Vinyl axetat (VAc), còn được gọi là vinyl axetat hoặc vinyl axetat, là chất lỏng trong suốt không màu ở nhiệt độ và áp suất bình thường, có công thức phân tử là C4H6O2 và trọng lượng phân tử tương đối là 86,9.VAc, là một trong những nguyên liệu thô hữu cơ công nghiệp được sử dụng rộng rãi nhất trên thế giới, có thể tạo ra các dẫn xuất như nhựa polyvinyl axetat (PVAc), rượu polyvinyl (PVA) và polyacrylonitrile (PAN) thông qua quá trình tự trùng hợp hoặc đồng trùng hợp với các monome khác.Các dẫn xuất này được sử dụng rộng rãi trong xây dựng, dệt may, máy móc, y học và cải tạo đất.Do sự phát triển nhanh chóng của ngành công nghiệp thiết bị đầu cuối trong những năm gần đây, việc sản xuất vinyl axetat có xu hướng tăng dần qua từng năm, với tổng sản lượng vinyl axetat đạt 1970kt vào năm 2018. Hiện tại, do ảnh hưởng của nguyên liệu thô và quy trình sản xuất, quy trình sản xuất vinyl axetat chủ yếu bao gồm phương pháp axetylen và phương pháp ethylene.
1, Quá trình axetylen
Năm 1912, F. Klatte, người Canada, lần đầu tiên phát hiện ra vinyl axetat sử dụng lượng dư axetylen và axit axetic dưới áp suất khí quyển, ở nhiệt độ từ 60 đến 100oC và sử dụng muối thủy ngân làm chất xúc tác.Năm 1921, Công ty CEI của Đức đã phát triển công nghệ tổng hợp pha hơi của vinyl axetat từ axetylen và axit axetic.Kể từ đó, các nhà nghiên cứu từ nhiều quốc gia đã liên tục tối ưu hóa quy trình và điều kiện tổng hợp vinyl axetat từ axetylen.Năm 1928, Công ty Hoechst của Đức đã thành lập một đơn vị sản xuất vinyl axetat với công suất 12 kt/năm, thực hiện sản xuất quy mô lớn công nghiệp hóa vinyl axetat.Phương trình sản xuất vinyl axetat bằng phương pháp axetylen như sau:
Phản ứng chính:

Phản ứng phụ:

Phương pháp axetylen được chia thành phương pháp pha lỏng và phương pháp pha khí.
Trạng thái pha phản ứng của phương pháp pha lỏng axetylen là chất lỏng và lò phản ứng là bể phản ứng có thiết bị khuấy.Do những nhược điểm của phương pháp pha lỏng như độ chọn lọc thấp và nhiều sản phẩm phụ nên hiện nay phương pháp này đã được thay thế bằng phương pháp pha khí axetylen.
Theo các nguồn điều chế khí axetylen khác nhau, phương pháp pha khí axetylen có thể được chia thành phương pháp khí axetylen Borden tự nhiên và phương pháp cacbua axetylen Wacker.
Quá trình Borden sử dụng axit axetic làm chất hấp phụ, giúp cải thiện đáng kể tỷ lệ sử dụng axetylen.Tuy nhiên, lộ trình xử lý này khó khăn về mặt kỹ thuật và đòi hỏi chi phí cao nên phương pháp này chiếm lợi thế ở những khu vực giàu tài nguyên khí đốt tự nhiên.
Quy trình Wacker sử dụng axetylen và axit axetic được sản xuất từ ​​cacbua canxi làm nguyên liệu thô, sử dụng chất xúc tác có than hoạt tính làm chất mang và kẽm axetat làm thành phần hoạt tính, để tổng hợp VAc dưới áp suất khí quyển và nhiệt độ phản ứng 170 ~ 230oC.Công nghệ xử lý tương đối đơn giản và chi phí sản xuất thấp, nhưng có những nhược điểm như dễ mất hoạt chất xúc tác, độ ổn định kém, tiêu thụ năng lượng cao và ô nhiễm lớn.
2, Quá trình ethylene
Ethylene, oxy và axit axetic băng là ba nguyên liệu thô được sử dụng trong quá trình tổng hợp ethylene của quá trình vinyl axetat.Thành phần hoạt chất chính của chất xúc tác thường là nguyên tố kim loại quý nhóm thứ tám, được phản ứng ở nhiệt độ và áp suất phản ứng nhất định.Sau quá trình xử lý tiếp theo, sản phẩm đích cuối cùng là vinyl axetat.Phương trình phản ứng như sau:
Phản ứng chính:

Phản ứng phụ:

Quy trình pha hơi ethylene lần đầu tiên được phát triển bởi Tập đoàn Bayer và được đưa vào sản xuất công nghiệp để sản xuất vinyl axetat vào năm 1968. Dây chuyền sản xuất lần lượt được thành lập tại Tập đoàn Hearst và Bayer ở Đức và Tập đoàn Nhà máy chưng cất Quốc gia ở Hoa Kỳ.Nó chủ yếu là paladi hoặc vàng được nạp vào các chất hỗ trợ kháng axit, chẳng hạn như hạt silica gel có bán kính 4-5mm và việc bổ sung một lượng kali axetat nhất định, có thể cải thiện hoạt tính và độ chọn lọc của chất xúc tác.Quy trình tổng hợp vinyl axetat bằng phương pháp USI pha hơi ethylene tương tự như phương pháp của Bayer và được chia thành hai phần: tổng hợp và chưng cất.Quy trình USI được ứng dụng công nghiệp vào năm 1969. Thành phần hoạt tính của chất xúc tác chủ yếu là palladium và bạch kim, và chất phụ trợ là kali axetat, được hỗ trợ trên chất mang alumina.Các điều kiện phản ứng tương đối ôn hòa và chất xúc tác có tuổi thọ dài, nhưng hiệu suất không gian-thời gian thấp.So với phương pháp axetylen, phương pháp pha hơi ethylene đã được cải tiến rất nhiều về công nghệ và các chất xúc tác được sử dụng trong phương pháp ethylene liên tục được cải thiện về hoạt tính và độ chọn lọc.Tuy nhiên, động học phản ứng và cơ chế khử hoạt tính vẫn cần được khám phá.
Việc sản xuất vinyl axetat bằng phương pháp ethylene sử dụng lò phản ứng giường cố định hình ống chứa đầy chất xúc tác.Khí cấp đi vào lò phản ứng từ trên xuống và khi tiếp xúc với lớp xúc tác, các phản ứng xúc tác xảy ra để tạo ra sản phẩm mục tiêu là vinyl axetat và một lượng nhỏ sản phẩm phụ là carbon dioxide.Do tính chất tỏa nhiệt của phản ứng, nước có áp suất được đưa vào phía vỏ của lò phản ứng để loại bỏ nhiệt phản ứng bằng cách sử dụng sự bay hơi của nước.
So với phương pháp axetylen, phương pháp ethylene có đặc điểm cấu trúc thiết bị nhỏ gọn, công suất lớn, tiêu thụ năng lượng thấp, ô nhiễm thấp và giá thành sản phẩm thấp hơn phương pháp axetylen.Chất lượng sản phẩm vượt trội, tình trạng ăn mòn không nghiêm trọng.Vì vậy, phương pháp ethylene dần thay thế phương pháp acetylene sau những năm 1970.Theo thống kê chưa đầy đủ, khoảng 70% VAc được sản xuất bằng phương pháp ethylene trên thế giới đã trở thành phương pháp sản xuất VAc chủ đạo.
Hiện nay, công nghệ sản xuất VAc tiên tiến nhất trên thế giới là Leap Process của BP và Celanese's Vantage Process.So với quy trình ethylene pha khí cố định truyền thống, hai công nghệ xử lý này đã cải thiện đáng kể lò phản ứng và chất xúc tác ở lõi của thiết bị, cải thiện tính kinh tế và an toàn khi vận hành thiết bị.
Celanese đã phát triển quy trình Vantage tầng cố định mới để giải quyết các vấn đề về phân bố tầng xúc tác không đồng đều và khả năng chuyển đổi một chiều ethylene thấp trong lò phản ứng tầng cố định.Lò phản ứng được sử dụng trong quá trình này vẫn là lò phản ứng cố định, nhưng hệ thống xúc tác đã được cải tiến đáng kể và các thiết bị thu hồi ethylene đã được bổ sung trong khí đuôi, khắc phục những thiếu sót của quy trình lò cố định truyền thống.Năng suất của sản phẩm vinyl axetat cao hơn đáng kể so với các thiết bị tương tự.Chất xúc tác của quá trình sử dụng bạch kim làm thành phần hoạt chất chính, silica gel làm chất mang xúc tác, natri citrat làm chất khử và các kim loại phụ trợ khác như các nguyên tố đất hiếm lanthanide như praseodymium và neodymium.So với các chất xúc tác truyền thống, độ chọn lọc, hoạt tính và hiệu suất không-thời gian của chất xúc tác được cải thiện.
BP Amoco đã phát triển quy trình pha khí ethylene tầng sôi, còn được gọi là quy trình Leap Process, và đã xây dựng một đơn vị tầng sôi 250 kt/một thiết bị ở Hull, Anh.Sử dụng quy trình này để sản xuất vinyl axetat có thể giảm 30% chi phí sản xuất và hiệu suất không gian theo thời gian của chất xúc tác (1858-2744 g/(L · h-1)) cao hơn nhiều so với quy trình giường cố định (700 -1200 g/(L · h-1)).
Quy trình LeapProcess lần đầu tiên sử dụng lò phản ứng tầng sôi, có những ưu điểm sau so với lò phản ứng tầng sôi:
1) Trong lò phản ứng tầng sôi, chất xúc tác được trộn liên tục và đồng đều, từ đó góp phần khuếch tán đồng đều chất xúc tác và đảm bảo nồng độ đồng đều của chất xúc tác trong lò phản ứng.
2) Lò phản ứng tầng sôi có thể liên tục thay thế chất xúc tác đã khử hoạt tính bằng chất xúc tác mới trong điều kiện vận hành.
3) Nhiệt độ phản ứng tầng sôi không đổi, giảm thiểu sự mất hoạt tính của chất xúc tác do quá nhiệt cục bộ, từ đó kéo dài tuổi thọ của chất xúc tác.
4) Phương pháp loại bỏ nhiệt được sử dụng trong lò phản ứng tầng sôi giúp đơn giản hóa cấu trúc lò phản ứng và giảm thể tích của nó.Nói cách khác, một thiết kế lò phản ứng đơn có thể được sử dụng để lắp đặt hóa chất quy mô lớn, cải thiện đáng kể hiệu quả quy mô của thiết bị.