CN101275932B - 一种脉冲微反产物在线模拟蒸馏分析方法 - Google Patents
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Abstract
一种脉冲微反产物在线模拟蒸馏分析方法,包括在气相色谱仪的填充柱进样口以脉冲方式注入反应物,反应物经物料传输管线进入微反装置的反应管,从反应管流出的微反产物再经另一根物料传输管线进入气相色谱仪的分流进样口,经分流后,一部分从分流出口排出,另一部分进入非极性毛细管色谱柱,在线性程序升温条件下,将微反产物按沸点次序进行分离,再进入检测器检测,由色谱分析得到馏出组分的质量百分含量和相应的保留时间对应的温度,得到微反产物的模拟蒸馏馏程。该方法可用于催化剂初活性和活性稳定性的初步评价。
Description
技术领域
本发明为一种脉冲微反产物的模拟蒸馏分析方法,具体地说,是一种脉冲微反产物在线模拟蒸馏的分析方法。
背景技术
随着原油的重质化和劣质化,以及环保要求的日益严格化,催化工艺和催化反应对催化剂性能的要求愈来愈高,大量新型的催化材料不断涌现。要在大量的新型材料中优选出催化性能最佳或最适合的催化材料,实验室研究阶段的微反活性评价和初步筛选是必不可少的一个重要环节。
现有的轻油微反、重油微反和常压连续固定流化床微反评价都需要收集产品进行离线分析。液相产物收集需要相应的冷浴设备,气相产物收集需用排液法收集,消耗原料较多,使设备变得相对复杂。由于离线分析只能计算平均转化率和产物分布,无法研究催化剂在测定过程中的失活状况,给催化剂及催化反应基础研究带来诸多不便。为了同时测定转化率和催化剂活性随时间的变化,要求对反应器床层采用脉冲进样方式,同时对反应产物进行在线分析,即使用脉冲微反-色谱系统。
CN85204396U公开了一种多用微反色谱仪,为微型反应器与气相色谱的联合装置。该装置由进样器、两个六通阀、两个反应器、两个分离柱和热导池等组件构成。进样器用于将反应气体混合,反应器、分离柱、进样器均可通过六通阀相互连接。当采用脉冲法进样时,用微量注射器直接由反应器顶端进样,反应产物经分离柱进入热导检测器进行检测。该装置可对微反产物进行分析,确定产物中各组分含量,也可用于测定催化剂的比表面积和孔分布。
CN2058992U公开了一种测试分子筛裂化催化剂及平衡剂的微活指数快速测定仪。该仪器由气相色谱仪和连接在色谱仪色谱柱上的带有温控设施的反应器组成,所述的反应器顶部设有固定的进样器入口。测定裂化催化剂微活指数时,将原料油从反应器进样口注入,反应产物和未被裂化的原料油由载气带入色谱柱层析分离进入热导池的测量臂,由色谱数据处理机进行处理,得到催化剂的微活指数。
Applied Catalyst A:General183(1999)411-421公开了一种快速进行催化裂化产物和催化剂再生性能测定的新型设备。该设备将石英反应管通过两个特殊的接合器连接在气相色谱仪的注射口上,分离毛细管柱穿过放在第二接合器内的注射隔板和衬管,被提升至反应管的下部,反应管和注射器之间放置有密封垫。测试时,将样品用注射器从反应器顶部注入反应器,注入的液体样品在反应管的上部气化,由载气携带通过催化剂床层,反应后物料进入插在反应管下 部的毛细管色谱柱进行分离,经检测器检测得到反应产物的分析数据。
发明内容
本发明的目的是提供一种脉冲微反产物在线模拟蒸馏分析方法,该方法操作简便,可快速获得脉冲微反产物的模拟蒸馏馏程,并用于催化剂活性的评价。
本发明提供的脉冲微反产物在线模拟蒸馏分析方法,包括在气相色谱仪的填充柱进样口以脉冲方式注入反应物,反应物经物料传输管线进入微反装置的反应管,从反应管流出的微反产物再经另一根物料传输管线进入气相色谱仪的分流进样口,经分流后,一部分从分流出口排出,另一部分进入非极性毛细管色谱柱,在线性程序升温条件下,将微反产物按沸点次序进行分离,再进入检测器检测,由馏出组分对应的质量百分含量(即分段累加的面积百分含量)和相应的保留时间对应的温度,得到微反产物的模拟蒸馏馏程。
本发明将微反装置连接在气相色谱仪的两个进样口之间,并使用细径的毛细管柱作为色谱分离柱,使微反进料和出料在两个色谱仪进样口之间进行,不仅充分利用了气相色谱仪提供的各种有利的分析条件和配置的分析设施,还加快了模拟蒸馏速度,实现了微反产物的在线快速模拟蒸馏分析。
附图说明
图1为本发明方法的流程示意图。
图2为本发明方法中使用的微反装置的结构示意图。
图3为本发明方法中所述的物料传输管线的结构示意图。
图4为本发明方法中所述的变径接口的结构示意图。
图5为本发明方法中微反装置的反应管与色谱仪接管的连接剖面示意图。
图6为用本发明方法对不同的裂化催化剂初活性及积炭性能的评价结果。
图7为用本发明方法对裂化催化剂产物分布进行测定的结果。
具体实施方式
本发明将微反装置连接在气相色谱仪的两个进样口之间,在气相色谱仪中接入非极性毛细管色谱柱,构成微反-气相色谱组合分析系统,反应原料从气相色谱仪的填充柱进样口进入,经微反装置的反应管流出,再进入气相色谱仪的分流进样口,经分流排出大部分反应管流出物,其余部分则全部进入气相色谱仪的非极性毛细管色谱柱,在程序升温条件下按沸点进行分离,顺序进入检测器得到与保留时间对应的响应值。将响应值切片积分,即按一定的保留时间间隔进行分段积分,再将每段积分值累加获得色谱峰积分面积累加百分数,以及色谱峰面积累加百分含量对应的保留时间,由保留时间-沸点温度校正曲线得到对应于切片积分色谱峰面积累加百分含量的温度,即馏程。其中,切片积分色谱峰面积累加百分含量即模拟蒸馏收率,因烃类的相对质量校正因子近似于1,故可认为即是试样的质量百分数,因而得到由质量百分数表示的模拟蒸馏馏程。
本发明通过在气相色谱仪的两个进样口之间安装的微反装置,以及在色谱 仪中安装的细径毛细管柱,实现了脉冲微反产物的在线快速模拟蒸馏分析。此外,通过对重组分的分流失真校正,使本发明方法对微反产物进行在线分析的数据更加准确。由于采用非极性细径毛细管柱,能够在较短时间内完成微反产物的快速模拟蒸馏分析。同时,由于该分析方法时间短,可以进行连续脉冲微反产物馏程测定,以评价催化剂的初活性、转化率和产物分布,以及催化剂失活(积炭)状况等随时间的变化,得到更多更详细的信息,进而得到催化剂活性与催化剂结构以及积炭之间的关系。
本发明方法使用细径的非极性毛细管作为色谱分离柱,所述的非极性毛细管色谱柱的内径优选0.1~0.6mm,以利于快速得到模拟蒸馏结果。
所述的气相色谱仪的检测器优选氢火焰离子化检测器。
本发明方法中,从微反装置流出的微反产物进入气相色谱仪的分流进样口,经分流后,小部分作为分析样品进入色谱柱,其余则从分流出口排出。从分流出口排出的微反产物与进入非极性毛细管色谱柱的微反产物的比,即分流比为100~500:1。
本发明方法中所述的微反装置包括加热炉和反应管,所述的加热炉包括金属套管、电加热层和保温层,其中的电加热层位于金属套管外,电加热层外为保温层,反应管插入金属套管内,并从其两端伸出。所述的保温层优选含内保温层和外保温层。
所述的加热炉有两个加热段,每个加热段均设有中心测温点,两个加热段之间也设有中心测温点。
所述的反应管内径优选1~3毫米,长度优选150~220毫米。所述的反应管材质优选石英玻璃管。
本发明方法中,连接微反装置和气相色谱仪的物料传输管线优选具有独立控温系统的管线,以使微反产物中的轻组分在传输过程中不发生冷凝。具体地,所述的物料传输管线包括色谱仪接管和位于其外部的控温层,所述的控温层包括电加热层和位于其外部的保温层,所述的电加热层包括套于色谱仪接管外的瓷环、缠绕在瓷环外的电加热丝和套在电加热丝外的碗状瓷环。所述的色谱仪接管优选可弯曲的不锈钢管。
所述的物料传输管线优选采用变径接口与微反装置的反应管连接。所述的变径接口为一内径不同的空心管,空心管内径较大的一端与较小的一端的内部结合处均设有锥形收口,所述的锥形收口的底部均为直管,即所述变径接口内空心管的形状为:一端为直径较大的圆柱形,圆柱形底端为圆锥形收口,另一端为直径较小的圆柱形,圆柱形底端亦为圆锥形收口,两个圆锥形收口的底端均为一直径很小的圆柱形,两个圆锥形收口的底端相互连接,连接处的管径可相同,也可不同。
所述变径接口空心管内径较大一端的锥形收口的锥角优选90~120°,内径较小一端的锥形收口的锥角优选60~85°。
本发明中,微反装置与色谱仪可采用灵活的方式连接,即采用变径接口和物料传输管线将微反装置接入色谱柱的两个进样口。具体地说,所述的物料传输管线通过套于色谱仪接管外的色谱仪接管套管与变径接口连接,微反装置通过套于反应管外的反应管连接套管与变径接口连接。
下面通过附图进一步说明本发明。图1中,微反装置3的一端通过物料传输管线2与气相色谱仪的填充柱进样口1相连,另一端通过另一根物料传输管线4与气相色谱仪的分流进样口5相连,因而使微反装置3接入气相色谱仪。气相色谱仪的分流进样口5与色谱柱6相连,色谱柱的另一端与检测器7相连,检测器优选氢火焰离子化检测器。检测器将色谱柱分离出的烃类检测转化成数字信号,传输给计算机,采用分析软件自动进行数据记录及数据处理。
图2所示的微反装置包括加热炉和反应管8,所述的加热炉包括金属套管9、电加热层10和保温层,其中的电加热层10位于金属套管9外,电加热层10外为保温层,反应管8插入金属套管9内,并从其两端伸出。所述的金属套管9的材质优选铜,所述的电加热层内有电热丝14,反应管的材质优选石英玻璃。图2所示的微反装置有两个加热段,每个加热段均设有中心测温点13,两个加热段之间也设有中心测温点13。
从图3可知,本发明所述的可独立控温的物料传输管线包括色谱仪接管15和位于其外部的控温层,所述的控温层包括电加热层和位于其外部的保温层19,所述的电加热层包括套于色谱仪接管15外的瓷环16、缠绕在瓷环16外的电加热丝17和套在电加热丝17外的碗状瓷环18。所述的色谱仪接管优选可弯曲的不锈钢管,套在其外的瓷环16和碗状瓷环18主要用于将色谱仪接管15与电加热丝17隔绝,并使物料传输管线可弯曲,以便于将微反装置接入气相色谱仪。
图4是本发明用于接连微反装置和物料传输管线的变径接口20的剖面图。由图4可知,变径接口20是一内径不同的空心管,空心管一端的内径较大,其底部为一锥形收口21,锥形收口21的底端为一内径很小的直管22,空心管另一端的内径较小,其底部亦有一锥形收口23,锥形收口23的底端也有一内径很小的直管24,两个锥形收口底端的直管相互连接。所述内径较大一端的锥形收口21的锥角为90°,内径较小一端的锥形收口23的锥角为60°,内径较大一端的锥形收口21底端直管的内径较另一端锥形收口23的底端直管的内径小。变径接口内径较大一端的外管壁设有外螺纹25,内径较小一端的内管壁设有内螺纹26。
由图5所示的变径接口与色谱仪接管和微反装置反应管的连接图可知,所 述的色谱仪接管15插入到色谱仪接管套管27内固定,色谱仪接管套管27与变径接口20内径较小的一端通过内螺纹连接,反应管连接套管28套在微反装置的反应管端口外,通过变径接口的外螺纹与之连接。所述的色谱仪接管15和反应管8与变径接口20连接处均设有石墨垫。
本发明使用所述的微反-气相色谱组合分析系统进行微反产物在线模拟蒸馏的方法为:将反应原料用微型注射器,通过手动或自动方式注入气相色谱仪的填充柱进样口1并气化,同时气相色谱仪提供的载气经填充柱进样口1的载气入口进入,载气的一部分携带气化后的原料经物料入口传输管线2进入微反装置3,另一部分从隔垫吹扫出口流出,将进样时带入的固体杂质排出体系。反应后的物料再经物料传输管线4进入气相色谱仪的分流进样口5,在分流进样口5中进行分流后进入气相色谱仪的色谱柱,经色谱分离后进入检测器进行检测,并将检测数据传入计算机,由专用的分析软件进行记录和处理。
本发明方法较为适用的反应物为沸点或沸程是35~400℃的烃或烃馏分,如正构烷烃、轻柴油或柴油馏分。
本发明方法由于采用非极性毛细管色谱柱,其容量较小,需采用分流进样方式,但现有色谱分流进样系统,对沸点超过正十二烷的微反产物样品会发生分流失真,所以定量计算时需对微反产物中沸点大于正十二烷的烃组分色谱积分面积进行分流失真校正,得到分流失真校正系数-保留时间校正曲线,由该曲线对每个分段保留时间对应的色谱积分面积进行校正,并累加计算得到对应馏出组分的质量百分含量,再由保留时间对应的温度获得微反产物的模拟蒸馏馏程。进行分流失真校正时,所述的分流失真校正的基准物优选正十烷。具体校正方法为:
设定正十二烷至正n烷为分流失真的组分,根据同一样品中两种不同组分在同一色谱图上对应的积分面积的比值与其含量的比值相等的原理,配制已知含量的含正癸烷和正十二烷至正n烷的标样,可以得到下述关系式:
X10/Xi=A10 0/Ai 0
Ai 0=(Xi/X10)×A10 0
式中,X10、Xi分别为标样中正癸烷和发生分流失真的正构烷烃i的含量。
A10 0、Ai 0分别为标样中正癸烷和正构烷烃i的理论积分面积。
由于正癸烷不发生分流失真,故A10 0=A10
其中,A10为标样中正癸烷在快速模拟蒸馏条件下测得的积分面积。
若定义Ai为标样中正构烷烃i在快速模拟蒸馏条件下测得的积分面积,λi为正i烷的分流失真校正系数,则有:
λi=Ai 0/Ai=(A10×Xi)/(Ai×X10)
将标样中大于正十二烷的各正构烷烃的分流失真校正系数与各正构烷烃对 应的保留时间相关联,得到分流失真校正系数-保留时间校正曲线,由该曲线对每个切片积分保留时间对应的面积进行校正,并累加计算得到对应馏出组分的质量百分含量,再由保留时间对应的温度获得微反产物校正后的模拟蒸馏馏程。
实际应用时,先用本发明的微反-气相色谱组合分析系统,对由C5~C30正构烷烃配成的标样进行分析,确立保留时间-沸点校正曲线,再按上述方法建立分流失真校正系数-保留时间校正曲线。用本发明方法在线模拟蒸馏分析时,在与建立上述曲线相同的色谱分析条件下对微反产物进行色谱分离,根据每个切片积分对应的保留时间,由保留时间-沸点校正曲线确定保留时间对应的沸点温度,再根据保留时间对应的色谱峰面积累加百分数或校正后的色谱峰面积累加百分数,得到模拟蒸馏的收率,即获得模拟蒸馏馏程。对大于正十二烷的重组分需用分流失真校正系数-保留时间校正曲线校正切片积分累加的色谱峰面积百分数。
下面通过实例进一步详细说明本发明,但本发明并不限于此。
各实例中模拟蒸馏或催化剂评价均在图1所示的微反-气相色谱组合分析系统中进行,其中微反装置的反应管内径为2mm,长度为190mm。典型分析条件如表1所示。气相色谱仪为美国惠普公司生产的HP6890。
实例1
建立本发明方法所述的分流失真校正曲线。
将无催化活性的石英砂装入微反装置的反应管中,采用组成已知的C10~C20的正构烷烃标样,在模拟蒸馏的操作条件下,重复进样分析,分析时间为6分钟,进样量为0.50μL。以正癸烷的色谱峰面积基准,计算各正构烷烃的分流失真校正系数,取每次分析数据的平均值列于表2。
将表2得到的各正构烷烃的分流失真校正系数与其对应的保留时间进行二次线性回归拟合,其中分流失真校正系数与保留时间的对应关系见表3,得到的校正曲线如下:
λ=A+B1×ti+B2×ti 2 ①
式①中,ti为i组分的保留时间,各参数取值如下表。
实例2
考察分流失真校正曲线的可靠性。
配制另一正碳烷烃标样,在与实例1相同的条件下进行分析测定,然后运用式①的校正曲线校正各组分的色谱峰面积,并与该标样中各组分的真实含量对比,结果见表4。
表4结果表明,用本发明建立的模拟蒸馏失真校正方法得到的组分含量数据与实际组分含量相差不大,说明本发明建立的模拟蒸馏失真校正方法是可靠的。
实例3
用本发明方法对汽油馏分进行模拟蒸馏分析。
将无催化活性的石英砂装入微反装置的反应管中,将汽油馏分注入色谱柱的填充柱进样口,使之经过微反装置后经分流进样口流入色谱仪的色谱柱,在表1所示的操作条件下进行模拟蒸馏分析,分析时间为3.5分钟,进样量为0.50μL。
由于汽油组分均为沸点小于正十二烷的烃类,基本上都不发生分流失真,取校正曲线中的失真校正系数为1。分析结果及其与ASTM D2887标准方法的比较见表5。
实例4
用本发明方法对柴油馏分进行模拟蒸馏分析。
将无催化活性的石英砂装入微反装置的反应管中,将大港轻柴油馏分注入色谱柱的填充柱进样口,使之经过微反装置后经分流进样口流入色谱仪的色谱柱,在表1所示的操作条件下进行模拟蒸馏分析,分析时间为7.5分钟,进样量为0.80μL。
所述的模拟蒸馏分析数据用实例1式①所述的校正曲线进行校正。校正前后的模拟蒸馏分析结果及与ASTM D2887标准方法结果的比较见表6。
由表6数据可知,用本发明方法校正后的模拟蒸馏数据更接近于ASTMD2887标准方法测定的结果。
实例5
用本发明方法对汽油-轻柴油全馏分油进行模拟蒸馏分析。
配制含C5~C30正构烷烃的已知组成的标准样品,在表1所示的操作条件下进行模拟蒸馏,以色谱图中正癸烷的峰面积为基准,按本发明的方法得到各正构烷烃组分的分流失真校正系数,再与相应的保留时间相拟合,得如下校正曲线:
λ=0.73069+0.05257*ti+0.028389*ti 2 ②
将无催化活性的石英砂装入微反装置的反应管中,将汽油-轻柴油全馏分注入色谱柱的填充柱进样口,使之经过微反装置后经分流进样口流入色谱仪的色谱柱,在表1所示的操作条件下进行模拟蒸馏分析,分析时间为7.5分钟,进样量为0.80μL。
在汽油-轻柴油全馏分中,汽油组分的沸点均低于正十二烷,基本上都不发生分流失真,对沸点高于正十二烷的组分用式②的校正曲线对切片积分的色谱峰面积百分数进行分流失真校正,校正后得到的馏程数据及与ASTM D2887标准方法的比较见表7。
实例6
用本发明方法对脉冲微反产物进行模拟蒸馏分析。
将5mgY型分子筛装入微反装置的反应管中,以大港轻柴油作为反应物,将其注入图1所示的微反-气相色谱组合分析系统的气相色谱仪的填充柱进样 口中,在表1所示的条件下进行脉冲微反产物的在线快速模拟蒸馏分析,时间为8.5分钟,进样量为0.80μL。分析结果见表8。
表8数据表明,本发明方法能够进行在线脉冲微反产物的快速模拟蒸馏分析。
实例7
本实例考察脉冲微反产物在线快速模拟蒸馏分析方法的重复性。
按实例6的方法,以大港轻柴油为反应物平行试验6次,其中,最后一次与前5次的测量时间相隔一个月,以考察评价装置的稳定性和重复性。每次连续12~15次脉冲进样分析,脉冲间隔为25分钟。6次试验的累积进样转化率见表9,其中转化率的计算忽略积碳和干气的影响,即色谱积分计算得到的反应产物中除去未反应的柴油馏分的其它所有组分的面积百分含量之和,下同。
表9结果表明,本发明方法具有较好的分析重复性,能满足分子筛催化剂活性评价的要求。
实例8
用本发明方法评价裂化催化剂性能。
按实例6的方法,以大港轻柴油为反应物,考察了四种以不同Y型分子筛为活性组分的新鲜催化剂的初活性及其随催化剂积炭(累计进样量)增加而变化的趋势。催化剂活性评价方法为:将反应物进行连续脉冲进样,每次进样量为0.80μL,脉冲间隔为25分钟,对每次进样的微反产物进行在线快速模拟蒸馏分析,计算催化剂的转化率及产物分布,结果见图6、图7。
图6、图7表明,本发明方法不仅能够评价出催化剂的初活性,还能评价出催化剂活性随其积炭增加而变化的趋势以及产物分布的变化趋势,能够为催化剂的制备和评价提供丰富而详细的信息。
表1
表2
表3
正构烷烃碳数 | 10 | 11 | 12 | 14 | 15 | 16 | 17 | 18 | 20 |
保留时间,分钟 | 2.841 | 3.381 | 3.808 | 4.519 | 4.834 | 5.126 | 5.404 | 5.666 | 6.160 |
λ | 1.000 | 1.0657 | 1.1384 | 1.2559 | 1.3374 | 1.4139 | 1.4978 | 1.5836 | 1.7850 |
表4
表5
表6
表7
表8
表9
Claims (14)
1.一种脉冲微反产物在线模拟蒸馏分析方法,包括在气相色谱仪的填充柱进样口以脉冲方式注入反应物,反应物经物料传输管线进入微反装置的反应管,从反应管流出的微反产物再经另一根物料传输管线进入气相色谱仪的分流进样口,经分流后,一部分从分流出口排出,另一部分进入非极性毛细管色谱柱,在线性程序升温条件下,将微反产物按沸点次序进行分离,再进入检测器检测,由馏出组分对应的质量百分含量和相应的保留时间对应的温度,得到微反产物的模拟蒸馏馏程。
2.按照权利要求1所述的方法,其特征在于所述的非极性毛细管色谱柱的内径为0.1~0.6mm。
3.按照权利要求1所述的方法,其特征在于从分流出口排出的微反产物与进入非极性毛细管色谱柱的微反产物的比为100~500:1。
4.按照权利要求1所述的方法,其特征在于所述的微反装置包括加热炉和反应管(8),所述的加热炉包括金属套管(9)、电加热层(10)和保温层,其中的电加热层(10)位于金属套管(9)外,电加热层(10)外为保温层,反应管(8)插入金属套管(9)内,并从其两端伸出。
5.按照权利要求4所述的方法,其特征在于所述的保温层含内保温层(11)和外保温层(12)。
6.按照权利要求4所述的方法,其特征在于所述的加热炉有两个加热段,每个加热段均设有中心测温点(13),两个加热段之间也设有中心测温点。
7.按照权利要求4所述的方法,其特征在于所述的反应管内径为1~3毫米,长度为150~220毫米。
8.按照权利要求4所述的方法,其特征在于所述的反应管(8)为石英玻璃管。
9.按照权利要求1所述的方法,其特征在于所述的物料传输管线包括色谱仪接管(15)和位于其外部的控温层,所述的控温层包括电加热层和位于其外部的保温层(19),所述的电加热层包括套于色谱仪接管(15)外的瓷环(16)、缠绕在瓷环(16)外的电加热丝(17)和套在电加热丝(17)外的碗状瓷环(18)。
10.按照权利要求1所述的方法,其特征在于所述的物料传输管线采用变径接口(20)与微反装置的反应管连接。
11.按照权利要求1所述的方法,其特征在于反应物为沸点或沸程是35~400℃的烃或烃馏分。
12.按照权利要求1所述的方法,其特征在于对微反产物中沸点大于正十二烷的烃组分色谱峰积分面积进行分流失真校正,得到分流失真校正系数-保留时间校正曲线,由该曲线对每个分段保留时间对应的色谱峰积分面积进行校正归一,并累加计算得到馏出组分的质量百分含量,再由保留时间对应的温度获得微反产物的模拟蒸馏馏程。
13.按照权利要求12所述的方法,其特征在于所述的分流失真校正的基准物为正十烷。
14.按照权利要求1所述的方法,其特征在于所述的检测器为氢火焰离子化检测器。
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CN2007100649869A CN101275932B (zh) | 2007-03-30 | 2007-03-30 | 一种脉冲微反产物在线模拟蒸馏分析方法 |
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