CN104628902A - 一种烯烃聚合装置及烯烃聚合方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种烯烃聚合的装置,该装置包括:釜体,所述釜体包括进料口和出料口;用于搅拌釜体内溶液的搅拌单元;以及向釜体内喷淋物料的喷淋单元。本发明提供了一种烯烃聚合方法,该方法包括:在烯烃聚合条件下,将烯烃聚合原料与烯烃聚合催化剂接触,得到待终止的聚合溶液,向所述待终止的聚合溶液中喷淋烯烃聚合助剂。本发明提供了一种烯烃聚合方法,该方法在本发明所述的装置中进行。本发明的装置能够保证聚合反应器内的物料分散状态好,从而能够获得质量较好的橡胶制品。
Description
技术领域
本发明涉及一种烯烃聚合装置及烯烃聚合方法。
背景技术
传统的烯烃聚合装置是把单体、溶剂和催化剂用泵直接打进聚合釜内,通过聚合釜内的搅拌使单体和催化剂尽可能充分接触,进行反应。但是对于聚合物粘度较高的聚合反应,这种聚合方法有一定的弊端。因为聚合到一定的粘度之后单体和催化剂在聚合物的阻挡下很难混合均匀。
共轭二烯烃聚合物主要是指以苯乙烯、丁二烯或者异戊二烯为单体,以己烷馏分为溶剂体系,通过阴离子聚合得到苯乙烯类热塑性弹性体,或者丁二烯、异戊二烯通过配位聚合得到丁戊橡胶,以及它们本身聚合可以得到顺丁橡胶,异戊橡胶。
这些聚合反应有一个共同的特点就是,反应可以无限制地进行下去,如果不进行终止催化剂活性中心会发生交联现象,产生凝胶,影响橡胶的性能,因此在聚合完成以后为了保证成品胶的加工性能和应用性能一般会在胶液里面加入一些助剂,如终止剂、防老剂等。
然而由于聚合物分子量一般较大,胶液黏度高,活性中心很大程度上被包裹在胶液里面,给生产输送和助剂的加入带来困难,在现有的生产技术中,一般采用胶液和助剂如终止剂、防老剂等一起进入胶液缓冲釜,通过搅拌,使它们混合。这种方法对于低分子量,低粘度和低聚合物浓度的反应来说还可以达到目的。但是对于分子量较高,线性度较大,胶液黏度较大的聚合物来说是远远不够的,单靠釜内的搅拌助剂是很难进入到胶液“团块”中的。因此,很难生产出高品质的橡胶。
CN202010543U公开了一种聚合反应终止剂加入装置,其特征是:由混合器和连接在混合器液体进口的装有终止剂加入管的液体管道组成,所述的液体管道的水平段壁上装有插入到管道内的终止剂加入管,终止剂加入管末端呈水平状态位于液体管道中心处。由于终止剂加入管末端呈水平状态位于液体管道中心处,这样可使终止剂加入后沿中心向四周均匀扩散,不出现较大的浓度梯度。该装置由于在终止剂加入口后部增加了装有填料的混合器,使得终止剂与聚合物加大了接触面积和接触机会,加速终止剂向与聚合物充分混合分散,提高终止速度及终止效率。但是这种加入装置对于粘度较高的聚合物来说仍不能解决胶液“团块”的问题。
因此,有必要研究出适合于分子量较高,线性度较大,胶液黏度较大的聚合物的装置。
发明内容
为了克服现有的聚合装置由于高粘度聚合单体和催化剂难以混合均匀,终止剂等助剂无法实现较好的分散,导致聚合过程中单体转化率低、聚合得到的聚合橡胶质量较差的缺陷,提供一种烯烃聚合装置,该烯烃聚合装置能够使聚合反应器内的物料(例如聚合单体、聚合催化剂,聚合助剂等)分散状态好,从很大程度上提高催化剂的使用效率,还能够获得质量较好的橡胶制品。
为实现前述目的,根据本发明的第一方面,本发明提供了一种烯烃聚合的装置,该装置包括:釜体,所述釜体包括进料口和出料口;用于搅拌釜体内溶液的搅拌单元;以及向釜体内喷淋物料的喷淋单元。
根据本发明的第二方面,本发明提供了一种烯烃聚合方法,该方法包括:在烯烃聚合条件下,喷淋烯烃聚合催化剂与烯烃聚合原料接触,或者喷淋烯烃聚合原料与烯烃聚合催化剂接触;得到待终止的聚合溶液。
根据本发明的第三方面,本发明提供了一种烯烃聚合方法,该方法在本发明所述的装置中进行,所述烯烃聚合催化剂供应单元通过物料管与喷淋单元串联连接,该方法包括:将烯烃聚合原料装入聚合原料供应单元,将烯烃聚合催化剂装入烯烃聚合催化剂供应单元,烯烃聚合原料从聚合原料供应单元通过物料管进料至釜体,在烯烃聚合条件下,通过所述喷淋单元喷淋烯烃聚合催化剂与釜体中的烯烃聚合原料接触。
本发明的装置能够保证聚合反应器内的物料分散状态好,从而能够获得较高的单体转化率和质量较好的橡胶制品。
附图说明
图1为根据本发明的一种实施方式的烯烃聚合装置。
具体实施方式
本发明提供了一种烯烃聚合的装置,如图1所示:该装置包括:釜体1,所述釜体包括进料口和出料口;用于搅拌釜体内溶液的搅拌单元;以及向釜体内喷淋物料的喷淋单元。
根据本发明的装置,优选所述喷淋单元连接于所述搅拌单元并且能够随所述搅拌单元旋转。如此可以提高所述釜体内溶液的分散状态。
根据本发明的一种优选的实施方式,所述搅拌单元包括安装在所述釜体内的搅拌杆2以及用于驱动所述搅拌杆旋转的电机3,所述喷淋单元安装在所述搅拌杆上。如此可以方便控制,并且能够保证所述喷淋单元能够随所述搅拌单元旋转。从而既能使所述釜体内溶液分散良好,又能方便操作。
根据本发明的装置,优选所述喷淋单元包括:储存容器4和安装在储存容器下端的喷淋件5,其中储存容器用于储存待喷淋物料,喷淋件用于向釜体内喷淋所述待喷淋物料。
根据本发明的装置,优选所述喷淋件为具有微孔结构的圆筒型喷淋件。微孔的孔径优选为0.1-20mm。
根据本发明的装置,优选所述搅拌杆穿过喷淋单元与所述电机连接。
根据本发明的一种优选的实施方式,所述搅拌杆可以为双螺带搅拌桨。
根据本发明的另一种实施方式,所述喷淋单元能够沿与所述搅拌单元相反的方向旋转,如此可以满足对分散状态要求极高的聚合反应,并且能够解决加入到聚合溶液中的物质很难及时混合均匀的问题。
根据本发明的装置,优选该装置还包括:聚合原料供应单元6,所述聚合原料供应单元通过物料管与所述釜体的进料口和/或喷淋单元串联连接。
根据本发明的装置,优选该装置还包括:烯烃聚合催化剂供应单元、烯烃聚合助剂供应单元7;其中,所述烯烃聚合催化剂供应单元通过物料管与所述釜体的进料口和/或喷淋单元串联连接;所述烯烃聚合助剂供应单元通过物料管与所述喷淋单元连接。
根据本发明的装置,所述烯烃聚合催化剂供应单元与所述聚合原料供应单元合并为一个,即聚合原料、聚合催化剂在一个单元中装入。
根据本发明的装置,优选该装置还包括:聚合物料储存单元8,所述聚合物料储存单元通过物料管与所述出料口连接。
根据本发明的装置,优选前述各个物料管上具有用于控制所述物料管的通断的开关阀,如此可以方便控制物料管的通断。
根据本发明的装置,优选依据需要,与所述聚合物料储存单元的进口连接的物料管上设置有液体流量测量仪、与烯烃聚合催化剂供应单元、烯烃聚合助剂供应单元、聚合原料供应单元的出口连接的物料管上各自设置有液体流量测量仪。所述液体流量测量仪例如可以为液体计量泵9。
根据本发明的装置,优选所述釜体的进料口位于所述釜体的中部,所述釜体的出料口位于所述釜体的底部。
根据本发明的装置,优选依据需要,所述聚合物料储存单元、烯烃聚合催化剂供应单元、烯烃聚合助剂供应单元、聚合原料供应单元均具有搅拌功能。
根据本发明的装置,优选所述釜体为带夹套的不锈钢釜。
本发明提供了一种烯烃聚合方法,该方法包括:在烯烃聚合条件下,喷淋烯烃聚合催化剂与烯烃聚合原料接触,或者喷淋烯烃聚合原料与烯烃聚合催化剂接触;得到待终止的聚合溶液。
根据本发明的前述方法,优选该方法还包括:在搅拌条件下,向所述待终止的聚合溶液中喷淋烯烃聚合助剂。
本发明提供了一种烯烃聚合方法,该方法在本发明所述的装置中进行,所述烯烃聚合催化剂供应单元通过物料管与喷淋单元串联连接,该方法包括:将烯烃聚合原料装入烯烃聚合原料供应单元,将烯烃聚合催化剂装入烯烃聚合催化剂供应单元,烯烃聚合原料从聚合原料供应单元通过物料管进料至釜体,在烯烃聚合条件下,通过所述喷淋单元喷淋烯烃聚合催化剂与釜体内的烯烃聚合原料接触。
根据本发明的前述方法,优选该方法还包括:待接触完成后,通过所述喷淋单元喷淋烯烃聚合助剂至釜体内与待终止的聚合溶液接触。
根据本发明的方法,其中,优选所述烯烃聚合助剂为终止剂、降粘剂和防老剂中的一种或多种。
根据本发明的方法,优选所述烯烃聚合助剂为终止剂,所述终止剂以溶液形式提供,优选终止剂溶液为浓度低于100g/L的酚类物质的有机溶液,更优选所述终止剂溶液为浓度为0.1-50g/L的酚类物质的有机溶液,特别优选所述终止剂溶液为浓度为1-3g/L的酚类物质的有机溶液。如此可以进一步降粘、并减少凝胶含量,同时能够提高橡胶的抗老化性能。
根据本发明的方法,所述酚类物质的可选范围较宽,所述酚类物质为抗氧剂类酚类物质,针对本发明,优选所述酚类物质为4,6-二辛基硫代甲基邻甲酚(俗称抗氧剂1520)、2,6-二叔丁基-4-甲基苯酚(俗称抗氧剂264)、β-(3,5-二叔丁基-4-羟基苯基)丙酸正十八碳醇酯(俗称抗氧剂1076)中的一种或多种。如此可以进一步降粘、并减少凝胶含量,同时能够提高橡胶的抗老化性能。
本发明中,优选所述酚类物质的有机溶液中的有机溶剂与聚合反应使用的溶剂相同,如此可以减少后续的分离工序。
根据本发明的方法,优选所述酚类物质为4,6-二辛基硫代甲基邻甲酚和β-(3,5-二叔丁基-4-羟基苯基)丙酸正十八碳醇酯的混合物,二者的比例优选为0.1-10:1。如此可以进一步降粘、并减少凝胶含量,同时能够提高橡胶的抗老化性能。
根据本发明的方法,其中,优选所述终止剂溶液的加入速度为0.3-0.6g/(min﹒100g聚合物)。如此可以进一步降粘、并减少凝胶含量,同时能够提高橡胶的抗老化性能。
根据本发明的方法,优选以酚类物质计,所述终止剂溶液的用量不低于所述待终止的聚合溶液中的聚合物中活性中心的量,具体可以依据需要进行选择。
根据本发明的方法,优选所述待终止的聚合溶液中聚合物的含量为10-20重量%。
本发明的方法适合于各种类型的聚合反应,优选所述烯烃聚合原料包括:烯烃和溶剂。
根据本发明的方法,所述烯烃优选为C4-C6的共轭二烯烃,更优选为丁二烯、异戊二烯、1,3-戊二烯、1,3-己二烯和2,3-二甲基丁二烯中的一种或多种,最优选为异戊二烯。
根据本发明的方法,所述溶剂优选为饱和脂肪烃和/或脂环烃,优选为C5-C10的烷烃和/或C5-C10的环烷烃,如可以为戊烷、异戊烷、己烷、环己烷、庚烷和辛烷中的一种或多种。
根据本发明的方法,所述烯烃聚合催化剂可以为稀土催化剂、钛系催化剂和锂系催化剂中的一种或多种,具体可以依据需要进行选择。
根据本发明的方法,所述烯烃聚合条件可以为本领域的常规选择,针对本发明,优选所述烯烃聚合条件包括:聚合温度为10-60℃,聚合压力为0.1-1Mpa。
根据本发明的方法,优选所述喷淋速率为0.1-1m3/h,所述搅拌条件包括:搅拌速率1-10Hz。如此可以降低凝胶含量,提高橡胶品质,降低胶液黏度减小设备和能源的损耗。
本发明中,热氧老化测试方法按照GB/T3512-2001《硫化橡胶或热塑性橡胶热空气加速老化和耐热试验》标准进行。
臭氧老化测试方法按照GB/T7762-2003《硫化橡胶或热塑性橡胶耐臭氧龟裂静态拉伸试验》标准进行。
本发明中,邵氏硬度按照邵氏硬度计法(邵尔硬度)GB/T531.1-2008测定,撕裂强度按照GB/T529-2008规定的测试方法测定,永久变形按照GB/T7759-1996规定的测试方法测定,扯断伸长、300%定伸按照GB/T528-2009规定的测试方法测定,凝胶含量按照石化行业的标准SH/T1050-1991规定的方法进行测定,胶液粘度按照GB/T10247-2008规定的测试方法进行测定。
本发明中,单体转化率为加入的异戊二烯的重量与聚合后得到的聚异戊二烯的重量的百分比。
以下实施例和对比例中,如未特别说明,使用如下烯烃聚合装置进行聚合:
如图1所示:所述烯烃聚合装置包括:釜体1(带夹套的120L的不锈钢釜),所述釜体包括进料口(位于中部)和出料口(位于底部);用于搅拌釜体内溶液的搅拌单元;以及向釜体内喷淋物料的喷淋单元,搅拌单元包括安装在所述釜体内的搅拌杆2(双螺带搅拌桨)以及用于驱动所述搅拌杆旋转的电机3,所述喷淋单元安装在所述搅拌杆上,所述喷淋单元包括:储存容器4(容积为10L)和安装在储存容器下端的喷淋件5(具有微孔结构的圆筒型喷淋件,孔径为2mm);聚合原料供应单元6(容积为120L),所述聚合原料供应单元6通过物料管连接于所述进料口,烯烃聚合催化剂供应单元(图中未示出),所述聚合催化剂供应单元通过物料管连接于所述喷淋单元;烯烃聚合助剂供应单元7(容积为120L);其中,所述烯烃聚合助剂供应单元通过物料管与所述喷淋单元连接;聚合物料储存单元8(容积为10m3),所述聚合物料储存单元通过物料管与所述出料口连接,其中,在前述各个物料管上安装有开关阀以方便控制物料管的通断。其中,与所述聚合物料储存单元8的进料口连接的物料管上设置有液体流量测量仪9,与烯烃聚合助剂供应单元7、聚合原料供应单元6的出口连接的物料管上各自设置有液体流量测量仪9。
采用前述烯烃聚合装置进行烯烃聚合时,本发明的实施例按如下步骤进行操作:
将烯烃聚合原料(包括聚合单体和溶剂)装入聚合原料供应单元、将烯烃聚合催化剂装入聚合催化剂供应单元,将烯烃聚合助剂装入烯烃聚合助剂供应单元,在聚合过程中,将聚合催化剂从聚合催化剂供应单元进料至喷淋单元,然后在烯烃聚合条件下,通过喷淋单元喷淋烯烃聚合催化剂与烯烃聚合原料接触;
待接触完成后,将烯烃聚合助剂从烯烃聚合助剂供应单元进料至喷淋单元,从所述喷淋单元喷淋烯烃聚合助剂至釜体内与待终止的聚合溶液接触,通过所述搅拌单元搅拌均匀,然后最终将终止后的溶液从所述出料口排出到聚合物料储存单元。
实施例1
按如前所述步骤进行,其中,喷淋聚合催化剂的速率为1m3/h,每100g异戊二烯用催化剂2.2mmol(稀土催化剂,活性组分为新癸酸钕,其含量为6mmol/L,助催化剂为铝剂三异丁基铝,供电子体为一氯二乙基铝,还含有异戊二烯,溶剂为己烷,新癸酸钕:铝剂:一氯二乙基铝:异戊二烯=1:12:3:50(摩尔比),以下相同),溶剂为己烷,异戊二烯在溶液中的总浓度为13重量%,总进料量为150L/h,温度控制在30℃,压力0.3Mpa,聚合10h,向待终止的聚合溶液中喷淋终止剂溶液终止聚合反应,单体转化率为65%;
其中,待终止的聚合溶液的粘度为96587cp,聚异戊二烯的含量为13重量%,终止剂溶液为油酸钠的水溶液,浓度为5重量%,油酸钠的加入量为聚异戊二烯的质量的0.6%,喷淋速率为0.5m3/h,终止后的胶液粘度为14030cp,干燥后的胶液中凝胶含量为2质量%。
对比例1
使用与实施例1类似的装置进行烯烃聚合,不同的是,没有设置喷淋单元,然后按照实施例1的方法进行聚合,直接将聚合催化剂连续进料至釜体,聚合完成后,将终止剂溶液与待终止的聚合溶液各自引入到聚合物料储存单元中进行搅拌接触以进行终止,单体转化率为43%。
实施例2
按照实施例1的方法进行聚合,不同的是,每100g异戊二烯用烯烃聚合催化剂1.8mmol,单体转化率为50%。
对比例2
按照对比例1的方法进行聚合,不同的是每100g异戊二烯用催化剂1.8mmol,单体转化率为33%。
实施例3
按照实施例1的方法进行聚合,不同的是,每小时总进料量变为120L,单体转化率为70%。
对比例3
按照对比例1的方法进行聚合,不同的是,每小时总进料量变为120L,单体转化率为55%。
从以上实施例和对比例的转化率结果可以看出,采用本发明的装置进行橡胶聚合在相同的条件下单体转化率要远高于普通的聚合装置,说明本发明的装置可以很大程度上提高催化剂的利用率。
对比例4
按照实施例1的方法进行,不同的是,向实施例1的待终止的聚合溶液中直接加入油酸钠的水溶液(不采用喷淋方式),浓度为5重量%,油酸钠的加入量为聚异戊二烯的质量的0.6%,终止后的胶液粘度为19600cp。
实施例4
按照实施例1的方法进行,不同的是,使用的终止剂溶液为防老剂264的己烷溶液,含量为100g/L,264的加入量为聚异戊二烯的质量的0.5%,终止后的胶液粘度为4030cp,终止后的胶液干燥后(凝胶含量为0),进行热氧老化试验和臭氧老化试验,实验结果标记为1号。
对比例5
按照对比例4的方法进行,不同的是,使用的终止剂溶液为防老剂264的己烷溶液,含量为100g/L,264的加入量为聚异戊二烯的质量的0.5%,终止后的胶液粘度为8530cp,终止后的胶液干燥后进行热氧老化试验和臭氧老化试验,实验结果标记为2号。
实施例5
不向实施例1的待终止的聚合溶液中加入终止剂,直接对胶液进行热氧老化试验和臭氧老化试验,实验结果标记为3号。
实验数据结果表明在相同的老化时间下,拉伸强度、扯断伸长率、邵尔A硬度下降速率为3>2>1,由此说明,本发明装置可以很大程度上提高防老剂的效率。
对比例6
按照对比例4的方法进行,不同的是,使用水作为终止剂,水的加入量为聚异戊二烯质量的0.4%,终止后的胶液干燥后凝胶含量为2.5重量%。
以上详细描述了本发明的优选实施方式,但是,本发明并不限于上述实施方式中的具体细节,在本发明的技术构思范围内,可以对本发明的技术方案进行多种简单变型,这些简单变型均属于本发明的范围。
另外需要说明的是,在上述具体实施方式中所描述的各个具体技术特征,在不矛盾的情况下,可以通过任何合适的方式进行组合。
此外,本发明的各种不同的实施方式之间也可以进行任意组合,只要其不违背本发明的思想,其同样应当视为本发明所公开的内容。
Claims (21)
1.一种烯烃聚合装置,该装置包括:釜体,所述釜体包括进料口和出料口;用于搅拌釜体内溶液的搅拌单元;以及向釜体内喷淋物料的喷淋单元。
2.根据权利要求1所述的装置,其中,所述喷淋单元连接于所述搅拌单元并且能够随所述搅拌单元旋转。
3.根据权利要求2所述的装置,其中,所述搅拌单元包括安装在所述釜体内的具有搅拌桨的搅拌杆以及用于驱动所述搅拌杆旋转的电机,所述喷淋单元安装在所述搅拌杆上。
4.根据权利要求1所述的装置,其中,所述喷淋单元能够沿与所述搅拌单元相反的方向旋转。
5.根据权利要求1所述的装置,其中,该装置还包括:聚合原料供应单元,所述聚合原料供应单元通过物料管与所述釜体的进料口和/或喷淋单元串联连接。
6.根据权利要求1所述的装置,其中,该装置还包括:烯烃聚合催化剂供应单元、烯烃聚合助剂供应单元;其中,所述烯烃聚合催化剂供应单元通过物料管与所述釜体的进料口和/或喷淋单元串联连接;所述烯烃聚合助剂供应单元通过物料管与所述喷淋单元连接。
7.根据权利要求1所述的装置,其中,该装置还包括:聚合物料储存单元,所述聚合物料储存单元通过物料管与所述出料口连接。
8.根据权利要求5-7中任意一项所述的装置,其中,该装置还具有用于控制所述物料管的通断的开关阀。
9.根据权利要求1-4中任意一项所述的装置,其中,所述喷淋单元包括:储存容器和安装在储存容器下端的喷淋件。
10.根据权利要求1-4中任意一项所述的装置,其中,所述进料口位于所述釜体的中部,所述出料口位于所述釜体的底部。
11.一种烯烃聚合方法,该方法包括:在烯烃聚合条件下,喷淋烯烃聚合催化剂与烯烃聚合原料接触,或者喷淋烯烃聚合原料与烯烃聚合催化剂接触;得到待终止的聚合溶液。
12.根据权利要求11所述的方法,其中,该方法包括:在搅拌条件下,向所述待终止的聚合溶液中喷淋烯烃聚合助剂。
13.一种烯烃聚合方法,该方法在权利要求1-10中任意一项所述的装置中进行,所述烯烃聚合催化剂供应单元通过物料管与喷淋单元串联连接,该方法包括:将烯烃聚合原料装入聚合原料供应单元,将烯烃聚合催化剂装入烯烃聚合催化剂供应单元,烯烃聚合原料从聚合原料供应单元通过物料管进料至釜体,在烯烃聚合条件下,通过所述喷淋单元喷淋烯烃聚合催化剂与釜体中的烯烃聚合原料接触。
14.根据权利要求13所述的方法,其中,所述烯烃聚合助剂供应单元通过物料管与所述喷淋单元连接,该方法还包括:待接触完成后,通过所述喷淋单元喷淋烯烃聚合助剂至釜体内与待终止的聚合溶液接触。
15.根据权利要求11-14中任意一项所述的方法,其中,所述烯烃聚合助剂为终止剂、降粘剂和防老剂中的一种或多种。
16.根据权利要求15所述的方法,其中,所述烯烃聚合助剂为终止剂,所述终止剂以溶液形式提供,终止剂溶液为浓度低于100g/L的酚类物质的有机溶液。
17.根据权利要求16所述的方法,其中,所述终止剂溶液为浓度为0.1-50g/L的酚类物质的有机溶液,优选所述终止剂溶液为浓度为1-3g/L的酚类物质的有机溶液。
18.根据权利要求16或17所述的方法,其中,所述酚类物质为4,6-二辛基硫代甲基邻甲酚、2,6-二叔丁基-4-甲基苯酚、β-(3,5-二叔丁基-4-羟基苯基)丙酸正十八碳醇酯中的一种或多种,所述酚类物质的有机溶液中的有机溶剂与聚合反应使用的溶剂相同。
19.根据权利要求18所述的方法,其中,所述酚类物质为4,6-二辛基硫代甲基邻甲酚和β-(3,5-二叔丁基-4-羟基苯基)丙酸正十八碳醇酯的混合物,二者的重量比为0.1-10:1。
20.根据权利要求11-14中任意一项所述的方法,其中,所述聚合原料包括:烯烃和溶剂;所述烯烃为C4-C6的共轭二烯烃;所述溶剂为饱和脂肪烃和/或脂环烃;所述烯烃聚合催化剂为稀土催化剂、钛系催化剂和锂系催化剂中的一种或多种。
21.根据权利要求11-14中任意一项所述的方法,其中,所述喷淋的速率为0.1-1m3/h。
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