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年产 对硝基苯甲醚部分工艺设计 0 0 年产 对硝基苯甲醚部分工艺设计书 一、任务和目的 对硝基苯甲醚是一种重要的中间体,主要用于生产染料、农药和医药工业中。对硝基苯甲醚的工艺设计的目的,主要是以专业基础课的学习为基础,针对要求的化工项目,设计合理的工艺流程,选择相应的工艺设备等。解决化工产品生产车间设计实际问题的能力,掌握化工工艺流程设计、物料恒算、设备选型、车间工艺布置设计等的基本方法和步骤;从技术上的可行性与合理性两个方面树立正确的设计思想。通过本课程设计,提高运用计算机设计绘图 (能力。 二、基本内容和要求 学习工艺设计的基本原理、方法和应遵循的原则。 能依据给出的设计要求和关键参数,能设计提出合理的工艺流程。并用计算机画出带有工艺控制点的工艺流程图。 写出工艺操作过程及过程分析、控制要点。 学习查阅主要的工艺设计数据参考书,正确地进行工艺过程的物料衡算和热量衡算并进行设备的选型和设计计算。 完成设计说明书的编写并提交打印件。 三、时间安排 1设计时间为 3 周,即 2010 2第一周 进行课程设计动员、下达课程设计任务书;查阅资料、确定生产工艺;物料衡算;开始能量 计算。 3第二周 继续查阅资料;能量计算;结合工程设备选型;绘制工艺流程图。 4第三周 结合工程实际收集所需资料及检索相关规范标准规范,以及计算的内容编写设计说明书;装订并交设计报告。 年产 对硝基苯甲醚部分工艺设计 1 1 四、参考文献 1 化工工艺设计手册 化学工业出版社 ,1985. 2 化工工艺设计 1986. 3 化学工程手册 1989. 4 化学工程师技术全书 化学工业出版社 . 5 化工设备及机械产品样本汇编 . 6 化工原理 天津科学技术出版社 ,1985. 7 徐永文 ,郭乃铎 化学工业出版社 . 8 张跃 化学工业出版社 . 9 催克清 ,张礼敬 ,陶刚 M学工业出版社 ,2004 10 王红林 ,陈砺化工设计简明手册 2005 11 廖学品 M学工业出版社 ,2000. 年产 对硝基苯甲醚部分工艺设计 2 2 设计报告书 摘要 本设计书设计了以对硝基氯苯、甲醇和氢氧化钠为原料,用苄基三乙基氯化铵作相转移催化剂,在常压下合成对硝基苯甲醚的工艺路 线。设计书中对比了不同的原料配比、不同的碱浓度、不同类的催化剂对产品质量和产率的影响,选择了最优的方案进行工业化放大,论证了工业放大的可行性。设计重点主要在:全流程物料衡算,热量衡算,设备设计与选型,流程设计及车间布置设计。对全流程的热量进行了衡算,确定了反应设备所需要的传热面积,又对全流程进行了物料衡算,结合所需传热面积,确定了反应器的参数。本设计书根据设计要求和关键参数,设计了合理的工艺流程,绘制了工艺流程图。本设计书还给出了原料定额表、排出物料综合表、原料消耗综合表,并根据产品及原料的物化性质,给出了 常用的安全的产品包装、储藏、运输方式和安全注意事项。 关键词 : 对硝基氯苯,相转移催化,对硝基苯甲醚,设计 年产 对硝基苯甲醚部分工艺设计 3 3 is to on as in of of of of on of On of on to a of DD of on of a 年产 对硝基苯甲醚部分工艺设计 4 4 目录 设计简介 .一章 设计依据及工艺路线 .品的生产和应用 .计依据与原则 .二章 设计方案论证 .料路线的选择 .产方法的可行 .产规模的确定 .三 章 产品方案 .品名称与性质 .状及理化性质 .品的质量规格 .品的生产制度 .装与储藏 .四章 生产方法与主要工艺流程 .产方法 .要流程 .五章 生产工艺控制和中间体质量标准 .产工艺控制 .间体质量标准 .六章 物料衡算 .碱过程 .应过程 .醇回收过程 .七章 能量衡算 .算依据 .产 对硝基苯甲醚部分工艺设计 5 5 算过程 .耗表 .八章 工艺设备选型与设计计算 .计方法与原则 .计计算 .九章 车间布置设计 .间划分依据 .间的布置设计 .备间的距离 .全和防腐要求 .十章 劳动组织和安全生产 .全生产 .十一章 “三废”及综合处理 .水的排放及处理 .渣的排放及处理 .气的排放及处 理 .束语 .得体会 .考文献 .录 设备一览表 .录 物料流程框图 .设计简介 对硝基苯甲醚又称对硝基茴香醚 (P 是染料的重要中间体对氨基苯甲醚的重要前期化合物对硝基苯甲醚的产量与质量直接影响着对氨基苯甲醚的产量与质量,因此长期以来不少学者对其合成进行了不少探讨。 对硝基苯甲醚主要用于制取枣红色基 色盐 酚 染料,是重要的染料中间体。目前,国 内生产对硝基苯甲醚的方法是以对硝基氯苯、甲醇和氢氧化钠为原料,在 压力下进行甲氧基化反应,再经减压蒸馏得对硝基苯甲醚 1。反应需在压力釜中进行,时间长,副产物多,甲醇用量大,转化率及收率均低。针对上述工艺缺点,本设计采用相转移催化法合成 转移催化法不需要特殊的仪器设备,也不需要价格昂贵的无水溶剂或非质子溶剂,且反应条件温和、操作简单、副反应少,以克服现行工艺中反应条件要求苛刻,水解副产物多,废水量大等缺点,创造更多的社会、经济和环境效益。本次实践对硝基苯甲醚的工艺设计的目的,主要是以专 业基础课的学习为基础,针对要求的化工项目,设计合理的工艺流程,选择相应的工艺设备等。解决化工产品生产车间设计实际问题的能力,掌握化工工艺流程设计、物料恒算、设备选型、车间工艺布置设计等的基本方法和步骤;从技术上的可行性与合理性两个方面树立正确的设计思想。 年产 对硝基苯甲醚部分工艺设计 2 2 第一章 设计依据及工艺路线 品的生产和应用 对硝基苯甲醚 (是十分重要的化工原料,用于制备多种染料、医药、食品添加剂。在染料工业中可用作染料中间体,制备色酚 红色酚 B、直接湖蓝 6B、活性深蓝 ;有机工业中用于制造氨基 苯甲醚、联大茴香醚等;医药上用作合成愈创木酚等;印染工业用于制造洁净剂 。 其合成路线主要有以下 3 种:对硝基苯酚与氯甲烷反应法、对硝基氯苯与甲醇钠反应法和苯甲醚硝化法。对硝基苯酚与氯甲烷反应法和苯甲醚硝化法合成路线长,分离过程复杂,而且原料供应紧张,不适宜工业化生产 1。目前,我国多采用对硝基氯苯 (。在大量甲醇存在下与固体 加压釜中反应约 1013h 合成 该工艺存在着甲醇消耗量大,反应时间长,反应收率低,副产物生成量大,环境污染严重等问题。 计依据与原则 对硝基 苯甲醚可用于合成蓝色盐 红色基 酚 染料和医药产品等,是重要的染料和医药中间体。它的质量优、劣取决于对硝基苯甲醚的质量。对硝基苯甲醚的制备主要有以下几种方法:对硝基氯苯加压下甲氧基化、对硝基氯苯常压下甲氧基化、利用相转移催化剂对对硝基氯苯进行甲氧基化。由于前两种方法操作较繁琐,产品产量和质量不高,而相转移催化法不需要特殊的仪器设备,也不需要价格昂贵的无水溶剂或非质子溶剂,且反应条件温和、操作简单、副反应少,近年来,相转移催化法制取醚类化合物,已有很多文献报导。醚类合成的相转移催化剂,多采用季 铵盐、季磷盐、冠醚以及线状聚氧乙烯化合物。但季铵盐的乳化作用明显,给产物的分离、纯化会带来一定的困难;冠醚类价格昂贵,且有毒性,应用亦受到一定限制。因此成为近年来的研究热点 2。 相转移催化反应的基本原理,是利用催化剂的分子结构中既有可溶于水相,又可溶于有机相的官能团。对于亲和取代反应,在少量水存在时,催化剂可先与水相中的亲核试剂反应形成离子对,使原来不溶于有机相的亲核试剂易入有机相中参与反应。年产 对硝基苯甲醚部分工艺设计 3 3 第二章 设计方案论证 料路线的选择 对硝基苯甲醚是合成医药,有机染料和颜料等重要原料,历来的合成路线 主要有 3 种:对硝基苯酚与氯甲烷反应法、苯甲醚硝化法和对硝基氯苯和甲醇钠反应法。前两种方法因为合成路线长,分离过程复杂,且原料供应紧张,不适宜工业化生产,目前我国都采用对硝基氯苯法,在大量甲醇存在下和固体氢氧化钠在加压釜中反应约 10成 该工艺存在着甲醇消耗量大,反应时间长,反应收率低,副产物生产量大,环境污染严重等问题。根据上述工艺缺点,采用相转移催化法合成 克服现行工艺中反应条件苛刻,水解副产物多,废水量大等缺点,所以采用相转移催化法能创造更多的社会、经济和环境的效益 3。 通过对不同工艺路线的研究和对比,确定了以对硝基氯苯、甲醇和氢氧化钠为原料,用苄基三乙基氯化铵作相转移催化剂,在常压下合成对硝基苯甲醚的工艺路线。 产方法的可行 本工艺应用对硝基氯苯与甲醇反应,以 相转移催化剂制得对硝基苯甲醚。反应如下: O 2应温度 80 ,反应时问 10h 的条件下成了对硝基甲醚。对硝基氯苯的转化率为 ,对硝基苯甲醚的收率 ,纯度为 99 。此工艺操作简单,副反应少,季铵盐 的催化效果好。季铵盐作为催化剂虽然不太稳定,但却是相转移催化剂中研究的最早、应用较广的一类相转移催化剂。同时,随着氢氧化钠用量增加,转化率增高。因此本反应选则了 35%的 液。 本工艺反应条件温和,在常压下,反应时间短,转化率和收率均高,是一条可行的新的工艺路线和方法。本反应需要进行 2 次结晶,借此保证产品的纯度。 产规模的确定 工业化日产量: 均工作日: 300 天 工业化年产量: /年 年产 对硝基苯甲醚部分工艺设计 4 4 第三章 产品方案 品名称与性质 名称:对硝基苯甲醚 中文别名: 4,对硝基茴香醚 , 对硝基苯甲醚 , 对甲氧基硝基苯 英文别名: 41子式: 质:黄色梭柱体结晶。 状及理化性质 分子量: 点: 274 熔点: 54 溶解性:易溶于醇、醚和沸石油醚,微溶于冷石油醚,水中溶解度约为 7 %。 密度:相对密度 (水 =1)定性:稳定 危险标记: 14(有毒品 ) 主要用途:用作有机合成中间体 4 品的质量规格 产品 收率大于 95%(按对硝基氯苯计算),经气相色谱分析,产品纯度 对硝基氯苯工业品( 99%) ,甲醇( 氧化钠( 品的生产制度 工业化日产量: 均工作日: 300 天 工业化年产量: 装与储藏 危险货物编号: 61697 号: 2730 包装类别: 包装方法:液态:小开口钢桶;螺纹口玻璃瓶、铁盖压口玻璃瓶 、塑料瓶或金属桶(罐)外普通木箱;螺纹口玻璃瓶、塑料瓶或镀锡薄钢板桶(罐)外满底板花格箱、纤维板箱或胶合板箱。固态:塑料袋或二层牛皮纸袋外全开口或中开口钢桶;螺纹口玻璃瓶、铁盖压口玻璃瓶、塑料瓶或金属桶(罐)外普通木箱;螺纹口玻璃瓶、塑料瓶或镀锡薄钢板桶(罐)外满底板花格箱、纤维板箱或胶合板箱 5。 储存:密封阴凉保存年产 对硝基苯甲醚部分工艺设计 5 5 第四章 生产方法与主要工艺流程 产方法 使用间歇式反应,在常压下用氢氧化钠,甲醇与对硝基氯苯反应, 相转移催化剂,制取对硝基苯甲醚。 要流程: 碱过程: 应过程: 收、结晶过程: 涤、过滤过程: 混合反应 氢氧化钠 水 35%氢氧化钠溶液 反应 35%氢氧化钠溶 液 产物 甲醇、对硝基氯苯、 物 回收 甲醇 母液 结晶 洗涤、过滤 粗结晶 结晶 配碱 反应 回收、结晶 洗涤过滤 重结晶 洗涤过滤 重结晶 洗涤过滤 氢氧化钠 甲醇、对硝基氯苯、 燥 产品 年产 对硝基苯甲醚部分工艺设计 6 6 第五章 生产工艺控制和中间体质量标准 产工艺控制 影响此反应的主要因素有:氢氧化钠的浓度、配料比、催化剂的用量和种类、反应时间、反应温度等。 当碱浓度增加,转化率及收率均提高,但成本也有所提高。当催化剂的用量A 换热 所以所选定的配碱釜满足配碱过程所需的传热要求,可以使用。 应过程 根据物料衡算 : 反应釜需装 入 35%液 液 =醇 V 甲醇 =硝基氯苯固体 V 对硝基氯苯固体 =所以反应釜容积 V 反应釜需大于 35%液 、甲醇与对硝基氯苯固体体积之和 =液 + V 甲醇 +V 对硝基氯苯固体= 按照装料系数 =75%计算则需要 V 反应釜 5%=5.3 行设计制造容积为 6 反应釜,选用双层刮刀式搅拌器;定其各项参数为: 表 碱釜 参数表 公称 容积 计算容积 作容积 称直径 厚 度 质 重量 6 6008003F 1020据热量衡算数据比较传热面积是否足够;由于反应过程分为四部分所以反应釜须能满足过程中传热效率要求最大的步骤; 反应前升温预热过程: 各反应物预热吸热 H 预热反应物吸热 =H 对硝基氯苯预热 +H 甲醇预热+H 氢氧化钠预热 +H 杂质预热 =J+03应釜预热吸热 H 预热反应釜 =m 反应釜 T=102065J/ 年产 对硝基苯甲醚部分工艺设计 18 18 ( 70 =03应前预热总吸收热量 H 反应前预热 =H 预热反应物吸热 +H 预热反应釜=0303应过程: 反应过程的热由反应热和回流热量部分组成 , 其中 : 反应热 际反应 =03 回流热 H 回流 过程 =H 回流 2h=03KJ/h2h=03反应阶段总共需要供热 H 反应过程 =际反应 +H 回流=030303 温回流前升温过程 保温回 流前升温过程的热由反应热和回流热量部分组成,其中: 升温热 H 升温 =H 原料升温 +H 反应器升温 =H 原料升温 +m 反应器03020465J/ ( 80 =03流热 H 升温回流过程 =H 回流03KJ/h03温回流前升温过程 总吸收热量 H 保温回流前升温过程 =H 升温 +H 升温回流过程 =030303温回流过程 回流时间为 2h; H 保温回流 =H 回流2h=03KJ/h2h=03较各步骤得反应过程所需热量最大,故按照反应阶段计算所需换热面积 反应阶段总共 需要 供热 H 反应过程 =际反应 +H 回流=030303 碱釜与溶液处于沸腾状态维持温度不变为 70 ;加热用蒸汽利用相变焓加热反应釜其温度衡定不变为 120 ; 按照间壁式传热进行加热,则平均温度推动力为: 蒸汽 应釜=120 =50 所需提供的加热量为 H 反应过程 =03 据反应时间为 2h,得反应过程需要的加热功率 Q 反应过程 =所需提供的加热量 /反应时间 =H 反应 过程 /T 反应 =03 2h60m/h60s/m) =据所选定的搅拌条件,定传热系数 K= 根据两流体间壁对流传热计算式得: Q 反应过程 = A 反应过程 50 =03 W A 换热 =错误 !未找到引用源。 =根据反应器的传热面积 A 反应器 =反应器的高度 公称直径 的平方/4=h = A 换热 所以所选定的反应器能满足反应过程所需的传热要求,可以使用。 凝器的定型 冷凝器用于冷凝气态甲醇,使用冷水作为冷却剂;管程内甲醇发生相变,温度维持在 70不变;壳程中冷却水入口温度 25,出口温度 50; 按照间壁式传热进行 冷凝 ,则平均温度推动力为: 误 !未找到引用源。 年产 对硝基苯甲醚部分工艺设计 19 19 =错误 !未找到引用源。 = 根据热量衡算甲醇每小时所需汽化热 H 回流 =03KJ/h;则冷凝器所需冷凝的热功率为 Q 冷凝 =每小时所需汽化热 H 回流=03KJ/h=03W 根据假设的冷凝器和两侧流体状态定传热系数 K=680 W/ 根据两流体间壁对流传热计算式得: Q 冷凝 =80W/ A 反应过程 =03 W A 冷凝 =错误 !未找到引用源。 =据需要的换热面积并有 20%富余,定换热器换热面积为 35择国标型号。年产 对硝基苯甲醚部分工艺设计 20 20 第九章 车间布置设计 间划分依据 车间设备布置,设备支架和操作台的设计,设 备保温和刷漆,设备安装、检修和吊装位置的设计,设备安装施工说明,包括设备的吊装方案等。 间的布置设计 根据生产工艺流程,安全操作要求外,还需考虑便于设备安装、检修和设备的合理支撑,操作台合理布置等。 设备布置时应考虑水平运输主干线的净距,还需考虑所有设备都能运至主干线上的通道净距。一般将小直径设备沿墙布置,而大直径设备近运输主干线布置,满足设备安装、检修的要求。 备间的距离 设备间距取得正确与否,直接影响车间布置设计的好坏。设备间距若取得过大,就会增加建筑面积,拉长管线,从而增加了建筑和 管道的不必要的基建投资和多占空间,设备间距若取得过小,则会影响工人操作,设备安装及检修,甚至造成操作困难,有时也会影响安全。 因此在布置车间时,因考虑以下因素:防火,防爆等安全操作的要求;防毒,降温等劳动保护的要求;工人操作情况;设备安装检修的要求;工艺管道布置的要求;车间内走道;设备的特性 8。 全和防腐要求 在安全上需设置:压力控制装置,如安全阀、放泄阀、排泄管、防爆板、通风管;稳定装置,如反应控制剂注入装置、冷却装置:紧急控制装置,如报警装置和与此连锁并用自动或手动进行动作的控制装置。 装 置中除了产品之外,还会有很多废物或泄漏物。因此需设置排放设备、排水器、防空管以及废气、废液处理设备。 同时须考虑维修安全性,如是否所有的管道都有阀门使之与被检修部分断开:人身安全性,如防烫设施、除尘、通风及各种消声防噪等措施;还应考虑设置救护设施如装置内是否需要设置洗眼区和安全淋浴。 在一旦发生火灾、爆炸的情况下,能起剑阻止事态扩大,减小事故损失作用的设施有防火门、防火墙、防爆墙以及水封、阻火器、单向阀等阻燃阻爆设备、消防灭火系统等。 年产 对硝基苯甲醚部分工艺设计 21 21 第十章 劳动组织和安全生产 全生产 漏应 急处理 隔离泄漏污染区,限制出入。切断火源。建议应急处理人员戴自吸过滤式防尘口罩,穿一般作业工作服。小量泄漏:用洁净的铲子收集于干燥、洁净、有盖的容器中。大量泄漏:收集回收或运至废物处理场所处置。 护措施 呼吸系统防护:可能接触其粉尘时,佩戴自吸过滤式防尘口罩。紧急事态抢救或撤离时,应该佩戴隔离式呼吸器。 眼睛防护:戴安全防护眼镜。 身体防护:穿防毒物渗透工作服。 手防护:戴橡胶手套。 其它:工作现场禁止吸烟、进食和饮水。工作毕,彻底清洗。单独存放被毒物污染的衣服,洗后备用。保 持良好的卫生习惯。 救措施 皮肤接触:脱去被污染的衣着,用肥皂水和清水彻底冲洗皮肤。就医。 眼睛接触:提起眼睑,用流动清水或生理盐水冲洗。就医。 吸入:迅速脱离现场至空气新鲜处。保持呼吸道通畅。如呼吸困难,给输氧。如呼吸停止,立即进行人工呼吸。就医。 食入:饮足量温水,催吐,就医 8。年产 对硝基苯甲醚部分工艺设计 22 22 第十一章 “ 三废 ” 及综合处理 水的排放及处理 水的种类 (1)酸、碱废液 :实验室中常用的酸、碱有硫酸、硝酸、高氯酸、盐酸、磷酸、氢氧化钠、氢氧化钾等 ,若将其直接排入水 中 ,则腐蚀下水管道 ,而且当小于 ,水中的生物生长受到抑制 ,致使水体自净能力降低 ,生物物种变异及鱼类减少。 (2)含重金属废液 :实验室中产生的含重金属废液包括汞、银、铬、砷、铜、铅、锌、镉等废液。据统计 ,我站实验室一年消耗的硫酸银达 1200 ,硫酸汞达 1600 ,重铬酸钾达 600。废液倒入下水道不但是一种浪费 ,而且流入水体后 ,它不能被微生物所分解 ,甚至能通过微生物作用产生毒性更大的金属有机物 ,经过食物链在生物体内富集 ,最终进入人体 ,从而对人类健康构成潜在威胁。 (3)含有机溶剂废液 :实 验室中产生的含有机溶剂废液包括苯系物、四氯化碳、氯仿、石油醚等 ,他们有的破坏人体神经中枢 ,造成免疫系统功能下降 ,甚至引起机能失调 ,有的具有持久性 ,能够经过食物链在生物体内富集 ,最终危害人类健康。 (4)酚、氰化物废标准溶液 :酚和氰化物均为有毒物质 ,特别是氰化物为极毒物质 ,当处于酸性条件下 ,会变成剧毒的氢氰酸 ,排放到水体中 ,直接影响饮用水和水产养殖 ,氰化物还可引起急性或慢性中毒 9。 水的处理 ( 1)废酸、废碱要集中回收存放 ,可以将废酸、废碱中和后 ,使其 在 间 ,达标排放 。 (2)重金属废液的处理 :化验室中产生的铜、铅、锌、镉、砷、铬等重金属废液较少 ,可混合后一起处理。调节废液的为 3入铁粉 ,搅拌 30后用废碱液或消石灰将其 至 9 左右 ,继续搅拌 10加入混凝剂与助凝剂进行混凝沉淀 ,清液可排放 ,沉淀以废渣处理。 ( 3)含有机溶剂废液的处理实验中用过的有机溶剂 ,若量小要处理达标后排放 ,若量大 (如氯仿、四氯化碳 ),可以回收再利用 ,但在使用前应进行空白试验 ,符合标准后才能使用。 ( 4)酚、氰化物标准溶液废液的处理实验用的酚标准溶液废液 ,可加入次氯酸钠 或漂白粉 ,使其中的酚氧化成 排放 ;氰化物废液 ,可加入氢氧化钠调其 10 以上 ,然后加入 3%的 加入次氯酸钠 ,使氧化物氧化分解 10。 本工艺将反应产生的废水统一回收到废水池里,进行废水的处理,采用离子交换膜和膜分离技术进行分离,达到国家标准之后排放。 渣的排放及处理 渣的种类 废渣包括多余样品、失效的药品试剂、分析产物 (如培养基 )、消耗或破损的实验用品 (如玻璃器皿 )以及在处理含金属废液时产生的废渣 ,处理稍有不慎 ,很容易导致严重的污染事故。 渣的处理 对于废渣 ,过期的药品要送回有处理能力的化工厂处理 ,其他废渣可采用与生年产 对硝基苯甲醚部分工艺设计 23 23 活垃圾合并处理、挖坑掩埋、焚烧及其他方式处理。 气的排放及处理 气的种类 废气实验室中产生的废气包括试剂和样品的挥发物、分析过程的中间产物、泄漏的标气、载气等 ,包括硫化氢、氯仿、四氯化碳、苯系物、氢氰酸、二氧化硫、氨、汞蒸气、乙炔气、氢气、氮气等 ,均为刺激性气体 ,可引起呼吸道疾病或刺激眼睛角膜 ,引起造血系统及中枢神经系统损坏 11。 气的处理 废气、废渣的处理方法对于产生废气的操作 要在通风橱内进行 ,使之直接排出室外 ,排出管必须高出附近屋顶 3。 本工艺整个过程中没有废气,不用设计专门的设备来处理废气的问题。 年产 对硝基苯甲醚部分工艺设计 24 24 结束语 本文简述了对硝基苯甲醚的工艺生产方法与路线,工艺流程是季铵盐相转移催化合成对硝基苯甲醚,合成的工艺条件为 n( n( n( n( =1:10:3:度为 80,时间为 7时。该工艺目前与现行的工艺相比具有反应时间适中,对硝基苯氯苯转化率 95%,气相色

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