El acetato de vinilo (VAc), también conocido como acetato de vinilo o acetato de vinilo, es un líquido transparente incoloro a temperatura y presión normales, con una fórmula molecular de C4H6O2 y un peso molecular relativo de 86,9. El VAc, como una de las materias primas orgánicas industriales más utilizadas en el mundo, puede generar derivados como la resina de acetato de polivinilo (PVAc), el alcohol polivinílico (PVA) y el poliacrilonitrilo (PAN) mediante autopolimerización o copolimerización con otros monómeros. Estos derivados se utilizan ampliamente en la construcción, los textiles, la maquinaria, la medicina y los mejoradores de suelos. Debido al rápido desarrollo de la industria terminal en los últimos años, la producción de acetato de vinilo ha mostrado una tendencia al alza año tras año, alcanzando la producción total de acetato de vinilo de 1970kt en 2018. Actualmente, debido a la influencia de las materias primas y los procesos, las rutas de producción de acetato de vinilo incluyen principalmente el método del acetileno y el método del etileno.
1、Proceso de acetileno
En 1912, el canadiense F. Klatte descubrió el acetato de vinilo utilizando un exceso de acetileno y ácido acético a presión atmosférica, a temperaturas de entre 60 y 100 °C, y utilizando sales de mercurio como catalizadores. En 1921, la empresa alemana CEI desarrolló una tecnología para la síntesis en fase de vapor de acetato de vinilo a partir de acetileno y ácido acético. Desde entonces, investigadores de diversos países han optimizado continuamente el proceso y las condiciones para la síntesis de acetato de vinilo a partir de acetileno. En 1928, la empresa alemana Hoechst estableció una unidad de producción de acetato de vinilo de 12 kt/a, logrando así la producción industrializada a gran escala de acetato de vinilo. La ecuación para producir acetato de vinilo mediante el método del acetileno es la siguiente:
Reacción principal:

Efectos secundarios:

El método del acetileno se divide en el método de fase líquida y el método de fase gaseosa.
El estado de la fase reactiva del método de acetileno en fase líquida es líquido, y el reactor es un tanque de reacción con agitador. Debido a las deficiencias del método en fase líquida, como la baja selectividad y la gran cantidad de subproductos, este método ha sido reemplazado por el método de acetileno en fase gaseosa.
Según las diferentes fuentes de preparación de gas acetileno, el método de fase gaseosa de acetileno se puede dividir en el método Borden de acetileno con gas natural y el método Wacker de acetileno con carburo.
El proceso Borden utiliza ácido acético como adsorbente, lo que mejora considerablemente la tasa de utilización del acetileno. Sin embargo, este proceso es técnicamente complejo y costoso, por lo que presenta una ventaja en zonas ricas en gas natural.
El proceso Wacker utiliza acetileno y ácido acético producidos a partir de carburo de calcio como materias primas, utilizando un catalizador con carbón activado como portador y acetato de zinc como componente activo, para sintetizar VAc a presión atmosférica y una temperatura de reacción de 170 a 230 °C. La tecnología del proceso es relativamente simple y tiene bajos costos de producción, pero presenta deficiencias como la fácil pérdida de los componentes activos del catalizador, baja estabilidad, alto consumo de energía y alta contaminación.
2、Proceso de etileno
El etileno, el oxígeno y el ácido acético glacial son tres materias primas utilizadas en la síntesis de etileno a partir del proceso de acetato de vinilo. El principal componente activo del catalizador suele ser un metal noble del octavo grupo, que reacciona a una temperatura y presión determinadas. Tras el procesamiento posterior, se obtiene finalmente el acetato de vinilo. La ecuación de reacción es la siguiente:
Reacción principal:

Efectos secundarios:

El proceso de fase de vapor de etileno fue desarrollado por primera vez por Bayer Corporation y se puso en producción industrial para la producción de acetato de vinilo en 1968. Se establecieron líneas de producción en Hearst y Bayer Corporation en Alemania y National Distillers Corporation en los Estados Unidos, respectivamente. Es principalmente paladio u oro cargado en soportes resistentes al ácido, como perlas de gel de sílice con un radio de 4-5 mm, y la adición de una cierta cantidad de acetato de potasio, que puede mejorar la actividad y la selectividad del catalizador. El proceso para la síntesis de acetato de vinilo utilizando el método USI de fase de vapor de etileno es similar al método Bayer y se divide en dos partes: síntesis y destilación. El proceso USI logró aplicación industrial en 1969. Los componentes activos del catalizador son principalmente paladio y platino, y el agente auxiliar es acetato de potasio, que está soportado en un portador de alúmina. Las condiciones de reacción son relativamente suaves y el catalizador tiene una larga vida útil, pero el rendimiento espacio-temporal es bajo. En comparación con el método del acetileno, el método de etileno en fase de vapor ha mejorado considerablemente su tecnología, y los catalizadores utilizados en este método han mejorado continuamente su actividad y selectividad. Sin embargo, la cinética de la reacción y el mecanismo de desactivación aún requieren mayor investigación.
La producción de acetato de vinilo mediante el método del etileno utiliza un reactor tubular de lecho fijo con catalizador. El gas de alimentación entra al reactor por la parte superior y, al entrar en contacto con el lecho del catalizador, se producen reacciones catalíticas que generan el acetato de vinilo como producto objetivo y una pequeña cantidad de dióxido de carbono como subproducto. Debido a la naturaleza exotérmica de la reacción, se introduce agua a presión en la carcasa del reactor para eliminar el calor de la reacción mediante la vaporización del agua.
En comparación con el método del acetileno, el método del etileno se caracteriza por su estructura compacta, gran rendimiento, bajo consumo de energía y baja contaminación, y su costo es menor. La calidad del producto es superior y la corrosión no es grave. Por lo tanto, el método del etileno reemplazó gradualmente al método del acetileno después de la década de 1970. Según estadísticas incompletas, aproximadamente el 70% del VAc producido mediante el método del etileno a nivel mundial se ha convertido en el método de producción de VAc más común.
Actualmente, la tecnología de producción de VAc más avanzada del mundo es el Proceso Leap de BP y el Proceso Vantage de Celanese. En comparación con el proceso tradicional de etileno en fase gaseosa de lecho fijo, estas dos tecnologías han mejorado significativamente el reactor y el catalizador en el núcleo de la unidad, mejorando así la economía y la seguridad de su operación.
Celanese ha desarrollado un nuevo proceso Vantage de lecho fijo para abordar los problemas de distribución desigual del lecho catalizador y baja conversión unidireccional de etileno en reactores de lecho fijo. El reactor utilizado en este proceso sigue siendo de lecho fijo, pero se han realizado mejoras significativas en el sistema catalizador y se han añadido dispositivos de recuperación de etileno en el gas de cola, superando las deficiencias de los procesos tradicionales de lecho fijo. El rendimiento del producto acetato de vinilo es significativamente mayor que el de dispositivos similares. El catalizador del proceso utiliza platino como componente activo principal, gel de sílice como portador del catalizador, citrato de sodio como agente reductor y otros metales auxiliares como elementos de tierras raras lantánidas como praseodimio y neodimio. En comparación con los catalizadores tradicionales, la selectividad, la actividad y el rendimiento espacio-temporal del catalizador han mejorado.
BP Amoco ha desarrollado un proceso de lecho fluidizado de etileno en fase gaseosa, también conocido como Proceso Leap, y ha construido una unidad de lecho fluidizado de 250 kt/a en Hull, Inglaterra. El uso de este proceso para producir acetato de vinilo puede reducir el coste de producción en un 30 %, y el rendimiento espacio-temporal del catalizador (1858-2744 g/(L·h⁻¹)) es mucho mayor que el del proceso de lecho fijo (700-1200 g/(L·h⁻¹)).
El proceso LeapProcess utiliza por primera vez un reactor de lecho fluidizado, que tiene las siguientes ventajas en comparación con un reactor de lecho fijo:
1) En un reactor de lecho fluidizado, el catalizador se mezcla de forma continua y uniforme, lo que contribuye a la difusión uniforme del promotor y garantiza una concentración uniforme del promotor en el reactor.
2) El reactor de lecho fluidizado puede reemplazar continuamente el catalizador desactivado con catalizador nuevo en condiciones de operación.
3) La temperatura de reacción del lecho fluidizado es constante, lo que minimiza la desactivación del catalizador debido al sobrecalentamiento local, extendiendo así la vida útil del catalizador.
4) El método de extracción de calor empleado en el reactor de lecho fluidizado simplifica la estructura del reactor y reduce su volumen. En otras palabras, un diseño de reactor único puede utilizarse para instalaciones químicas a gran escala, lo que mejora significativamente la eficiencia de escala del dispositivo.