CN103480380B - 一种用于固定床苯胺精馏残渣资源化利用的催化剂及其制备方法 - Google Patents

一种用于固定床苯胺精馏残渣资源化利用的催化剂及其制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种用于固定床苯胺精馏残渣资源化利用的催化剂及其制备方法。以催化剂总重计,该催化剂组分及含量如下:NiO为活性组分,含量为5%-40%;Fe、Mo、Cr或Co的氧化物的一种或多种为第一助催化组分,含量为2%-30%;La、Zr、Y或Ce的氧化物的一种或多种为第二助催化组分,含量为10-30%;余量为载体。该催化剂采用共沉淀法制备。该催化剂在废液处理过程中表现出较高的活性和稳定性,反应200h仍保持较高的精馏残渣的裂解率。

Description

一种用于固定床苯胺精馏残渣资源化利用的催化剂及其制备方法
技术领域
本发明涉及一种催化剂及其制备方法,具体地说,是涉及一种用于固定床苯胺精馏残渣资源化利用的催化剂及其制备方法。
技术背景
苯胺为无色油状液体,有强烈的气味,有毒,是一种重要的化工中间体,被广泛地用于橡胶助剂、染料、感光化学品、医药、农药、炸药及聚氨酯等产品的生产,其生产方法有苯酚氨化法、铁粉还原法和硝基苯催化加氢法。
考虑到原料来源、能耗及环境保护等方面,大多数生产厂家采用硝基苯催化加氢法。加氢法又因采用的反应器形式不同分为固定床气相加氢和流化床气相加氢两种工艺。固定床气相加氢具有工艺简单、维修费用低、不需分离催化剂、反应温度低及产品质量好等优点,但由于固定床传热不好,易发生局部过热而引起副反应及催化剂失活,因此催化剂的活性周期短。流化床反应器传热状况好,避免局部过热,减少了副反应发生,延长催化剂的使用寿命,但操作复杂,催化剂磨损大,操作及维修费用高。液相加氢法存在气液两相反应,反应热移除容易,设备简单,操作、维修费用低,但引进费用高。
通常,苯胺生产工艺采用液相催化加氢工艺,通过氧化系统对原料硝基苯脱硫脱碳,将硝基苯和氢气进行混合预处理,在流化床反应器中进行反应,催化剂流经反应器再循环回用。由于反应有水生成,反应后对粗产品进行萃取精制,回收未反应的硝基苯,再通过精馏得到苯胺,在精馏塔釜富集得到苯胺精馏残渣,苯胺精馏残渣的来源主要有两方面:一是硝基苯在加氢反应过程中由于氢气过量,生成了部分高沸物,二是加氢反应过程中生成的环己酮中间体会和苯胺反应生成席夫基焦油,其是一种具有刺激性气味的黑色粘稠液体,含有许多带负电性π电子体系的芳烃类物质,如环己基苯胺二苯胺1,2,3,4-四氢咔唑对苯胺基苯胺苯酚、N-环己基-1,2-二苯胺2-苯基苯胺长链烷烃等,这些物质的分子量偏高,而且如果分子中含有氨基(—NH2),那么两个含有此氨基的物质就会发生脱氨反应,产生含有—NH—的大分子物质。这些原因造成苯胺精馏残渣黏度较大,流动性差,很难二次利用,一般用作烧火料、防水材料。这两种用途所消耗的量占苯胺精馏残渣总量的比例很低,因此,绝大部分苯胺精馏残渣被当作废液,采用焚烧法进行处理,但其焚烧后会产生氮氧化物,形成酸雨,污染环境,会降低农业、渔业的产量。
如何将苯胺精馏残渣充分裂解,得到一定量的高经济价值的产物,将其变废为宝,尽可能地减少环境污染是本发明研究的课题。目前,尚没有一种有效的方法对苯胺精馏残渣进行资源化利用。
发明内容
本发明的目的是提供一种用于固定床苯胺精馏残渣资源化利用的催化剂,该催化剂使得苯胺精馏残渣通过加氢裂化将其中高分子量物质的C—C,C—N分子链打断,C=C分子链饱和,降低其分子量,降低体系黏度,增强流动性,同时获得环己胺和二环己胺等有效物质,以便于后续的分离操作。
本发明的另一个目的在于提供一种用于固定床苯胺精馏残渣资源化利用的催化剂的制备方法,该制备方法操作简单,制得的催化剂稳定性好。
本发明的再一目的在于提供所述的催化剂在苯胺精馏残渣资源化利用的用途。
为达到以上目的,本发明的技术方案如下:
一种用于固定床苯胺精馏残渣资源化利用的催化剂,以催化剂总重计,该催化剂组分及含量如下:
NiO为活性组分,含量为5%-40%;
Fe的氧化物、Mo的氧化物、Cr的氧化物和Co的氧化物的一种或多种为第一助催化组分,含量为2%-30%;
La的氧化物、Zr的氧化物、Y的氧化物和Ce的氧化物的一种或多种为第二助催化组分,含量为10-30%;
余量为载体。
作为一种优选的方案,以催化剂总重计,该催化剂组分及含量如下:
NiO为活性组分,含量为15%-30%;
Fe的氧化物、Mo的氧化物、Cr的氧化物和Co的氧化物的一种或多种为第一助催化组分,含量为5%-25%;
La的氧化物、Zr的氧化物、Y的氧化物和Ce的氧化物的一种或多种为第二助催化组分,含量为15-25%,
余量为载体。
本发明催化剂中,所述的载体为SiO2
一种用于固定床苯胺精馏残渣资源化利用的催化剂的制备方法,将硝酸镍、第一及第二助催化组分所含金属的硝酸盐溶于水中形成金属硝酸盐混合液,将混合液与碱溶液及硅酸钠水溶液分别或一起以并流的方式滴加到沉淀槽中;或将硝酸镍、硅酸钠、第一及第二助催化组分所含金属的硝酸盐溶于水中形成混合液,与碱溶液分别或一起以并流的方式滴加到沉淀槽中;或将硝酸镍、第一及第二助催化组分所含金属的硝酸盐溶于水中形成金属硝酸盐混合液,将混合液与溶有硅酸钠的碱液分别或一起以并流的方式滴加到沉淀槽中;沉淀槽中pH值控制在7-8之间,得到的沉淀物经老化、过滤、干燥、焙烧处理后,成型,粉碎。
当第一助催化剂组分中含有钼的氧化物时,其与上述制备方法的区别在于将除钼外的其他组分形成的沉淀浸渍于钼酸铵盐溶液中,然后经焙烧处理后,成型,粉碎。
本发明制备方法中,所述的金属硝酸盐混合液中金属离子的浓度控制在0.3-5mol/L。
本发明制备方法中,所述的碱液为Na2CO3水溶液、NaOH水溶液或氨水溶液,浓度为0.5-10mol/L。
本发明制备方法中,所述的硅酸钠水溶液或硅酸钠在碱液中的浓度均为0.1-1mol/L。
本发明制备方法中,控制沉淀槽中的温度在50~70℃之间。
本发明制备方法中,焙烧温度在300~700℃之间,焙烧时间为4~6h。
本发明制备方法中,所述的老化的温度为60~80℃,时间4~8h;干燥的温度100~150℃,时间8~15h。
本发明制备方法中,所述的成型是将焙烧后的催化剂挤条或压片成型,粉碎是将催化剂粉碎至10~20目。
本发明的催化剂或采用本发明的制备方法制备的催化剂在苯胺精馏残渣资源化利用的用途,以一官能度饱和醇作为稀释剂,在一定的温度和压力下,在所述催化剂的催化下,利用气相加氢处理苯胺精馏残渣,得到环己胺和二环己胺。
所述的一官能度饱和醇是乙醇或者甲醇。
采用固定床反应器,催化剂装填量10ml,一官能度饱和醇/苯胺精馏残渣质量比为0.1~0.7:1,借助微量计量泵进样,在反应管上端被完全汽化。液相体积空速为0.6~1.5h-1,反应压力为1~4MPa,反应温度在250~320℃之间,氢气用量与苯胺精馏残渣量的体积比为500~3000:1,氢气流量为150~400ml/min,反应开始前,需对催化剂进行还原,还原温度和时间分别为350~500℃、4h,还原气为H2(50ml/min)。待还原结束,温度降至反应温度时,开始进料反应,产物送往气相色谱仪进行定量分析。该催化剂具有高活性和高选择性,以精馏残渣质量计,环己胺、二环己胺的收率高达36.8%、40%,同时具有较好的稳定性,在反应200h后,产物选择性仍没有明显下降。
本发明催化剂处理苯胺精馏残渣的反应过程属于加氢裂化,重点是通过加氢裂化反应将精馏残渣中高分子量的物质中的C—C,C—N分子链打断,C=C分子链饱和,降低体系黏度,获得环己胺和二环己胺等小分子物质,便于后续的分离操作。此外,本发明的催化剂不会将小分子中的环打开,其反应原理可参考如下反应式:
本发明催化剂中各组分相互配合,使得催化剂具有较高的活性及稳定性,Ni催化剂虽然具有较好的催化活性,但在高温反应中易因活性组分流失、烧结和积碳而活性降低,且易发生S中毒。通过改变载体、添加第一及第二助催化组分,可以达到减少活性组分流失,减少积碳及烧结程度的目的,从而提高催化剂的稳定性和寿命。其中,Y具有调节催化剂表面酸碱性、抗积碳和减少开环反应的作用。Fe具有稳定催化剂的作用,而Mo、Cr、Zr、Ce、La或Co具有减小催化剂积碳,延长催化剂的寿命的作用。
附图说明:
图1为本发明实施例1产物的气相色谱图。
具体实施方式:
下面结合实施例,对本发明予以进一步的说明,但本发明不限于所列出的实施例,还应包括在本发明申请所附权利要求书定义的技术方案的等效改进和变形。
实施例中固定床反应器尺寸为长100cm,内径为25mm。反应产物采用岛津GC-2014气相色谱仪(氢离子火焰(FID)检测器)内标法分析。分析柱为SE-30,毛细管柱(Φ0.30mm×30m),气化室270℃,检测器270℃,柱温70℃,恒温1min,然后以40℃/min速率升到240℃,接着恒温5min。
实施例中苯胺精馏残渣来源于宁波万华聚氨酯有限公司苯胺精馏装置。
实施例1
分别称取16g硝酸镍Ni(NO32·6H2O、20g硝酸铁Fe(NO33·9H2O和11g硝酸镧La(NO33·6H2O,将其溶于300ml蒸馏水中,记为溶液A。
配置质量浓度为15%的氨水溶液200ml,记为溶液B。
称取17g硅酸钠Na2SiO3并溶于150ml水中,记为溶液C。
先将沉淀槽中的水100ml加热至50℃,再将溶液A、B和C并流滴加到沉淀槽中。在制备过程中,pH值和沉淀温度分别维持在7.5和60℃。待沉淀结束后,保持搅拌速度和沉淀温度不变,老化4h,过滤洗涤至中性,将沉淀物放置在110℃烘箱中干燥12h,待干燥结束后,于400℃空气气氛下焙烧4h,再经研磨、挤条成型,破碎过筛至10-20目,最终制得20%NiO-20%Fe2O3/40%SiO2-20%La2O3
在固定床反应器中装填10ml此催化剂,在400℃条件下对其进行还原,待还原结束后,温度降至反应温度280℃,将体系压力升至1.5MPa并开始进料,乙醇与苯胺精馏残渣质量比为0.2:1。液相空速为0.7h-1,H2流量为200ml/min,反应10h后开始取样分析,环己胺和二环己胺的分别收率为33.6%、24%。反应200h后,环己胺和二环己胺的收率分别保持在31.2%、24.6%。
实施例2
分别称取24g硝酸镍Ni(NO32·6H2O、20g硝酸铁Fe(NO33·9H2O和7g硝酸钇Y(NO33·6H2O,将其溶于300ml蒸馏水中,记为溶液A。配置浓度为0.7mol/L的Na2CO3溶液,称取17g硅酸钠Na2SiO3溶于300mlNa2CO3溶液中,记为溶液B。
先将沉淀槽中的水加热至70℃,再将溶液A和B并流滴加到沉淀槽中。在制备过程中,pH值和沉淀温度分别维持在8和70℃。待沉淀结束后,保持搅拌速度和沉淀温度不变,老化4h,过滤洗涤至中性,将沉淀物放置在110℃烘箱中干燥12h,待干燥结束,于500℃空气气氛下焙烧4h,再经研磨、压片成型,破碎过筛至10-20目,最终制得30%NiO-20%Fe2O3/40%SiO2-10%Y2O3
在固定床反应器中装填10ml此催化剂,在450℃条件下对其进行还原,待还原结束后,温度降至反应温度300℃,将体系压力升至2MPa并开始进料,乙醇与苯胺精馏残渣质量比为0.2。液体空速为0.7h-1,H2流量为250ml/min,反应10h后开始取样分析,环己胺和二环己胺的收率分别为36.8%、40%。反应200h后,环己胺和二环己胺的收率保持在35.8%、38.7%。
实施例3
分别称取20g硝酸镍Ni(NO32·6H2O、8g硝酸钴Co(NO32·6H2O和15g硝酸铈Ce(NO33·6H2O,将其溶于200ml蒸馏水中,记为溶液A。
配置浓度为1mol/L的NaOH溶液,将17g硅酸钠Na2SiO3溶于200ml碱溶液中,记为溶液B。
先将溶液B倒至沉淀槽中,并加热至70℃,再缓缓地将溶液A滴加至沉淀槽中,在此期间维持沉淀温度在70℃。待沉淀结束后,保持搅拌速度和沉淀温度不变,老化4h,过滤洗涤至中性,将获得的沉淀物放置在110℃烘箱中干燥12h,待干燥结束,于550℃空气气氛下焙烧4h,再经研磨、压片成型,破碎过筛至10-20目,获得24%NiO-10%Co3O4/39%SiO2-27%CeO2
催化剂评价同实施例2,环己胺和二环己胺的收率分别为31.2%、33.2%。经反应200h后,环己胺和二环己胺的收率保持在28%、32.5%。
实施例4
分别称取20g硝酸镍Ni(NO32·6H2O、17g硅酸钠Na2SiO3、8g硝酸钴Co(NO32·6H2O和15g硝酸铈Ce(NO33·6H2O,将其溶于200ml蒸馏水中,记为溶液A。
配置质量分数为15%的氨水溶液200ml,记为溶液B。
先将溶液A倒至沉淀槽中,并加热至70℃,再缓缓地将溶液B滴加至沉淀槽中,在此期间维持沉淀温度在70℃。待沉淀结束后,保持搅拌速度和沉淀温度不变,老化4h,过滤洗涤至中性,将获得的沉淀物放置在110℃烘箱中干燥12h,待干燥结束,于600℃空气气氛下焙烧4h,再经研磨、压片成型,破碎过筛至10-20目,获得20%NiO-10%Co3O4/40%SiO2-30%CeO2
催化剂评价同实施例2,环己胺和二环己胺收率分别为30.1%、23.7%。反应200h后,环己胺和二环己胺的收率保持在28.8%、22.3%。
实施例5
称取18g硝酸镍Ni(NO32·6H2O、18g硝酸钴Co(NO32·6H2O、10g硝酸钇Y(NO33·6H2O,将其溶于200ml的蒸馏水中,记为溶液A。
配制浓度为1mol/L的Na2CO3溶液200ml,并将14.6g硅酸钠Na2SiO3溶于其中,记为溶液B。
先将沉淀槽中的水加热至70℃,在将溶液A和B并流滴加到沉淀槽中。在制备过程中,pH值和沉淀温度分别维持在8和70℃。待沉淀结束后,保持搅拌速度和沉淀温度不变,老化4h,过滤洗涤至中性,将沉淀物放置在110℃烘箱中干燥12h,待干燥结束,于500℃空气气氛下焙烧4h,再经研磨、压片成型,破碎过筛至10-20目,最终制得24%NiO-25%Co3O4/36%SiO2-15%Y2O3
固定床反应器中装填10ml此催化剂,在500℃条件下对其进行还原,待还原结束后,温度降至反应温度280℃,将体系压力升至2.5MPa并开始进料,乙醇与苯胺精馏残渣质量比为0.3。液体空速为0.7h-1,H2流量为250ml/min,反应10h后开始取样分析,环己胺和二环己胺的收率分别为37.2%、41.5%。反应200h后,环己胺和二环己胺的收率保持在36.8%、40.1%。
实施例6
称取18g硝酸镍Ni(NO32·6H2O、18g硝酸钴Co(NO32·6H2O、3g硝酸锆Zr(NO34·5H2O、5g硝酸铈Ce(NO33·6H2O,将其溶于200ml水中,记为溶液A。
配制1mol/LNa2CO3200ml,将14g硅酸钠Na2SiO3溶于其中,记为溶液B。
先将沉淀槽中的水加热至70℃,在将溶液A和B并流滴加到沉淀槽中。在制备过程中,pH值和沉淀温度分别维持在8和70℃。待沉淀结束后,保持搅拌速度和沉淀温度不变,老化4h,过滤洗涤至中性,将沉淀物放置在110℃烘箱中干燥12h,待干燥结束,于500℃空气气氛下焙烧4h,再经研磨、压片成型,破碎过筛至10-20目,最终制得
24%NiO-25%Co3O4/36%SiO2-5%ZrO2-10%CeO2
固定床反应器中装填10ml此催化剂,在500℃条件下对其进行还原,待还原结束后,温度降至反应温度290℃,,将体系压力升至2.5MPa并开始进料,乙醇与苯胺精馏残渣质量比为0.4。液体空速为0.7h-1,H2流量为250ml/min,反应10h后开始取样分析,环己胺和二环己胺的收率分别为32.5%、33.7%。反应200h后,环己胺和二环己胺的收率保持在31.7%、32.1%。
实施例7
称取16g硝酸镍Ni(NO32·6H2O、11g硝酸钴Co(NO32·6H2O、10g硝酸铁Fe(NO33·9H2O、10g硝酸钇Y(NO33·6H2O,将其溶于200ml水中,记为溶液A。
配制1mol/LNa2CO3250ml,将16g硅酸钠Na2SiO3溶于其中,记为溶液B。
先将沉淀槽中的水加热至70℃,在将溶液A和B并流滴加到沉淀槽中。在制备过程中,pH值和沉淀温度分别维持在8和70℃。待沉淀结束后,保持搅拌速度和沉淀温度不变,老化4h,过滤洗涤至中性,将沉淀物放置在110℃烘箱中干燥12h,待干燥结束,于500℃空气气氛下焙烧5h,再经研磨、压片成型,破碎过筛至10-20目,最终制得20%NiO-15%Co3O4-10%Fe2O3/40%SiO2-15%Y2O3
固定床反应器中装填10ml此催化剂,在500℃条件下对其进行还原,待还原结束后,温度降至反应温度300℃,,将体系压力升至2.5MPa并开始进料,乙醇与苯胺精馏残渣质量比为0.4。液体空速为0.7h-1,H2流量为250ml/min,反应10h后开始取样分析,环己胺和二环己胺的收率分别为36.9%、40.2%。反应200h后,环己胺和二环己胺的收率保持在35.8%、39.5%。
实施例8
分别称取24g硝酸镍Ni(NO32·6H2O、和14g硝酸钇Y(NO33·6H2O,将其溶于300ml蒸馏水中,记为溶液A。配置浓度为0.7mol/L的Na2CO3溶液300ml,称取17g硅酸钠Na2SiO3溶于Na2CO3溶液中,记为溶液B。
先将沉淀槽中的水加热至70℃,再将溶液A和B并流滴加到沉淀槽中。在制备过程中,pH值和沉淀温度分别维持在8和70℃。待沉淀结束后,保持搅拌速度和沉淀温度不变,老化4h,过滤洗涤至中性,将沉淀物放置在110℃烘箱中干燥12h,待干燥结束,将所得催化剂浸渍于200ml,浓度为12.75g/L的钼酸铵((NH4)6Mo7O24·4H2O)溶液中5h,于500℃空气气氛下焙烧4h,再经研磨、压片成型,破碎过筛至10-20目,最终制得
30%NiO-10%MoO3/40%SiO2-20%Y2O3
在固定床反应器中装填10ml此催化剂,在450℃条件下对其进行还原,待还原结束后,温度降至反应温度300℃,将体系压力升至2MPa并开始进料,乙醇与苯胺精馏残渣质量比为0.2。液体空速为0.7h-1,H2流量为250ml/min,反应10h后开始取样分析,环己胺和二环己胺的收率分别为38.8%、36.7%。反应200h后,环己胺和二环己胺的收率保持在36.2%、34.5%。
实施例9
分别称取20g硝酸镍Ni(NO32·6H2O、17g硅酸钠Na2SiO3、8g硝酸铬Cr(NO33·9H2O和15g硝酸铈Ce(NO33·6H2O,将其溶于200ml蒸馏水中,记为溶液B。
配置质量分数为20%的氨水溶液150ml,记为溶液B。
先将溶液A倒至沉淀槽中,并加热至70℃,再缓缓地将溶液B滴加至沉淀槽中,在此期间维持沉淀温度在70℃。待沉淀结束后,保持搅拌速度和沉淀温度不变,陈化4h,过滤洗涤至中性,将获得的沉淀物放置在110℃烘箱中干燥12h,待干燥结束,于600℃空气气氛下焙烧3h,再经研磨、压片成型,破碎过筛至10-20目,获得24.5%NiO-7.2%Cr2O3/39.9%SiO2-28.4%CeO2
催化剂评价同实施例2,环己胺和二环己胺收率分别为28.3%、20.7%。反应200h后,环己胺和二环己胺的收率保持在25.8%、18.4%。

Claims (10)

1.一种用于固定床苯胺精馏残渣资源化利用的催化剂,其特征在于,以催化剂总重计,该催化剂组分及含量如下:
NiO为活性组分,含量为5%-40%;
Fe的氧化物、Mo的氧化物、Cr的氧化物和Co的氧化物的一种或多种为第一助催化组分,含量为2%-30%;
La的氧化物、Zr的氧化物、Y的氧化物和Ce的氧化物的一种或多种为第二助催化组分,含量为10-30%;
余量为载体;所述的载体为SiO2
2.根据权利要求1所述的催化剂,其特征在于,以催化剂总重计,该催化剂组分及含量如下:
NiO为活性组分,含量为15%-30%;
Fe的氧化物、Mo的氧化物、Cr的氧化物和Co的氧化物的一种或多种为第一助催化组分,含量为5%-25%;
La的氧化物、Zr的氧化物、Y的氧化物和Ce的氧化物的一种或多种为第二助催化组分,含量为15-25%;
余量为载体。
3.根据权利要求1-2中任一项所述的催化剂的制备方法,其特征在于,将硝酸镍、第一及第二助催化组分所含金属的硝酸盐溶于水中形成金属硝酸盐混合液,将混合液与碱溶液及硅酸钠水溶液分别或一起以并流的方式滴加到沉淀槽中;或将硝酸镍、硅酸钠、第一及第二助催化组分所含金属的硝酸盐溶于水中形成混合液,与碱溶液分别或一起以并流的方式滴加到沉淀槽中;或将硝酸镍、第一及第二助催化组分所含金属的硝酸盐溶于水中形成金属硝酸盐混合液,将混合液与溶有硅酸钠的碱液分别或一起以并流的方式滴加到沉淀槽中;沉淀槽中pH值控制在7-8之间,得到的沉淀物经老化、过滤、干燥、焙烧处理后,成型,粉碎。
4.根据权利要求3所述的方法,其特征在于:所述的金属硝酸盐混合液中金属离子的浓度控制在0.3-5mol/L。
5.根据权利要求3所述的方法,其特征在于,所述的碱液为Na2CO3水溶液、NaOH水溶液或氨水溶液,浓度为0.5~10mol/L。
6.根据权利要求3所述的方法,其特征在于,控制沉淀槽中的温度在50~70℃之间。
7.根据权利要求3所述的方法,其特征在于,所述的老化的温度为60~80℃,时间4~8h;干燥的温度100~150℃,时间8~15h,焙烧温度在300~700℃之间,焙烧时间为4~6h。
8.根据权利要求1-2任一项所述的催化剂及权利要求3-7任一项所述的制备方法制备的催化剂在苯胺精馏残渣资源化利用的用途,其特征在于,以一官能度饱和醇作为稀释剂,在一定的温度和压力下,在所述催化剂的催化下利用气相加氢处理苯胺精馏残渣,得到环己胺和二环己胺。
9.根据权利要求8所述的用途,其特征在于,所述的一官能度饱和醇是乙醇或者甲醇。
10.根据权利要求8所述的用途,其特征在于,采用固定床反应器,一官能度饱和醇/苯胺精馏残渣质量比为0.1~0.7:1,液相体积空速为0.6~1.5h-1,反应压力为1~4MPa,反应温度在250~320℃之间,氢气用量与苯胺精馏残渣量的体积比为500~3000:1。
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