富马酸二甲酯的综合课程设计

1、淮 海 工 学 院化工设计报告书题 目： 富马酸二甲酯的工艺设计 系 （院）： 化学工程学院 专 业： 化学工程与工艺 班 级： 化工111 班 姓 名： 黄佳伟 学 号： 2011121153 指导老师： 田永广 成 绩： 2014年 05 月 13日目 录1 概述31.1 富马酸二甲酯的介绍31.2 富马酸二甲酯的性质及用途3 1.2.1 富马酸二甲酯的性质3 （1）化学性质3 （2）物理性质3 1.2.2 富马酸二甲酯的用途32 富马酸二甲酯的市场分析43 生产流程的选择43.1 生产的一般方法44.3 工艺流程叙述65 物料衡算和热量衡算65.1 全流程物料衡算65.1.1 合成塔物料

2、衡算65.1.2 水洗过滤物料衡算75.2 全流程热量衡算86 参考文献97 符号说明101 概述1.1 富马酸二甲酯的介绍 富马酸二甲酯简称为DMF。它具有低毒(LD_(50)大白鼠口服为2240毫克/公斤)、高效、广谱抗菌的特点，对霉菌有特殊的抑菌效果。可应用于面包、饲料、化妆品、鱼、肉、蔬菜及水果的防霉。DMF用于面包的防霉效果大大优于丙酸钙。据国内研究表明，DMF具有较好的抗真菌能力，对于饲料的防霉效果优于丙酸盐、山梨酸及苯甲酸等酸性防腐剂，在含500800 ppm的PDA培养基中对许多霉菌及细菌起到完全抑制作用。 1.2 富马酸二甲酯的性质及用途 1.2.1 富马酸二甲酯的性质（1）

3、化学性质富马酸二甲酯在辐射或加热条件下会分解成甲烷、乙烷、甲醛、二氧化碳及一氧化碳（产物取决于反应条件及催化剂）。富马酸二甲酯可作为烷基化合剂，在很多场合中，它具有甲基化反应性能，例如在硅酸铝催化剂存在的条件下，富马酸二甲酯可以与苯发生烷基化反应而生成甲苯、二甲苯及多烷基苯。富马酸二甲酯与一氧化碳反应可生成乙酸或乙酸甲脂；与二氧化碳反应则生成甲氧基乙酸。当与氰化氢反应时则生成乙腈。此外，富马酸二甲酯可与三氟化硼形成络合物，其分子式（CH3）2OBF3，此络合物在空气中发烟，而在水或醇中则可分解。DME还可选择性氯化为各种氯化衍生物。无致癌性、腐蚀性甚微。（2）物理性质1、酯含量：99.0%；

4、2、不挥发物：0.1%； 3、重金属（以Pb计）：0.002%； 4、熔点：101-104； 5、沸点：193； 6、相对密度：1.37； 7、游离酸：合格1.2.2 富马酸二甲酯的用途产品用途富马酸二甲酯是美国80年代开发出来的一种新型防霉剂，取名为“霉敌”。具有高效、低霉（LD）大白鼠服为2240mg/kg），对许多霉菌有特殊的抑制效果，并且具有抗真菌能力，广泛应用于食品、饮料、饲料、中药材、化妆品、鱼、肉、蔬菜、水果等防霉、防腐、防虫、保鲜、据报道，美国把富马酸二甲酯用于面包防霉实验，在同样条件下储存面包不发霉期，加丙酸钙的面包为1630天，而加富马酸二甲酯面包为475天，其药效大大优于

5、丙酸钙。其结果表明富马骏二甲酯对食品中常见的八种霉菌（如黄曲霉、黑曲霉、青霉、高链孢霉、白地霉、串珠镰刀菌等）有明显的抑制作用，用于饲料的防霉优于丙酸盐、山梨酸及苯甲酸二甲酯配成的挥发性溶液喷酒在衣柜，书柜中，也获得了很好的防霉效果，此外，富马酸二酯是一种很在发展前景的新型防霉剂，正在引起国内外食品行业的高度重视。因此开发生产富马酸二甲酯不仅具有现实意义而且还具有明显的经济效益和社会效益。 2 富马酸二甲酯的市场分析国外生产富马酸二甲酯的国家有美国、日本、德国等。美国的产量为4000T/Y，日本为8000T/Y， 中国在80年代未研制出富马酸二甲酯，并于1990年在甘肃天水建成一套200T/Y

6、的生产线，继后江苏、江西、山东、陕西省均有装置上马，但规模都不大，累计中国总产量约在8001000T/Y。 中国有数万家食品、饮料、饲料生产厂，有十多万家酱油厂和大面积的瓜果蔬菜生产基地，全国每年对防霉防腐保鲜剂的需求量在4万吨以上。作为新一代的防霉剂富马酸二甲酯应用领域广，市场容量大，前景十分光明。3 生产流程的选择3.1 生产的一般方法1、硫酸催化合成DMF 不含富马酸二甲酯的干燥剂 硫酸作为催化剂是经典的合成法,产品收率可以达到92%4，8，9，虽然这种方法简单收率高，但是，由于硫酸的腐蚀性，会引起副反应，且有三废污染等缺点。 2、对甲苯磺酸催化合成DMF 甲苯磺酸作为催化剂合成DMF，

7、产品产率为67%左右。对甲苯磺酸是一种有机酸，虽然其对设备的腐蚀性和三废比较少、不易引起副反应、产品色泽好、价廉易得、易于保存运输和使用，用量少，活性高，但是产率比较低等缺点。 3、树脂催化合成DMF 强酸性阳离子交换树脂早在20世纪50年代就开始用于一些酯化反应中，生成的酯色度低，后处理方便，可重复使用，对设备无腐蚀性，不产生三废，极有工业使用价值。使用强酸性离子交换树脂作为催化剂合成DMF，其产率可达到91.4%。 4、固体超强酸催化合成DMF 固体超强酸催化合成富马酸二甲酯超强酸是酸强度比100%硫酸更强的酸。固体超强酸具有不腐蚀设备、不污染环境、不怕水、耐高温、反应活性高、选择性好、制

8、造容易、在反应体系中易分离、不易中毒等优点,同时可以重复使用,因而具有一定的工业应用价值。 5、氯化铁催化合成DMF 谱尼测试提供富马酸二甲酯检测服务 结晶氯化铁催化合成富马酸二甲酯结晶氯化铁（FeCI3·6H2O）是一种价廉易得的化合物，利用它催化合成富马酸二甲酯，腐蚀小，三废污染较轻，操作方便，有一定用价值,其有利应用条件是：当催化剂0.8g，富马酸58g，甲醇20ml，即摩尔比为0.06110，回流4h，得白色结晶产品，收率达61.7%13。 6、杂多酸催化合成DMF 杂多酸是由两种以上无机含氧酸缩合而成的多元酸,它不仅具有多元酸和多电子还原能力,而且其酸性和氢化还原性可以通过

9、变换组成元素在很大范围内系统地调节。它对许多反应具有高的催化活性和选择性,并且不挥发,对热稳定、污染少、可以大大减轻对设备的腐蚀,能够再生和重复使用。 7、稀土化合物催化合成DMF 稀土化合物是我国易得、资源丰富的化合物,开发稀土化合物的利用很有经济价值。李晓莉等利用三氧化二钕(Nd2O3)催化合成了富马酸二甲酯，当15g富马酸,30ml甲醇，三氧化二钕用量为3%，回流4h，得产品收率90%15。 8、BF3·(C2H5)2O催化合成DMF 三氟化硼(BF3)是强的电子接受体，强的Lewis酸，能够与供电子的羧酸中羧基形成复合物，使羧基中的碳带更多的正电荷，但BF3是气体，故催化酯化

10、反应的进行，常利用其与醇或醛等形成钅羊盐而使用。3.2 本设计采用的工艺作为有方法简单收率高的硫酸催化合成法，产品利益的最大化，操作步骤少。4 工艺流程设计4.1 原料来源及产品规格 原料： 富马酸（99.98%）;甲醇（99.98%） 产品规格：富马酸二甲酯含量99%反应条件：反应温度6065；反应压力8bar；反应选择性为1；转化率为83.9% 4.2 工艺流程图废液富马酸甲醇硫酸合成离心废液重结晶甲醇干燥产品水洗图4-1 富马酸二甲酯生产工艺流程方框图4.3 工艺流程叙述 在年产量130吨/富马酸二甲酯生产装置的工艺设计过程中，综合考虑现有一些富马酸二甲酯生产装置在热量平衡上的不足之处，

11、立足于全系统热能的充分利用，以最大限度地达到节能降耗的效果，同时本着节约投资、方便操作与维护的原则对工艺流程进行合理优化，在此基础上设计130吨/富马酸二甲酯生产装置的工艺流程,按照7200小时开工计算。参见130吨/富马酸二甲酯生产装置带物料点工艺流程图（图4-1）(PFD)(1)原料甲醇原料直接采用市售质量分数为99%的甲醇合成富马酸二甲酯。99%的富马酸，以及98%的浓硫酸。 (2)反应在DMF合成反应器中产生的反应如下所示:5 物料衡算和热量衡算5.1 全流程物料衡算5.1.1 合成塔物料衡算将原料及产品规格换算成摩尔分率，即原料：甲醇含量99 %，水含量1，富马酸含量99%,浓硫酸（

12、98%）产品：DMF99要求年产130吨富马酸二甲酯，取反应时间2h,其他时间1 h,则间歇时间为3h，一天8次，则每次生产富马酸二甲酯的量为：又因产品富马酸二甲酯回收率为= 98，则则反应器生成富马酸二甲酯量为：反应器应加入甲醇量为：甲醇原料进料量：富马酸进料量为：按化学计量关系计算反应器出口各组分量甲醇 0.9120.912×0.839=0.147 kmol富马酸 0.456-0.456×0.839=0.073 kmol 富马酸二甲酯 0.379 kmol硫酸 0.09×0.379×0.98=0.033kmol水0.912×0.01+0.4

13、56×0.01+0.09×0.3797×0.02=0.0144 kmol表5-1 反应器物料衡算表组分进料 F0/(koml)进料 qm0/(kg)出料 F/(koml)出料 qm/(kg)富马酸0.45652.8960. 07310.512甲醇0.91229.1840.14474.6304水0.01440.2592 0.01440.2592硫酸0.0333.2340.0333.234富马酸 二甲酯000.37954.576合计1.415485.57320.644173.20445.1.2 水洗过滤物料衡算水洗前粗产品：0.6441kmol水洗后粗产品；0.644

14、1-0.073-0.033-0.1447=0.3934kmol5.2 全流程热量衡算（1）热量衡算基准温度取298K,由物性手册查的在25下:表5-5 物性数据比热容Cp/kJ/（kg.） 粘度/pa.s热导率/w/(m2k)硫酸（1） 0.13 2.67×10-5 0.03甲醇（2） 2.25 1.63×10-5 0.05624水（3） 4.15 1.8×10-5 0.5741Q1=(298-338)*(2.25*29.184+3*52.896)=-8974KJQR=n=-1400.92KJQ2=n=(338-298)*(2.25*4.6304+3.0*10.5

15、12+3.0*54.576)=8085KJQ=Q1+QR+R2=-8974-1400.92+8085=-2289.92kJ/h板框压滤机是很成熟的脱水设备，在欧美污泥脱水项目上应用很多。广东金凯地板框式压滤机将带有滤液通路的滤板和滤框平行交替排列，每组滤板和滤框中间夹有滤布，用压紧端把滤板和滤框压紧，使滤板与滤板之间构成一个压滤室。污泥从进料口流入，水通过滤板从滤液出口排出，泥饼堆积在框内滤布上，滤板和滤框松开后泥饼就很容易剥落下来，具有操作简单，滤饼含固率高，适用性强等优点。压滤机作为固液分离设备，应用于工业生产已有悠久历史，它具有分离效果好、适应性广，特别对于粘细物料的分离，有其独特的优越

16、性。 压滤机分为板框式压滤机和厢式压滤机，压滤机是一种间歇式过滤设备，用于各种悬浮液的固液分离。它是依靠压紧装置将滤板压紧，再将悬浮液用泵压入滤室，通过滤布来达到将固体颗粒和液体颗粒分离的目的。 板框压滤机是很成熟的脱水设备，在欧美早期的污泥脱水项目上应用很多，板框压滤机的结构较简单，操作容易，稳定，过滤面积选择范围灵活，单位过滤面积占地较少，过滤推动力大，所得滤饼含水率低，对物料的适应性强，适用于各种污泥。6 参考文献1 吴指南 主编. 基本有机化工工艺学(修订版), 北京: 化学工业出版社,19902华东化工学院机械制图教研组 编. 化工制图, 北京:高等教育出版社, 19803 北京燕山

17、石油化工公司 编. 燕化公司石油化工生产装置技术资料汇编. 19884 上海医药工业设计院 编. 化工工艺设计手册, 北京:化学工业出版社,19865卢焕章 等. 石油化工基础数据手册, 北京: 化学工业出版社, 19826、姚玉英主编.化工原理.天津：天津科学技术出版社，1990。7、中国石化集团.化工工艺设计手册(上、下册). 第2版. 北京：化学工业出版社，1994。8、化学工程手册编辑委员会. 化学工程手册.北京：化学工业出版社，1986。9、石油化工规划设计院.塔的工艺设计. 北京：石油化学工业出版社，1977。10、燃化部第六化工设计院.气液传质设备设计.北京:燃料化学工业出版社,1978。11、侯文顺.化工设计概论.第2版.北京：化学工业出版社，20057 符号说明英文字母D塔顶流量，kmol/h ； 液相中易挥发组分的摩尔分数；F进料流量，kmol/h ； 气相中易挥发组分的摩尔分数；W塔釜