra nel reattore dall'alto e, a contatto con il letto catalizzatore, si verificano reazioni catalitiche che generano il prodotto finale, l'acetato di vinile, e una piccola quantità di anidride carbonica come sottoprodotto. Data la natura esotermica della reazione, acqua pressurizzata viene introdotta nel lato mantello del reattore per rimuovere il calore di reazione mediante vaporizzazione dell'acqua.
Rispetto al metodo dell'acetilene, il metodo dell'etilene presenta le seguenti caratteristiche: struttura compatta del dispositivo, elevata produttività, basso consumo energetico e basso inquinamento, con un costo di produzione inferiore rispetto al metodo dell'acetilene. La qualità del prodotto è superiore e il rischio di corrosione non è grave. Pertanto, il metodo dell'etilene ha gradualmente sostituito il metodo dell'acetilene dopo gli anni '70. Secondo statistiche incomplete, circa il 70% del VAc prodotto con il metodo dell'etilene nel mondo è diventato il metodo di produzione principale del VAc.
Attualmente, la tecnologia di produzione di VAc più avanzata al mondo è il processo Leap di BP e il processo Vantage di Celanese. Rispetto al tradizionale processo a letto fisso per l'etilene in fase gassosa, queste due tecnologie hanno migliorato significativamente il reattore e il catalizzatore al centro dell'unità, migliorando l'economicità e la sicurezza operativa dell'unità.
Celanese ha sviluppato un nuovo processo Vantage a letto fisso per affrontare i problemi di distribuzione non uniforme del letto catalitico e di bassa conversione unidirezionale dell'etilene nei reattori a letto fisso. Il reattore utilizzato in questo processo è ancora a letto fisso, ma sono stati apportati miglioramenti significativi al sistema catalitico e sono stati aggiunti dispositivi di recupero dell'etilene nel gas di coda, superando le carenze dei tradizionali processi a letto fisso. La resa del prodotto finale, l'acetato di vinile, è significativamente superiore a quella di dispositivi simili. Il catalizzatore di processo utilizza il platino come principale componente attivo, il gel di silice come vettore del catalizzatore, il citrato di sodio come agente riducente e altri metalli ausiliari come i lantanidi, elementi delle terre rare come praseodimio e neodimio. Rispetto ai catalizzatori tradizionali, la selettività, l'attività e la resa spazio-temporale del catalizzatore risultano migliorate.
BP Amoco ha sviluppato un processo a letto fluido in fase gassosa per etilene, noto anche come processo Leap, e ha costruito un'unità a letto fluido da 250 kt/a a Hull, in Inghilterra. L'utilizzo di questo processo per la produzione di acetato di vinile può ridurre i costi di produzione del 30% e la resa spazio-temporale del catalizzatore (1858-2744 g/(L · h-1)) è molto superiore a quella del processo a letto fisso (700-1200 g/(L · h-1)).
Il processo LeapProcess utilizza per la prima volta un reattore a letto fluido, che presenta i seguenti vantaggi rispetto a un reattore a letto fisso:
1) In un reattore a letto fluidizzato, il catalizzatore viene miscelato in modo continuo e uniforme, contribuendo così alla diffusione uniforme del promotore e garantendone una concentrazione uniforme nel reattore.
2) Il reattore a letto fluidizzato può sostituire continuamente il catalizzatore disattivato con un catalizzatore fresco in condizioni operative.
3) La temperatura di reazione del letto fluido è costante, riducendo al minimo la disattivazione del catalizzatore dovuta al surriscaldamento locale, prolungandone così la durata utile.
4) Il metodo di rimozione del calore utilizzato nel reattore a letto fluido semplifica la struttura del reattore e ne riduce il volume. In altre parole, un singolo reattore può essere utilizzato per installazioni chimiche su larga scala, migliorando significativamente l'efficienza di scala del dispositivo.