L'acetato di vinile (VAc), noto anche come acetato di vinile o acetato di vinile, è un liquido trasparente incolore a temperatura e pressione normali, con una formula molecolare di C4H6O2 e un peso molecolare relativo di 86,9.Il VAc, essendo una delle materie prime organiche industriali più utilizzate al mondo, può generare derivati ​​come resina di acetato di polivinile (PVAc), alcol polivinilico (PVA) e poliacrilonitrile (PAN) attraverso l'autopolimerizzazione o la copolimerizzazione con altri monomeri.Questi derivati ​​sono ampiamente utilizzati nell'edilizia, nel settore tessile, nei macchinari, nella medicina e negli ammendanti.A causa del rapido sviluppo dell'industria dei terminali negli ultimi anni, la produzione di acetato di vinile ha mostrato una tendenza ad aumentare anno dopo anno, con la produzione totale di acetato di vinile che ha raggiunto 1970kt nel 2018. Attualmente, a causa dell'influenza delle materie prime e processi, i percorsi di produzione dell'acetato di vinile comprendono principalmente il metodo dell'acetilene e il metodo dell'etilene.
1、Processo di acetilene
Nel 1912, F. Klatte, un canadese, scoprì per primo l'acetato di vinile utilizzando acetilene e acido acetico in eccesso sotto pressione atmosferica, a temperature comprese tra 60 e 100 ℃, 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 da acetilene e acido acetico.Da allora, ricercatori di vari paesi hanno continuamente ottimizzato il processo e le condizioni per la sintesi dell’acetato di vinile dall’acetilene.Nel 1928, la società tedesca Hoechst fondò un'unità di produzione di acetato di vinile da 12 kt/anno, realizzando una produzione industrializzata su larga scala di acetato di vinile.L'equazione per produrre acetato di vinile con il metodo dell'acetilene è la seguente:
Reazione principale:

Effetti collaterali:

Il metodo dell'acetilene è suddiviso in metodo in fase liquida e metodo in fase gassosa.
Lo stato della fase reagente del metodo in fase liquida dell'acetilene è liquido e il reattore è un serbatoio di reazione con un dispositivo di agitazione.A causa delle carenze del metodo in fase liquida, come la bassa selettività e molti sottoprodotti, questo metodo è stato attualmente sostituito dal metodo in fase gassosa dell'acetilene.
A seconda delle diverse fonti di preparazione del gas acetilene, il metodo in fase gassosa dell'acetilene può essere suddiviso in metodo Borden con acetilene per gas naturale e metodo Wacker con acetilene al carburo.
Il processo Borden utilizza l'acido acetico come adsorbente, che migliora notevolmente il tasso di utilizzo dell'acetilene.Tuttavia, questo percorso di processo è tecnicamente difficile e richiede costi elevati, quindi questo metodo 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 sotto pressione atmosferica e temperatura di reazione di 170~230 ℃.La tecnologia di processo è relativamente semplice e ha bassi costi di produzione, ma presenta svantaggi quali facile perdita di componenti attivi del catalizzatore, scarsa stabilità, elevato consumo di energia e grande inquinamento.
2、Processo di 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 infine il prodotto desiderato, l'acetato di vinile.L'equazione di reazione è la seguente:
Reazione principale:

Effetti collaterali:

Il processo in fase vapore di etilene è stato sviluppato per la prima volta dalla Bayer Corporation ed è stato messo in produzione industriale per la produzione di acetato di vinile nel 1968. Le linee di produzione sono state stabilite rispettivamente presso Hearst e Bayer Corporation in Germania e National Distillers Corporation negli Stati Uniti.Si tratta principalmente di palladio o oro caricato su supporti resistenti agli acidi, come perle di gel di silice con raggio di 4-5 mm, e con l'aggiunta di una certa quantità di acetato di potassio, in grado di migliorare l'attività e la selettività del catalizzatore.Il processo per la sintesi dell'acetato di vinile utilizzando il metodo USI in fase vapore di etilene è simile al metodo Bayer ed è diviso in due parti: sintesi e distillazione.Il processo USI ha raggiunto l'applicazione industriale nel 1969. I componenti attivi del catalizzatore sono principalmente palladio e platino, e l'agente ausiliario è l'acetato di potassio, che è 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 di etilene ha registrato notevoli miglioramenti tecnologici e i catalizzatori utilizzati nel metodo dell'etilene hanno continuato a migliorare in termini di attività e selettività.Tuttavia, la cinetica della reazione e il meccanismo di disattivazione devono ancora essere esplorati.
La produzione di acetato di vinile utilizzando il metodo dell'etilene utilizza un reattore tubolare a letto fisso riempito con catalizzatore.Il gas di alimentazione entra nel reattore dall'alto e, quando entra in contatto con il letto catalitico, si verificano reazioni catalitiche per generare il prodotto target acetato di vinile e una piccola quantità di anidride carbonica come sottoprodotto.A causa della natura esotermica della reazione, l'acqua pressurizzata viene introdotta nel lato mantello del reattore per rimuovere il calore di reazione utilizzando la vaporizzazione dell'acqua.
Rispetto al metodo con acetilene, il metodo con etilene ha le caratteristiche di struttura compatta del dispositivo, grande rendimento, basso consumo energetico e basso inquinamento e il costo del prodotto è inferiore a quello del metodo con acetilene.La qualità del prodotto è superiore e la situazione della 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 nel mondo con il metodo dell’etilene è diventato il metodo principale di produzione del VAc.
Attualmente, la tecnologia di produzione VAc più avanzata al mondo è Leap Process di BP e Vantage Process di Celanese.Rispetto al tradizionale processo dell’etilene in fase gassosa a letto fisso, queste due tecnologie di processo hanno migliorato significativamente il reattore e il catalizzatore al centro dell’unità, migliorando l’economia e la sicurezza del funzionamento dell’unità.
Celanese ha sviluppato un nuovo processo Vantage a letto fisso per affrontare i problemi della distribuzione irregolare del letto catalitico e della conversione unidirezionale a basso contenuto di 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 acetato di vinile è notevolmente superiore a quella di dispositivi simili.Il catalizzatore del processo utilizza platino come componente attivo principale, gel di silice come supporto del catalizzatore, citrato di sodio come agente riducente e altri metalli ausiliari come elementi lantanidi 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 in fase gassosa dell'etilene a letto fluidizzato, noto anche come processo Leap Process, e ha costruito un'unità a letto fluidizzato da 250 kt/anno a Hull, in Inghilterra.L'utilizzo di questo processo per produrre 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 fluidizzato, 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 ed uniforme, contribuendo così alla diffusione uniforme del promotore e garantendo una concentrazione uniforme del promotore nel reattore.
2) Il reattore a letto fluidizzato può sostituire continuamente il catalizzatore disattivato con catalizzatore fresco in condizioni operative.
3) La temperatura di reazione del letto fluidizzato è costante, riducendo al minimo la disattivazione del catalizzatore dovuta al surriscaldamento locale, prolungando così la durata di servizio del catalizzatore.
4) Il metodo di rimozione del calore utilizzato nel reattore a letto fluidizzato semplifica la struttura del reattore e ne riduce il volume.In altre parole, il design di un singolo reattore può essere utilizzato per installazioni chimiche su larga scala, migliorando significativamente l’efficienza su scala del dispositivo.