富馬酸二甲酯合成工藝設(shè)計(jì)講解

1、蘇州科技學(xué)院綜合實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)說明書一 設(shè)計(jì)任務(wù)1、基本數(shù)據(jù) 生產(chǎn)任務(wù)：年產(chǎn) 200 噸富馬酸二甲酯 反應(yīng)原料純度：順丁烯二酸 98% 甲醇 98% 硫酸 98% 生產(chǎn)要求：年工作日為 300 天，間歇生產(chǎn)2 、設(shè)計(jì)內(nèi)容及要求（一） 內(nèi)容 1、對(duì)富馬酸二甲酯反應(yīng)系統(tǒng)的物料衡算、熱量衡算；2、主體反應(yīng)設(shè)備合成釜的選型計(jì)算以及輔助設(shè)備的選型計(jì)算；3、繪制物料衡算的工藝流程圖（一張）；4、繪制帶控制節(jié)點(diǎn)的的工藝流程圖（一張）；5、繪制車間平面布置圖（一張）；6、編制設(shè)計(jì)說明書（一份）。（二） 具體要求 1、繪制的帶控制點(diǎn)的工藝流程圖必須符合化工制圖的規(guī)范， 并且字體必須工整。 2、編制的課程設(shè)計(jì)說明書應(yīng)對(duì)

2、計(jì)算過程與工藝流程的選擇以及控點(diǎn)的確定進(jìn)行 詳細(xì)的說明和解釋。二 產(chǎn)品簡(jiǎn)介富馬酸二甲酯為由甲醇與富馬酸或順丁烯二酸酐、順丁烯二酸酯化而成,簡(jiǎn)稱富馬酯 （DMF） ,學(xué)名反丁烯二甲酯 、別名延胡索酸二甲酯 ,結(jié)構(gòu)式 （ :CHCOOCH3） 2 ,分子式 C6H8O4 ,是無(wú)色或白色鱗片晶體 ,熔點(diǎn) 102105 , 常溫會(huì)升華 ,無(wú)味 ,略具酯的香味 ,易溶于氯仿、 醇、丙酮、乙酸乙酯 ,可溶于苯、 甲苯、 CCl4 ,微溶于水及熱水中 ,對(duì)光穩(wěn)定 ,在紫外線及陽(yáng)光下 72 h 基本無(wú)變 化 ,110 熱 1 h 不分解 , 對(duì)熱、堿、鹽也有一定的穩(wěn)定性。但其水溶液對(duì)熱的 酸、堿穩(wěn)定性較差 ,

3、對(duì)氧化劑、還原劑、蛋白質(zhì)、纖維、脂肪、糖等有好的穩(wěn)定 性 ,對(duì)金屬無(wú)腐蝕性 ,其水溶液 pH 值為 6. 77. 3 ,所以 DMF 性質(zhì)穩(wěn)定。 富馬 酸二甲酯 （DMF） 是目前國(guó)內(nèi)外研究開發(fā)的一種新型防霉防腐劑,具有良好的抑菌殺菌作用 ,其應(yīng)用 pH 值范圍較廣 （為 38） ,可在酸性或中性條件下使用 ,能抑 制 30 多種霉菌。 其綜合抗菌防腐性能優(yōu)于目前常用的苯甲酸、 山梨酸、 丙酸及蘇州科技學(xué)院綜合實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)說明書鹽、脫氧醋酸等同類防腐劑。它具有很強(qiáng)的生物活性，因升華而具有熏蒸性，因 而具有接觸殺菌與熏蒸殺菌雙重作用， 其毒性低， 該物質(zhì)進(jìn)入人體后很快變成人 體代謝的正常成分 “富馬

4、酸 ”，其應(yīng)用重復(fù)性好。這是一種具有高效、低毒、廣譜 殺菌 ,且成本低、價(jià)格便宜的防腐防霉劑 ,發(fā)展前景廣闊。富馬酸二甲酯是美國(guó) 80 年代開發(fā)出來(lái)的一種新型防霉劑，取名為“霉敵” 。 具有高效、 低霉（LD ）大白鼠服為 2240mg/kg），對(duì)許多霉菌有特殊的抑制效果， 并且具有抗真菌能力， 廣泛應(yīng)用于食品、 飲料、飼料、中藥材、化妝品、 魚、肉、 蔬菜、水果等防霉、防腐、防蟲、保鮮、據(jù)報(bào)道，美國(guó)把富馬酸二甲酯用于面包 防霉實(shí)驗(yàn)，在同樣條件下儲(chǔ)存面包不發(fā)霉期，加丙酸鈣的面包為 1630 天，而 加富馬酸二甲酯面包為 475 天，其藥效大大優(yōu)于丙酸鈣。 其結(jié)果表明富馬駿二甲 酯對(duì)食品中常見的

5、八種霉菌（如黃曲霉、黑曲霉、青霉、高鏈孢霉、白地霉、串 珠鐮刀菌等） 有明顯的抑制作用， 用于飼料的防霉優(yōu)于丙酸鹽、 山梨酸及苯甲酸 二甲酯配成的揮發(fā)性溶液噴酒在衣柜， 書柜中，也獲得了很好的防霉效果， 此外， 富馬酸二酯是一種很在發(fā)展前景的新型防霉劑， 正在引起國(guó)內(nèi)外食品行業(yè)的高度 重視。因此開發(fā)生產(chǎn)富馬酸二甲酯不僅具有現(xiàn)實(shí)意義而且還具有明顯的經(jīng)濟(jì)效益 和社會(huì)效益。國(guó)外生產(chǎn)富馬酸二甲酯的國(guó)家有美國(guó)、日本、德國(guó)等。美國(guó)的產(chǎn)量為 4000T/Y ，日本為 8000T/Y，中國(guó)在 80 年代未研制出富馬酸二甲酯，并于 1990 年在甘肅天水建成一套 200T/Y 的生產(chǎn)線，繼后江蘇、江西、山東、陜

6、西省均有 裝置上馬，但規(guī)模都不大，累計(jì)中國(guó)總產(chǎn)量約在 800 1000T/Y 。中國(guó)有數(shù)萬(wàn)家 食品、飲料、飼料生產(chǎn)廠，有十多萬(wàn)家醬油廠和大面積的瓜果蔬菜生產(chǎn)基地，全 國(guó)每年對(duì)防霉防腐保鮮劑的需求量在 4 萬(wàn)噸以上。作為新一代的防霉劑富馬酸二 甲酯應(yīng)用領(lǐng)域廣，市場(chǎng)容量大，前景十分光明。三 生產(chǎn)工藝的選擇1. 合成工藝的比較1.1 甲醇與富馬酸催化合成蘇州科技學(xué)院綜合實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)說明書1.1.1 濃 H2SO4 為催化劑H2SO 43以富馬酸 :甲醇為 12（mol 比） ，濃 H2SO4 與富馬酸質(zhì)量比為 0.11 ， 加熱升溫回流 3h ,得結(jié)晶,于甲醇中重結(jié)晶 ,得白色晶片產(chǎn)品 ,熔點(diǎn) 1021

7、04, 產(chǎn)率 92. 5 % ,該產(chǎn)品如在水中重結(jié)晶 ,則為白色針狀結(jié)晶。該法質(zhì)量及收率都 好。近來(lái)在上述配比等條件下 ,用微波連續(xù)輻射回流反應(yīng) ,在達(dá)同樣質(zhì)量及產(chǎn)品 收率情況下 ,反應(yīng)時(shí)間僅為原來(lái)的 1/ 8 1/ 10 ,這是由于原料的酸及醇均為極性 分子 ,且存在同種分子及異種分子間的氫鍵導(dǎo)致分子間締合 ,從而降低了反應(yīng)物 活性。而微波可使氫鍵扭曲而削弱 ,所以降低分子締合性 ,提高反應(yīng)活性。微波 還可提高濃 H2SO4 活性 ,所以低功率已可大大提高反應(yīng)速度 ,加速縮短完成反 應(yīng)的時(shí)間 ,在同樣設(shè)備下 ,生產(chǎn)能力可提高數(shù)倍。本法廢酸可加氨制成硫酸銨肥 料 , 從而可減少處理廢酸的開支及

8、污染。該法具有酯產(chǎn)率高、工藝簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn),但使用 H2SO4 或 HCl 作催化劑具有嚴(yán)重的腐蝕性 ,易發(fā)生副反應(yīng) ,并污染環(huán)境 等缺點(diǎn)。為克服 H2SO4 作催化劑的缺點(diǎn) ,近年來(lái)國(guó)內(nèi)外許多化學(xué)工作者都在探索 更好的催化劑取代 H2SO4。1.1.2 氯化亞錫催化合成富馬酸二甲酯富馬酸 5.8g，20.4mL 甲醇及 3%（以富馬酸摩爾數(shù)為基準(zhǔn)）的氯化亞錫，升 溫至 95，攪拌回流酯化 4h后，將混合物注入 100mL 的蒸餾水中，用飽和的 碳酸氫鈉滴定至 pH 值 為 8，過濾得 DMF 粗品， 將粗品用甲醇重結(jié)晶后得無(wú)色 片狀的精品富馬酸二甲酯， mp=102-103，產(chǎn)率為 95%左右。

9、該法操作簡(jiǎn)便， 設(shè)備簡(jiǎn)單， 產(chǎn)率較高， 適于現(xiàn)在工業(yè)設(shè)備加工改進(jìn)生產(chǎn)。 催化劑氯化亞錫易于分 離，降低工業(yè)成本。蘇州科技學(xué)院綜合實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)說明書1.1.3 硫酸鋯作催化劑取甲醇:富馬酸為 8.61(mol 比) ,硫酸鋯富馬酸為 1： 10 (質(zhì)量比) ,熱回 流 10h ,蒸去未反應(yīng)甲醇 , 稍冷 , 水洗 , 用 10 % NaHCO3 中和到 pH 值 7 , 析 出結(jié)晶 ,離心分離 ,水洗晶體 ,干燥得 DMF 。熔點(diǎn) 102104 ,收率 91 % 92 %。該法催化劑 Zr(SO4)2nH2O 成本為 2 萬(wàn)元/ t ,酯化過程可循環(huán)多次使 用 , 每噸 DMF 所耗硫酸鋁與濃 H2

10、SO4 催化劑成本相近 ,而腐蝕性比濃 H2SO4 少 ,所以反應(yīng)設(shè)備投資可減少一半 ,且催化劑可過濾掉 ,沒有 H2SO4 污 染 , 并且操作條件也大為改善。其甲醇循環(huán)量?jī)H為用 BF3 乙醚液作催化劑的幾 分之一 ,所以甚受工廠歡迎。1.1.4 BF3 (C2H5) O 作催化劑用 4A 分子篩脫水后甲醇與富馬酸摩爾比為 37 :1 ,在 BF3 (C2H5) O 催化劑 下熱回流 5h (充分?jǐn)嚢?) 、冷卻結(jié)晶 ,離心分離、濾餅用甲醇洗滌 ,母液甲醇經(jīng) 無(wú)水處理后循環(huán)利用 ,得白色鱗片 ,熔點(diǎn) 101102 , 純 度 99 % , DMF 收 率 94 %。該 法 BF3 (C2H5

11、) O 用量少 ,單耗成本低、產(chǎn)品純度及收率甚好。反 應(yīng)時(shí)間短 ,生產(chǎn)設(shè)備利用率高 ,在搪瓷反應(yīng)釜內(nèi)反應(yīng)已可 ,投資及衛(wèi)生條件好 , 已在工業(yè)生產(chǎn)中采用。1.1.5 結(jié)晶氯化鐵催化合成富馬酸二甲酯結(jié)晶氯化鐵 (FeCl36H2 O) 是一種價(jià)廉易得的化合物 ,利用它催化合成富馬 酸二甲酯 ,腐蝕小 ,三廢污染較輕 ,操作方便 , 有一定應(yīng)用價(jià)值 ,其有利應(yīng)用條 件是:當(dāng)催化劑 0.8g(0.003 mol) ,富馬酸 5.8 g (0.05 mol) ,甲醇 20 ml (0.50 mol) , 即摩爾比為 0.06110 ,回流 4 h ,得白色結(jié)晶產(chǎn)品 ,收率達(dá) 61.7 % 。1.2 馬

12、來(lái)酸酐異構(gòu)酯化法蘇州科技學(xué)院綜合實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)說明書該法采用二步合成法 ,第一步由馬來(lái)酸酐水解異構(gòu)化生成富馬酸 ,第二步由 富馬酸和甲醇酯化生成 DMF 。當(dāng)馬來(lái)酸酐溶解于甲醇后 ,大部分很快成馬來(lái)酸 一甲酸 ,加入轉(zhuǎn)位劑后成富馬酸一甲酯，繼而被酯化成富馬酸二甲酯。由于所用 催化劑不同而工藝條件也各異。1.2 1以 HCl 為主催化劑 ,H3PO4 為助催化劑法先把順丁烯二酸酐與甲酸在 HCl 催化下異構(gòu)化 ,加熱攪拌 7080 回 流 ,繼而在 H3PO4 下 90 酯化 ,反應(yīng)結(jié)束后冷卻結(jié)晶、過濾、洗滌、干燥 ,得 DMF。熔點(diǎn) 102104 。反應(yīng)物中順丁烯二酸酐甲醇為 1：10（mol 比）

13、 ,HCl 20ml ,H3PO4 35ml ,DMF 純度 99 % ,收率 94 %。該法產(chǎn)品純度及收率較高 ,但催 化劑具腐蝕性 ,在工業(yè)上有采用價(jià)值。1.2.2 以 AlCl 3 為主催化劑 ,H 3PO4 為助催化劑法以馬來(lái)酸酐 1mol ,甲醇 4mol ,AlCl 3 0. 05mol 的比例投料 ,于 78 80 回 流攪拌 ,繼而加 H3PO40. 37mol 于 90 酯化 ,反應(yīng)結(jié)束后冷卻結(jié)晶 ,用飽和 NaHCO3 溶液中和、過濾、洗滌、干燥 ,用甲醇重結(jié)晶 ,得結(jié)晶 DMF ,熔點(diǎn) 104 ,收率 82 %。AlCl3 法比 HCl 法腐蝕性小 , H3PO4 用量少

14、 ,成本低 ,如要 熔點(diǎn) 101102 的 DMF ,則收率為 90 % ,適合工業(yè)化生產(chǎn)。此法具有原料易 得、價(jià)格低廉、產(chǎn)品成本低的特點(diǎn) ,適宜于工業(yè)化生產(chǎn)。與第一種方法相比 ,更 重要的是富馬酸的用途較廣 ,來(lái)源有限 ,價(jià)格較高 ,而目前我國(guó)生產(chǎn)的馬來(lái)酸酐 則發(fā)展較快 ,出現(xiàn)過剩 ,下游產(chǎn)品開發(fā)不夠 ,因此用馬來(lái)酸酐制取 DMF 也是經(jīng) 濟(jì)效率較好的方法。1.2.3 以混合催化劑為催化劑馬來(lái)酸酐與甲醇在混合催化劑的作用下 ,一步合成了富馬酸二甲酯。確定了 最佳工藝條件 :三氯化鐵 0. 5 g ,濃硫酸 1.0ml ,濃磷酸 2.0ml ,硫脲 1.0 g ,溴化鈉 1.0g ,馬來(lái)酸酐

15、4 g 及甲醇 ,回流反應(yīng) 2 h ,產(chǎn)率達(dá) 88 % ,產(chǎn)品純度大于 99 %。在 帶有回流裝置的三口瓶中加入馬來(lái)酸酐與甲醇 ,按比例分別加入幾種催化劑 ,加蘇州科技學(xué)院綜合實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)說明書熱回流反應(yīng)一定時(shí)間 , 待反應(yīng)結(jié)束后 ,將反應(yīng)物轉(zhuǎn)移至蒸餾裝置中 ,蒸出過量 的甲醇 ,剩余物倒入燒杯中 ,在攪拌下 ,將 5 倍于剩余物的冰水加入燒杯中 ,外 部用冰鹽水冷卻至 5 左右 ,繼續(xù)攪拌結(jié)晶 ,待結(jié)晶完全后抽濾分離出結(jié)晶 , 經(jīng)洗滌、重結(jié)晶和真空干燥得到純品 DMF 。該法具有操作簡(jiǎn)便、反應(yīng)時(shí)間短的 特點(diǎn)。1.2.4. 鹽酸、磷酸催化合成富馬酸二甲酯以 1 mol (98 g) 順丁烯二酸酐、

16、 10mol (320 g) 甲醇為原料 ,20 ml 鹽酸為 催化劑 ,32 ml 磷酸為助催化劑 ,回流反應(yīng) 4 h ,得 DMF 收率達(dá) 94 % ,純度達(dá) 99 %2,3,本法原料易得 ,設(shè)備簡(jiǎn)單 ,操作方便 ,產(chǎn)品收率高 ,純度高 ,比起單純 鹽酸催化法對(duì)設(shè)備的腐蝕性稍小 ,能適合于工業(yè)生產(chǎn)。1.2.5. 對(duì)甲苯磺酸催化合成富馬酸二甲酯與結(jié)晶氯化鐵一樣 ,對(duì)甲苯磺酸同樣能催化順丁烯二酸酐與甲醇的酯化作 用 ,再在 Br2 作用下光照游離基轉(zhuǎn)化成富馬酸二甲酸。 當(dāng) 0.10 mol(9.8 g)順丁烯 二酸酐 ,0.75 mol (30 ml) 甲醇 ,在 0.0013 mol (0.

17、25 g) 對(duì)甲苯磺酸作用下回流 3 h ,再加入少量 Br2/ CCl4 , 紅外燈照射 15 min ,可得富馬酸二甲酯收率 70.8 % , 殘留液再加 Br2/ CCl4 ,反復(fù)光照仍可得少量產(chǎn)品 ,經(jīng) 4 次光照總收率可達(dá) 75 % 以上。若按 3個(gè)單程計(jì)算 ,平均單程收率超過 90 %。由于對(duì)甲苯磺酸是固體 , 保管、運(yùn)輸、使用方便 ,用量少 ,活性高 ,對(duì)設(shè)備的腐蝕及污染均比硫酸小 ,所以 生產(chǎn)上有利用價(jià)值。1.2.6. 樹脂催化合成富馬酸二甲酯強(qiáng)酸性陽(yáng)離子交換樹脂是一種固體磺酸 ,來(lái)源容易、價(jià)廉 ,對(duì)設(shè)備無(wú)腐蝕性 其本身不會(huì)產(chǎn)生環(huán)境污染 ,是當(dāng)前酯化反應(yīng)中的優(yōu)良催化劑 ,已用于

18、部分酯的合 成工業(yè)生產(chǎn)中 ,同樣能催化順丁烯二酸酐的酯化 ,然后在 Br2/ CCl4 作用下經(jīng)光 照轉(zhuǎn)化成富馬酸二甲酯。其有利條件為 :0.1 mol(9.8 g)順丁烯二酸酐 ,0.5 mol(20 ml)甲醇 ,在 1.0 g 樹脂催化下回流 5h ,再在 Br2/ CCl4 作用下經(jīng)紅外燈光照 15蘇州科技學(xué)院綜合實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)說明書min ,得富馬酸二甲酯收率達(dá) 68.1 % ,接近對(duì)甲苯磺酸的催化效果 ,而且樹脂能 夠重復(fù)使用 ,活性幾乎不變 ,是開發(fā)利用順丁烯二酸酐合成富馬酸二甲酯的有效 方法 ,具有工業(yè)應(yīng)用價(jià)值。1.3 甲醇與馬來(lái)酸催化合成1.3.1 HCl 為催化劑工藝過程為 :加

19、熱工業(yè)馬來(lái)酸及甲醇 ,并在攪拌下滴入濃 HCl ,回流 30 45min 異構(gòu)化成富馬酸 ,繼而加入甲醇、催化劑 ,帶水劑 ,熱回流 35h （75 85 ） ,冷卻結(jié)晶 ,離心過濾 ,冰水洗滌晶體 ,干燥得粗 DMF ,用甲醇重結(jié)晶得 精制（干燥過）DMF ,產(chǎn)率 91 % ,熔點(diǎn) 102104 ,白色鱗片狀 ,純度 99. 75 %。 未重結(jié)晶 DMF 純度為 92. 4 % ,產(chǎn)率 95. 1 %。其投料比馬來(lái)酸 HCl 甲醇（質(zhì) 量比） 為 1222. 5 ,催化劑與帶水劑分別為馬來(lái)酸的 1/ 51/ 3 與 1/ 4 1/ 2 （質(zhì)量比） 為好。該法經(jīng)濟(jì)便宜、工藝簡(jiǎn)單、操作方便,只是

20、鹽酸有相當(dāng)用量及有腐蝕性 ,但也適合工業(yè)上采用 ,且催化劑及甲醇可循環(huán)利用。1.4 以糠醛為原料合成 DMF該法也是兩步合成法 ,第一步是糠醛在催化劑 V2O5 作用下經(jīng) KClO 3 氧化 制得富馬酸 ,第二步是富馬酸和甲醇酯化制取 DMF ?？啡┦抢棉r(nóng)作物加工的 副產(chǎn)品玉米芯、燕麥殼和甘蔗渣等為原料制得的重要有機(jī)化工原料,用途廣泛。我國(guó)的糠醛生產(chǎn)能力達(dá) 10 萬(wàn) t/ a ,產(chǎn)品的 80 %90 %供應(yīng)國(guó)外市場(chǎng) ,但近年 來(lái)由于國(guó)際市場(chǎng)的需求下降 ,使糠醛生產(chǎn)供大于求。以糠醛為原料 ,經(jīng)氧化酯化 反應(yīng)合成 DMF 是糠醛的深加工 ,消耗糠醛的途徑 ,在糠醛出口不景氣 ,價(jià)格下 跌時(shí) ,用

21、糠醛為原料制得 DMF 為糠醛的深加工開辟了一條良好的途徑。2. 合成工藝的選擇蘇州科技學(xué)院綜合實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)說明書O+ 2CH 3OHOH2SO 4OCH3本文選擇以富馬酸 :甲醇為 12（mol 比） ，濃 H2SO4 與富馬酸質(zhì)量比為 0.11 為催化劑，加熱升溫回流 2h ,得結(jié)晶,于甲醇中重結(jié)晶 ,得白色晶片產(chǎn)品 熔點(diǎn) 102104,產(chǎn)率 92. 5 % ,該產(chǎn)品如在水中重結(jié)晶 ,則為白色針狀結(jié)晶。該 法具有酯化產(chǎn)率高、高達(dá) 80%，工藝操作簡(jiǎn)單，原料便宜，來(lái)源廣，生產(chǎn)無(wú)污染 等優(yōu)點(diǎn)。 而且本法廢酸可加氨制成硫酸銨肥料 ,從而可減少處理廢酸的開支及污 染。四 . 生產(chǎn)工藝流程框圖蘇州科技學(xué)

22、院綜合實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)說明書圖 1 富馬酸二甲酯合成工藝流程簡(jiǎn)易方框圖草圖說明由于此反應(yīng)為液固相反應(yīng)， 并且催化劑腐蝕性較強(qiáng) , 所以選擇搪玻璃反應(yīng)釜。 反應(yīng)放出大量的熱 , 所以須采用換熱器進(jìn)行換熱。由以上流程圖可以看出， 甲醇與順丁烯二酸混合后， 加入到反應(yīng)釜中， 加熱 使其反應(yīng)，等溫度升至 60時(shí)，再加入硫酸，作催化劑和吸水劑。自反應(yīng)器流出 的反應(yīng)液，經(jīng)冷卻后結(jié)晶，進(jìn)入板框壓濾機(jī)， 進(jìn)行過濾。從壓濾機(jī)中排出的濾液， 用于之前的酯化反應(yīng)， 循環(huán)利用。再用蒸餾水洗滌濾餅， 除去濾餅上殘余反應(yīng)液。 將濾餅溶解于甲醇中，進(jìn)行重結(jié)晶，再過濾收集固體，進(jìn)行干燥，即得產(chǎn)物富馬蘇州科技學(xué)院綜合實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)說明書酸二

23、甲酯。五 . 物料衡算1. 已知數(shù)據(jù)生產(chǎn)任務(wù)：年產(chǎn) 200 噸富馬酸二甲酯 反應(yīng)原料純度：順丁烯二酸 98% 甲醇 98% 硫酸 98% 生產(chǎn)要求：年工作日為 300 天，間歇生產(chǎn)2. 順丁烯二酸與甲醇制備富馬酸二甲酯的物料衡算框圖3. 衡算過程3.1 物料衡算年工作日為 300 天，生產(chǎn)周期為 3小時(shí)，一天共 8 個(gè)操作周期 工藝生產(chǎn)實(shí)驗(yàn)操作產(chǎn)率為 79%反應(yīng)器中的主要反應(yīng)方程式：OH + 2CH 3OHH2SO4OCH 3H31) 一個(gè)周期需生產(chǎn)富馬酸二甲酯的量為：富馬酸二甲酯 m=200 1000/(79%3008)=105.5 kgn=105.5/144=0.733 kmol2) 一個(gè)

24、生產(chǎn)周期所需理論投料量為：10蘇州科技學(xué)院綜合實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)說明書順丁烯二酸 n=0.733 kmol甲醇m=0.733n=0.733m=1.466116=85.03 kg 2=1.466 kmol32=46.91 kg硫酸取順丁烯二酸反應(yīng)量的 9%硫酸 m=85.039%=7.65 kg3) 一個(gè)周期所需實(shí)際投料量為：順丁烯二酸 m=85.03/98%=86.77 kg甲醇m=46.91/98%=47.87 kg硫酸m=7.65/98%=7.81 kg4) 剩余甲醇和順丁烯二酸的量為：甲醇m=47.87-46.91 79%=10.81 kg順丁烯二酸 m=86.77-85.03 79%=19.60

25、 kg 將剩余的甲醇用于粗產(chǎn)品的重結(jié)晶。5) 反應(yīng)釜中生成的水量為 m=1.466 18 79%=20.85 kg6) 物料衡算表：進(jìn)料出料名稱Kg/h名稱Kg/h1順丁烯二酸86.77順丁烯二酸19.62甲醇47.87甲醇10.813硫酸7.81硫酸7.814水20.855DMF83.35合計(jì)14245合計(jì)142423.2 熱量計(jì)算1) 物質(zhì)帶入設(shè)備的總熱量 Q入： 設(shè)進(jìn)料溫度為 25，反應(yīng)終止出料溫度為 80 甲醇帶入反應(yīng)器的熱量 Q1Q1=M進(jìn) CpK=47.872.48298.1511蘇州科技學(xué)院綜合實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)說明書=35395.65 KJ順丁烯二酸帶入反應(yīng)器的熱量 Q2Q2=M進(jìn) Cp

26、K=86.77 3298.15=77611.43 KJ 硫酸帶入反應(yīng)器的熱量 Q3Q3=n 進(jìn) CpK=0.08 138.59298.15=3292.98 KJ帶入設(shè)備的總熱量為Q 入=Q1+Q2+Q3 =35395.65+77611.43+3292.98 =116300 KJ2) 反應(yīng)過程的反應(yīng)熱 Q 反應(yīng)熱表一：熱容數(shù)據(jù)比熱容 Cp kJ/(kg. )粘度 ( pa s)2熱導(dǎo)率 / w/(m k)甲醇2.251.63 10-50.05624水4.151.8 10-50.5741298Q1 n Cpdt (298 338) (2.25 46.91 3 85.03) 14426kJ338QR

27、 n Hm 3696.36 0.733 2709kjQ2 n298Cpdt (338 298)(4.15 20.85 3 83.35) 13463kjQ 3 Q1 QR Q214426 2709 13463 -3672kj3) 物質(zhì)帶出設(shè)備的總熱量 Q 出 甲醇帶出設(shè)備的熱量 Q1Q 1=n 出 CpK=10.81 50.69 ( 273.15+80)/32 =6047 KJ順丁烯二酸帶出設(shè)備的熱量 Q2Q2=M出 CpK=19.63353.1512蘇州科技學(xué)院綜合實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)說明書=20765 KJ富馬酸二甲酯帶出設(shè)備的熱量 Q3Q3=M出 CpK=83.35 3 353.15=88305 KJ

28、 水帶出設(shè)備的熱量 Q4Q4=M出 CpK =20.854.15 80=6922 KJ硫酸帶出設(shè)備的熱量 Q5Q5=n 出 CpK=7.81148.32 353.15/98=4174 KJ 帶出設(shè)備的總熱量為Q出 =Q1+Q2+Q3+Q4+Q5 =6047+20765+88305+6922+4174 =126213 KJ(4) 熱量衡算表：名稱進(jìn)料帶入熱量 KJ反應(yīng)熱 KJ出料帶出熱量 KJ116300-3672126213六 設(shè)備計(jì)算和選型1 反應(yīng)釜的結(jié)構(gòu)和材質(zhì)結(jié)構(gòu)： K型 材質(zhì)：搪玻璃2 反應(yīng)釜中物質(zhì)的平均密度的計(jì)算表二：物理性質(zhì)物質(zhì)名稱順丁烯二酸甲醇硫酸質(zhì)量 Kg86.7747.877.

29、81密度 g/cm 31.590.791.8413蘇州科技學(xué)院綜合實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)說明書根據(jù)公式其中1/ m i / ii: 物質(zhì)的質(zhì)量分?jǐn)?shù) i: 物料的密度 mi:物料的質(zhì)量 M: 總的物料質(zhì)量M=m 1+m2+m 3=86.77+47.87+7.81 =142.45kg1/ m=i/ i =86.77/(142.45 1.59)+ 47.87/(142.45 0.79)+ 7.81/(142.45 1.84)=0.83833m=1/0.8383 =1.193 g/cm 3=1.193 Kg/L物質(zhì)的總體積為： M/m=142.45/1.193 =119.4 L3 反應(yīng)釜的計(jì)算和選型（1）確定筒體和

30、封頭型式 從該反應(yīng)的反應(yīng)條件和反應(yīng)現(xiàn)象可以得知它是屬于帶攪拌的低壓反應(yīng)釜類 型，根據(jù)慣例，選擇圓柱形筒體和橢圓形封頭。（2）確定筒體和封頭直徑反應(yīng)物料先為液 -固相類型，后為液-液相類型，查表可得出， H/Di為 1-1.3該反應(yīng)的狀態(tài)為無(wú)泡沫和無(wú)沸騰情況，黏度也不大，故可取裝料系數(shù)=0.8 。反應(yīng)釜總體積為 119.4L ，則反應(yīng)釜的容積為 119.4/0.8=149.25L ，取反應(yīng)釜 容積為 250L即 0.25 m3,，考慮到容器不大，可取反應(yīng)釜直徑估算：1/3Di=4V/( H/Di) 1/31/3=4 0.25/(3.14 1.2) 1/3=0.643 m圓整至公稱直徑標(biāo)準(zhǔn)系列，取

31、 Di =600 mm。封頭取相同內(nèi)經(jīng)，其曲面高度由 查表的 h1=150 mm，直邊高度 h2，查表可取 25 mm。（3）確定筒體高度當(dāng) Di =600 mm， h2=25mm時(shí)，從表查得橢圓形封頭的容積 Vh=0.0352 m3 ，在計(jì) 算得筒體每一米高的容積 V1= 0.2826 m 3/m，則筒體高估算為：14蘇州科技學(xué)院綜合實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)說明書H= （V-Vh）/V1=（0.25-0.0352 ）/0.2826=0.76 m取 H為 0.7 m ，于是 H/Di=1.24）確定夾套直徑查表得： Di=Di +50=600+50=650 mm 夾套頭也采用橢圓形，并與夾套筒體取相同直徑。5

32、）確定夾套高度夾套筒體的高度估算：H i=（V-Vh）/V1=（0.80.25-0.0352 ）/0.2826=0.5832 m 取 Hi 為 600 mm。4. 離心泵的選型3 25下原料液甲醇密度查得原料液 =0.79 g/cm3設(shè)原料液在管路流速為 0.2m/s, 操作過程中，半小時(shí)進(jìn)料完畢。 進(jìn)料的體積流量VS=WF/F=95/790= 0.12m3/h=3.3410-5m3/s4 3.34 10 5 0.015m0.2d 4Vus管子內(nèi)經(jīng) u所以選用 254mm管實(shí)際流速0.18m/s，相對(duì)粗糙度 0.003375 ，粘度 0.000017 。 du 25 0.18 790Re 20

33、31431000 0.0000175查得摩察系數(shù) 0.027，取管長(zhǎng) L=8m 在泵和反應(yīng)器入口列伯努利方程： 22Z1P1u1HeZ2P2u2H f1g2g e2g2g f以儲(chǔ)罐為基準(zhǔn)面則：Z 1=0， Z2=0， P1=101.325kPa， P2=160kPa， u1=u2 管路中有兩個(gè)標(biāo)準(zhǔn)彎頭 2m，一個(gè)角式截止閥 6m。8 6 2 0.22Hf 0.027 0.059m則流體摩擦阻力揚(yáng)程損失 0.015 9.8 2P2 P1 160 101.325 3 HeH f103 0.059 7.64m那么： g f 790 9.8查得型號(hào)為 ISW100-100 的泵的揚(yáng)程為 11m，流量為

34、 62.6m3/h，能滿足要求， 故選此泵。15蘇州科技學(xué)院綜合實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)說明書5 換熱器的選型換熱器有多種形式， 但是大致又能分為兩類： 一類為管式換熱器， 包括固定 管板式換熱器、 浮頭式換熱器、 U型管式換熱器、 填料函式換熱器、 釜式換熱器、 沉浸式蛇管換熱器、噴淋式蛇管換熱器、套管式換熱器、翅片管式換熱器；另一 類為板式換熱器，包括平板式換熱器、螺旋板式換熱器、板殼式換熱器。由于反應(yīng)體系溫度不大， 所以選擇固定管板式換熱器。 因?yàn)槠湓靸r(jià)低， 可以 減少投資成本。七 . 車間布置設(shè)計(jì)1 反應(yīng)釜的布置釜式反應(yīng)器一般用掛耳支承在建 （構(gòu)）筑物上或操作臺(tái)的梁上 ; 對(duì)于體積大、 質(zhì)量大或振動(dòng)大

35、的設(shè)備， 要用支腳直接支承在地面或樓板上。 兩臺(tái)以上相同的反 應(yīng)器應(yīng)盡可能排成一直線。 反應(yīng)器之間的距離， 根據(jù)設(shè)備的大小、 附屬設(shè)備和管 道具體情況而定。管道閥門應(yīng)盡可能集中布置在反應(yīng)器一側(cè)，以便操作。本文采用間歇式操作，間歇操作的釜式反應(yīng)器布置時(shí)要考慮便于加料和出 料。液體物料通常是經(jīng)高位槽計(jì)量后靠壓差加入釜中 ; 固體物料大多是用吊車從 人孔或加料口加入釜內(nèi)， 因此，人孔或加料口離地面、 樓面或操作平臺(tái)面的高度 以 800 為宜。2 泵的布置泵應(yīng)盡量靠近供料設(shè)備以保證良好的吸人條件。 它們常集中布置在室外、 建 筑物底層或泵房。小功率的泵 （7kW以下） 布置在樓面或框架上。室外布置的泵

36、一 般在路旁或管廊下排成一行或二行， 電機(jī)端對(duì)齊排在中心通道兩側(cè)， 吸人與排出 端對(duì)著工藝罐。是泵在管廊內(nèi) （泵房?jī)?nèi)）的排列方式。泵的排列次序由相關(guān)的設(shè)備 與管道的布置所決定。 管廊或建筑物的跨度 A 由泵的長(zhǎng)度和它們奉身的要求所決 定。A=67m時(shí)，可布置一排泵加 3m寬的通道 ;A=10m左右時(shí)， 可布置兩排泵 （ 泵 短， A可以減小） 。管廊的柱間距月可按泵的布置需要調(diào)整，泵出口管位置 b 要 按泵標(biāo)注。電機(jī)端要對(duì)齊， 吸人端對(duì)著吸人罐使吸入管短而直， 泵的中心線在管 廊柱間均勻排列。 泵的周圍要留有空間和通道以便安裝閥門和管道， 控制閥布置 在靠近地面或柱子附近，并固定在柱子上。16

37、蘇州科技學(xué)院綜合實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)說明書3 換熱器的布置換熱器的熱量平衡由于涉及到傳熱效果， 換熱面積、 流動(dòng)溫差、流動(dòng)強(qiáng)度等 一系列問題，因此，換熱器在運(yùn)行過程中由于熱量積累、局部過熱、流體結(jié)焦或 氣化而引起的事故比較多。 化工廠中使用最多的是列管換熱器和再沸器， 其布置 原理也適用于其他形式的換熱器。 設(shè)備布置的主要任務(wù)是將換熱器布置在適 當(dāng)?shù)奈恢茫?確定支座、安裝結(jié)構(gòu)和管口方位等。 必要時(shí)在不影響工藝要求的前提 下調(diào)整原換熱器的尺寸及安裝方式 （立式或臥式 ） 。換熱器的布置原則是順應(yīng)流程 和縮小管道長(zhǎng)度， 其位置取決于它密切聯(lián)系的設(shè)備布置。 塔的再沸器及冷凝器因 與塔以大口徑的管道連接， 故應(yīng)采

38、取近塔布置， 通常將它們布置在塔的兩側(cè)。 熱 虹吸式再沸器直接固定在塔上， 還要靠近回流罐和回流泵。 自容器 （或塔底） 經(jīng)換 熱器抽出液體時(shí)， 換熱器要靠近容器 （ 或塔底 ） ，使泵的吸人管道最短， 以改善吸 入條件。八 環(huán)境保護(hù)與安全措施1 環(huán)境保護(hù)（一）“三廢”的來(lái)源生產(chǎn)過程中工業(yè)廢水的主要來(lái)源水洗產(chǎn)生的廢水； 反應(yīng)生成的廢液以及催化 劑硫酸、剩下的順丁烯二酸和甲醇容劑。（二） 治理方法目前，各部門對(duì)三廢的治理都極為關(guān)注。 作為防腐劑的新品種富馬酸二甲酯， 一定要解決生產(chǎn)中產(chǎn)生的污染， 這樣才能得到廣泛的生產(chǎn)和應(yīng)用。 富馬酸二甲酯 具有較強(qiáng)的刺激性， 對(duì)人畜有較大的危害， 所以在使用過

39、程中要注意保護(hù)自身的 安全，針對(duì)生產(chǎn)富馬酸二甲酯過程中出現(xiàn)的污染， 我們定制了以下治理方法： 一、 把最終的濾液減壓精餾， 分離甲醇和水， 達(dá)到循環(huán)利用的目的， 既能減少污染程 度，又能提高經(jīng)濟(jì)效益。二、把重結(jié)晶的廢液再重新處理，提取甲醇，既環(huán)保又 經(jīng)濟(jì)。2 安全措施（1）甲醇及防護(hù)甲醇對(duì)中樞神經(jīng)系統(tǒng)有麻醉作用； 對(duì)視神經(jīng)和視網(wǎng)膜有特殊選擇作用， 引起 病變；可致代射性酸中毒。 短時(shí)大量吸入出現(xiàn)輕度眼上呼吸道刺激癥狀 （口服有 胃腸道刺激癥狀）；經(jīng)一段時(shí)間潛伏期后出現(xiàn)頭痛、頭暈、乏力、眩暈、酒醉感、17蘇州科技學(xué)院綜合實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)說明書意識(shí)朦朧、譫妄，甚至昏迷。視神經(jīng)及視網(wǎng)膜病變，可有視物模糊、復(fù)

40、視等，重 者失明。 代謝性酸中毒時(shí)出現(xiàn)二氧化碳結(jié)合力下降、 呼吸加速等。 神經(jīng)衰弱綜合 征，植物神經(jīng)功能失調(diào)，粘膜刺激，視力減退等。皮膚出現(xiàn)脫脂、皮炎等。密閉操作，加強(qiáng)通風(fēng)。儲(chǔ)存于陰涼、通風(fēng)的庫(kù)房。遠(yuǎn)離火種、熱源。庫(kù)溫不 宜超過 30。保持容器密封。應(yīng)與氧化劑、酸類、堿金屬等分開存放，切忌混 儲(chǔ)。采用防爆型照明、通風(fēng)設(shè)施。禁止使用易產(chǎn)生火花的機(jī)械設(shè)備和工具。儲(chǔ)區(qū) 應(yīng)備有泄漏應(yīng)急處理設(shè)備和合適的收容材料。（2）硫酸的毒性與防護(hù)硫酸對(duì)皮膚、粘膜等組織有強(qiáng)烈的刺激和腐蝕作用。對(duì)眼睛可引起結(jié)膜炎、 水腫、角膜混濁，以致失明；引起呼吸道刺激癥狀， 重者發(fā)生呼吸困難和肺水腫； 高濃度引起喉痙攣或聲門水腫而

41、死亡?？诜笠鹣赖臒齻灾翝冃纬?。 嚴(yán)重者可能有胃穿孔、腹膜炎、喉痙攣和聲門水腫、腎損害、休克等。慢性影響 有牙齒酸蝕癥、慢性支氣管炎、肺氣腫和肺硬化。儲(chǔ)存于陰涼、通風(fēng)的庫(kù)房。庫(kù)溫不超過 35，相對(duì)濕度不超過 85%。保持容 器密封。應(yīng)與易（可）燃物、還原劑、堿類、堿金屬、食用化學(xué)品分開存放，切 忌混儲(chǔ)。儲(chǔ)區(qū)應(yīng)備有泄漏應(yīng)急處理設(shè)備和合適的收容材料。（3）富馬酸二甲酯的毒性與防護(hù)DMF會(huì)導(dǎo)致健康損害。根據(jù)臨床試驗(yàn)， DMF可 經(jīng)食道吸入對(duì)人體腸道、內(nèi)臟 產(chǎn)生腐蝕性損害；并且當(dāng)該物質(zhì)接觸到皮膚后，會(huì)引發(fā)接觸性皮炎痛楚，包括 發(fā)癢、刺激、發(fā)紅和灼傷；對(duì)人類的身體健康造成了極大的危害。因此，

42、DMF的 存在成為一種嚴(yán)重威脅。儲(chǔ)存于陰涼、通風(fēng)、防水、防潮的庫(kù)房。操作時(shí)，操作人員應(yīng)戴好手套，以 防止沾染到富馬酸二甲酯。九 . 設(shè)計(jì)體會(huì)通過約三星期的奮斗過程，我完成了年產(chǎn) 200 噸的富馬酸二甲酯的綜合設(shè) 計(jì)，工藝設(shè)計(jì)其實(shí)涵蓋了很多內(nèi)容，是整個(gè)工程設(shè)計(jì)的龍頭。物料衡算，熱量衡 算，時(shí)間平衡等是必須清楚的。尤其的熱量衡算，也包括反應(yīng)熱的計(jì)算。如果反 應(yīng)熱不會(huì)計(jì)算， 那是很可怕的。 本次綜合設(shè)計(jì)讓我開闊了視野， 進(jìn)一步了解了實(shí) 際生產(chǎn)的知識(shí)和需求， 這為即將參與社會(huì)工作的我提供了一個(gè)很好的平臺(tái)。 通過 使用網(wǎng)絡(luò)和圖書館的資源， 讓我更加懂得信息的重要性； 通過不斷的思考和斟酌， 讓我更加獨(dú)立自主； 通過理論與實(shí)際的結(jié)合， 讓我很好地把知識(shí)學(xué)以致用。 、 在這次設(shè)計(jì)中， 遇到了不少的困難。 它所涉及的知識(shí)是全面的， 包括化工原18蘇州科技學(xué)院綜合實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)說明書理、物理化學(xué)、化工設(shè)計(jì)、化學(xué)反應(yīng)工程、化工工藝制圖等。它并不是靠單方面 知識(shí)完成的，也不是各方面知識(shí)的簡(jiǎn)單加和，而是運(yùn)用多方面知識(shí)的協(xié)同作用。 設(shè)計(jì)對(duì)我所起的啟示很重大。 在本次設(shè)計(jì)中， 我清楚認(rèn)識(shí)到自身知識(shí)的不夠和對(duì) 實(shí)際生產(chǎn)了解的缺乏， 今后我一定要從各方面著手來(lái)增長(zhǎng)見識(shí)和閱