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 wytwarzać 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 wykazywała tendencję wzrostową z roku na rok, a całkowita produkcja octanu winylu osiągnęła 1970kt w 2018 roku. Obecnie, ze względu na wpływ surowców i procesów, drogi produkcji octanu winylu obejmują głównie metodę acetylenową i metodę etylenową.
1. Proces acetylenowy
W 1912 roku Kanadyjczyk F. Klatte po raz pierwszy odkrył octan winylu, wykorzystując nadmiar acetylenu i kwasu octowego pod ciśnieniem atmosferycznym, w temperaturach od 60 do 100°C, z wykorzystaniem soli rtęci jako katalizatorów. W 1921 roku niemiecka firma CEI opracowała technologię syntezy octanu winylu w fazie gazowej z acetylenu i kwasu octowego. Od tego czasu naukowcy z różnych krajów stale optymalizują proces i warunki syntezy octanu winylu z acetylenu. W 1928 roku niemiecka firma Hoechst uruchomiła instalację produkcyjną octanu winylu o wydajności 12 kt/rok, realizując przemysłową produkcję octanu winylu na dużą skalę. Równanie syntezy octanu winylu metodą acetylenową przedstawia się następująco:
Główna reakcja:

Skutki uboczne:

Metodę acetylenową dzielimy na metodę fazy ciekłej i metodę fazy gazowej.
W metodzie acetylenu w fazie ciekłej fazą reagentu jest ciecz, a reaktorem jest zbiornik reakcyjny z mieszadłem. Ze względu na wady metody ciekłej, takie jak niska selektywność i duża ilość produktów ubocznych, metoda ta została obecnie zastąpiona metodą acetylenu w fazie gazowej.
W zależności od źródła pozyskiwania acetylenu, metodę fazy gazowej acetylenu można podzielić na metodę Bordena z acetylenem gazowym i metodę Wackera z acetylenem karbidowym.
Proces Bordena wykorzystuje kwas octowy jako adsorbent, co znacznie poprawia stopień wykorzystania acetylenu. Jednak ta metoda jest trudna technicznie i kosztowna, dlatego ma przewagę na obszarach bogatych w zasoby gazu ziemnego.
Proces Wackera wykorzystuje acetylen i kwas octowy wytwarzane z węglika wapnia jako surowce, z użyciem katalizatora z węglem aktywnym jako nośnikiem i octanem cynku jako składnikiem aktywnym, do syntezy VAc pod ciśnieniem atmosferycznym i w temperaturze reakcji 170–230°C. Technologia procesu jest stosunkowo prosta i charakteryzuje się niskimi kosztami produkcji, ale występują w niej wady, takie jak łatwa utrata składników aktywnych katalizatora, niska stabilność, wysokie zużycie energii i duże zanieczyszczenie środowiska.
2. Proces etylenowy
Etylen, tlen i lodowaty kwas octowy to trzy surowce wykorzystywane w procesie syntezy etylenu z octanu winylu. Głównym aktywnym składnikiem katalizatora jest zazwyczaj metal szlachetny ósmej grupy, który poddaje się reakcji w określonej temperaturze i ciśnieniu. Po dalszym przetwarzaniu uzyskuje się docelowy produkt – octan winylu. Równanie reakcji przedstawia się następująco:
Główna reakcja:

Skutki uboczne:

Proces syntezy etylenu w fazie gazowej został opracowany po raz pierwszy 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. Proces ten opiera się głównie na palladzie lub złocie naniesionym na kwasoodporne nośniki, takie jak kulki żelu krzemionkowego o promieniu 4-5 mm, oraz na dodaniu pewnej ilości octanu potasu, co może poprawić aktywność i selektywność katalizatora. Proces syntezy octanu winylu metodą USI w fazie gazowej etylenu jest podobny do metody Bayera i składa się z dwóch etapów: syntezy i destylacji. Proces USI wprowadzono do produkcji przemysłowej w 1969 roku. Składniki aktywne katalizatora to głównie pallad i platyna, a substancją pomocniczą jest octan potasu, osadzony na nośniku z tlenku glinu. Warunki reakcji są stosunkowo łagodne, a katalizator charakteryzuje się długą żywotnością, jednak wydajność przestrzenno-czasowa jest niska. W porównaniu z metodą acetylenową, metoda etylenu w fazie gazowej znacznie się rozwinęła technologicznie, a katalizatory stosowane w tej metodzie stale się poprawiają pod względem aktywności i selektywności. Jednak kinetyka reakcji i mechanizm dezaktywacji wciąż wymagają dalszych badań.
Produkcja octanu winylu metodą etylenową wykorzystuje rurowy reaktor ze złożem stałym, wypełniony katalizatorem. Gaz wsadowy wchodzi do reaktora od góry i po zetknięciu ze złożem katalizatora zachodzą reakcje katalityczne, w wyniku których powstaje docelowy produkt – octan winylu – oraz niewielka ilość dwutlenku węgla, będącego produktem ubocznym. Ze względu na egzotermiczny charakter reakcji, do płaszcza reaktora wprowadzana jest woda pod ciśnieniem, która odprowadza ciepło reakcji poprzez odparowanie wody.
W porównaniu z metodą acetylenową, metoda etylenowa charakteryzuje się kompaktową konstrukcją urządzenia, dużą wydajnością, niskim zużyciem energii i niskim poziomem zanieczyszczeń, a jej koszt jest niższy niż w przypadku metody acetylenowej. Jakość produktu jest wyższa, a ryzyko korozji nie jest poważne. Dlatego metoda etylenowa stopniowo zastępowała metodę acetylenową po latach 70. XX wieku. Według niepełnych danych statystycznych, około 70% VAc produkowanego na świecie metodą etylenową stało się głównym nurtem metod produkcji VAc.
Obecnie najbardziej zaawansowaną technologią produkcji VAc na świecie jest proces Leap firmy BP oraz proces Vantage firmy Celanese. W porównaniu z tradycyjnym procesem produkcji etylenu w fazie gazowej ze złożem nieruchomym, te dwie technologie procesowe znacząco udoskonaliły reaktor i katalizator w rdzeniu instalacji, poprawiając ekonomikę i bezpieczeństwo eksploatacji.
Firma Celanese opracowała nowy proces Vantage ze złożem stałym, aby rozwiązać problemy nierównomiernego rozkładu złoża katalizatora i niskiej jednokierunkowej konwersji etylenu w reaktorach ze złożem stałym. Reaktor stosowany w tym procesie nadal jest reaktorem ze złożem stałym, ale wprowadzono znaczące ulepszenia w układzie katalizatora, a do gazu resztkowego dodano urządzenia do odzyskiwania etylenu, co pozwoliło na wyeliminowanie niedociągnięć 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 oraz inne metale pomocnicze, takie jak pierwiastki ziem rzadkich z grupy lantanowców, takie jak prazeodym i neodym. W porównaniu z tradycyjnymi katalizatorami, selektywność, aktywność i wydajność czasoprzestrzenna katalizatora uległy poprawie.
Firma BP Amoco opracowała proces fluidalnego przetwarzania etylenu w fazie gazowej, znany również jako proces Leap, i zbudowała instalację fluidalną o wydajności 250 kt/rok w Hull w Anglii. Wykorzystanie tego procesu do produkcji octanu winylu pozwala obniżyć koszty produkcji o 30%, a wydajność czasowo-przestrzenna katalizatora (1858–2744 g/(L·h-1)) jest znacznie wyższa niż w procesie ze złożem nieruchomym (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 zdezaktywowany 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 odprowadzania ciepła zastosowana w reaktorze fluidalnym upraszcza konstrukcję reaktora i zmniejsza jego objętość. Innymi słowy, pojedyncza konstrukcja reaktora może być stosowana w instalacjach chemicznych na dużą skalę, co znacznie poprawia wydajność skali urządzenia.