Vinylacetaat (VAc), ook bekend als vinylacetaat of vinylacetaat, is een kleurloze transparante vloeistof bij normale temperatuur en druk, met een molecuulformule van C4H6O2 en een relatief molecuulgewicht van 86,9. VAc, als een van de meest gebruikte industriële organische grondstoffen ter wereld, kan derivaten zoals polyvinylacetaathars (PVAc), polyvinylalcohol (PVA) en polyacrylonitril (PAN) genereren door zelfpolymerisatie of copolymerisatie met andere monomeren. Deze derivaten worden veel gebruikt in de bouw, textiel, machines, medicijnen en bodemverbeteraars. Vanwege de snelle ontwikkeling van de terminalindustrie in de afgelopen jaren, heeft de productie van vinylacetaat een trend van jaar tot jaar laten zien, waarbij de totale productie van vinylacetaat in 2018 1970kt bereikte. Momenteel omvatten de productieroutes van vinylacetaat, vanwege de invloed van grondstoffen en processen, voornamelijk de acetyleenmethode en de ethyleenmethode.
1. Acetyleenproces
In 1912 ontdekte de Canadees F. Klatte voor het eerst vinylacetaat met behulp van een overmaat acetyleen en azijnzuur onder atmosferische druk, bij temperaturen tussen 60 en 100 °C, en met behulp van kwikzouten als katalysatoren. In 1921 ontwikkelde het Duitse bedrijf CEI een technologie voor de dampfasesynthese van vinylacetaat uit acetyleen en azijnzuur. Sindsdien hebben onderzoekers uit verschillende landen het proces en de omstandigheden voor de synthese van vinylacetaat uit acetyleen continu geoptimaliseerd. In 1928 richtte het Duitse bedrijf Hoechst een vinylacetaatproductie-eenheid op met een capaciteit van 12 kt/a, waarmee een geïndustrialiseerde grootschalige productie van vinylacetaat werd gerealiseerd. De formule voor de productie van vinylacetaat met behulp van de acetyleenmethode is als volgt:
Hoofdreactie:

Bijwerkingen:

De acetyleenmethode wordt onderverdeeld in de vloeistoffasemethode en de gasfasemethode.
De reactantfase van de acetyleenvloeistoffasemethode is vloeibaar en de reactor is een reactievat met een roerwerk. Vanwege de tekortkomingen van de vloeistoffasemethode, zoals de lage selectiviteit en de vele bijproducten, is deze methode momenteel vervangen door de acetyleengasfasemethode.
Afhankelijk van de verschillende bronnen voor de bereiding van acetyleengas, kan de acetyleengasfasemethode worden onderverdeeld in de aardgasacetyleen-Bordenmethode en de carbideacetyleen-Wackermethode.
Het Borden-proces gebruikt azijnzuur als adsorbens, wat de benuttingsgraad van acetyleen aanzienlijk verbetert. Deze procesroute is echter technisch complex en brengt hoge kosten met zich mee, waardoor deze methode een voordeel heeft in gebieden met veel aardgas.
Het Wacker-proces gebruikt acetyleen en azijnzuur, geproduceerd uit calciumcarbide, als grondstoffen. Met behulp van een katalysator met actieve kool als drager en zinkacetaat als actief bestanddeel wordt VAc gesynthetiseerd onder atmosferische druk en een reactietemperatuur van 170 tot 230 °C. De procestechnologie is relatief eenvoudig en de productiekosten laag, maar er zijn tekortkomingen zoals een snel verlies van actieve katalysatorcomponenten, een slechte stabiliteit, een hoog energieverbruik en aanzienlijke vervuiling.
2. Ethyleenproces
Ethyleen, zuurstof en ijsazijn zijn drie grondstoffen die worden gebruikt bij de synthese van vinylacetaat en etheen. De belangrijkste actieve component van de katalysator is doorgaans een edelmetaalelement uit de achtste groep, dat reageert bij een bepaalde reactietemperatuur en -druk. Na verdere verwerking wordt uiteindelijk het beoogde product vinylacetaat verkregen. De reactievergelijking is als volgt:
Hoofdreactie:

Bijwerkingen:

Het ethyleendampfaseproces werd voor het eerst ontwikkeld door Bayer Corporation en werd in 1968 in industriële productie genomen voor de productie van vinylacetaat. Productielijnen werden respectievelijk opgezet bij Hearst en Bayer Corporation in Duitsland en National Distillers Corporation in de Verenigde Staten. Het bestaat voornamelijk uit palladium of goud geladen op zuurbestendige dragers, zoals silicagelkorrels met een straal van 4-5 mm, en de toevoeging van een bepaalde hoeveelheid kaliumacetaat, wat de activiteit en selectiviteit van de katalysator kan verbeteren. Het proces voor de synthese van vinylacetaat met behulp van de ethyleendampfase USI-methode is vergelijkbaar met de Bayer-methode en bestaat uit twee delen: synthese en destillatie. Het USI-proces werd in 1969 industrieel toegepast. De actieve componenten van de katalysator zijn voornamelijk palladium en platina, en het hulpstof kaliumacetaat, dat is aangebracht op een aluminiumoxidedrager. De reactieomstandigheden zijn relatief mild en de katalysator heeft een lange levensduur, maar de ruimte-tijdopbrengst is laag. Vergeleken met de acetyleenmethode is de ethyleendampfasemethode technologisch sterk verbeterd en zijn de katalysatoren die in de ethyleenmethode worden gebruikt, continu verbeterd in activiteit en selectiviteit. De reactiekinetiek en het deactiveringsmechanisme moeten echter nog worden onderzocht.
De productie van vinylacetaat met behulp van de ethyleenmethode maakt gebruik van een buisvormige reactor met vast bed, gevuld met katalysator. Het gas dat wordt toegevoerd, komt van bovenaf de reactor binnen en wanneer het in contact komt met het katalysatorbed, vinden er katalytische reacties plaats die het doelproduct vinylacetaat en een kleine hoeveelheid bijproduct koolstofdioxide genereren. Vanwege de exotherme aard van de reactie wordt water onder druk in de mantelzijde van de reactor gebracht om de reactiewarmte af te voeren door middel van waterverdamping.
Vergeleken met de acetyleenmethode heeft de ethyleenmethode de volgende kenmerken: een compacte constructie, een hoge output, een laag energieverbruik en weinig vervuiling. De productkosten zijn lager dan die van de acetyleenmethode. De productkwaliteit is beter en de corrosie is niet ernstig. Daarom heeft de ethyleenmethode de acetyleenmethode na de jaren 70 geleidelijk vervangen. Volgens onvolledige statistieken is ongeveer 70% van de wereldwijd via de ethyleenmethode geproduceerde VAc de belangrijkste VAc-productiemethode geworden.
De meest geavanceerde VAc-productietechnologie ter wereld is momenteel het Leap-proces van BP en het Vantage-proces van Celanese. Vergeleken met het traditionele vastbed-gasfase-ethyleenproces hebben deze twee procestechnologieën de reactor en katalysator in de kern van de eenheid aanzienlijk verbeterd, wat de economie en veiligheid van de werking van de eenheid ten goede komt.
Celanese heeft een nieuw Vantage-proces met vast bed ontwikkeld om de problemen van een ongelijkmatige verdeling van het katalysatorbed en een lage ethyleen-eenrichtingsconversie in reactoren met een vast bed aan te pakken. De reactor die in dit proces wordt gebruikt, is nog steeds een vast bed, maar er zijn aanzienlijke verbeteringen aangebracht aan het katalysatorsysteem en er zijn ethyleenterugwinningsapparatuur in het uitlaatgas toegevoegd, waardoor de tekortkomingen van traditionele processen met een vast bed zijn verholpen. De opbrengst van het product vinylacetaat is aanzienlijk hoger dan die van vergelijkbare apparatuur. De proceskatalysator gebruikt platina als belangrijkste actieve component, silicagel als katalysatordrager, natriumcitraat als reductiemiddel en andere hulpmetalen zoals lanthanide zeldzame aardmetalen zoals praseodymium en neodymium. Vergeleken met traditionele katalysatoren zijn de selectiviteit, activiteit en ruimte-tijdopbrengst van de katalysator verbeterd.
BP Amoco heeft een wervelbed-ethyleengasfaseproces ontwikkeld, ook bekend als het Leap-proces, en heeft een wervelbedinstallatie met een capaciteit van 250 kt/a gebouwd in Hull, Engeland. Door dit proces te gebruiken voor de productie van vinylacetaat kunnen de productiekosten met 30% worden verlaagd. Bovendien is de ruimte-tijdopbrengst van de katalysator (1858-2744 g/(L · h-1)) veel hoger dan die van het vastebedproces (700-1200 g/(L · h-1)).
Bij het LeapProcess-proces wordt voor het eerst gebruik gemaakt van een wervelbedreactor, die de volgende voordelen heeft ten opzichte van een vastbedreactor:
1) In een wervelbedreactor wordt de katalysator continu en gelijkmatig gemengd, waardoor wordt bijgedragen aan de gelijkmatige diffusie van de promotor en een gelijkmatige concentratie van de promotor in de reactor wordt gegarandeerd.
2) De wervelbedreactor kan onder bedrijfsomstandigheden de gedeactiveerde katalysator continu vervangen door verse katalysator.
3) De reactietemperatuur van het wervelbed is constant, waardoor de deactivering van de katalysator door lokale oververhitting tot een minimum wordt beperkt en de levensduur van de katalysator wordt verlengd.
4) De warmteafvoermethode die in de wervelbedreactor wordt gebruikt, vereenvoudigt de reactorstructuur en verkleint het volume. Met andere woorden, één reactorontwerp kan worden gebruikt voor grootschalige chemische installaties, wat de schaalefficiëntie van het apparaat aanzienlijk verbetert.