富马酸二甲酯合成工艺设计.docx

1、富马酸二甲酯合成工艺设计富马酸二甲酯合成工艺设计一 设计任务1、 基本数据生产任务：年产200吨富马酸二甲酯反应原料纯度：顺丁烯二酸 98% 甲醇 98% 硫酸 98%生产要求：年工作日为300天，间歇生产 2、设计内容及要求（1） 内容1、对富马酸二甲酯反应系统的物料衡算、热量衡算；2、主体反应设备合成釜的选型计算以及辅助设备的选型计算；3、绘制物料衡算的工艺流程图（一张）；4、绘制带控制节点的的工艺流程图（一张）；5、绘制车间平面布置图（一张）；6、编制设计说明书（一份）。（二） 具体要求1、绘制的带控制点的工艺流程图必须符合化工制图的规范，并且字体必须工整。2、编制的课程设计说明书应对计

2、算过程与工艺流程的选择以及控点的确定进行详细的说明和解释。二 产品简介富马酸二甲酯为由甲醇与富马酸或顺丁烯二酸酐、顺丁烯二酸酯化而成 ,简称富马酯(DMF) ,学名反丁烯二甲酯 、别名延胡索酸二甲酯 ,结构式 ( :CHCOOCH3) 2 ,分子式 C6H8O4 ,是无色或白色鳞片晶体 ,熔点 102105 ,常温会升华 ,无味 ,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 ,微溶于水及热水中 ,对光稳定 ,在紫外线及阳光下 72 h 基本无变化 ,110 热 1 h 不分解 ,对热、碱、盐也有一定的稳定性。但其水溶液对热的酸、碱稳定性较差 ,对氧化剂、还原剂、

3、蛋白质、纤维、脂肪、糖等有好的稳定性 ,对金属无腐蚀性 ,其水溶液 pH 值为 6. 77. 3 ,所以 DMF 性质稳定。富马酸二甲酯(DMF)是目前国内外研究开发的一种新型防霉防腐剂 ,具有良好的抑菌杀菌作用 ,其应用 pH 值范围较广(为 38) ,可在酸性或中性条件下使用 ,能抑制 30 多种霉菌。其综合抗菌防腐性能优于目前常用的苯甲酸、山梨酸、丙酸及盐、脱氧醋酸等同类防腐剂。它具有很强的生物活性，因升华而具有熏蒸性，因而具有接触杀菌与熏蒸杀菌双重作用，其毒性低，该物质进入人体后很快变成人体代谢的正常成分“富马酸”，其应用重复性好。这是一种具有高效、低毒、广谱杀菌 ,且成本低、价格便宜

4、的防腐防霉剂 ,发展前景广阔。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

5、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。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

6、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。三 生产工艺的选择1. 合成工艺的比较1.1甲醇与富马酸催化合成1.1.1 浓 H2SO4为催化剂以富马酸:甲醇为 12(mol 比) ，浓 H2SO4 与富马酸质量比为 0.11 ，加热升温回流 3h ,得结晶,于甲醇中重结晶 ,得白色晶片产品 ,熔点 102104,产率 92. 5 % ,该产品如在水中重结晶 ,则为白色针状结晶。该法质量及收率都好。近来在上述配比等条件下 ,用微波连续辐射回流反应 ,在达同样质量及产品收率情况下 ,反应时间仅为原来的 1/ 81/ 10 ,这是由于原料

7、的酸及醇均为极性分子 ,且存在同种分子及异种分子间的氢键导致分子间缔合 ,从而降低了反应物活性。而微波可使氢键扭曲而削弱 ,所以降低分子缔合性 ,提高反应活性。微波还可提高浓H2SO4 活性 ,所以低功率已可大大提高反应速度 ,加速缩短完成反应的时间 ,在同样设备下 ,生产能力可提高数倍。本法废酸可加氨制成硫酸铵肥料 ,从而可减少处理废酸的开支及污染。该法具有酯产率高、工艺简单等优点 ,但使用H2SO4或 HCl 作催化剂具有严重的腐蚀性 ,易发生副反应 ,并污染环境等缺点。为克服H2SO4作催化剂的缺点 ,近年来国内外许多化学工作者都在探索更好的催化剂取代H2SO4。1.1.2 氯化亚锡催化

8、合成富马酸二甲酯富马酸5.8g，20.4mL甲醇及3%（以富马酸摩尔数为基准）的氯化亚锡，升温至95，搅拌回流酯化4h后，将混合物注入100mL的蒸馏水中，用饱和的碳酸氢钠滴定至pH 值 为8，过滤得DMF粗品，将粗品用甲醇重结晶后得无色片状的精品富马酸二甲酯，mp=102-103，产率为95%左右。该法操作简便，设备简单，产率较高，适于现在工业设备加工改进生产。催化剂氯化亚锡易于分离，降低工业成本。1.1.3 硫酸锆作催化剂取甲醇:富马酸为8.61(mol 比) ,硫酸锆富马酸为 1： 10 (质量比) ,热回流 10h ,蒸去未反应甲醇 , 稍冷 ,水洗 ,用 10 % NaHCO3 中和

9、到 pH 值 7 ,析出结晶 ,离心分离 ,水洗晶体 ,干燥得 DMF。熔点 102104 ,收率 91 %92 %。该法催化剂 Zr(SO4)2nH2O 成本为 2 万元/ t ,酯化过程可循环多次使用 , 每吨 DMF 所耗硫酸铝与浓H2SO4 催化剂成本相近 ,而腐蚀性比浓H2SO4 少 ,所以反应设备投资可减少一半 ,且催化剂可过滤掉 ,没有 H2SO4 污染 ,并且操作条件也大为改善。其甲醇循环量仅为用 BF3 乙醚液作催化剂的几分之一 ,所以甚受工厂欢迎。1.1.4BF3 (C2H5) O 作催化剂用4A 分子筛脱水后甲醇与富马酸摩尔比为37 :1 ,在 BF3 (C2H5) O

10、催化剂下热回流 5h (充分搅拌) 、冷却结晶 ,离心分离、滤饼用甲醇洗涤 ,母液甲醇经无水处理后循环利用 ,得白色鳞片 ,熔点 101102 , 纯 度 99 % , DMF 收 率 94 %。该 法 BF3(C2H5) O 用量少 ,单耗成本低、产品纯度及收率甚好。反应时间短 ,生产设备利用率高 ,在搪瓷反应釜内反应已可 ,投资及卫生条件好 ,已在工业生产中采用。1.1.5结晶氯化铁催化合成富马酸二甲酯结晶氯化铁(FeCl36H2 O) 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 ,有一定应用价值 ,其有利应用条件是:当催化剂0.8g(0.0

11、03 mol) ,富马酸 5.8 g (0.05 mol) ,甲醇 20 ml (0.50 mol) ,即摩尔比为 0.06110 ,回流 4 h ,得白色结晶产品 ,收率达 61.7 % 。1.2马来酸酐异构酯化法该法采用二步合成法 ,第一步由马来酸酐水解异构化生成富马酸 ,第二步由富马酸和甲醇酯化生成 DMF。当马来酸酐溶解于甲醇后 ,大部分很快成马来酸一甲酸 ,加入转位剂后成富马酸一甲酯，继而被酯化成富马酸二甲酯。由于所用催化剂不同而工艺条件也各异。1.21以 HCl 为主催化剂 ,H3PO4 为助催化剂法先把顺丁烯二酸酐与甲酸在 HCl 催化下异构化 ,加热搅拌 7080 回流 ,继而

12、在 H3PO4下90 酯化 ,反应结束后冷却结晶、过滤、洗涤、干燥 ,得DMF。熔点 102104 。反应物中顺丁烯二酸酐甲醇为 1：10(mol 比) ,HCl 20ml ,H3PO4 35ml ,DMF纯度 99 % ,收率 94 %。该法产品纯度及收率较高 ,但催化剂具腐蚀性 ,在工业上有采用价值。1.2.2以 AlCl3 为主催化剂 ,H3PO4 为助催化剂法以马来酸酐 1mol ,甲醇 4mol ,AlCl3 0. 05mol 的比例投料 ,于7880 回流搅拌 ,继而加H3PO40. 37mol 于 90 酯化 ,反应结束后冷却结晶 ,用饱和 NaHCO3 溶液中和、过滤、洗涤、干

13、燥 ,用甲醇重结晶 ,得结晶 DMF ,熔点 104 ,收率 82 %。AlCl3法比 HCl 法腐蚀性小 , H3PO4 用量少 ,成本低 ,如要熔点 101102 的 DMF ,则收率为 90 % ,适合工业化生产。此法具有原料易得、价格低廉、产品成本低的特点 ,适宜于工业化生产。与第一种方法相比 ,更重要的是富马酸的用途较广 ,来源有限 ,价格较高 ,而目前我国生产的马来酸酐则发展较快 ,出现过剩 ,下游产品开发不够 ,因此用马来酸酐制取 DMF 也是经济效率较好的方法。1.2.3以混合催化剂为催化剂马来酸酐与甲醇在混合催化剂的作用下 ,一步合成了富马酸二甲酯。确定了最佳工艺条件 :三氯

14、化铁0. 5 g ,浓硫酸 1.0ml ,浓磷酸 2.0ml ,硫脲 1.0 g ,溴化钠 1.0g ,马来酸酐 4 g 及甲醇 ,回流反应 2 h ,产率达88 % ,产品纯度大于 99 %。在带有回流装置的三口瓶中加入马来酸酐与甲醇 ,按比例分别加入几种催化剂 ,加热回流反应一定时间 , 待反应结束后 ,将反应物转移至蒸馏装置中 ,蒸出过量的甲醇 ,剩余物倒入烧杯中 ,在搅拌下 ,将 5 倍于剩余物的冰水加入烧杯中 ,外部用冰盐水冷却至 5 左右 ,继续搅拌结晶 ,待结晶完全后抽滤分离出结晶 ,经洗涤、重结晶和真空干燥得到纯品 DMF。该法具有操作简便、反应时间短的特点。1.2.4.盐酸、

15、磷酸催化合成富马酸二甲酯以 1 mol (98 g) 顺丁烯二酸酐、 10mol (320 g) 甲醇为原料 ,20 ml 盐酸为催化剂 ,32 ml 磷酸为助催化剂 ,回流反应 4 h ,得 DMF 收率达 94 % ,纯度达 99 %2,3,本法原料易得 ,设备简单 ,操作方便 ,产品收率高 ,纯度高 ,比起单纯盐酸催化法对设备的腐蚀性稍小 ,能适合于工业生产。1.2.5.对甲苯磺酸催化合成富马酸二甲酯与结晶氯化铁一样 ,对甲苯磺酸同样能催化顺丁烯二酸酐与甲醇的酯化作用 ,再在 Br2 作用下光照游离基转化成富马酸二甲酸。当 0.10 mol(9.8 g)顺丁烯二酸酐 ,0.75 mol

16、(30 ml) 甲醇 ,在 0.0013 mol (0.25 g) 对甲苯磺酸作用下回流 3 h ,再加入少量Br2/ CCl4 ,红外灯照射 15 min ,可得富马酸二甲酯收率 70.8 % ,残留液再加Br2/ CCl4 ,反复光照仍可得少量产品 ,经 4 次光照总收率可达 75 %以上。若按 3个单程计算 ,平均单程收率超过 90 %。由于对甲苯磺酸是固体 ,保管、运输、使用方便 ,用量少 ,活性高 ,对设备的腐蚀及污染均比硫酸小 ,所以生产上有利用价值。1.2.6.树脂催化合成富马酸二甲酯强酸性阳离子交换树脂是一种固体磺酸 ,来源容易、价廉 ,对设备无腐蚀性 ,其本身不会产生环境污染

17、 ,是当前酯化反应中的优良催化剂 ,已用于部分酯的合成工业生产中 ,同样能催化顺丁烯二酸酐的酯化,然后在 Br2/ CCl4 作用下经光照转化成富马酸二甲酯。其有利条件为:0.1 mol(9.8 g)顺丁烯二酸酐 ,0.5 mol(20 ml)甲醇 ,在 1.0 g 树脂催化下回流5h ,再在 Br2/ CCl4 作用下经红外灯光照 15 min ,得富马酸二甲酯收率达 68.1 % ,接近对甲苯磺酸的催化效果 ,而且树脂能够重复使用 ,活性几乎不变 ,是开发利用顺丁烯二酸酐合成富马酸二甲酯的有效方法 ,具有工业应用价值。1.3甲醇与马来酸催化合成1.3.1 HCl为催化剂工艺过程为:加热工业

18、马来酸及甲醇 ,并在搅拌下滴入浓 HCl ,回流 3045min 异构化成富马酸 ,继而加入甲醇、催化剂 ,带水剂 ,热回流 35h (7585 ) ,冷却结晶 ,离心过滤 ,冰水洗涤晶体 ,干燥得粗 DMF ,用甲醇重结晶得精制(干燥过)DMF ,产率91 % ,熔点 102104 ,白色鳞片状 ,纯度 99. 75 %。未重结晶 DMF 纯度为 92. 4 % ,产率 95. 1 %。其投料比马来酸HCl甲醇(质量比) 为 1222. 5 ,催化剂与带水剂分别为马来酸的 1/ 51/ 3 与 1/ 41/ 2 (质量比) 为好。该法经济便宜、工艺简单、操作方便 ,只是盐酸有相当用量及有腐蚀

19、性 ,但也适合工业上采用 ,且催化剂及甲醇可循环利用。1.4以糠醛为原料合成 DMF该法也是两步合成法 ,第一步是糠醛在催化剂 V2O5作用下经 KClO3氧化制得富马酸 ,第二步是富马酸和甲醇酯化制取 DMF。糠醛是利用农作物加工的副产品玉米芯、燕麦壳和甘蔗渣等为原料制得的重要有机化工原料 ,用途广泛。我国的糠醛生产能力达 10 万 t/ a ,产品的 80 %90 %供应国外市场 ,但近年来由于国际市场的需求下降 ,使糠醛生产供大于求。以糠醛为原料 ,经氧化酯化反应合成 DMF 是糠醛的深加工 ,消耗糠醛的途径 ,在糠醛出口不景气 ,价格下跌时 ,用糠醛为原料制得 DMF 为糠醛的深加工开

20、辟了一条良好的途径。2. 合成工艺的选择本文选择以富马酸:甲醇为 12(mol 比) ，浓 H2SO4 与富马酸质量比为 0.11 为催化剂，加热升温回流 2h ,得结晶,于甲醇中重结晶 ,得白色晶片产品 ,熔点 102104,产率 92. 5 % ,该产品如在水中重结晶 ,则为白色针状结晶。该法具有酯化产率高、高达80%，工艺操作简单，原料便宜，来源广，生产无污染等优点。而且本法废酸可加氨制成硫酸铵肥料 ,从而可减少处理废酸的开支及污染。四. 生产工艺流程框图 图1富马酸二甲酯合成工艺流程简易方框图草图说明由于此反应为液固相反应，并且催化剂腐蚀性较强,所以选择搪玻璃反应釜。反应放出大量的热,

21、所以须采用换热器进行换热。由以上流程图可以看出，甲醇与顺丁烯二酸混合后，加入到反应釜中，加热使其反应，等温度升至60时，再加入硫酸，作催化剂和吸水剂。自反应器流出的反应液，经冷却后结晶，进入板框压滤机，进行过滤。从压滤机中排出的滤液，用于之前的酯化反应，循环利用。再用蒸馏水洗涤滤饼，除去滤饼上残余反应液。将滤饼溶解于甲醇中，进行重结晶，再过滤收集固体，进行干燥，即得产物富马酸二甲酯。五. 物料衡算1. 已知数据生产任务：年产200吨富马酸二甲酯反应原料纯度：顺丁烯二酸 98% 甲醇 98% 硫酸 98%生产要求：年工作日为300天，间歇生产2. 顺丁烯二酸与甲醇制备富马酸二甲酯的物料衡算框图图

22、 13. 衡算过程3.1 物料衡算年工作日为300天，生产周期为3小时，一天共8个操作周期工艺生产实验操作产率为79%反应器中的主要反应方程式：（1） 一个周期需生产富马酸二甲酯的量为： 富马酸二甲酯 m=2001000/（79%3008）=105.5 kg n=105.5/144=0.733 kmol（2） 一个生产周期所需理论投料量为： 顺丁烯二酸 n=0.733 kmol m=0.733116=85.03 kg 甲醇 n=0.7332=1.466 kmol m=1.46632=46.91 kg 硫酸取顺丁烯二酸反应量的9% 硫酸 m=85.039%=7.65 kg（3） 一个周期所需实际

23、投料量为： 顺丁烯二酸 m=85.03/98%=86.77 kg 甲醇 m=46.91/98%=47.87 kg 硫酸 m=7.65/98%=7.81 kg（4） 剩余甲醇和顺丁烯二酸的量为： 甲醇 m=47.87-46.9179%=10.81 kg 顺丁烯二酸 m=86.77-85.0379%=19.60 kg 将剩余的甲醇用于粗产品的重结晶。（5） 反应釜中生成的水量为 m=1.4661879%=20.85 kg（6） 物料衡算表： 进料出料名称Kg/h名称Kg/h1顺丁烯二酸86.77顺丁烯二酸19.62甲醇47.87甲醇10.813硫酸7.81硫酸7.814水20.855DMF83.3

24、5合计14245合计142423.2 热量计算（1） 物质带入设备的总热量Q入：设进料温度为25，反应终止出料温度为80甲醇带入反应器的热量 Q1 Q1=M进CpK =47.872.48298.15 =35395.65 KJ顺丁烯二酸带入反应器的热量Q2 Q2=M进CpK =86.773298.15 =77611.43 KJ硫酸带入反应器的热量 Q3 Q3=n进CpK =0.08138.59298.15 =3292.98 KJ带入设备的总热量为 Q入=Q1+Q2+Q3 =35395.65+77611.43+3292.98 =116300 KJ（2） 反应过程的反应热Q反应热表一：热容数据比热容

25、Cp kJ/(kg.)粘度 热导率 甲醇2.251.6310-50.05624水4.151.810-50.5741 （3） 物质带出设备的总热量Q出甲醇带出设备的热量Q1 Q1=n出CpK =10.8150.69（273.15+80）/32 =6047 KJ顺丁烯二酸带出设备的热量Q2 Q2=M出CpK =19.63353.15 =20765 KJ富马酸二甲酯带出设备的热量Q3 Q3=M出CpK = 83.353353.15 =88305 KJ水带出设备的热量Q4 Q4=M出CpK =20.854.1580 =6922 KJ硫酸带出设备的热量Q5 Q5=n出CpK =7.81148.32353

26、.15/98 =4174 KJ带出设备的总热量为 Q出=Q1+Q2+Q3+Q4+Q5 =6047+20765+88305+6922+4174 =126213 KJ(4)热量衡算表：名称进料带入热量 KJ反应热 KJ出料带出热量 KJ116300-3672126213六 设备计算和选型 1 反应釜的结构和材质 结构：K型 材质：搪玻璃2 反应釜中物质的平均密度的计算 表二：物理性质物质名称顺丁烯二酸甲醇硫酸质量 Kg86.7747.877.81密度 g/cm31.590.791.84 根据公式 其中 i:物质的质量分数 i:物料的密度 mi:物料的质量 M:总的物料质量 M=m1+m2+m3=8

27、6.77+47.87+7.81=142.45kg 1/m=i/i =86.77/(142.451.59)+ 47.87/(142.450.79)+ 7.81/(142.451.84) =0.8383 m=1/0.8383=1.193 g/cm3=1.193 Kg/L物质的总体积为：M/m=142.45/1.193=119.4 L3 反应釜的计算和选型（1）确定筒体和封头型式从该反应的反应条件和反应现象可以得知它是属于带搅拌的低压反应釜类型，根据惯例，选择圆柱形筒体和椭圆形封头。 （2）确定筒体和封头直径 反应物料先为液-固相类型，后为液-液相类型，查表可得出，H/Di为1-1.3。该反应的状态

28、为无泡沫和无沸腾情况，黏度也不大，故可取装料系数=0.8。 反应釜总体积为119.4L，则反应釜的容积为119.4/0.8=149.25L，取反应釜容积为250L即0.25m3,，考虑到容器不大，可取 反应釜直径估算： Di=4V/(H/Di)1/3 =40.25/(3.141.2)1/3 =0.643 m 圆整至公称直径标准系列，取Di=600 mm。封头取相同内经，其曲面高度由查表的h1=150 mm，直边高度h2，查表可取25 mm。（3）确定筒体高度 当Di=600 mm，h2=25mm时，从表查得椭圆形封头的容积Vh=0.0352 m3，在计算得筒体每一米高的容积V1= 0.2826

29、 m3/m，则筒体高估算为： H=（V-Vh）/V1=（0.25-0.0352）/0.2826=0.76 m 取H为0.7 m，于是H/Di=1.2（4）确定夹套直径 查表得：Di=Di+50=600+50=650 mm 夹套头也采用椭圆形，并与夹套筒体取相同直径。（5）确定夹套高度夹套筒体的高度估算： Hi=（V-Vh）/V1=（0.80.25-0.0352）/0.2826=0.5832 m取Hi为600 mm。4. 离心泵的选型25下原料液甲醇密度查得 原料液=0.79 g/cm3 设原料液在管路流速为0.2m/s,操作过程中，半小时进料完毕。进料的体积流量 VS=WF/F=95/790=

30、 0.12m3/h=3.3410-5m3/s 管子内经 所以选用254mm管实际流速0.18m/s，相对粗糙度 0.003375，粘度 0.000017。 查得摩察系数0.027，取管长L=8m 在泵和反应器入口列伯努利方程： 以储罐为基准面则： Z1=0，Z2=0，P1=101.325kPa，P2=160kPa，u1=u2 管路中有两个标准弯头2m，一个角式截止阀6m。 则流体摩擦阻力扬程损失那么： 查得型号为ISW100-100的泵的扬程为11m，流量为62.6m3/h，能满足要求，故选此泵。5 换热器的选型换热器有多种形式，但是大致又能分为两类：一类为管式换热器，包括固定管板式换热器、浮头式换热器、U型管式换热器、填料函式换热器、釜式换热器、沉浸式蛇管换热器、喷淋式蛇管换热器、套管式换热器、翅片管式换热器；另一类为板式换热器，包括平板式换热器、螺旋板式换热器、板壳式换热器。由于反应体系温度不大，所以选择固定管板式换热器。因为其造价低，可以减少投资成本。 七. 车间布置设计1 反应釜的布置釜式反应器一般用挂耳支承在建(构)筑物上或操作台的梁上;对于体积大、质量大或振动大的设备，要用支脚直接支承在地面或楼板上。两台以上相同的