Octan winylu (VAc), znany również jako octan winylu lub octan winylu, jest bezbarwną, przezroczystą cieczą w normalnej temperaturze i ciśnieniu, o wzorze cząsteczkowym C4H6O2 i względnej masie cząsteczkowej 86,9.VAc, jako jeden z najczęściej 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.Pochodne te są szeroko stosowane w budownictwie, tekstyliach, maszynach, medycynie i polepszaczach gleby.W związku z szybkim rozwojem branży terminali w ostatnich latach, produkcja octanu winylu wykazuje tendencję wzrostową z roku na rok, a łączna produkcja octanu winylu w 2018 roku osiągnęła poziom 1970 tys. ton. Obecnie, pod wpływem surowców i procesy produkcyjne octanu winylu obejmują głównie metodę acetylenową i metodę etylenową.
1. Proces acetylenowy
W 1912 roku Kanadyjczyk F. Klatte jako pierwszy odkrył octan winylu, stosując nadmiar acetylenu i kwasu octowego pod ciśnieniem atmosferycznym, w temperaturach od 60 do 100 ℃ i stosując sole rtęci jako katalizatory.W 1921 roku niemiecka firma CEI opracowała technologię syntezy w fazie gazowej octanu winylu z acetylenu i kwasu octowego.Od tego czasu badacze z różnych krajów stale optymalizowali proces i warunki syntezy octanu winylu z acetylenu.W 1928 roku niemiecka firma Hoechst Company utworzyła jednostkę produkcyjną octanu winylu o wydajności 12 kt/a, zajmującą się przemysłową produkcją octanu winylu na dużą skalę.Równanie wytwarzania octanu winylu metodą acetylenową jest następujące:
Główna reakcja:

Skutki uboczne:

Metodę acetylenową dzieli się na metodę fazy ciekłej i metodę fazy gazowej.
Stan fazowy reagenta w metodzie acetylenu w fazie ciekłej jest ciekły, a reaktorem jest zbiornik reakcyjny z urządzeniem mieszającym.Ze względu na wady metody fazy ciekłej, takie jak niska selektywność i duża ilość produktów ubocznych, metoda ta została obecnie zastąpiona metodą fazy gazowej acetylenu.
W zależności od różnych źródeł wytwarzania acetylenu, metodę acetylenu w fazie gazowej można podzielić na metodę Bordena z acetylenem w gazie ziemnym i metodę z węglikiem acetylenu Wackera.
W procesie Bordena jako adsorbent wykorzystuje się kwas octowy, co znacznie poprawia stopień wykorzystania acetylenu.Jednak ta droga procesu jest trudna technicznie i wymaga wysokich kosztów, dlatego metoda ta ma przewagę na obszarach zasobnych w zasoby gazu ziemnego.
W procesie Wackera jako surowce wykorzystuje się acetylen i kwas octowy wytwarzany z węglika wapnia, przy użyciu katalizatora z węglem aktywnym jako nośnikiem i octanem cynku jako składnikiem aktywnym, w celu syntezy VAC pod ciśnieniem atmosferycznym i w temperaturze reakcji 170 ~ 230 ℃.Technologia procesu jest stosunkowo prosta i charakteryzuje się niskimi kosztami produkcji, ale ma wady, takie jak łatwa utrata aktywnych składników katalizatora, słaba stabilność, wysokie zużycie energii i duże zanieczyszczenie.
2. Proces etylenowy
Etylen, tlen i lodowaty kwas octowy to trzy surowce stosowane w syntezie etylenu w procesie octanu winylu.Głównym aktywnym składnikiem katalizatora jest zazwyczaj metal szlachetny ósmej grupy, który reaguje w określonej temperaturze i ciśnieniu reakcji.Po późniejszej obróbce otrzymuje się ostatecznie docelowy produkt – octan winylu.Równanie reakcji jest następujące:
Główna reakcja:

Skutki uboczne:

Proces wytwarzania etylenu w fazie gazowej został po raz pierwszy opracowany przez Bayer Corporation i wdrożony do produkcji przemysłowej do produkcji 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 naniesione na nośniki kwasoodporne, takie jak kulki żelu krzemionkowego o promieniu 4-5 mm, z dodatkiem pewnej ilości octanu potasu, który może poprawić aktywność i selektywność katalizatora.Proces syntezy octanu winylu metodą USI w fazie gazowej etylenu jest podobny do metody Bayera i dzieli się na dwie części: syntezę i destylację.Proces USI znalazł zastosowanie przemysłowe w 1969 roku. Aktywnymi składnikami katalizatora są głównie pallad i platyna, a środkiem pomocniczym jest octan potasu osadzony na nośniku z tlenku glinu.Warunki reakcji są stosunkowo łagodne, a katalizator ma długą żywotność, ale wydajność przestrzenno-czasowa jest niska.W porównaniu z metodą acetylenową, metoda fazy gazowej etylenu znacznie poprawiła się technologicznie, a katalizatory stosowane w metodzie etylenowej stale poprawiają aktywność i selektywność.Jednakże kinetyka reakcji i mechanizm dezaktywacji nadal wymagają zbadania.
Do produkcji octanu winylu metodą etylenową wykorzystuje się reaktor rurowy ze złożem stałym wypełniony katalizatorem.Gaz zasilający wchodzi do reaktora od góry i gdy styka się ze złożem katalizatora, zachodzą reakcje katalityczne, w wyniku których powstaje docelowy produkt – octan winylu i niewielka ilość ubocznego dwutlenku węgla.Ze względu na egzotermiczny charakter reakcji, do płaszcza reaktora wprowadza się wodę pod ciśnieniem w celu usunięcia ciepła reakcji poprzez odparowanie wody.
W porównaniu z metodą acetylenową, metoda etylenowa charakteryzuje się zwartą budową urządzenia, dużą wydajnością, niskim zużyciem energii i niskim poziomem zanieczyszczeń, a jej koszt produktu jest niższy niż w przypadku metody acetylenowej.Jakość produktu jest doskonała, a sytuacja korozji nie jest poważna.Dlatego po latach 70. XX wieku metoda etylenowa stopniowo zastępowała metodę acetylenową.Według niepełnych 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 z tradycyjnym procesem etylenu w fazie gazowej ze stałym złożem, te dwie technologie procesowe znacząco ulepszyły reaktor i katalizator w rdzeniu jednostki, poprawiając ekonomikę i bezpieczeństwo pracy jednostki.
Celanese opracował nowy proces Vantage ze złożem stałym, aby rozwiązać problemy nierównomiernego rozłożenia złoża katalizatora i jednokierunkowej konwersji o niskiej zawartości etylenu w reaktorach ze złożem nieruchomym.Reaktor stosowany w tym procesie nadal jest reaktorem ze złożem stałym, ale w układzie katalitycznym wprowadzono znaczne ulepszenia, a do gazu resztkowego dodano urządzenia do odzyskiwania etylenu, eliminując 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 lantanowce, pierwiastki ziem rzadkich, takie jak prazeodym i neodym.W porównaniu z tradycyjnymi katalizatorami poprawiono selektywność, aktywność i wydajność przestrzenno-czasową katalizatora.
Firma BP Amoco opracowała proces w fazie gazowej etylenu w złożu fluidalnym, znany również jako proces Leap, i zbudowała jednostkę ze złożem fluidalnym o wydajności 250 kt/a w Hull w Anglii.Zastosowanie tego procesu do produkcji octanu winylu może obniżyć koszty produkcji o 30%, a wydajność przestrzenno-czasowa katalizatora (1858-2744 g/(L · h-1)) jest znacznie wyższa niż w procesie ze złożem stałym (700 -1200 g/(L·h-1)).
W procesie LeapProcess po raz pierwszy zastosowano reaktor ze złożem fluidalnym, który ma następujące zalety w porównaniu z reaktorem ze złożem stałym:
1) W reaktorze ze złożem fluidalnym katalizator jest mieszany w sposób ciągły i jednorodny, przyczyniając się w ten sposób do równomiernej dyfuzji promotora i zapewniając równomierne stężenie promotora w reaktorze.
2) Reaktor ze złożem fluidalnym może w sposób ciągły zastępować dezaktywowany katalizator świeżym katalizatorem w warunkach roboczych.
3) Temperatura reakcji w złożu fluidalnym jest stała, co minimalizuje dezaktywację katalizatora w wyniku lokalnego przegrzania, wydłużając w ten sposób żywotność katalizatora.
4) Metoda usuwania ciepła zastosowana w reaktorze ze złożem fluidalnym upraszcza konstrukcję reaktora i zmniejsza jego objętość.Innymi słowy, konstrukcja pojedynczego reaktora może być zastosowana w instalacjach chemicznych o dużej skali, znacznie poprawiając efektywność skali urządzenia.