CN1368897A - 反应蒸馏技术的新设计 - Google Patents

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Abstract

一种在反应蒸馏结构(62)中从产品分离反应物的方法。反应产品比反应物重,则利用在反应区和汽提层之间引入一精馏层(44),阻止如乙苯产品和苯及乙烯反应剂再进入反应区(53)。反应产品比反应物轻,则利用在反应区和精馏层之间引入一汽提层(47),阻止如脱氢转化过程再进入反应区。

Description

反应蒸馏技术的新设计
背景-发明领域
本发明涉及反应蒸馏,特别是涉及提高反应选择性和转化,以减少催化剂体积和资金消费的要求。
现有技术的探讨
已发现,在一个装置中结合化学反应和蒸馏的操作已被越来越多地采纳在无数的应用中。由大量的新安装及扩展工程趋于反应蒸馏,可看出,这个市场倾向是明显的。随着该方法的日益普及,出现了一些结合两种所述的功能并入一个过程结构的构造难度,主要问题是通过反应区的压力降落。
一种试图克服固定的柱层催化剂柱床构造的结构限制,使一些塔内的颗粒催化剂置入到一个不锈刚带/束状设置中的许多袋子里。如美国专利No.4,242,530。该方法的最终效果是在反应区内,为液体/蒸汽逆流流动制造了自由通路。其与传统的填充塔相比,在反应区的压力降较低,使得所述的反应和分离操作达到某些程度的成功。具有相同的处理压力降减少观点的其它专利在文献中也有记载,如以结构填充的美国专利No.5,073,236及使用另一个固定结构使催化剂固定的美国专利No4,439,350。这些专利都集中在反应区内,当提供必要的催化剂体积去完成给定的转化要求时,务求使压力降达到较低。
仔细观察反应区,发现了这种设置中的两个主要缺陷:
1)由于自由通路的可用,根据定义,反应物和产物两者都可以自由移动到反应区或选择停滞在汽/液主馏自由区。与传统的连接下流分离装置的固定柱床反应器相比,因为反应区内没有从反应物到产物的分离构造,所以,反应产量和选择性都受损失,如美国专利No.4,198,530所介绍的MTBE过程。反应蒸馏中的催化剂层通常需要较长的长度,以便与同程度的转化保持一致。换言之,需要较长的停留时间。然而,较高的停留时间会导致反应选择性的进一步损失,因为,想要的产物有较多的时间被转化为不想要的副产物。
2)离开反应区的一部分产物被返回到反应区;当产物的沸点高于反应物的沸点时,一部分产物从底部借蒸汽进入到反应区,如从丁烯和苯生成乙苯的美国专利No.5,476,978,也可以当产物的沸点低于反应物的沸点时,一部分产物从项部借液体进入到反应区,如美国专利No.5,961,815的加氢转化过程。当含有产物的液体离开反应区与从塔板下方产生的蒸汽接近热动力平衡时,这些效率低是固有的。同样,产物作为蒸汽从反应区的顶部离开反应区也是如此,它与仅位于反应区上的塔板的液体密切接触,及两个馏份将接近热动力平衡。除了热动力及流体动力的限制,催化剂如结构填充形催化剂的这种特殊装置的成本会明显是一个决定因素。努力使催化剂柱层体积最小化会提高反应蒸馏的竞争性。目的和优点
本发明的几个目的和优点是:
本发明将重点集中到产物再进入反应区并提供一种从反应物分离产物的积极方法。它允许化学反应的进行具有高度的选择性。这种改进取决于两个因素:
第一,再进入反应区的产物量可以被控制和最佳化,及阻止产生不想要的副产品的后继反应。
第二,减少了的再进入反应区的产物量亦导致经过反应区的总产物浓度的降低。促进了从反应物到想要产物的平衡反应的进行。
以上两个主要因素之后,本发明与传统的反应蒸馏设备相比,使反应物在反应区的停留时间较短,而仍提供相同的或更好的转化率。例如,使具有短得多的柱床成为可能。
由上述揭示,在反应蒸馏领域还可以发展不同的设计。
本发明的进一步目的和优点可结合附图和具体说明来理解。
附图说明
图1a  表示多种闪蒸和液汽相平衡的基本概念
图1b  表示蒸馏塔后的主要层闪蒸的作用
图1c  表示进料位置,一个典型塔的精馏层和汽提层
图1d  表示代表一个蒸馏功能性结构的三个连接的闪蒸槽
图2a  表示使用循环泵除热
图2b  表示使用分凝器除热
图2c  表示使用置入塔内的冷凝器线圈除热
图3a  表示使用侧再沸器的热增加
图3b  表示使用塔内热线圈加热
图4a  表示在反应蒸馏中提供精馏的较佳实施例
图4b  表示在反应蒸馏中提供汽提的较佳实施例
图5a  表示在反应蒸馏中提供精馏的另一个设置
图5b  表示在反应蒸馏中提供汽提的另一个设置
参考图号表
1  初级室含50/50的苯(BZ)和乙苯(EB)的液体
2  50/50的苯(BZ)和乙苯(EB)的液体
3  55/45的苯(BZ)和乙苯(EB)的蒸汽
4  液/汽界面
5  与上述1相同的初级室
6  第二室
7  来自初级室的蒸汽,苯(BZ)比乙苯(EB)为55/45
8  来自初级室的完全凝结的蒸汽
9  冷凝器
10 热线圈
11 55/45的苯(BZ)和乙苯(EB)的液体
12 59/41的苯(BZ)和乙苯(EB)蒸汽
13 典型的蒸馏塔
14 顶部蒸汽
15 顶部冷凝器
16 回流液储器;回流液接受器
17 回流/反流
18  蒸馏产物
19  精馏层
20  汽提层
21  向塔内进料
22  底产品/产物
23  再沸器蒸汽返回
24  再沸器
25  闪蒸槽
26  冷凝器
27  浸入到液体的加热器线圈
28  来自初级闪蒸槽的蒸汽
29  来自初级闪蒸槽的冷凝蒸汽
30  从第二闪蒸槽返回液体
31  来自第二闪蒸槽的蒸汽
32  来自第二闪蒸槽的凝结的蒸汽
33  来自第三闪蒸槽的回流液
34  提余物
35  底产品
36  供料。
37  塔板的所有排出液
38  冷却塔板排液的热交换器
39  冷却液返回到塔,37,38和39被称为泵循环(pumparound)
40  一个塔板的蒸汽相的蒸汽
41  分凝器
42  带液体和蒸汽返回的两相流
43  在气相的冷凝器线圈
44  塔精馏层
45  向塔内供料
46  向塔内供料
47  塔汽提层
48  塔全部排出液
49  部分气化的回流进入塔
50  侧再沸器
51  降液管
52  没在液相的加热器线圈
53  反应区产生比反应物重的产物
54  低于反应区的汽提层
55  液体从反应区旁绕RRD(精馏式反应蒸馏)
56  蒸汽从RRD到反应区
57  塔的液体循环(pumparound)
58  冷却器
59  冷却器的循环(pumparound)返回
60  再沸器
61  要进一步分离的产物
62  精馏式反应蒸馏RRD
63  反应区上方的精馏层
64  汽提式反应蒸馏,SRD
65  蒸汽由反应区旁绕SRD
66  用于汽提的再沸器
67  到再沸器的液体
68  蒸汽和液体返回到SRD
69  从SRD到反应区的气提液流
70  顶部冷凝器
71  被进一步分离的馏出物
72  反应区
73  汽提区
74  蒸汽从汽提区进入RRD装置
75  来自反应区的液体
76  精馏层的冷凝后的蒸汽
77  进入冷凝器的蒸汽
78  到反应区的蒸汽
79  冷凝器
80  液体从RRD装置返回到汽提区
81  精馏层,板式塔或填充塔,RRD装置
82  汽提物
83  反应区
84  来自反应区的蒸汽
85  精馏区
86  冷凝器
87  回流
88  馏出物
89  蒸汽从SRD装置返回到精馏区
90  液体从精馏区到SRD装置
91  汽提的液体从SRD装置到反应区
92  再沸器
93  汽提层,板式塔或精馏塔,SRD装置概要
本发明是一种由反应物分离反应产物的方法,在一个反应蒸馏结构中,利用在反应区的下方和/或上方分别提供精馏和/或汽提的能力,由此,控制再进入所述的反应区的反应产物量。所述反应区的改善直接地降低了反应器柱层高度的要求,间接地,本发明提供了一种反应蒸馏中最佳工艺设计的添加构造。
发明描述背景为了充分理解本发明的改进水平,人们必须具有对相平衡有非常透彻的了解。一个典型的蒸馏塔的构造不能认为是不成问题的。我们使用苯/乙苯作为一个二元体系的例子,参见图1a,两个组份中,在任一给定温度下,苯的蒸汽压高于乙苯的蒸汽压,所以苯比乙苯轻。给定的二元体系中,苯和乙苯互相接触,例如50/50的混合,在混合液体的上方,每一个组份将施加自己的蒸汽压力。依照蒸汽压力的规则、分压和摩尔分数,较轻组分(BZ)的摩尔分数在汽相时比在液相高,较重组分(EB)在气相根据不同将有一个较低的摩尔分数。如果这个液体上方的蒸汽在另一室被凝结至形成一第二液相,则液体摩尔分数必须与来自前级室的蒸汽摩尔分数相同。参见图1b。急骤蒸发该液体将产生与前一室液体闪蒸相同的现象。此为相对挥发度,常被使用于蒸馏行活中,以确定分离一个具有混合组分的流体成两个分离流体的困难程度,两个分离流体一个是具有较高浓度的轻组份及另一个是较重组分。
蒸馏塔的布置是一种非常稚致的方式,在一系列多重闪蒸中利用了液体向下流蒸汽向上流的机理。参见图1c。当热在内部从塔板到塔板重复使用时,对于再汽化凝结的蒸汽,该装置消除了外部级间的热增加;和对于再凝结汽体的液体,消除了外部级间的热移去。通常,在供料热函和组分能量对于一给定的分离要求达较小的位置向塔内供料。供料点上方的层常常已知为精馏层,而下方的层为汽提层。精馏是清理轻馏分,通常称其为馏出物,并除去重馏分,汽提是从重馏分中剥离出轻馏分,通常称其为底流,并提纯。
人们没有必要限制将这种基本的原理应用到传统的蒸馏塔结构中,如图1c所示。图1d也是一种蒸馏塔结构,即使它包括三套设备和不象一个传统的蒸馏塔。用于说明的目的,图1d是一种实施多重闪蒸和相对挥发度原理的蒸馏功能性的结构形式。其它的蒸馏功能结构可参见美国专利No,4,978,807,其中,“上方”反应区和“下方”蒸馏区由管路连接,将待处理液体从一个客器输送到另一个并起着一个反应蒸馏结构的作用。
某些情况下,一个特殊的区会遭受太多的热,如常发现于原油蒸馏装置中。为了在精馏层达到一个较经济的设计,常使用泵循环(Pumparounds)进行局部除热。另一种情况是,为了提高性能,在汽提层使用侧再沸器将热分加到中馏液中,以平衡蒸汽负载,如乙烯分馏。这两种情况不要与本发明相混。由于本发明和泵循环(Pumparounds)及侧再沸器间有某些程度的感觉相似性,必须完全解释两种传统使用的热去除(泵循环)和热增加(侧再沸器)装置。
泵循环(Pumparounds),如图2a所示,从一个塔板的液体被引到与冷却的馏液进行热交换。液体然后被返回,以一个较低的温度,回到塔内。如果液体返回的位置是相同的塔板,则在质量转换作用中没有损失,简言之,没有回流混合物。如果液体返回的位置在拉伸板之上,则塔板之间不再进行质量转换作用,它们被称之为热转换塔板。正是由于将重组分的馏液返回到一个塔内较高的位置,所有的塔板之间将处于相同的组成分布。热去除也可以以其它的方式完成,如图2b所示的分蒸汽凝结或甚至如图2c所示的在塔内使用一个冷凝器线圈。所有这些及其它在市场上适用的装置都是为了热去除的目的。
侧再沸器,如图3a所示,塔板上的液体可以被排出至对馏液进行加热的热交换器。馏液即可以回到相同的塔板,也可以回到一个上方的塔板或一个下方的塔板。理论上,蒸汽回到上塔板和液体回到下塔板是最有效的,因侧再沸器闪蒸馏液形成较轻的蒸汽和较重的液体,如前所述,其相对挥化度合理。然而,实际上,大部分侧沸器返回闪蒸的馏液到一个低于拉伸塔板的分离间塔板。还可以以其它的方式加热,如图3b所示,使用一个塔板上浸入的加热器。热虹吸也常用于侧再沸器的应用。尽管如此,热增加将造成产生的附加蒸汽。本发明:
我们先观察如图4a所示的构造。这种装置定义为精馏式反应蒸馏(RRD),提供低于反应区的精馏功能。当反应产物重于反应物时,反应产物旁绕过精馏区经液体流55再进入塔内。由下方产生的蒸汽无疑将汽化某些较重的产物返回到塔内。然而,精馏区可阻止大量的产物再进入反应区。同时,可允许较轻的反应物再进入反应区。该装置提供了一个当产物和反应物一离开反应区从反应物分离产物的直接方法。这种优越的技术性能还未被发现在市场上任一传统反应蒸馏***中。除上述以外,精馏的功能还可以使用一个板式的或填充的分离塔来提供,如图5a所示。其中,在低于反应区下方的汽提层的蒸汽再进入反应区之前,先对其进行蒸馏。那些技术熟练的人员结合与上述相同的RRD设置原理,在其它的如前所定义的蒸馏功能性结构上,能够得出许多其它的装置。
我们观察如图4b所示的结构,该装置,定义为汽提式反应蒸馏(SRD),是在反应区上方增加一个区用于汽提。此时,反应产物比反应物轻,反应产物经蒸汽流65,旁绕汽提区,再进入蒸馏塔进行精馏。来自顶部的液体回流无疑将凝结某些较轻的产物回降到塔内。然而,增加的汽提区将选择地剥离掉内部液流中的较轻组分,即减少已制得的反应产物量再进入反应区,而允许较重组分下降到反应区去进行再裂化和制备所要的产品。这种装置,再次提供了当产物和反应物一离开反应区的一种直接从反应物分离产物的方法。这种优越的技术性能再一次未被发现在市场上任一传统反应蒸馏***中。除上述以外,汽提的功能还可以使用一个板式的或填充的分离塔来提供,如图5b所示。其中,在来自反应区上方的精馏层的液体再进入反应区前,对其进行汽提。那些技术熟练的人员结合与上述相同的SRD设置原理,在其它的如前所定义的蒸馏功能性结构上,能够得出许多其它的设置。
RRD和SRD两者的含义,结合以发明人姓名命的作为童氏(“Tung’s”)装置,远非明显。它们还能够提供在反应蒸馏的另一种构造。与此开始,首先进行RRD作用对乙烯和苯制取乙苯的反应实例的检查。增加的分支
使用一个催化剂填充的蒸馏塔可以使并发的反应物的催化反应和反应物到产物的分离以一步完成。在这种蒸馏塔内,一般固定柱层反应器内使用固体的颗粒催化剂,由于缺少适用的液汽逆流流动的自由通路,常常造成塔内的压力降增高。压力降还随柱床寿命而增加,其受催化剂的填充度和破裂性影响,由于维修的要求和停机的结果,使该装置更非理想。如果不经常维修,沟流和热区还会造成对选择性,产量和性能付出很大代价的损坏。下述专利提供了处理压力降的一个解决方法,但即使这么做,在转化率,选择性,资金和操作成本也已知地或未知地付出了代价。
如美国专利No,5,476,978所介绍的,推荐采用大量的苯循环直到苯与乙烯的比值为100∶1,以使二乙苯(DEB),三乙苯(TEB)和多乙苯(PEB),其总称为多烷基化合物的形成达到较小。
     乙烯+苯      可逆反应  =乙苯(EB)
     乙烯+乙苯    可逆反应  =二乙苯(DEB)
     乙烯+二乙苯  可逆反应  =三乙苯(TEB)另一种考虑苯循环作用的方法是降低乙苯与苯的比例以便一新乙烯分子有较好的机会与苯而不是与乙苯配对。然而,即使在反应区内具有构造乙烯超过乙苯的优势数量,仍然存在着大量的多乙苯的形成,以至于需要设计烷基转移器***。烷基转移器***是利用增加苯将多乙苯转化返回到乙苯。
        三乙苯+苯  可逆反应  二乙苯+乙苯
        二乙苯+苯  可逆反应  2 乙苯
事实上,该说明书大量说明了利用产物处理多乙苯副产物再转化返回到所想要的乙苯产品。这又增加再处理的超循环负载及能量是非常无效的。操作成本和主要设备的折旧使这个反应过程缺少吸引性。若将一个RRD结合使用到该设计中,反应区可以进行使从汽提层下部返回的乙苯量最佳化。其减少了所有经过反应区的乙苯浓度,特别是注入乙稀的地方。除限制不想要的第二副反应外,降低苯浓度非常有利于反应平衡移向产物侧,产生做为反应产物的乙苯。乙苯一旦被制得,会再次被有效和及时的方式容易地移走。上述两个步骤将重复和互为能源。此外,反应区将形成一个很浅的熔深,会再次辅助产品的移动,以使乙苯被移走前不需要太深地进入反应区。
本发明的总效果是减少了反应器催化剂体积的要求和降低了苯循环的流动,甚至可以省去对烷基转移器***的需要。使用本发明,可以实现建立一个确实有效的反应蒸馏。
对于一个使用所述的已有技术的现有反应蒸馏设计,本发明可以增加一个巨大的利润额。此外:改型的费用可以由使用几个星期的RRD得到回偿。以下为过程模拟实验使用CHEMCAD软件,说明改型的RRD的影响。
                                            表1
液流   温度deg.F     流速lb/hr   位置     苯/乙苯质量比   功率MMBTU/hr
进料,F-1   400     10.000   塔盘1     1.00
馏出液,D-1   400     5.240   塔盘2     2.27
底流,B-1   474     4.760   塔盘3     0.40   0.70
进料,F-2   440     10.000   塔盘4     1.00   -0.50
馏出液,D-2   417     3.560   塔盘5     7.85
底流,B-2   474     6.440   塔盘6     0.40   1.00
上述模拟结果,使用SRK热动力数据,强调了在一个10级汽提层中的RRD的效果。当利用替代计算的蒸汽影响进入液体的迭代步骤,解释后继效应时,实际的利益将显著增加,它只是用于说明的目的。基本实例
实例1,
模拟一始沸点液体流,F-1,从上方反应区进入一个传统的反应蒸馏汽提层。F-1具有50/50的苯和乙苯的混合物。底目标保持在苯与乙苯的比为0.40,用于进一步下流产物的回收。再沸器功率由程序计算为0.70MMBTU/hr,D-1含有苯(BZ)/乙苯(EB)的比为2.27。由该比例可知,返回到反应蒸馏区的30%的蒸汽实际是乙苯。
比较实例:例2:起始使用相同的进料,为清楚起见命名F-2。该浓度被固定在相同的苯(BZ)/乙苯(EB)的比为0.40,及反应器废液流被旁通到塔内汽提层中的5塔板。请注意,没有提供增加的层来显示改型的本发明***的吸引性。冷凝器的功率是随意地选择在0.5MMBTU/hr,由程序计算其余的信息。观察馏出物,D-2已上升到苯(B2)/乙苯(EB)的比为7.85,其是实例1的纯3.5倍。且达到了较多的底流,说明乙苯回到反应区的净速率降低了。上述是精馏式反应蒸馏(RRD)对反应蒸馏影响的说明。
如美国专利No,5,961,815,所述,在低于400degF以上时的重质含石油馏份的位置加入氢,此时,反应蒸馏装置产生较轻的,较多的所需产物。相当一部分所需产物将再进入裂化区,产生较多的轻馏分并减少总反应选择性。若将汽提式反应蒸馏SRD结合在设计中,它将阻止反应区再裂化所需产物,如来自回流中的石油馏分。这种设计显著地提高了总裂化选择性,且可较好的使用氢,因其通常处于短缺。那些本领域技术熟练的人员会没有问题模拟,如上述表1的方法验证的一个SRD的作用,并得出相同的结论。
如美国专利No,5,118,8873所述为制备MTBE的过程。为了影响甲醇/丁烷共沸混合物,将一种外部的惰性丁烷源加入到反应蒸馏结构中。甲醇和丁烷形成一共沸混合物,其有效地使甲醇在较低的温度下沸腾。甲醇和异丁烯也是如此。在这个例子中,使用基本纯净的异丁烯,因一但异丁烯被反应,异丁烯就不再适用于形成共沸混合物。甲醇即比丁烷重也比异丁烯重,将倾向于分馏到塔底。因而,甲醇/乙烷共沸混合物是用以促进甲醇返回到反应区。该专利在反应蒸馏结构中,处理了惰性丁烷组份的平衡问题。在所述专利的图2中,加入丁烷用于共沸物的形成。为了限制主蒸馏区的蒸汽压力,利用引入一个下流汽提塔去进行剥离多余的丁烷。最初,乍一看,上述构造显示出与本发明有一些相似性,然而,其设计意图和功能性与本发明没有相关性。事实上,一个RRD可被改型在此例中,再精馏MTBE蒸汽液并使其转化率好于现有专利提供的转化。
有效产物移走的另一个伴随结果是设计多层反应区的能力,每一个进行不同的反应任务和受益于再使用热,及合适的分离反应物。例如,如果乙苯需要进一步转化,即乙苯做为一个优选的最终产物,反应可以在相同的蒸馏塔内,以一个两步的过程进行。多个RRD可以被置入在需要精馏以提高选择反应性的作为单一反应蒸馏的情况。
重要的是,反应蒸馏包含的范围远大于催化蒸馏的范围。即由于我们通常涉及的催化剂,是以固体底板的形状。在本发明中,反应蒸馏被定义为促进反应的一种蒸馏功能性结构。一般地,固体催化剂的作用是利用与反应物形成中间复合体提供活动场所。其物理/化学吸附步聚降低了反应的活化能,并开始化学反应到达到它的化学平衡。它是促进化学反应进行的一种方式。在可逆化学反应的情况,活化能的降低等于使逆向反应进行。
以下的任一种或其它,也可以引发一个反应:热,离子束,引发剂如氧化剂的注入,高能束如象紫外线照射,酶催的等等。简言之:但凡反应***克服了活化能的阻碍,真正的限制就是化学平衡。化学平衡常定义为:用反相反应速率除正向反应速率。即就是为什么在一个反应区内有效地移去产物最终决定任一反应体系设计的成功。结论,改型,及发明范围。
因而,读者将看到本发明的确是反应蒸馏技术中缺少的环节。反应区,如上述说明所指,可被视为一个实例。本发明进一步发展不是反应区的界限。一个进行操作的区,其影响某些形式的不同输出而不是给定的输入也可以适用于本发明。基于此,定义了操作区。基本上,本发明提供了别人不能达到的在组成分布连续的突破。在写本说明书中,采用交叉的方法去解释本发明。上述本发明的描述,还包含许多的说明,这些不能构成对发明范围的限制,但可以做为较佳实施例的解释。许多其它的变化是可能的,例如,可以使用在焦炭蒸馏生化技术,医药制造过程,及食品和饮料的应用等。

Claims (14)

1.一种从至少一种反应物分离至少一种产品的方法包括:一具有蒸馏作用的结构,至少一操作区和一位于操作区下方的提供精馏的装置,由此,可达到控制所述的产品和所述的反应物再进入操作区。
2.按照权利要求1的方法,其中,所述的蒸馏作用的结构是一种蒸馏塔。
3.按照权利要求1的方法,其中,所述的蒸馏作用的结构是一种反应蒸馏塔。
4.按照权利要求1的方法,其中,所述的操作区包含至少一反应区。
5.按照权利要求4的方法,其中,所述的反应区包含催化剂。
6.按照权利要求4的方法,其中,使用一仅位于反应区下方的泵循环提供低于反应区的精馏。
7.按照权利要求4的方法,其中,液体是从所述的反应区旁绕所述的精馏层及再进入所述的蒸馏作用的结构。
8.一种从至少一种反应物分离至少一种产品的方法包括:一具有蒸馏作用的结构,至少一操作区和一位于操作区上方的提供汽提的装置,由此,可达到控制所述的产品和所述的反应物再进入操作区。
9.按照权利要求8的方法,其中,所述的蒸馏作用的结构是一种蒸馏塔。
10.按照权利要求8的方法,其中,所述的蒸馏作用的结构是一种反应蒸馏塔。
11.按照权利要求8的方法,其中,所述的操作区包含至少一反应区。
12.按照权利要求11的方法,其中,所述的反应区包含催化剂。
13.按照权利要求11的方法,其中,使用一仅位于反应区上方的一侧再沸器提供高于反应区的汽提。
14.按照权利要求11的方法,其中,蒸汽从所述的反应区旁绕所述的汽提层及再进入所述的蒸馏作用的结构。
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