وینیل استات (VAc)، که با نام‌های وینیل استات یا وینیل استات نیز شناخته می‌شود، در دما و فشار معمولی یک مایع بی‌رنگ و شفاف است که فرمول مولکولی آن C4H6O2 و وزن مولکولی نسبی آن 86.9 است. VAc، به عنوان یکی از پرکاربردترین مواد اولیه آلی صنعتی در جهان، می‌تواند از طریق خودپلیمریزاسیون یا کوپلیمریزاسیون با سایر مونومرها، مشتقاتی مانند رزین پلی وینیل استات (PVAc)، پلی وینیل الکل (PVA) و پلی اکریلونیتریل (PAN) تولید کند. این مشتقات به طور گسترده در ساخت و ساز، نساجی، ماشین آلات، پزشکی و بهبود دهنده‌های خاک استفاده می‌شوند. با توجه به توسعه سریع صنعت ترمینال در سال‌های اخیر، تولید وینیل استات روند افزایشی سالانه را نشان داده است، به طوری که کل تولید وینیل استات در سال 2018 به 1970 هزار تن رسید. در حال حاضر، به دلیل تأثیر مواد اولیه و فرآیندها، مسیرهای تولید وینیل استات عمدتاً شامل روش استیلن و روش اتیلن است.
۱. فرآیند استیلن
در سال ۱۹۱۲، اف. کلاته، کانادایی، برای اولین بار وینیل استات را با استفاده از استیلن و اسید استیک اضافی تحت فشار اتمسفر، در دماهای بین ۶۰ تا ۱۰۰ درجه سانتیگراد و با استفاده از نمک‌های جیوه به عنوان کاتالیزور، کشف کرد. در سال ۱۹۲۱، شرکت CEI آلمان فناوری سنتز فاز بخار وینیل استات از استیلن و اسید استیک را توسعه داد. از آن زمان، محققان کشورهای مختلف به طور مداوم فرآیند و شرایط سنتز وینیل استات از استیلن را بهینه کرده‌اند. در سال ۱۹۲۸، شرکت هوخست آلمان یک واحد تولید وینیل استات با ظرفیت ۱۲ کیلوتن در سال تأسیس کرد و تولید صنعتی وینیل استات را در مقیاس بزرگ محقق ساخت. معادله تولید وینیل استات با روش استیلن به شرح زیر است:
واکنش اصلی:
عوارض جانبی:
روش استیلن به دو روش فاز مایع و روش فاز گاز تقسیم می‌شود.
حالت فاز واکنش‌دهنده در روش فاز مایع استیلن، مایع است و راکتور یک مخزن واکنش با دستگاه همزن است. به دلیل کاستی‌های روش فاز مایع مانند گزینش‌پذیری پایین و محصولات جانبی زیاد، این روش در حال حاضر با روش فاز گاز استیلن جایگزین شده است.
با توجه به منابع مختلف تهیه گاز استیلن، روش فاز گازی استیلن را می‌توان به روش بوردن (گاز طبیعی) استیلن و روش واکر (کاربید) استیلن تقسیم کرد.
فرآیند بوردن از اسید استیک به عنوان جاذب استفاده می‌کند که میزان استفاده از استیلن را تا حد زیادی بهبود می‌بخشد. با این حال، این مسیر فرآیند از نظر فنی دشوار است و به هزینه‌های بالایی نیاز دارد، بنابراین این روش در مناطقی که سرشار از منابع گاز طبیعی هستند، مزیت دارد.
فرآیند واکر از استیلن و اسید استیک تولید شده از کاربید کلسیم به عنوان مواد اولیه، با استفاده از کاتالیزوری با کربن فعال به عنوان حامل و استات روی به عنوان جزء فعال، برای سنتز VAc تحت فشار اتمسفر و دمای واکنش ۱۷۰ تا ۲۳۰ درجه سانتیگراد استفاده می‌کند. فناوری فرآیند نسبتاً ساده است و هزینه‌های تولید پایینی دارد، اما کاستی‌هایی مانند از بین رفتن آسان اجزای فعال کاتالیزور، پایداری ضعیف، مصرف بالای انرژی و آلودگی زیاد وجود دارد.
۲، فرآیند اتیلن
اتیلن، اکسیژن و اسید استیک گلاسیال سه ماده اولیه مورد استفاده در فرآیند سنتز اتیلن وینیل استات هستند. جزء فعال اصلی کاتالیزور معمولاً عنصر فلز نجیب گروه هشتم است که در دما و فشار واکنش خاصی واکنش می‌دهد. پس از پردازش‌های بعدی، محصول هدف، وینیل استات، در نهایت به دست می‌آید. معادله واکنش به شرح زیر است:
واکنش اصلی:
عوارض جانبی:
فرآیند فاز بخار اتیلن برای اولین بار توسط شرکت بایر توسعه داده شد و در سال ۱۹۶۸ برای تولید وینیل استات به تولید صنعتی رسید. خطوط تولید به ترتیب در شرکت‌های هرست و بایر در آلمان و شرکت ملی تقطیر در ایالات متحده تأسیس شدند. این فرآیند عمدتاً شامل پالادیوم یا طلا بارگذاری شده بر روی پایه‌های مقاوم در برابر اسید، مانند دانه‌های سیلیکاژل با شعاع ۴-۵ میلی‌متر، و افزودن مقدار مشخصی استات پتاسیم است که می‌تواند فعالیت و گزینش‌پذیری کاتالیزور را بهبود بخشد. فرآیند سنتز وینیل استات با استفاده از روش USI فاز بخار اتیلن مشابه روش بایر است و به دو بخش سنتز و تقطیر تقسیم می‌شود. فرآیند USI در سال ۱۹۶۹ به کاربرد صنعتی رسید. اجزای فعال کاتالیزور عمدتاً پالادیوم و پلاتین هستند و عامل کمکی، استات پتاسیم است که بر روی یک حامل آلومینا قرار دارد. شرایط واکنش نسبتاً ملایم است و کاتالیزور عمر طولانی دارد، اما بازده فضا-زمان آن کم است. در مقایسه با روش استیلن، روش فاز بخار اتیلن از نظر فناوری پیشرفت زیادی داشته است و کاتالیزورهای مورد استفاده در روش اتیلن به طور مداوم از نظر فعالیت و گزینش پذیری بهبود یافته اند. با این حال، سینتیک واکنش و مکانیسم غیرفعال شدن هنوز نیاز به بررسی دارد.
تولید وینیل استات با استفاده از روش اتیلن از یک راکتور بستر ثابت لوله‌ای پر شده با کاتالیزور استفاده می‌کند. گاز خوراک از بالا وارد راکتور می‌شود و هنگامی که با بستر کاتالیزور تماس پیدا می‌کند، واکنش‌های کاتالیزوری برای تولید محصول هدف وینیل استات و مقدار کمی دی اکسید کربن به عنوان محصول جانبی رخ می‌دهد. به دلیل ماهیت گرمازا بودن واکنش، آب تحت فشار به سمت پوسته راکتور وارد می‌شود تا گرمای واکنش را با استفاده از تبخیر آب از بین ببرد.
در مقایسه با روش استیلن، روش اتیلن دارای ویژگی‌های ساختار دستگاه جمع و جور، خروجی بزرگ، مصرف انرژی کم و آلودگی کم است و هزینه محصول آن کمتر از روش استیلن است. کیفیت محصول برتر است و وضعیت خوردگی جدی نیست. بنابراین، روش اتیلن به تدریج پس از دهه 1970 جایگزین روش استیلن شد. طبق آمار ناقص، حدود 70٪ از VAc تولید شده با روش اتیلن در جهان به جریان اصلی روش‌های تولید VAc تبدیل شده است.
در حال حاضر، پیشرفته‌ترین فناوری تولید VAc در جهان، Leap Process شرکت BP و Vantage Process شرکت Celanese است. در مقایسه با فرآیند سنتی اتیلن فاز گازی بستر ثابت، این دو فناوری فرآیندی، راکتور و کاتالیزور را در هسته واحد به طور قابل توجهی بهبود بخشیده و باعث بهبود اقتصاد و ایمنی عملیات واحد شده‌اند.
شرکت Celanese فرآیند جدید Vantage با بستر ثابت را برای رفع مشکلات توزیع ناهموار بستر کاتالیزور و تبدیل یک طرفه اتیلن کم در راکتورهای بستر ثابت توسعه داده است. راکتور مورد استفاده در این فرآیند هنوز یک بستر ثابت است، اما پیشرفت‌های قابل توجهی در سیستم کاتالیزور ایجاد شده است و دستگاه‌های بازیابی اتیلن در گاز خروجی اضافه شده‌اند که بر کاستی‌های فرآیندهای بستر ثابت سنتی غلبه می‌کند. بازده محصول وینیل استات به طور قابل توجهی بالاتر از دستگاه‌های مشابه است. کاتالیزور این فرآیند از پلاتین به عنوان جزء فعال اصلی، سیلیکاژل به عنوان حامل کاتالیزور، سدیم سیترات به عنوان عامل کاهنده و سایر فلزات کمکی مانند عناصر خاکی کمیاب لانتانید مانند پراسئودیمیوم و نئودیمیوم استفاده می‌کند. در مقایسه با کاتالیزورهای سنتی، گزینش‌پذیری، فعالیت و بازده فضا-زمان کاتالیزور بهبود یافته است.
شرکت BP Amoco یک فرآیند فاز گازی اتیلن بستر سیال، که با نام فرآیند Leap نیز شناخته می‌شود، توسعه داده و یک واحد بستر سیال با ظرفیت 250 هزار تن در سال در هال انگلستان ساخته است. استفاده از این فرآیند برای تولید وینیل استات می‌تواند هزینه تولید را تا 30 درصد کاهش دهد و بازده زمانی-مکانی کاتالیزور (1858-2744 گرم بر (لیتر · ساعت)) بسیار بیشتر از فرآیند بستر ثابت (700-1200 گرم بر (لیتر · ساعت)) است.
فرآیند LeapProcess برای اولین بار از یک راکتور بستر سیال استفاده می‌کند که در مقایسه با راکتور بستر ثابت مزایای زیر را دارد:
۱) در یک راکتور بستر سیال، کاتالیزور به طور مداوم و یکنواخت مخلوط می‌شود، در نتیجه به انتشار یکنواخت پروموتر کمک می‌کند و غلظت یکنواخت پروموتر را در راکتور تضمین می‌کند.
۲) راکتور بستر سیال می‌تواند به طور مداوم کاتالیزور غیرفعال شده را در شرایط عملیاتی با کاتالیزور تازه جایگزین کند.
۳) دمای واکنش بستر سیال ثابت است و غیرفعال شدن کاتالیزور به دلیل گرمای بیش از حد موضعی را به حداقل می‌رساند و در نتیجه عمر مفید کاتالیزور را افزایش می‌دهد.
۴) روش حذف حرارت مورد استفاده در راکتور بستر سیال، ساختار راکتور را ساده کرده و حجم آن را کاهش می‌دهد. به عبارت دیگر، می‌توان از یک طرح راکتور واحد برای تأسیسات شیمیایی در مقیاس بزرگ استفاده کرد و به طور قابل توجهی راندمان مقیاس دستگاه را بهبود بخشید.
زمان ارسال: ۱۷ مارس ۲۰۲۳
