L'acétate de vinyle (VAc), également appelé acétate de vinyle, est un liquide transparent incolore à température et pression normales, de formule moléculaire C4H6O2 et de masse moléculaire relative de 86,9. L'acétate de vinyle, l'une des matières premières organiques industrielles les plus utilisées au monde, peut générer des dérivés tels que la résine d'acétate de polyvinyle (PVAc), l'alcool polyvinylique (PVA) et le polyacrylonitrile (PAN) par autopolymérisation ou copolymérisation avec d'autres monomères. Ces dérivés sont largement utilisés dans la construction, le textile, les machines, la médecine et les amendements des sols. Grâce au développement rapide de l'industrie des terminaux ces dernières années, la production d'acétate de vinyle a affiché une tendance à la hausse d'année en année, atteignant 1 970 kt en 2018. Actuellement, en raison de l'influence des matières premières et des procédés, les principales voies de production d'acétate de vinyle sont l'acétylène et l'éthylène.
1. Procédé à l'acétylène
En 1912, le Canadien F. Klatte découvrit l'acétate de vinyle en utilisant un excès d'acétylène et d'acide acétique sous pression atmosphérique, à des températures comprises entre 60 et 100 °C, et en utilisant des sels de mercure comme catalyseurs. En 1921, la société allemande CEI développa une technologie de synthèse en phase vapeur de l'acétate de vinyle à partir d'acétylène et d'acide acétique. Depuis, des chercheurs de divers pays n'ont cessé d'optimiser le procédé et les conditions de synthèse de l'acétate de vinyle à partir de l'acétylène. En 1928, la société allemande Hoechst créa une unité de production d'acétate de vinyle de 12 kt/an, permettant ainsi une production industrielle à grande échelle. L'équation de production d'acétate de vinyle par la méthode à l'acétylène est la suivante :
Réaction principale :

Effets secondaires :

La méthode à l'acétylène est divisée en méthode en phase liquide et méthode en phase gazeuse.
La phase réactive de la méthode en phase liquide à l'acétylène est liquide, et le réacteur est une cuve de réaction équipée d'un agitateur. En raison de ses inconvénients, tels qu'une faible sélectivité et de nombreux sous-produits, la méthode en phase liquide a été remplacée par la méthode en phase gazeuse à l'acétylène.
Selon les différentes sources de préparation du gaz acétylène, la méthode en phase gazeuse d'acétylène peut être divisée en méthode Borden d'acétylène au gaz naturel et méthode Wacker d'acétylène au carbure.
Le procédé Borden utilise l'acide acétique comme adsorbant, ce qui améliore considérablement le taux d'utilisation de l'acétylène. Cependant, ce procédé est techniquement complexe et coûteux, ce qui en fait un atout dans les régions riches en gaz naturel.
Le procédé Wacker utilise de l'acétylène et de l'acide acétique produits à partir de carbure de calcium comme matières premières, ainsi qu'un catalyseur à base de charbon actif et d'acétate de zinc comme composant actif. Il permet de synthétiser du VAc sous pression atmosphérique et à une température de réaction de 170 à 230 °C. Ce procédé est relativement simple et présente de faibles coûts de production, mais présente des inconvénients tels qu'une perte facile des composants actifs du catalyseur, une faible stabilité, une consommation énergétique élevée et une pollution importante.
2、Procédé à l'éthylène
L'éthylène, l'oxygène et l'acide acétique glacial sont trois matières premières utilisées dans la synthèse de l'éthylène à partir de l'acétate de vinyle. Le principal composant actif du catalyseur est généralement un métal noble du huitième groupe, qui réagit à une température et une pression spécifiques. Après un traitement ultérieur, on obtient l'acétate de vinyle. L'équation de réaction est la suivante :
Réaction principale :

Effets secondaires :

Le procédé de synthèse d'éthylène en phase vapeur a été développé par Bayer Corporation et mis en production industrielle pour la production d'acétate de vinyle en 1968. Des lignes de production ont été installées respectivement chez Hearst et Bayer Corporation en Allemagne et chez National Distillers Corporation aux États-Unis. Il s'agit principalement d'un catalyseur chargé de palladium ou d'or sur des supports résistants aux acides, tels que des billes de gel de silice d'un rayon de 4 à 5 mm, et d'une certaine quantité d'acétate de potassium, ce qui peut améliorer l'activité et la sélectivité du catalyseur. Le procédé de synthèse d'acétate de vinyle par la méthode USI en phase vapeur d'éthylène est similaire à la méthode Bayer et se divise en deux parties : la synthèse et la distillation. Le procédé USI a été appliqué industriellement en 1969. Les composants actifs du catalyseur sont principalement le palladium et le platine, et l'agent auxiliaire est l'acétate de potassium, supporté sur un support en alumine. Les conditions de réaction sont relativement douces et le catalyseur a une longue durée de vie, mais le rendement espace-temps est faible. Comparée à la méthode à l'acétylène, la méthode en phase vapeur de l'éthylène a considérablement progressé sur le plan technologique, et les catalyseurs utilisés ont constamment progressé en termes d'activité et de sélectivité. Cependant, la cinétique de la réaction et le mécanisme de désactivation restent à explorer.
La production d'acétate de vinyle par la méthode de l'éthylène utilise un réacteur tubulaire à lit fixe rempli de catalyseur. Le gaz d'alimentation pénètre dans le réacteur par le haut et, au contact du lit catalytique, des réactions catalytiques se produisent pour générer l'acétate de vinyle cible et une petite quantité de dioxyde de carbone, un sous-produit. En raison de la nature exothermique de la réaction, de l'eau sous pression est introduite dans la calandre du réacteur afin d'évacuer la chaleur de réaction par vaporisation.
Comparée à la méthode à l'acétylène, la méthode à l'éthylène se caractérise par une structure compacte, un rendement élevé, une faible consommation d'énergie et une faible pollution. Son coût de production est inférieur à celui de la méthode à l'acétylène. La qualité du produit est supérieure et la corrosion est peu importante. Par conséquent, la méthode à l'éthylène a progressivement remplacé la méthode à l'acétylène après les années 1970. Selon des statistiques incomplètes, environ 70 % du VAc produit par la méthode à l'éthylène dans le monde est devenu la méthode de production de VAc la plus courante.
Actuellement, les technologies de production d'éthylène en phase gazeuse les plus avancées au monde sont le procédé Leap de BP et le procédé Vantage de Celanese. Comparées au procédé traditionnel d'éthylène en phase gazeuse en lit fixe, ces deux technologies ont considérablement amélioré le réacteur et le catalyseur au cœur de l'unité, améliorant ainsi la rentabilité et la sécurité de fonctionnement de l'unité.
Celanese a développé un nouveau procédé Vantage à lit fixe pour résoudre les problèmes de répartition inégale du lit catalytique et de faible conversion unidirectionnelle de l'éthylène dans les réacteurs à lit fixe. Le réacteur utilisé dans ce procédé est toujours à lit fixe, mais des améliorations significatives ont été apportées au système catalytique et des dispositifs de récupération de l'éthylène ont été ajoutés dans le gaz de queue, palliant ainsi les inconvénients des procédés à lit fixe traditionnels. Le rendement en acétate de vinyle produit est nettement supérieur à celui de dispositifs similaires. Le catalyseur de procédé utilise le platine comme principal composant actif, le gel de silice comme support, le citrate de sodium comme agent réducteur et d'autres métaux auxiliaires tels que les terres rares lanthanides comme le praséodyme et le néodyme. Comparé aux catalyseurs traditionnels, la sélectivité, l'activité et le rendement spatio-temporel du catalyseur sont améliorés.
BP Amoco a développé un procédé d'éthylène en phase gazeuse à lit fluidisé, également connu sous le nom de procédé Leap, et a construit une unité à lit fluidisé d'une capacité de 250 kt/an à Hull, en Angleterre. L'utilisation de ce procédé pour produire de l'acétate de vinyle permet de réduire les coûts de production de 30 %, et le rendement spatio-temporel du catalyseur (1 858-2 744 g/(L · h-1)) est bien supérieur à celui du procédé à lit fixe (700-1 200 g/(L · h-1)).
Le procédé LeapProcess utilise pour la première fois un réacteur à lit fluidisé, qui présente les avantages suivants par rapport à un réacteur à lit fixe :
1) Dans un réacteur à lit fluidisé, le catalyseur est mélangé de manière continue et uniforme, contribuant ainsi à la diffusion uniforme du promoteur et assurant une concentration uniforme du promoteur dans le réacteur.
2) Le réacteur à lit fluidisé peut remplacer en continu le catalyseur désactivé par un catalyseur frais dans les conditions de fonctionnement.
3) La température de réaction du lit fluidisé est constante, minimisant la désactivation du catalyseur due à une surchauffe locale, prolongeant ainsi la durée de vie du catalyseur.
4) La méthode d'évacuation de la chaleur utilisée dans le réacteur à lit fluidisé simplifie la structure du réacteur et réduit son volume. Autrement dit, un seul réacteur peut être utilisé pour les installations chimiques de grande taille, améliorant ainsi considérablement l'efficacité d'échelle du dispositif.