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

（一）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102～105 ℃,

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、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. 7～7. 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3～8) ,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16—30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800—1000T/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。

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

O H O

OH+2CH3OH H SO

O

H3CO

O

OCH3

以富马酸:甲醇为1∶2(mol 比) ，浓H2SO4与富马酸质量比为0.1∶1 ，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102～104℃,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/ 8～1/ 10 ,这是由于原料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8.6∶1(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 中和到pH 值7 ,析出结晶,离心分离,水洗晶体,干燥得DMF。熔点102～104 ℃,收率91 %～92 %。该法催化剂Zr(SO4)2·nH2O 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。

1.1.4．BF3 (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 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101～102 ℃, 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(FeCl3·6H2 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(0.003 mol) ,富马酸 5.8 g (0.05 mol) ,甲醇20 ml (0.50 mol) ,即摩尔比为0.06∶1∶10 ,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。

1.2 1．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70～80 ℃回流,继而在H3PO4下90 ℃酯化,反应结束后冷却结晶、过滤、洗涤、干燥,得DMF。熔点102～104 ℃。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78～80 ℃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101～102 ℃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、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 (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/ CCl

4 ,红外灯照射1

5 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,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:加热工业马来酸及甲醇 ,并在搅拌下滴入浓 HCl ,回流 30～45min 异构化成富马酸 ,继而加入甲醇、催化剂 ,带水剂 ,热回流 3～5h (75～85 ℃) ,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 102～104 ℃,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 1∶2∶2～2. 5 ,催化剂与带水剂分别为马来酸的 1/ 5～1/ 3 与 1/ 4～1/ 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 V 2O 5作用下经 KClO 3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 为糠醛的深加工开辟了一条良好的途径。

2. 合成工艺的选择

O

O

H O

OH

+

2CH 3OH

H SO O

H 3CO

O

OCH 3

本文选择以富马酸:甲醇为 1∶2(mol 比) ，浓 H 2SO 4 与富马酸质量比为 0.1∶1 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 102～104℃,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,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 1

3. 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：

O H O

OH+2CH3OH H SO

H3CO

O

OCH3

（1）一个周期需生产富马酸二甲酯的量为：

富马酸二甲酯 m=200×1000/（79%×300×8）=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=0.733×116=85.03 kg

甲醇 n=0.733×2=1.466 kmol

m=1.466×32=46.91 kg

硫酸取顺丁烯二酸反应量的9%

硫酸 m=85.03×9%=7.65 kg

（3）一个周期所需实际投料量为：

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=47.87-46.91×79%=10.81 kg

顺丁烯二酸 m=86.77-85.03×79%=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=1.466×18×79%=20.85 kg （6）物料衡算表：

3.2 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 Q 1 Q 1=M

进

CpK

=47.87×2.48×298.15

=35395.65 KJ 顺丁烯二酸带入反应器的热量Q 2 Q 2=M

进

CpK

=86.77×3×298.15 =77611.43 KJ 硫酸带入反应器的热量 Q 3 Q 3=n

进

CpK

=0.08×138.59×298.15 =3292.98 KJ

带入设备的总热量为 Q 入=Q 1+Q 2+Q 3

=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

kj Q Q Q Q kj

Cpdt n Q kj

Hm n Q kJ

Cpdt n Q R R 3672

-1346327091442613463)35.83385.2015.4()298338(2709733.036.369614426)03.85391.4625.2()338298(213298

3382298

3381=+--=++==?+??-==-=?-=?=-=?+??-==?∑?

（3） 物质带出设备的总热量Q

出

甲醇带出设备的热量Q 1

Q 1=n 出CpK

=10.81×50.69×（273.15+80）/32

=6047 KJ

顺丁烯二酸带出设备的热量Q2

Q2=M出CpK

=19.6×3×353.15

=20765 KJ

富马酸二甲酯带出设备的热量Q3

Q3=M出CpK

=83.35×3×353.15

=88305 KJ

水带出设备的热量Q4

Q4=M出CpK

=20.85×4.15×80

=6922 KJ

硫酸带出设备的热量Q5

Q5=n出CpK

=7.81×148.32×353.15/98

=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：

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

根据公式1//

m i i ραρ

=∑

其中αi:物质的质量分数

ρi:物料的密度

m i:物料的质量

M:总的物料质量

M=m1+m2+m3=86.77+47.87+7.81=142.45kg

1/ρm=Σαi/ρi

=86.77/(142.45×1.59)+ 47.87/(142.45×0.79)+ 7.81/(142.45×1.84)

=0.8383

ρm=1/0.8383=1.193 g/cm3=1.193 Kg/L

物质的总体积为：M/ρm=142.45/1.193=119.4 L

3．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/D

i

为1-1.3。该反应的状态为无泡沫和无沸腾情况，黏度也不大，故可取装料系数η=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：D

i =[4V/(π×H/D

i

)]1/3

=[4×0.25/(3.14×1.2)]1/3 =0.643 m

圆整至公称直径标准系列，取D

i

=600 mm。封头取相同内经，其曲面高度由

查表的h 1=150 mm ，直边高度h 2，查表可取25 mm 。 （3）确定筒体高度

当D i =600 mm ，h 2=25mm 时，从表查得椭圆形封头的容积V h =0.0352 m 3，在计算得筒体每一米高的容积V 1= 0.2826 m 3/m ，则筒体高估算为：

H=（V-V h ）/V 1=（0.25-0.0352）/0.2826=0.76 m

取H 为0.7 m ，于是H/D i =1.2 （4）确定夹套直径

查表得：D i =D i +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：

H i =（ηV-V h ）/V 1=（0.8×0.25-0.0352）/0.2826=0.5832 m 取H i 为600 mm 。

4. 离心泵的选型

25℃下原料液甲醇密度查得 ρ

原料液

=0.79 g/cm 3

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 V S =W F /ρF =95/790= 0.12m 3/h=3.34×10-5m 3/s

管子内经

0.015d m === 所以选用25×4mm 管

实际流速0.18m/s ，相对粗糙度 0.003375，粘度 0.000017。

250.18790

Re 203143

10000.0000175du ρ

μ??==

=?

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：

221

1221222e f

P u P u Z H Z H g g g g ρρ+++=+++

以储罐为基准面则：

Z 1=0，Z 2=0，P 1=101.325kPa ，P 2=160kPa ，u 1=u 2 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2

8620.20.0270.0590.0159.82Hf m

++=??=?

那么：

3

21160101.325

100.0597.64

7909.8

f

P P

He H m g

ρ

--

=+=?+=

?

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。两台以上相同的反应器应尽可能排成一直线。反应器之间的距离，根据设备的大小、附属设备和管道具体情况而定。管道阀门应尽可能集中布置在反应器一侧，以便操作。

本文采用间歇式操作，间歇操作的釜式反应器布置时要考虑便于加料和出料。液体物料通常是经高位槽计量后靠压差加入釜中;固体物料大多是用吊车从人孔或加料口加入釜内，因此，人孔或加料口离地面、楼面或操作平台面的高度以800为宜。

2．泵的布置

泵应尽量靠近供料设备以保证良好的吸人条件。它们常集中布置在室外、建筑物底层或泵房。小功率的泵(7kW以下)布置在楼面或框架上。室外布置的泵一般在路旁或管廊下排成一行或二行，电机端对齐排在中心通道两侧，吸人与排出端对着工艺罐。是泵在管廊内(泵房内)的排列方式。泵的排列次序由相关的设备与管道的布置所决定。管廊或建筑物的跨度A由泵的长度和它们奉身的要求所决定。A=6～7m时，可布置一排泵加3m宽的通道;A=10m左右时，可布置两排泵(泵

短，A可以减小)。管廊的柱间距月可按泵的布置需要调整，泵出口管位置b要按泵标注。电机端要对齐，吸人端对着吸人罐使吸入管短而直，泵的中心线在管廊柱间均匀排列。泵的周围要留有空间和通道以便安装阀门和管道，控制阀布置在靠近地面或柱子附近，并固定在柱子上。

3．换热器的布置

换热器的热量平衡由于涉及到传热效果，换热面积、流动温差、流动强度等一系列问题，因此，换热器在运行过程中由于热量积累、局部过热、流体结焦或气化而引起的事故比较多。化工厂中使用最多的是列管换热器和再沸器，其布置原理也适用于其他形式的换热器。设备布置的主要任务是将换热器布置在适当的位置，确定支座、安装结构和管口方位等。必要时在不影响工艺要求的前提下调整原换热器的尺寸及安装方式(立式或卧式)。换热器的布置原则是顺应流程和缩小管道长度，其位置取决于它密切联系的设备布置。塔的再沸器及冷凝器因与塔以大口径的管道连接，故应采取近塔布置，通常将它们布置在塔的两侧。热虹吸式再沸器直接固定在塔上，还要靠近回流罐和回流泵。自容器(或塔底)经换热器抽出液体时，换热器要靠近容器(或塔底)，使泵的吸人管道最短，以改善吸入条件。

八．环境保护与安全措施

1．环境保护

（一）“三废”的来源

生产过程中工业废水的主要来源水洗产生的废水；反应生成的废液以及催化剂硫酸、剩下的顺丁烯二酸和甲醇容剂。

（二）治理方法

目前，各部门对三废的治理都极为关注。作为防腐剂的新品种富马酸二甲酯，一定要解决生产中产生的污染，这样才能得到广泛的生产和应用。富马酸二甲酯具有较强的刺激性，对人畜有较大的危害，所以在使用过程中要注意保护自身的安全，针对生产富马酸二甲酯过程中出现的污染，我们定制了以下治理方法：一、把最终的滤液减压精馏，分离甲醇和水，达到循环利用的目的，既能减少污染程度，又能提高经济效益。二、把重结晶的废液再重新处理，提取甲醇，既环保又经济。

2．安全措施

（1）甲醇及防护

甲醇对中枢神经系统有麻醉作用；对视神经和视网膜有特殊选择作用，引起病变；可致代射性酸中毒。短时大量吸入出现轻度眼上呼吸道刺激症状（口服有胃肠道刺激症状）；经一段时间潜伏期后出现头痛、头晕、乏力、眩晕、酒醉感、意识朦胧、谵妄，甚至昏迷。视神经及视网膜病变，可有视物模糊、复视等，重者失明。代谢性酸中毒时出现二氧化碳结合力下降、呼吸加速等。神经衰弱综合征，植物神经功能失调，粘膜刺激，视力减退等。皮肤出现脱脂、皮炎等。

密闭操作，加强通风。储存于阴凉、通风的库房。远离火种、热源。库温不宜超过30℃。保持容器密封。应与氧化剂、酸类、碱金属等分开存放，切忌混储。采用防爆型照明、通风设施。禁止使用易产生火花的机械设备和工具。储区应备有泄漏应急处理设备和合适的收容材料。

（2）硫酸的毒性与防护

硫酸对皮肤、粘膜等组织有强烈的刺激和腐蚀作用。对眼睛可引起结膜炎、水肿、角膜混浊，以致失明；引起呼吸道刺激症状，重者发生呼吸困难和肺水肿；高浓度引起喉痉挛或声门水肿而死亡。口服后引起消化道的烧伤以至溃疡形成。严重者可能有胃穿孔、腹膜炎、喉痉挛和声门水肿、肾损害、休克等。慢性影响有牙齿酸蚀症、慢性支气管炎、肺气肿和肺硬化。

储存于阴凉、通风的库房。库温不超过35℃，相对湿度不超过85%。保持容器密封。应与易（可）燃物、还原剂、碱类、碱金属、食用化学品分开存放，切忌混储。储区应备有泄漏应急处理设备和合适的收容材料。

（3）富马酸二甲酯的毒性与防护

DMF会导致健康损害。根据临床试验，DMF 可经食道吸入对人体肠道、内脏产生腐蚀性损害；并且当该物质接触到皮肤后，会引发接触性皮炎痛楚，包括发痒、刺激、发红和灼伤；对人类的身体健康造成了极大的危害。因此，DMF 的存在成为一种严重威胁。

储存于阴凉、通风、防水、防潮的库房。操作时，操作人员应戴好手套，以防止沾染到富马酸二甲酯。

九. 设计体会

通过约三星期的奋斗过程，我完成了年产200吨的富马酸二甲酯的综合设计，工艺设计其实涵盖了很多内容，是整个工程设计的龙头。物料衡算，热量衡算，时间平衡等是必须清楚的。尤其的热量衡算，也包括反应热的计算。如果反

应热不会计算，那是很可怕的。本次综合设计让我开阔了视野，进一步了解了实际生产的知识和需求，这为即将参与社会工作的我提供了一个很好的平台。通过使用网络和图书馆的资源，让我更加懂得信息的重要性；通过不断的思考和斟酌，让我更加独立自主；通过理论与实际的结合，让我很好地把知识学以致用。、在这次设计中，遇到了不少的困难。它所涉及的知识是全面的，包括化工原理、物理化学、化工设计、化学反应工程、化工工艺制图等。它并不是靠单方面知识完成的，也不是各方面知识的简单加和，而是运用多方面知识的协同作用。设计对我所起的启示很重大。在本次设计中，我清楚认识到自身知识的不够和对实际生产了解的缺乏，今后我一定要从各方面着手来增长见识和阅历，弥补自己的不足，不断适应社会发展的需要。

十．设计结果一览表物料衡算表：

热量衡算表：

十一. 参考文献

[1]俞善信,雷焕文. 氯化铁催化合成富马酸二甲酯. 化学试剂, 1993 ,15 (6) :374 ,376

[2]蒋先明,蒙贵愫. 磷钨酸催化合成富马酸二甲酯的研究. 化学世界，1995，36（3）：133-135

[3]李晓莉,刘晶. 三氧化二钕催化合成富马酸二甲酯. 精细石油化工,1997 (4) :32～33

[4]范国枝富马酸二甲酯的合成新工艺研究应用化工 2004 年6 月第33 卷第3 期

[5] 李勤,刘红,吕以仙等. 富马酸二甲酯的合成及气相色谱分析方法. 化学通报,1998

[6]陈敏恒，丛德滋等.化工原理（上册）.北京：化学工业出版社.2006.5

[7]傅献彩，沈文霞等.物理化学（上册）[M].北京：高等教育出版社，2005

[8]周大军，揭嘉.化工工艺制图.北京：化学工业出版社，2005

[9]娄爱娟，吴志泉等.化工设计.上海：华东理工大学出版社，2002

[10]钟灵. 富马酸二甲酯合成工艺的研究. 广东省石油化工研究院，广州 1998 (6)

[11]张来存.富马酸二甲酯的开发应用[J].山西化工,2001(2l): 20-22.

[12]梅允福.防霉剂富马酸二甲酯的合成、应用和市场前景[J].云南化工,2000(27):10-11.

[13]范国枝.富马酸二甲酯的合成新工艺研究应用化工 2004 年6 月第33 卷第3 期

[14]谭晓军,王党生.富马酸二甲酯的合成和应用[J].饲料工业,2005(26):50-51.

[15]孙建梅,王景明.富马酸二甲酯的合成及应用[J].天津化工, 1999(3):4-6.

[16]黄永明等.富马酸二甲酯的合成化学世界 1989 ,30 (3)

[17]屈丽华,刘学钢.富马酸二甲酯合成新工艺及应用. 化学世界, 1994 ,35 (4) :190～192

[18]王存德,牛岫琴,张俊桂等.富马酸二甲酯的合成研究.现代工,1998 ,18(6) :28～29

[19]B.E.波.气液物性估算手册[M].第五版，北京：化学工业出版社，2006

[20]刘光启等.化学化工物性数据手册[M].北京：化学化工出版社，2001

[21]王安福.化工数据引导[M].北京：化学工业出版社，1995

[22]马沛生.化工数据[M].北京：中国石化出版社，2003

[23]B.E.波.气液物性估算手册[M].第五版，北京：化学工业出版社，2006