Octan winylu (VAc), znany również jako octan winylu lub octan winylu, jest bezbarwną, przezroczystą cieczą w normalnej temperaturze i ciśnieniu, o wzorze sumarycznym C4H6O2 i względnej masie cząsteczkowej 86,9. VAc, jako jeden z najszerzej stosowanych przemysłowych surowców organicznych na świecie, może generować pochodne, takie jak żywica polioctanu winylu (PVAc), alkohol poliwinylowy (PVA) i poliakrylonitryl (PAN) poprzez samopolimeryzację lub kopolimeryzację z innymi monomerami. Te pochodne są szeroko stosowane w budownictwie, tekstyliach, maszynach, medycynie i polepszaczach gleby. Ze względu na szybki rozwój przemysłu terminalowego w ostatnich latach, produkcja octanu winylu wykazała tendencję wzrostową z roku na rok, a całkowita produkcja octanu winylu osiągnęła 1970kt w 2018 roku. Obecnie, ze względu na wpływ surowców i procesów, szlaki produkcyjne octanu winylu obejmują głównie metodę acetylenową i metodę etylenową.
1. Proces acetylenowy
W 1912 roku F. Klatte, Kanadyjczyk, po raz pierwszy odkrył octan winylu, stosując nadmiar acetylenu i kwasu octowego pod ciśnieniem atmosferycznym, w temperaturach od 60 do 100 ℃, i wykorzystując sole rtęci jako katalizatory. W 1921 roku niemiecka firma CEI opracowała technologię syntezy fazy gazowej octanu winylu z acetylenu i kwasu octowego. Od tego czasu naukowcy z różnych krajów nieustannie optymalizowali proces i warunki syntezy octanu winylu z acetylenu. W 1928 roku niemiecka firma Hoechst utworzyła jednostkę produkcyjną octanu winylu o wydajności 12 kt/a, realizując przemysłową produkcję octanu winylu na dużą skalę. Równanie produkcji octanu winylu metodą acetylenową jest następujące:
Główna reakcja:

Skutki uboczne:

Metodę acetylenową dzielimy na metodę fazy ciekłej i metodę fazy gazowej.
Stan fazy reagentu w metodzie fazy ciekłej acetylenu jest ciekły, a reaktor jest zbiornikiem reakcyjnym z urządzeniem mieszającym. Ze względu na niedociągnięcia metody fazy ciekłej, takie jak niska selektywność i wiele produktów ubocznych, metoda ta została obecnie zastąpiona metodą fazy gazowej acetylenu.
W zależności od źródła pozyskiwania acetylenu, metodę fazy gazowej acetylenu można podzielić na metodę acetylenu gazowego Bordena i metodę acetylenu karbidowego Wackera.
Proces Bordena wykorzystuje kwas octowy jako adsorbent, co znacznie poprawia wskaźnik wykorzystania acetylenu. Jednakże ta droga procesu jest technicznie trudna i wymaga wysokich kosztów, więc ta metoda ma przewagę na obszarach bogatych w zasoby gazu ziemnego.
Proces Wacker wykorzystuje acetylen i kwas octowy wytwarzane z węglika wapnia jako surowce, używając katalizatora z węglem aktywnym jako nośnikiem i octanem cynku jako składnikiem aktywnym, aby syntetyzować VAc pod ciśnieniem atmosferycznym i w temperaturze reakcji 170~230 ℃. Technologia procesu jest stosunkowo prosta i ma niskie koszty produkcji, ale występują wady, takie jak łatwa utrata składników aktywnych katalizatora, słaba stabilność, wysokie zużycie energii i duże zanieczyszczenie.
2. Proces etylenowy
Etylen, tlen i lodowaty kwas octowy to trzy surowce stosowane w procesie syntezy etylenu z octanu winylu. Głównym aktywnym składnikiem katalizatora jest zazwyczaj pierwiastek metalu szlachetnego ósmej grupy, który poddaje się reakcji w określonej temperaturze i ciśnieniu reakcji. Po późniejszym przetworzeniu uzyskuje się docelowy produkt octan winylu. Równanie reakcji jest następujące:
Główna reakcja:

Skutki uboczne:

Proces fazy gazowej etylenu został po raz pierwszy opracowany przez Bayer Corporation i wdrożony do produkcji przemysłowej octanu winylu w 1968 roku. Linie produkcyjne powstały odpowiednio w Hearst i Bayer Corporation w Niemczech oraz National Distillers Corporation w Stanach Zjednoczonych. Jest to głównie pallad lub złoto ładowane na kwasoodporne nośniki, takie jak kulki żelu krzemionkowego o promieniu 4-5 mm, oraz dodatek pewnej ilości octanu potasu, co może poprawić aktywność i selektywność katalizatora. Proces syntezy octanu winylu przy użyciu metody USI fazy gazowej etylenu jest podobny do metody Bayera i dzieli się na dwie części: syntezę i destylację. Proces USI osiągnął zastosowanie przemysłowe w 1969 roku. Aktywnymi składnikami katalizatora są głównie pallad i platyna, a środkiem pomocniczym jest octan potasu, który jest osadzony na nośniku z tlenku glinu. Warunki reakcji są stosunkowo łagodne, a katalizator ma długą żywotność, ale wydajność przestrzenno-czasowa jest niska. W porównaniu do metody acetylenowej, metoda fazy gazowej etylenu znacznie poprawiła się technologicznie, a katalizatory stosowane w metodzie etylenowej stale poprawiają swoją aktywność i selektywność. Jednak kinetyka reakcji i mechanizm dezaktywacji nadal wymagają zbadania.
Produkcja octanu winylu metodą etylenową wykorzystuje rurowy reaktor ze złożem stałym wypełniony katalizatorem. Gaz zasilający wchodzi do reaktora od góry i gdy styka się ze złożem katalizatora, zachodzą reakcje katalityczne, aby wytworzyć docelowy produkt octan winylu i niewielką ilość produktu ubocznego dwutlenku węgla. Ze względu na egzotermiczny charakter reakcji, do strony powłoki reaktora wprowadza się wodę pod ciśnieniem, aby usunąć ciepło reakcji poprzez odparowanie wody.
W porównaniu z metodą acetylenową, metoda etylenowa charakteryzuje się kompaktową strukturą urządzenia, dużą wydajnością, niskim zużyciem energii i niskim zanieczyszczeniem, a jej koszt produktu jest niższy niż w przypadku metody acetylenowej. Jakość produktu jest lepsza, a sytuacja korozji nie jest poważna. Dlatego metoda etylenowa stopniowo zastępowała metodę acetylenową po latach 70. Według niekompletnych statystyk około 70% VAc produkowanego metodą etylenową na świecie stało się głównym nurtem metod produkcji VAc.
Obecnie najbardziej zaawansowaną technologią produkcji VAc na świecie jest proces Leap firmy BP i proces Vantage firmy Celanese. W porównaniu do tradycyjnego procesu etylenu w fazie gazowej ze złożem stałym, te dwie technologie procesowe znacznie ulepszyły reaktor i katalizator w rdzeniu jednostki, poprawiając ekonomię i bezpieczeństwo eksploatacji jednostki.
Celanese opracował nowy proces Vantage ze złożem stałym, aby rozwiązać problemy nierównomiernego rozłożenia złoża katalizatora i jednokierunkowej konwersji niskiego etylenu w reaktorach ze złożem stałym. Reaktor stosowany w tym procesie jest nadal złożem stałym, ale wprowadzono znaczące ulepszenia do układu katalizatora, a do gazu resztkowego dodano urządzenia do odzyskiwania etylenu, co pozwoliło pokonać niedociągnięcia tradycyjnych procesów ze złożem stałym. Wydajność produktu octanu winylu jest znacznie wyższa niż w przypadku podobnych urządzeń. Katalizator procesu wykorzystuje platynę jako główny składnik aktywny, żel krzemionkowy jako nośnik katalizatora, cytrynian sodu jako środek redukujący i inne metale pomocnicze, takie jak pierwiastki ziem rzadkich lantanowców, takie jak prazeodym i neodym. W porównaniu z tradycyjnymi katalizatorami selektywność, aktywność i wydajność czasoprzestrzenna katalizatora są ulepszone.
BP Amoco opracowało proces fluidalnego złoża etylenu w fazie gazowej, znany również jako proces Leap Process, i zbudowało jednostkę fluidalnego złoża o wydajności 250 kt/a w Hull w Anglii. Wykorzystanie tego procesu do produkcji octanu winylu może zmniejszyć koszty produkcji o 30%, a wydajność czasowo-przestrzenna katalizatora (1858–2744 g/(L · h-1)) jest znacznie wyższa niż w przypadku procesu ze złożem stałym (700–1200 g/(L · h-1)).
W procesie LeapProcess po raz pierwszy zastosowano reaktor fluidalny, który w porównaniu z reaktorem ze złożem stałym ma następujące zalety:
1) W reaktorze fluidalnym katalizator jest stale i równomiernie mieszany, co przyczynia się do równomiernej dyfuzji promotora i zapewnia równomierne stężenie promotora w reaktorze.
2) Reaktor fluidalny może w sposób ciągły zastępować dezaktywowany katalizator świeżym katalizatorem w warunkach roboczych.
3) Temperatura reakcji w złożu fluidalnym jest stała, co minimalizuje dezaktywację katalizatora z powodu lokalnego przegrzania, wydłużając w ten sposób żywotność katalizatora.
4) Metoda usuwania ciepła stosowana w reaktorze fluidalnym upraszcza strukturę reaktora i zmniejsza jego objętość. Innymi słowy, pojedyncza konstrukcja reaktora może być stosowana w instalacjach chemicznych na dużą skalę, znacznie poprawiając wydajność skali urządzenia.