Vinylacetat (VAc), auch als Vinylacetat oder Vinylacetat bekannt, ist bei normaler Temperatur und normalem Druck eine farblose, transparente Flüssigkeit mit der Summenformel C4H6O2 und einem relativen Molekulargewicht von 86,9. VAc ist einer der weltweit am häufigsten verwendeten industriellen organischen Rohstoffe und kann durch Selbstpolymerisation oder Copolymerisation mit anderen Monomeren Derivate wie Polyvinylacetatharz (PVAc), Polyvinylalkohol (PVA) und Polyacrylnitril (PAN) erzeugen. Diese Derivate werden häufig im Bauwesen, in der Textilindustrie, im Maschinenbau, in der Medizin und als Bodenverbesserer verwendet. Aufgrund der rasanten Entwicklung der Terminalindustrie in den letzten Jahren steigt die Produktion von Vinylacetat von Jahr zu Jahr an, wobei die Gesamtproduktion von Vinylacetat im Jahr 2018 1.970.000 Tonnen erreichte. Aufgrund von Rohstoff- und Prozesseinflüssen umfassen die Produktionswege für Vinylacetat derzeit hauptsächlich das Acetylen- und das Ethylenverfahren.
1. Acetylen-Prozess
Im Jahr 1912 entdeckte der Kanadier F. Klatte erstmals Vinylacetat durch die Verwendung von überschüssigem Acetylen und Essigsäure unter atmosphärischem Druck, Temperaturen zwischen 60 und 100 °C und der Verwendung von Quecksilbersalzen als Katalysatoren. Im Jahr 1921 entwickelte die deutsche CEI Company eine Technologie für die Dampfphasensynthese von Vinylacetat aus Acetylen und Essigsäure. Seitdem haben Forscher aus verschiedenen Ländern das Verfahren und die Bedingungen für die Synthese von Vinylacetat aus Acetylen kontinuierlich optimiert. Im Jahr 1928 errichtete die deutsche Hoechst Company eine Vinylacetat-Produktionsanlage mit einer Kapazität von 12 kt/a und realisierte damit die industrialisierte Großproduktion von Vinylacetat. Die Gleichung für die Herstellung von Vinylacetat mit der Acetylenmethode lautet wie folgt:
Hauptreaktion:

Nebenwirkungen:

Die Acetylenmethode wird in die Flüssigphasenmethode und die Gasphasenmethode unterteilt.
Der Reaktantzustand des Acetylen-Flüssigphasenverfahrens ist flüssig, und der Reaktor ist ein Reaktionsbehälter mit Rührvorrichtung. Aufgrund der Nachteile des Flüssigphasenverfahrens, wie geringer Selektivität und vielen Nebenprodukten, wurde dieses Verfahren inzwischen durch das Acetylen-Gasphasenverfahren ersetzt.
Entsprechend den unterschiedlichen Quellen der Acetylengasaufbereitung kann das Acetylen-Gasphasenverfahren in das Erdgas-Acetylen-Borden-Verfahren und das Carbid-Acetylen-Wacker-Verfahren unterteilt werden.
Das Borden-Verfahren verwendet Essigsäure als Adsorptionsmittel, wodurch die Ausnutzungsrate von Acetylen deutlich verbessert wird. Dieser Prozess ist jedoch technisch aufwendig und teuer, sodass diese Methode in erdgasreichen Regionen von Vorteil ist.
Das Wacker-Verfahren nutzt Acetylen und Essigsäure aus Calciumcarbid als Rohstoffe. Ein Katalysator mit Aktivkohle als Träger und Zinkacetat als aktiver Komponente dient zur Synthese von VAc unter atmosphärischem Druck und einer Reaktionstemperatur von 170–230 °C. Die Prozesstechnologie ist relativ einfach und die Produktionskosten niedrig, weist jedoch Nachteile auf, wie den schnellen Verlust aktiver Katalysatorkomponenten, mangelnde Stabilität, hohen Energieverbrauch und starke Umweltverschmutzung.
2. Ethylenprozess
Ethylen, Sauerstoff und Eisessig sind drei Rohstoffe, die bei der Ethylensynthese im Vinylacetat-Prozess verwendet werden. Die Hauptwirkkomponente des Katalysators ist typischerweise ein Edelmetall der achten Gruppe, das bei einer bestimmten Reaktionstemperatur und einem bestimmten Druck umgesetzt wird. Nach der anschließenden Verarbeitung wird schließlich das Zielprodukt Vinylacetat erhalten. Die Reaktionsgleichung lautet wie folgt:
Hauptreaktion:

Nebenwirkungen:

Das Ethylen-Dampfphasenverfahren wurde erstmals von der Bayer Corporation entwickelt und 1968 zur Herstellung von Vinylacetat industriell genutzt. Produktionslinien wurden bei der Hearst and Bayer Corporation in Deutschland bzw. bei der National Distillers Corporation in den USA eingerichtet. Dabei wird hauptsächlich Palladium oder Gold auf säurebeständige Träger, wie beispielsweise Kieselgelkügelchen mit einem Radius von 4–5 mm, aufgebracht und eine bestimmte Menge Kaliumacetat zugegeben, um die Aktivität und Selektivität des Katalysators zu verbessern. Das Verfahren zur Synthese von Vinylacetat mittels Ethylen-Dampfphasen-USI-Verfahren ähnelt dem Bayer-Verfahren und gliedert sich in zwei Teile: Synthese und Destillation. Das USI-Verfahren wurde 1969 industriell genutzt. Die aktiven Komponenten des Katalysators sind hauptsächlich Palladium und Platin, als Hilfsstoff dient Kaliumacetat, das auf einem Aluminiumoxidträger aufgebracht ist. Die Reaktionsbedingungen sind relativ mild und der Katalysator hat eine lange Lebensdauer, die Raum-Zeit-Ausbeute ist jedoch gering. Im Vergleich zur Acetylenmethode ist die Ethylen-Dampfphasenmethode technologisch deutlich verbessert, und die im Ethylenverfahren verwendeten Katalysatoren weisen kontinuierlich verbesserte Aktivität und Selektivität auf. Die Reaktionskinetik und der Deaktivierungsmechanismus müssen jedoch noch erforscht werden.
Die Herstellung von Vinylacetat nach dem Ethylenverfahren erfolgt in einem mit Katalysator gefüllten Rohrfestbettreaktor. Das Einsatzgas tritt von oben in den Reaktor ein. Beim Kontakt mit dem Katalysatorbett finden katalytische Reaktionen statt, die das Zielprodukt Vinylacetat und eine geringe Menge Kohlendioxid als Nebenprodukt erzeugen. Aufgrund der exothermen Reaktion wird Druckwasser in die Mantelseite des Reaktors eingeleitet, um die Reaktionswärme durch Wasserverdampfung abzuführen.
Im Vergleich zum Acetylenverfahren zeichnet sich das Ethylenverfahren durch eine kompakte Gerätestruktur, hohe Leistung, geringen Energieverbrauch und geringe Umweltverschmutzung aus. Die Produktkosten sind niedriger als beim Acetylenverfahren. Die Produktqualität ist besser, und die Korrosionsgefahr ist gering. Daher wurde das Acetylenverfahren nach den 1970er Jahren schrittweise durch das Ethylenverfahren ersetzt. Unvollständigen Statistiken zufolge sind etwa 70 % des weltweit mit dem Ethylenverfahren hergestellten VAc zum gängigen VAc-Produktionsverfahren geworden.
Die derzeit weltweit fortschrittlichsten VAc-Produktionstechnologien sind der Leap-Prozess von BP und der Vantage-Prozess von Celanese. Im Vergleich zum herkömmlichen Festbett-Gasphasen-Ethylenverfahren haben diese beiden Prozesstechnologien den Reaktor und den Katalysator im Kern der Anlage deutlich verbessert und so die Wirtschaftlichkeit und Sicherheit des Anlagenbetriebs verbessert.
Celanese hat ein neues Festbett-Vantage-Verfahren entwickelt, um die Probleme der ungleichmäßigen Katalysatorbettverteilung und der niedrigen Ethylen-Einwegumwandlung in Festbettreaktoren zu lösen. Der in diesem Verfahren verwendete Reaktor ist zwar weiterhin ein Festbettreaktor, jedoch wurden das Katalysatorsystem deutlich verbessert und Ethylenrückgewinnungsvorrichtungen im Abgas integriert, wodurch die Nachteile herkömmlicher Festbettverfahren überwunden werden. Die Ausbeute an Vinylacetat ist deutlich höher als bei vergleichbaren Vorrichtungen. Der Prozesskatalysator verwendet Platin als Hauptwirkstoff, Kieselgel als Katalysatorträger, Natriumcitrat als Reduktionsmittel und weitere Hilfsmetalle wie Lanthanoide der Seltenen Erden wie Praseodym und Neodym. Im Vergleich zu herkömmlichen Katalysatoren sind Selektivität, Aktivität und Raum-Zeit-Ausbeute des Katalysators verbessert.
BP Amoco hat ein Ethylen-Gasphasen-Wirbelschichtverfahren, auch bekannt als Leap Process, entwickelt und in Hull, England, eine Wirbelschichtanlage mit einer Kapazität von 250 kt/a errichtet. Durch die Anwendung dieses Verfahrens zur Herstellung von Vinylacetat können die Produktionskosten um 30 % gesenkt werden, und die Raum-Zeit-Ausbeute des Katalysators (1858–2744 g/(L · h-1)) ist deutlich höher als beim Festbettverfahren (700–1200 g/(L · h-1)).
Im LeapProcess-Verfahren wird erstmals ein Wirbelschichtreaktor eingesetzt, der gegenüber einem Festbettreaktor folgende Vorteile bietet:
1) In einem Wirbelschichtreaktor wird der Katalysator kontinuierlich und gleichmäßig gemischt, wodurch zur gleichmäßigen Diffusion des Promotors beigetragen und eine gleichmäßige Konzentration des Promotors im Reaktor sichergestellt wird.
2) Der Wirbelschichtreaktor kann den deaktivierten Katalysator unter Betriebsbedingungen kontinuierlich durch frischen Katalysator ersetzen.
3) Die Reaktionstemperatur im Wirbelbett ist konstant, wodurch die Katalysatordeaktivierung durch lokale Überhitzung minimiert und somit die Lebensdauer des Katalysators verlängert wird.
4) Die im Wirbelschichtreaktor verwendete Wärmeabfuhr vereinfacht die Reaktorstruktur und reduziert ihr Volumen. Anders ausgedrückt: Für große Chemieanlagen kann ein einziges Reaktordesign verwendet werden, was die Effizienz des Geräts deutlich verbessert.