江阴职业技术学院毕业设计（论文）

开 题 报 告

题  目     基于单片机的无线病床呼叫系统设计                      

姓  名      闫世民     学  号   200909020522       

系  部              机电工程系                                                      

专  业            机电一体化技术                      

指导教师      郭红      职  称    副教授       

20##年  9  月15 日

说      明

1、毕业设计（论文）工作开始之前，学生填写江阴职业技术学院毕业设计（论文）开题报告。

2、学生要认真填写毕业设计（论文）工作在开始之前所进行的准备工作和对毕业设计（论文）的整体构思设计。指导教师要对学生毕业设计（论文）的准备和整体构思做出评价。

3、本开题报告的各部分内容要完整，必须用黑墨水笔工整书写,或按统一设计的电子文档标准格式打印所有签字必须齐全。系、部的工作检查将以此作为主要依据。

4、本开题报告填写完整后，与毕业设计（论文）一起交给指导教师，作为毕业设计（论文）成绩考核的主要依据材料。

5、评定成绩后，《江阴职业技术学院毕业设计（论文）开题报告》与《江阴职业技术学院毕业设计（论文）任务书》要统一交到系办公室。成绩优秀的毕业设计（论文）开题报告、任务书、毕业设计（论文）由系、部复制后，存到教务处实训科和学院档案室各1份，其它由系、部保存，以备检查、评估。

江阴职业技术学院毕业设计（论文）开题报告

毕业设计（论文）整体构思设计

第二篇：毕业设计开题报告1

广西科技大学

毕业设计开题报告

课题名称 年产25000万吨碳酸二甲酯生产车间工艺设计

学 院 生物与化学工程学院

专 业 化学工程与工艺

班 级 化工092

学 号 200900601064

姓 名 庞永强

指导教师 姚志湘

二零一三 年 三 月 五 日

1、选题背景

1.1 选题依据 碳酸二甲酯（简称DMC）分子式（CH3O）2CO，分子量90.08，相对密度1.070，

折射率1.3697，熔点4℃，沸点90.1℃。常温下为无色液体，略带香味，具有可

燃性。微溶于水，与水可行成共沸物，可与醇、醚、酮等几乎所有有机溶剂混溶。

DMC毒性很低，19xx年DMC在欧洲通过了非毒性化学药品的注册登记，属于无毒

或微毒化工产品，但在贮运上仍需按易燃有毒物品对待。由于其分子中含有CH3-、

CH3O-、CH3O-CO-、-CO-等多种官能团，因而具有良好的反应活性，可以和醇、酚、

胺、肼、酯等类化合物发生甲基化、羰基化、甲酯化和酯交换反应，能取代剧毒

的甲基化试剂和羰基化试剂光气而应用于有机合成工业，被称之为有机合成的新

基石，符合清洁生产和绿色化工的时代要求，特别是在合成聚碳酸酯方面显示出

了更加诱人的前景；此外，由于DMC具有较好的相溶性，高辛烷值和介电常数等

优良的物理性质，也被广泛应用于溶剂、汽油添加剂、锂离子电池电解液等领域。

（1）基本用途

1）生产二甘醇双烯丙基碳酸酯（ADC/透明树脂） ADC有优良的光学特性、耐磨性、耐菌性、轻型，是一种热固性树脂。它可代

替玻璃，用作眼镜透镜及光电子材料。原先是以丙烯醇、二乙基乙二醇及光气为

原料制造的。用DMC代替光气，由于DMC低毒、无腐蚀，减轻了设备制造、操作

管理及废物处理等方面的技术要求。更为重要的是，能较容易地制造高品质产品。

因此正在开辟用作精密光电子材料等新领域。

2）生产甲氨基甲酸萘酯（杀虫剂原料） 原采用ɑ-萘酚和甲基异氰酸酯为原料或ɑ-萘酚和光气经由氯甲酸酯制造的。

但是上述两条途径均有危险。19xx年印度帕巴拉邦大爆炸，就是实例。使用DMC

就能安全地与萘酚反应，制成甲氨基甲酸萘酯。

3）制造聚碳酸酯（PC/透明树脂） 制造PC的方法有多种。现在世界上工业化的一个基本方法是以二氯甲烷为溶

剂在碱存在下，双酚A与光气反应。其中，碱可使用苛性钠、吡啶等。

DMC路线制PC，首先是DMC和酚的酯交换，生成碳酸二苯酚酯（DPC）；再将

DPC在熔融状态下，与双酚A进行酯交换，一边将酚脱离，一边制PC。目前世界

上众多生产厂家正在解决DMC路线工业化中存在的问题，实现非光气法的无环境

污染工艺。该工艺在经济和产品质量上，都已基本接近实现工业化。

4）制造异氰酸酯 异氰酸酯化合物是化学工业重要的原料之一。原先是利用胺和光气来制取的。

用DMC在碱性催化剂存在下与胺化物反应，首先生成碳酸酯，碳酸酯受热分解，

生成异氰酸酯。

5）制造聚碳酸二元醇（PCD/聚氨酯原料） 1

PCD是一种特殊的多元醇，将它与以PTMG、己内酰胺等为原料的聚氨酯相比，

能制造耐热，耐水解等优良性能的聚氨酯。

PCD原先是由1,6-已二醇和二苯基碳酸酯、碳酸二乙酯、乙烯基碳酸酯反应

制造的。但成本方面未能与其它二元醇抗衡。

以DMC为原料与其他原料相比，有价格竞争力。

6）制造长链烷基碳酸酯（合成润滑油基材） 以DMC和高级醇(C12～C15)为原料，合成在分子骨架上具有羰基的长链烷基碳

酸酯，作为合成润滑基材。

由于分子结构中具有碳酸酯基，和其他基材相比，除润滑性好、耐磨耗、洁

净、无腐蚀之外，还具备密封材料所要求的性能。

7）制造胺基噁唑烷酮（兽药）的中间体胺基噁唑烷二酮 利用DMC与氨基化物反应，碳酸酯化及环化而高收率地制造胺基噁唑烷二酮。

8)制造碳酰二肼（清洁剂） 氨基脲广泛用作锅炉等的清洁剂。但其单体存在易致癌、易爆炸的危险。通

过DMC制造的碳酰二肼，不仅安全而且易于使用。

碳酰二肼虽然价格较贵，但使用安全，欧美等国正在普及。

9）其他用途 DMC也可作为溶剂。除了能与其他有机溶剂很好相溶以外，还具有蒸发速度快

的特点。可以期望DMC在某些特定的领域用作溶剂（特殊涂料、药物等）。还有

人研究将DMC作为CO2的载体，制造喷雾溶剂。

DMC可用作辛烷值提高剂。过去由于价格等方面的制约，而无法推广使用。最

近，美国对汽车排放气中氧浓度作了规定，以作为环保的一个对策。DMC分子中氧

含量为53%，而目前使用的提高剂MTBE的氧含量为18%，相比之下，只添少量的

DMC就能提高氧浓度。

总之，随着环保意识的加强，DMC的用途将越来越宽。可以确信，以DMC为核

心，会形成各种衍生物群体，形成整个化学工业的一个重要产品类别。

1.2 选题分析

1.2.1 课题来源

学生本人定题。

1.2.2与所学专业的关系

碳酸二甲酯是化学反应的产物。在整个生产工艺流程中主要采用的是甲醇气相氧化

羰基化法过程涉及到的相平衡、物料衡算、热量衡算、设备选型都是物理化学、化工热

力学、化工原理、化学反应工程、化工机械设备等课程的相关知识。对产品纯度的要求

更是建立在分析化学的基础上。所以务必在很好的掌握相关的理论基础知识，对整个生

产流程有很好的认识基础上，才能较好的完成此设计。

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1.2.3课题意义

随着人类可持续发展战略的实施，化学工业面临着严峻的挑战。工业化和城市化给环境带来了巨大的压力，对人类健康也造成了一定威胁。积极研究和开发新的化学方法和技术，尽量减少使用或不使用对人类健康，生态环境有害的化学物质，“清洁生产工艺”和“绿色化学品”已成为21世纪化学工业发展的主导方向。

本设计为甲醇氧化羰基化合成碳酸二甲酯（以下称为DMC）。碳酸二甲酯（DMC）这种用途广泛的有机产品，既可取代光气、硫酸二甲酯等剧毒试剂，也可凭借其独特的化学性质合成许多新的衍生产品。具有广阔的市场前景，并属于环保型绿色甲酯，受到国内外广泛关注。其可用于制备西维因苯、甲醚、氟派酸、环丙杀星、呋喃丹等多种农药、医药产品。还可用于制备光电子材料、粘合剂、润滑油、基衬等多种产品。碳酸二甲酯可作为无铅汽油添加剂，将其加入油品中可提高辛烷值并降低尾气中NO和CO的排放量。碳酸二甲酯本身无毒无味，能与其它有机物混溶。在油漆、喷雾剂等方面有很大的市场潜力。国内以碳酸二甲酯为原料已能生产近20种医药产品。近年来，美国已提出用DMC逐步替代MTBE作为汽油添加剂，碳酸二甲酯被我国列入国家九五重点开发的50个精细化工产品范围。碳酸二甲酯的发展将对我国的煤化工、甲醇化工起到巨大的推动作用。因此，该选题有很高的研究价值和商业价值。

2、相关理论基础

2.1材料性质：

碳酸二甲酯是透明无色可燃液体，沸点90.1℃，熔点4℃，略带香味。碳酸二甲酯能以任何比例与醇、酮、酯等有机溶剂混溶，无腐蚀性；微溶于水。碳酸二甲酯可燃，在空气中的爆炸极限为3.8%-21.3%碳酸二甲酯属无毒或微毒化学品，但对人体皮肤、眼睛和粘膜有刺激性。碳酸二甲酯是优良的溶剂，作为溶剂的主要特点表现为熔点、沸点范围窄、表面张力大、粘度低、介质介电常数小、蒸发热低、相对蒸发速度快。

碳酸二甲酯的化学性质可以根据其所提供的官能团分为羰基化反应、甲基化反应和羰基甲氧化反应。

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表2-1 碳酸二甲酯性质

项目 沸点/℃ 熔点/℃ 闪点/℃ 密度/(g/cm3) 临界压力/ MPa 临界温度/℃ 黏度/Pa·s

数据 90.3 4 18 1.0694 4.63

项目 着火点/℃ 折光率（20℃) 饱和蒸气压/kPa 燃烧/(KCal/kg) 汽化热J/g

数据 465 1.3687 5.6 3452 369.06

265.85 6.64×10-4

介电常数 溶解度(15℃)

2.6 难溶于水

爆炸极限% 3.8～21.3

表面张力/10-5 N?cm-1

28.5

3、设计方案的确定

3.1 设计要求

本设计课题为年产25000吨碳酸二甲酯生产车间工艺设计，原料甲醇、一氧化碳、氧气，因此在选择方案时，反应条件是考虑的重点。厂址柳州市某化工厂拟建设一个新的碳酸二甲酯生产车间。

3.2 生产工艺方法

（1）光气法

传统的DMC生产方法是以甲醇与光气，碱反应制取DMC，反应物经中和，洗涤和蒸馏而制得。该工艺为高压液相反应，腐蚀性大，产率低，设备费用高。其化学反应式如下：

COCl2 + CH3OH = ClCOOCH3+ HCl

ClCOOCH3+ CH3OH + NaOH = H3OCOOCH3+ NaCl

反应分两步进行：①甲醇和光气在低温(0～10 ℃)下进行液相反应，脱除释放出的HCl并加以回收;②氯甲酸甲酯与补充的甲醇反应，速度较慢且在较高温度下进行，用叔胺或通过与冷碱液一起搅拌可加速反应进行。碱液一起搅拌可加速反应进行。该法 DMC 总收率约为80 % (mol)。由于该工艺采用剧毒的光气，消耗大量的烧碱，生产中的副产物腐蚀严重，因此已逐步被淘汰。

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（2）酯交换法

酯交换法又称为酯基转移法。工艺分两步进行第一步是环氧丙烷与二氧化碳作用先合成碳酸乙烯酯或碳酸丙烯酯；第二步以甲醇和碳酸乙烯酯或碳酸丙烯酯为原料，在不同的条件下，制得碳酸二甲酯。酯基转移法，是近年来合成DMC发展较快的一种方法。可以硫酸二甲酯（DMS），碳酸乙烯酯（EC）或碳酸丙烯酯（PC）与甲醇进行酯交换生产DMC。但是DMC有剧毒，污染环境且产品收率底，无工业化意义。因此主要采用碳酸乙烯酯（EC）或碳酸丙烯酯（PC）酯交换工艺生产。

DMC的反应方程式：

R-CH20 + CO2 → （CH2O）n CO

(CH2O)n CO + 2CH3OH → （CH3O）2CO + EC/PC

近年英国Shell公司开发了以环氧丙烷为原料生产DMC并以DMC为原料生产聚碳酸酯的新工艺，该工艺可以明显降低投资和操作费用。虽然酯交换法产品收率高，反应条件比较温和，但是在我国由于目前碳酸乙（丙）烯酯的产量还很小，原料不容易得到，产品成本高，要采取此法必须同时发展乙（丙）烯酯才可以。

酯交换工艺用于大规模装置有明显优势，尤其是靠近石油化工厂建厂。此外，这一工艺的副产品也是重要的化工原料。此工艺主要受限于原料的来源，受地域限制。

(3)甲醇氧化羰基法

甲醇氧化羰基法是以一氧化碳、氧气和甲醇为原料，在催化剂的作用下直接合成碳酸二甲酯。此法原料容易得到，原料廉价，毒性小，产品质量好，但生产成本高，系统腐蚀性强，设备材质要求高。与光气化生产工艺相比，氧化羰基化法规模大，单位投资低，环境污染小，生产安全性高，产品成本也比较低，是目前发达国家的主要生产方法。该工艺的关键是选择合适的催化体系。

(4)甲醇液相氧化羰基化法

ENI法CuCl是一种优良的甲醇液相氧化羰化合成DMC催化剂，但是该催化剂与反应物之间形成多相催化体系，降低了反应效率；此外催化剂中氯离子流失会引起活性下降以及对设备的严重腐蚀。而Cu（11）相对Cu（1）在甲醇中的溶解性较好，但是活性和选择较差，将其与可溶性高分子化合物配合改进。甲醇液相氧化羰基化法：设备腐蚀和催化剂分离回收困难等特点，原料便宜，控制了氧气浓度在爆炸极限以下，实现工业化生产。甲醇气相氧化羰基化法存在工艺复杂，副产物草酸二甲酯易堵管路等等问题目前是各大工业国家重点研究开发的技术路线。

2CH3OH + 1/2O2 → （CH3O）2CO + H2O

甲醇液相氧化羰基化法：加入助剂和载体的方式进一步开发性能更好的催化剂，并提高催化剂的活性和选择性，延长催化剂的使用寿命，减少腐蚀性。液相法是由ENI公司率先工业化，采用多项催化剂淤浆反应器。将甲醇和白色粉状CuCl催化剂加入高压反应釜，加热搅拌，通入一氧化碳和氧气，甲醇发生氧化羰基化反应生成碳酸二甲酯，由于催化剂在反应体系中成泥浆状，故称之液相泥浆法。甲醇在催化剂的作用下，通过

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两步生成碳酸二甲酯：

R-CH20 + CO2 → （CH2O）n CO

(CH2O)n CO + 2CH3OH → （CH3O）2CO + EC/PC

氯化亚铜被氧化Cu(OCH3)Cl，反应比较容易实现，反应活性和选择均较高。对甲醇和金属氯化盐的反应研究表明，反应活性和选择性均较好，这是CuCl作为甲醇氧化羰基化制备DMC优选催化剂的基础。而第二步反应较难，需要较高的CO分压，通常反应在80-120摄氏度，和2-4Mpat条件下进行，虽然已经工业化，但是仍然存在催化剂对设备腐蚀性和寿命短等缺点。为了克服这些缺点，通过加入助剂和配位题等方式进行改进，让铜系催化剂的活性和稳定性提高，腐蚀性降低。

我国目前主要的碳酸二甲酯的生产企业及使用的工艺路线、生产能力具体见下表。国内目前总的生产能力约为60Kt/a。甲醇液相氧化羰基法：采用氯化亚铜催化剂及管式反应器循环工艺，甲醇既是反应物又是溶剂，分为氧化和还原两步进行。第一步，氯化铜，甲醇和氧气反应生产甲氧基氯化铜；第二步，甲氧基氯化铜被还原生产DMC，并再生氯化亚铜。反应温度大120摄氏度，压力2.5Mpa。DMC选择性以CO计为89.1%-90.6%，以甲醇计为98%。

(5)甲醇气相氧化羰基化法

日本Ube公司在液相法的基础上，于19xx年实现了气相法合成碳酸二甲酯。当前有两种气相氧化羰基化法：亚硝酸酯法和气相直接氧化羰基化法。

1）亚硝酸酯法

该方法反应原理是：采用亚硝酸酯作为中间介质，通过气相亚硝酸酯的羟基化反应可以合成碳酸二甲酯，其反应也分两步进行：

2NO + 2CH3OH + 1 /2O2 = 2CH3ONO + H2O

2CH3ONO + CO = (CH3O) 2CO + 2NO

该法的显著特点是采用了两个气相反应。第一步反应较易进行，且放出大量的反应热。第二步是关键步骤，反应为亚硝酸甲酯和CO在催化剂存在下，发生羟基化反应生成碳酸二甲酯，并生成NO气体。甲醇和反应生成的水只涉及第一步反应，而DMC则在第二步反应中生成，避免了甲醇-水-DMC之间形成共沸物而难以分离。

2）直接氧化羰基化法

该法的化学原理与液相法相同，催化剂的活性组分基本上仍然是CuCl，它采用了固载化的CuCl催化剂，以解决液相法的腐蚀问题，且便于产品分离和回收。将气相甲醇和CO、O2 的混合气体通过装有催化剂的固定床反应器中，直接气相氧化羰基化生成碳酸二甲酯：

2CH3OH + CO + 1 /2O2 = (CH3O)2CO + H2O

气相氧化羰基化法具有如下优点：(1)与液相法比，采用固定床反应器，不需要分离生成物和催化剂的装置，设备投资降低。(2)使用亚硝酸甲酯合成DMC，反应在无水条件下进行，催化剂寿命增加。(3)合成所需加入的氧气在亚硝酸甲酯再生器中反应，合成

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器中不加入氧，所以CO2 等副产物少而且非氧气气氛使得爆炸危险性降低。

3.3 生产工艺的确定

本设计采用鉴于对各种方法的比较，所采用的工艺为甲醇气相氧化羰基化法，其具有以下几个方面的优势：

(1)原料

甲醇气相羰基法：原料一氧化碳，甲醇，氧气，保护气氮气。(1)原料便宜易得； (2)对环境友好；(3)原料毒性小，产品质量好。

(2)工艺流程方面

甲醇氧化羰基化法是以CH4O、CO和O2为原料，在催化剂存在下，直接合成DMC。该

法几乎无副反应发生。

(3)工艺路线单耗、投资评估比较

甲醇气相氧化羰基化DMC 生产装置，是以一氧化碳和甲醇为原料，产品是DMC，比较简单。投资少，成本低且理论上甲醇全部转化为碳酸二甲酯，无其它有机物生成。

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3.3.2 工艺流程图

图3-1 工艺流程图 3.3.3 工艺流程简介

(1) 工艺原料： CO，O2和甲醇 工艺产品： DMC和甲缩醛

(2) 工艺原理

2CH3OH+CO+1/2O2=（CH3O）2CO+H2O

(3) 工艺特点

以甲醇，CO，O2 为主要原料气相氧化羰基化合成碳酸二甲酯。该工艺使用CuCl2负载于活性炭上制备的催化剂。在130摄氏度下，2Mpa压力下，将混合原料气通过固定床反应器，反应管内装填催化剂，甲醇的转化率为60%，DMC的选择性可达70%。此方法采用气固相反应，既避免了液相泥浆法中催化剂的分离，又避免了亚硝酸酯法中NO的有毒气体的使用，使反应过程变地简单。

8 （3-1）

(4) 工艺特色

① CO2是地球上储量最丰富的碳资源，由CO2出发合成DMC。一方面可以为化工及石化行业提供绿色产品。另一方面又可以解决环境问题，具有化工，能源，环保多重意义。 ② 此方法原料便宜，易得到，投资少，工艺简单。

(5) 反应工艺设备

表3-1 流程中的工艺设备

设备名称

反应器

闪蒸罐

预精镏塔

甲缩醛精馏塔

废水精馏塔

DMC精馏塔 反应温度/℃ 130 40 80 80 100 175 反应压力/MPa 2 1.9 0.2 0.3 0.1 0.9

(6) 工艺流程简述

如下图1-2所示，反应原料甲醇汽化升压后与N2，O2和CO经预处理后进入固定床反应器，在反应器内以气相状态接触并发生反应，反应生成DMC和水，同时有副反应发生，生成CO2和甲缩醛。副反应如下：

2CH3OH+CO→(CH3O)2CH2+1/2O2 （1-11）

2CO+O2=2CO2 (1-12)

由于反应放热，通过热导油换热，将温度控制在所需温度。反应完成后将反应产物经过冷凝器冷凝，进入闪蒸罐进行气液分离。经过这一处理大部分的CO，O2，H2O（g），CO2和N2 从闪蒸罐上部蒸出，其中还有少量的DMC和甲缩醛，这部分气体按一定的比例一部分进入反应器循环使用，一部分弛放。罐底产物含有大量的DMC，甲缩醛，H2O（g）并含有少量的CO，O2，CO2和N2，这些产物进入预精馏塔精馏。预精馏塔塔顶蒸出的主要是甲醇和甲缩醛，蒸出后继续进入甲缩醛精馏塔分离甲醇和甲缩醛，其中塔釜获得甲醇继续回收使用，塔顶得到甲缩醛。预精馏塔塔釜馏出的主要是DMC和水蒸气，馏出物进入废水精馏塔，废水精馏塔塔顶蒸出物进入DMC精馏塔提纯分离得到产品DMC，塔釜馏出物进行废水处理。

① 合成阶段

合成阶段包括预处理和反应阶段。

预处理的目的是让液体甲醇汽化，同时使反应原料达到一定的反应温度，进入反应器进行反应，由于合成反应是放热反应，因此通过热导油将热量导走，作为后续工艺的热源。

② 分离阶段

反应完成后反应液中含有：

主反应产物：DMC和H2O

未完全反应的反应物：CH3OH，CO2和O2

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保护气体：N2

副产物：甲缩醛和CO2

为了能够充分利用原料，提高原料的利用率，需要将未反应的甲醇，O2，CO循环到DMC反应器中继续反应，而气液则可通过闪蒸进行分离，由于甲醇和甲缩醛还有水和DMC 可以形成共沸物，因此甲醇回收和DMC的分离需要通过精馏来完成。

1）闪蒸分离

闪蒸分离主要是为了将气液物质分离开来，气相物质从塔顶出去，气相物质含有O2，CO2和甲缩醛，N2，部分甲醇，DMC，H2O。选择极少一部分弛放，为防止CO2等在循环器中积累，其余气体回流到反应器中继续反应。液相物质从塔底出来大部分为生成物，未反应完的甲醇经冷却后进入分离工艺。

2）预精馏分离

此工艺中液相物质中的甲醇和甲缩醛，DMC和H2O形成共沸物，先使用预精馏塔将产物中的四种液相混合物分离成轻质液相甲醇和甲缩醛及重质液相DMC和水两部分，由于从闪蒸罐出来的物流中含有少部分气体，选择在预精馏塔的顶部放空。

3）甲醇与甲缩醛精馏分离

部分甲醇和甲缩醛要回流到反应器中，故甲缩醛精馏塔只需分离出甲缩醛产品和甲醇与甲缩醛混合物即可，不需要得到两种纯物质，甲缩醛为塔顶出料。

4）废水及DMC精馏分离

采用精馏的方式分离DMC和水，含DMC和水的混合物从预精馏塔流出后进入，塔顶有冷凝器，塔底有再沸器。塔顶物冷凝后进入，塔底含部分有机物的废水处理池中进行处理，进入DMC精馏塔的物质，塔顶蒸汽冷凝后进入废水精镏塔循环，塔底为合格的DMC产品。

4、主要设备及选型

4.1 主要设备

甲醇泵、热导油泵、塔顶回流泵泵、反应预热器、闪蒸罐、循环气压缩机、预精馏塔、甲缩醛泵、甲缩醛精馏塔、废水精馏塔、DMC精馏塔。

4.2设备选型

设备的选型需根据具体的设计计算来确定，在设计说明书中具体阐述。

5、 “三废”处理

本设计工程中所产生的污染物主要是废水、废气，因此废水、废气的处理至关重要。

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