CN1113453A - 二氧化硅-氧化铝载体的制备、由此制备氢化催化剂及其在芳烃氢化中的应用 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及二氧化硅-氧化铝载体的制备方法,
最好在压出物成型条件下。此外,本发明还提供由此
制得的氢化催化剂。这些催化剂可用于降低烃流中
所含的芳烃含量的改进方法中。
Description
本发明涉及一种二氧化硅-氧化铝载体的制备方法及由此制得的氢化催化剂。本发明还涉及减少烃流中芳烃含量的方法。
大部分由原油精炼而获得的液烃产品(馏出液、汽油……)均含有一定量的芳烃,该芳烃对进一步使用是有害的。实际上,已知芳烃可降低柴油机燃料的十六烷指数。而且,从碳氢化合物中蒸发的芳烃比脂族烃毒性更大。最后,在燃烧过程中芳烃会产生更多的烟和更多的炭黑粒子。因此,越来越多的环保条例规定限制溶剂或输送燃料中芳烃的含量。
减少烃流中芳烃含量可通过在金属催化剂上进行催化氢化而完成。然而,大部分精炼液流均含有一定量的硫和氮化合物,已知它们是这些催化剂的毒物。
负载在载体上的第Ⅷ族过渡金属如Co或Ni是活性很高的催化剂,但在有硫的情况下,它们会转化成钝性的硫化物。
已发现采用诸如Ni-W或Ni-Mo的第Ⅵ族-第Ⅷ族双金属硫化物是有利的,因为其活性对硫不敏感。但是,需要很高的氢气压才能观测到芳烃显著的转化。
沉积在载体上的贵金属如Pt或Pd以及贵金属合金也被认为是芳烃氢化的活性催化剂。本申请人已研制了这类氢化催化剂,如US再公告专利26883所述,然而这些催化剂基于低-氧化铝的二氧化硅-氧化铝载体。而且,该载体的成形需要制粒步骤。该制粒步骤是慢的、昂贵的,且由于设备的磨损而难以操作。再说用这种方法也不可能得到直径小于3mm的催化剂颗粒。
要求使用芳烃含量越来越低的烃流,如石油馏出物,因而仍需要进一步改进氢化催化剂。
本发明的一个目的是提供一种二氧化硅-氧化铝载体及其制备方法。
本发明的另一个目的是提供一种基于本发明二氧化硅-氧化铝载体的氢化催化剂及其制备方法。
本发明还有一个目的是提供在存在本发明氢化催化剂的情况下进行烃流的氢化方法。
按本发明,可用这种方法制得二氧化硅-氧化铝载体,该方法包括下列步骤:
(a)使一种铝化合物与一种硅化合物混合以得到一种溶液,所述铝化合物选自铝醇化物和铝羧化物,所述硅化合物选自硅醇化物和硅氧烷化合物;
(b)在酸性条件下,在包括50℃~150℃的温度下使来自步骤(a)的溶液水解;
(c)使来自步骤(b)的混合物冷却以获得凝胶体;
(d)通过去除过量的挥发性化合物如酸和水而处理得自步骤(c)的凝胶体,可获得一种膏状物;
(e)在压出物成形的情况下挤压来自步骤(d)的膏状物;
(f)在300℃~700℃的温度之间焙烧得自步骤(e)的压出物至少几小时以去除有机物和水分。
按本发明的另一个实施方案,该氢化催化剂可通过在本发明的二氧化硅-氧化铝载体上沉积一种或多种Ⅷ族金属而得到。
申请人意想不到地发现,当氢化过程中使用本发明氢化催化剂时,有可能获得芳烃含量明显减少的烃流。
申请人现在已发现,从铝化合物如铝醇化物或铝羧化物着手,将该铝化合物溶入硅化合物如硅醇化物或硅氧烷化合物中以获得均匀的溶液,当将如此制得的载体用于本发明方法时可导致有利的结果。
铝羧化物最好是C1-C4羧化物,作为铝羧化物的例子,可以例举乙酸铝、双乙酸羟基铝和乙酰丙酮酸铝。
作为硅氧烷化合物的例子,可以例举聚烷氧基硅氧烷(最好每个Si原子带有1~4个C1-C4烷氧基)如每分子有1~9个Si原子的聚乙氧基硅氧烷。
已发现特别适用的Al和Si醇化物中每个醇化物基团有1~4碳原子。一般来说,最好使用异丙醇铝(isopropylate)和Si(OEt)4或Si(OME)4。
步骤(a)制得的溶液最好含有氧化铝,该氧化铝的含量是总氧化物量(即氧化铝+二氧化硅)的8~40%(以重量计),优选为9~25%(以重量计),更优选为10~15%(以重量计)的氧化铝。
水解步骤(b)最好在弱酸性条件(PH是2.5~4)下进行,例如将得自步骤(a)的溶液注入0.05~0.5摩尔/升的乙酸水溶液中。水解在搅拌下和在50℃~150℃,优选70℃~90℃的温度下进行。
按本发明,制备二氧化硅-氧化铝载体的处理步骤(d)最好包括干燥步骤,该步骤通常在20℃、-100℃、优选50℃~80℃的温度下进行。
按本发明,步骤(e)既可在挤压机中制成压出物又可按常规的制粒方法而完成,最好在挤压机中加工步骤(d)所得到的膏状物以生成压出物。可将有机挤压助剂如丙三醇或甲基纤维素加到该混合物中。按本发明的一个优选实施方案,这些压出物尺寸小于3mm,更优选为小于2mm。这样有很大的好处,因为这种加工使用制备低-氧化铝的二氧化硅-氧化铝载体的现有技术方法是不可能的。实际上,小尺寸的压出物可增加穿过催化剂颗粒反应物的输送量,并可提高给定反应器的容积效率。
按本发明的一个优选实施方案,在焙烧步骤(f)以前,先使上述步骤(e)中获得的压出物在室温至150℃之间的温度下进行干燥。
步骤(f)的焙烧温度是300℃~700℃,优选为500℃~600℃。
按本发明的另一个实施方案,也可将步骤(d)得到的膏状物与高岭土混合,其用量对100份二氧化硅/氧化铝至多为10份高岭土,高岭土是作为附加的挤压助剂加入的。
如上所述,且按本发明的另一个实施方案,氢化催化剂可通过在本发明二氧化硅-氧化铝载体上沉积一种或多种Ⅷ族金属而获得,最好总量为0.1~1.5%(以重量计)。
浸渍最好用一种或多种第Ⅷ族贵金属的盐或配位物的溶液进行。铂的盐或配位物是优选的。更优选的是用Pt的酸性配位物进行浸渍,最初的Pt配位物溶液的PH要足够低(<3,若可能的话<2)以有助于Pt沉积同时达到令人满意的Pt分布,但酸性不能太强以免载体溶解(>0.5,若可能的话>1)。更优选的是用足量的酸性H2Ptcl6溶液进行浸渍,以使Pt沉积量约为0.1~1.5wt%Pt,最好为0.3~1wt%Pt。
在用钯盐浸渍的情况下,它可单独使用或和Pt盐一起使用,在相同条件下用PdCl2是优选的。在此情况下,Pd沉积量约为0.1~1.5wt%Pd,优选为0.3~1wt%Pd。Pt和Pd一起用是优选的,因为它们的结合使用能导致更好的抗硫中毒;Pt与Pd的重量比为0.1~10是最优选的。
如上所述,且按本发明的另一个实施方案,当在烃流的氢化过程中使用本发明的氢化催化剂时可达到芳烃含量的减少。
该烃流通常是通过精炼原油而得到的液烃产物(如馏出液,汽油……),该产物含有一定量的芳烃。本发明氢化工序特别适用于沸点范围在60℃~350℃之间的石油精炼馏出物。
事实上,该烃流通常含有最少0.1p.p.m(以重量计)的硫,和约1~99%(以体积计)的芳烃。
本发明催化剂与Pt/氧化铝催化剂相比,对进料中的硫不敏感,尽管不希望受理论约束,但可以认为进料中硫的含量部分决定了本发明催化剂的活性程度(如同其它反应条件如温度、压力、氢气量和接触时间一样)。若需要的话,可按众所周知的烃流精炼方法使烃流氢化从而降低硫含量,例如在有催化剂的情况下,作为催化剂的例子包括负载在氧化铝上的钴和钼氧化物。
更详细地说,本发明的催化剂因此可用于连续降低烃流的芳烃含量的方法中,该烃流的硫含量最好不大于100p.p.m(以重量计)(更优选为低于500p.p.m),而且沸点范围为60℃~350℃,在该催化剂上氢化所述的烃流,该催化剂的二氧化硅-氧化铝载体至少含有75%(以重量计)的二氧化硅,最好85%(以重量计)的二氧化硅。
氢化最好在下列条件下进行:
温度:100℃~400℃,优选250℃~350℃。
液时空速(LHSV):0.1~20v/v.h.
(液烃原料体积/催化剂体积/小时),优选为0.5~10v/v.h
压力:5×105Pa~70×105Pa,优选为20~55×105Pa
氢与烃比率:在正常温度和压力(N.T.P)下每升液体原料为100~3000升氢气,优选为150~2500升氢气(以英制单位计每桶液体原料约为500~17000标准立方英尺,优选为850~14000标准立方英尺)。
为了提高反应速率,使用温度尽可能高有很大的好处。然而,根据热力学平衡,温度应保持在一定限度内。采用高于该限度的温度实际上除了有利于次级反应如氢化裂解外,还有利于脱氢反应,而不是氢化反应。
本发明的方法可在很长时间内连续进行。
给出下列实施例为了说明本发明方法而不是限制其范围。
实施例1:
按下列程序制备若干挤压的二氧化硅氧化铝载体:
试剂:四乙基原硅酸盐(TEOSi):780ml
三异丙醇铝(AliPro):125g
0.1M乙酸(HAC)水溶液:2.4L
试剂混合:
在用力搅拌的情况下使AliPro溶于TEOSi中以得到透明均质的溶液,将所得到的混合物加到HAc溶液中,然后在85℃下回流加热4小时(加入水和异丙醇的混合物以使液面保持恒定)使该混合物冷却,仍继续搅拌。
在捏合机中于80℃下干燥该凝胶体。当该混合物的固体含量足以能得到可挤压的膏状物时,压制该凝胶体。使压出物在110℃下干燥一夜,然后在500~600℃下的空气中焙烧24小时。为便于挤压在捏合过程中添加丙三醇(其量为氧化物总量的5%)。然后将所得到的载体用H2PrCl6(PH=1.2)的酸性溶液浸渍上Pt。重复上述步骤5次可得到催化剂1A~1E。
载体和相应的催化剂以及工业用参比催化剂R1的性能列于表Ⅰ中。
从这些结果可以看出,载体之间的某些差别已被观测到。它们与该载体可能受容器壁或挤压机模具浸出的杂质(如催化剂1E)污染有关。此外,挤压膏状物的固体含量及挤压设备的改变均可导致表面积的微小变化。例如,固体含量稍高的膏状物(催化剂1A)具有较低的表面积,因为挤压过程中所加压力较高。
参比工业用催化剂是用H2PtCl6浸渍已造粒的载体而制备的。该载体本身是通过按如下方法得到的二氧化硅-氧化铝粉末造粒而制备的:
将硅酸钠溶液注入酸性溶液中,该酸性溶液含有起凝胶作用的Al盐。该混合物先用含NH4的溶液洗涤以去除钠,然后用去离子水洗涤以去除过量的阴离子。再使该混合物喷雾干燥并焙烧以得到载体粉末。接着用稀酸溶液进一步洗涤以降低钠含量。这些步骤如J.colloid,Science 2.399(1947)或Ind.Eng.Chem.44(12)2857(1952)中所述。
实施例2:
使实施例1制备的各种催化剂进行短期标准催化活性试验检验煤油中峰值为700ppm S的芳烃转化,用实施例1引用的工业用催化剂参比R1作对照(表Ⅱ)。
表Ⅰ
催化剂 1A 1B 1C 1D 1E R1
Pt wt% 0.63 0.66 0.77 0.60 0.67 0.61
Al2O3% wt% 11 12 12 12 12 12
Na2O wt% 0.010 0.0028 <0.001 0.006 0.09 0.088
K2O wt% 0.012 0.0037 0.0025 0.003 0.008 0.006
Fe2O3wt% 0.064 0.0421 0.0296 0.013 0.047 0.046
Cl wt% 0.18 0.17 0.16 0.15 0.18 0.12
SO4wt% 0.004 0.009 0.011 <0.02 0.02 0.15
表面积(*)m2/g 307 320 nd 329 351 nd
表面积(**)m2/g 288 259 300 274 295 374
粒径mm 1.7 1.9 1.9 1.7 1.7 3.0
吸附的H245.0 49.1 45.9 45.0 45 24
(μmol/g)(***)
%分散率 70% 72.7 58 72 65 39
(***)
(*)浸渍前的表面积
(*)浸渍后的表面积
(***)用J.Ce tal,9,125-127(1967)所述方法和假设吸附2H2/Pt以测定表面上Pt的量
nd=未测定
表Ⅱ
在磨细催化剂上的精细试验评价
催化剂 1A 1B 1C 1D 1E R1
芳烃转化% 76 72.3 68.2 63.0 73.0 43
K1常数
催化剂体积 8.6 7.5 6.7 6.0 7.7 3.4
K2常数
Pt重量 11.8 14.1 12.8 13 15 8.2
K1:动力学常数,假定1级,校正到恒空间速度
K2:动力学常数,假定1级,校正到Pt恒重
实施例3:
催化剂载体是用与实施例1差不多相同的步骤制备的。水解是用0.17M乙酸溶液进行的以保持PH为3。可是,水解后,凝胶体是用水洗涤的,并在110℃干燥。得到一种白色的湿粉末(3A),其湿度约为50wt%。然后将该粉末用于制备压出物。为易于挤压,使它与碱性溶液(含一种弱有机碱)和挤压助剂(甲基纤维素)混合。然后在600℃下焙烧。
该载体(3B)的性能示于表3中。该载体呈现高的纯度和高的表面积(380m2/g)。
然后使载体按实施例1的方法用六氯铂酸浸渍,并在420℃焙烧。最终催化剂(3C)的性能列于表Ⅲ中。还原以后按照实施例1的步骤测定Pt在该催化剂上的分散率,得到良好的Pt的分散率以及良好的催化活性。
表Ⅲ
由干凝胶制备的压出物及由此得到的催化剂的物理-化学性能
样品 干凝胶粉末 压出物 催化剂
参数 3A 3B 3C
组成(wt%)
Al2O313 13
Na2O 0.024 0.030
K2O 0.005 0.005
Fe2O30.034 0.033
Cl 0.15
SO40.007 0.008
Pt 0.75
表面积(m2/g) 363 389 308
孔体积L<1000A
(ml/g) 0.69 0.70 0.65
平均粒径(mm) 1.6
H2化学吸附
(μmol/g) 47.0
表面H2(%)a61.1
精密试验活性
芳烃转化b71
K1催化剂恒体积 7
K2Pt恒重 17
a)见实施例1
b)见实施例2
实施例4:
催化剂是按实施例1的方法制备的,但用高岭土作挤压助剂(高岭土对氧化物比为5%)。用H2PtCl6浸渍后的Pt含量为0.48%(以重量计),而Pt分散率达76%。
当用实施例2所述的精密活性试验评价时,所得到的仅含0.48%(以重量计)Pt催化剂,显示的煤油氢化活性高于实施例1的参比催化剂R1约30%。
它可被用于沸点范围为200℃~280℃的烃原料的处理中。表Ⅳ表示原料性能,而表Ⅴ说明操作条件。
用该催化剂得到的结果列于表Ⅵ中,并与用实施例1的参比工业用催化剂R1得的结果相比较。
表Ⅳ
原料性能密度 0.827
芳烃(FIA体积%) 30
芳烃高压液相色谱
一芳烃 (wt%) 33.0
二芳烃 (wt%) 2.2
硫 (ppm) 122
总氮 (ppm) 10
碱性氮 (ppm) 8
表V
操作条件
压力(105帕(巴)) 45
H2/烃(N1/1) 500
液时空速(LHSV)(1/1.hr) 1
温度(℃) 260,280,300
每种条件之间为2天
表VI
转化的结果
转化温度 实例4的新催化剂 R1催化剂
260℃ 90 35
280℃ 100 58
300℃ 100 72
实施例5:
挤压的催化剂(5A)是按实施例4中所述的方法制备的,只是在该载体上沉积0.7wt%Pt。
该催化剂性能列于表Ⅶ中。
然后将100ml挤压的催化剂5A装在管式等温反应器中,用于氢化来自煤油馏份的芳烃。原料性能和反应条件分别列于表Ⅷ和Ⅸ中。用100ml参比催化剂R1(3mm的颗料)进行比较试验。
两种试验结果列于表Ⅹ(催化剂5A)和Ⅺ(催化剂R1)中。它们表明与催化剂R1比较,用新的二氧化硅-氧化铝载体和浸渍方法制备的新催化剂组成(5A)具有改进的活性。这种改进的活性将导致较长的循环期。
表Ⅶ:催化剂5A的性能
催化剂 5A 参比R1
Pt(wt%) 0.72 0.61
Al2O3(wt%) 13 12
Na2O(wt%) 0.007 0.088
K2O(wt%) 0.013 0.006
Fe2O3(wt%) 0.15 0.046
Cl(wt%) 0.21 0.12
SO4(wt%) 0.007 0.15
表面积
(m2/g) 304 374
(最终的催化剂)
粒径(mm) 1.7(压出物) 3(颗粒)
吸附的H2(微摩尔/g) 53 24
%分散 72 39
表VIII:原料性能
比重(15/4℃) 0.838
硫(ppm) 38
氮(ppm)
-碱性的 3
-总的 <10
闪点(℃) 106
凝固点(℃) -17
发烟点(mm) 18
ASTM D1319 FIA(体积%)
-芳烃 24
-烯烃 -
-饱和物 76
HPLC芳烃(wt%)
-一 27
-二 4
-三 -
十六烷指数 51.45
ASTMD86蒸馏(℃)
初沸点 229
5%体积 248
10% 253
30% 262
50% 268
70% 275
90% 286
95% 292
终沸点 299
类似的蒸馏(Simdist) 180. 1.5
表IX:操作条件
催化剂: 试验: 催化剂5A(1.7mm压出物)
对比试验: 催化剂R1(3mm颗粒)
原料煤油 (表VIII)
液时空速: 1.0~2.5 v/v.h
温度: 250~300℃
总压力:45 barg
用产品冷却: 液态产物/原料冷却: 0.31/1
气/油比率: 500 N1/1
补充气体: 100% H2
(LHSV=液时空速=液体原料体积/催化剂体积/小时)
表X:在催化剂5A上煤油的脱芳构化-产物性能
催化时间(天数) 3 4 7 8 14 21
温度(℃) 275 275 275 275 248 275
LHSV(h-1) 2.1 2.1 2.6 2.6 2.1 2.1
C5-180+℃
比重(15/4℃) 0.759 0.759 0.762 0.777 0.786 0.789
硫(ppm) 41 5 38 33
碱性N(ppm) 5 3 <1
总N(ppm) <10 <10 <10
180+℃
比重(15/4℃) 0.823 0.823 0.825 0.825 0.830 0.828
硫(ppm) 3 10 <2 4 4 6
碱性N(ppm) 11 9 <1 <1
总N(ppm) 12 <10 <10 <10
闪点(℃) 104 103 106 107
凝固点(℃) -16 -16 -15 -16
粘度
40℃(cst) 2.97 2.97 3.13 3.09
发烟点(mm) 29 29 25 30
FIA烯烃(体积%) 0 0 0 0 0 0
FIA芳烃(体积%) 2 2 3 5 9 7
FIA饱和物(体积%) 98 98 97 95 91
HPLC一(wt%) 2.0 1.9 2.9 9.6 5.3
HPLC二(wt%) 0.0 0.1 0.0 0.0 0.0
HPLC总(wt%) 2.0 2.0 2.9 9.6 5.3
十六烷指数 56.8 57.3 54.5 55.4
蒸馏 ASTH D86
初沸点 238 239 240 242
5% 249 250 254 255
10% 252 252 257 256
30% 260 261 262 263
50% 268 269 269 270
70% 276 276 276 277
90% 288 288 288 288
95% 293 294 294 295
终沸点 300 302 299 300
原料的芳烃含量:24%(FIA)
表XI:对比试验:在催化剂R1上煤油的脱芳构化-产物性能
催化时间(天) 3 4 7 8 15
温度(℃) 275 275 300 300 275
LHSV(h-1) 1.0 2.0 2.5 2.5 2.5
C5-180+℃
比重(15/4℃) 0.767 0.773 0.797 0.794 0.796
硫(ppm) 11 <2 50 9 6
碱性N(ppm) <1 <1 1 1
总N(ppm) <10 <10 <10 <10
180+℃
比重(15/4℃) 0.823 0.826 0.828 0.828 0.832
硫(ppm) 3 <2 1 2 1
碱性N(ppm) <1 <1 <1 <1 10
总N(ppm) <10 <10 <10 <10 <10
闪点(℃) 104 103 110 107 112
凝固点(℃) -14 -14 -16 -16 -17
粘度
40℃(cst) 2.98 3.00 3.06 3.06 3.02
发烟点(mm) 29 30 27 27 23
FIA烯烃(vol%) 0 0 0 0 0
FIA芳烃(vol%) 3 6 9 8 12
FIA饱和物(vol%) 97 94 91 92 88
HPLC一(wt%) 2.3 6.8 5.9 6.0 12.4
HPLC二(wt%) 0.0 0.0 0.0 0.0 0.3
HPLC总(wt%) 2.3 6.8 5.9 6.0 12.7
十六烷指数 56.6 55.9 55.5 55.0 54.3
蒸馏 ASTH D86
初沸点 240 234 243 244 244
5% 249 250 255 255 257
10% 252 253 256 256 257
30% 260 261 262 262 262
50% 267 269 269 269 270
70% 274 276 276 276 277
90% 281 288 288 288 288
95% 282 295 293 293 294
终沸点 284 297 301 301 302
原料的芳烃含量:24%(FIA)
Claims (16)
1、制备二氧化硅-氧化铝载体的方法,其步骤有:
(a)将一种铝化合物与一种硅化合物混合以得到一种溶液,所述铝化合物选自铝醇化合物和铝羧化物,所述硅化合物选自硅醇化物和硅氧烷化合物;
(b)在酸性条件下,在50~150℃的温度下使来自步骤(a)的溶液水解;
(c)使来自步骤(b)的混合物冷却以获得凝胶体;
(d)通过去除过量的挥发性化合物如酸和水而处理得自步骤(c)的凝胶体而获得一种膏状物;
(e)在压出物成形的情况下挤压来自步骤(d)的膏状物;
(f)在300℃~700℃的温度之间焙烧得自步骤(e)的压出物至少几小时以去除有机物和水分。
2、按权利要求1的方法,其中铝和硅化合物是铝和硅的醇化物,Al和Si醇化物的每个醇化物链含有1~4碳原子。
3、按权利要求2的方法,其中Al的醇化物是异丙醇铝,Si的醇化物是Si(OEt)4或Si(OMe)40。
4、按上述权利要求之任一项的方法,其中步骤(a)中得到的溶液最好含有9~25%(以重量计)的铝(用氧化物与总氧化物比表示)。
5、按上述权利要求之任一项的方法,其中水解步骤(b)是在弱酸条件(PH 2.5~4)下进行。
6、按上述权利要求之任一项的方法,其中处理步骤(d)最好在20℃~100℃的温度下进行的干燥步骤。
7、按上述权利要求之任一项的方法,其中步骤(e)中生成的压出物的尺寸小于3mm,最好小于2mm。
8、按上述权利要求之任一项的方法,其中焙烧步骤(f)以前,使其前一步骤(e)得到的压出物在室温至150℃的温度下干燥。
9、按上述权利要求之任一项的方法,其中使步骤(d)中得到的膏状物与高岭土混合,其用量为每100份二氧化硅-氧化铝至多10份。
10、按上述权利要求之任一项的一种方法所得到的二氧化硅-氧化铝载体。
11、一种在按权利要求10的二氧化硅-氧化铝载体上沉积一种或多种Ⅷ族金属而制备氢化催化剂的方法。
12、按权利要求11的方法,其中浸渍是用铂的盐和/或配位物的溶液和/或钯的盐溶液进行的。
13、按权利要求12的方法,其中浸渍是用Pt酸性配位物进行的,Pt配位物溶液的PH是0.5~3,优选为1~2。
14、按权利要求11~13之任一项的方法,其中该催化剂含有0.1~1.5wt%的第Ⅷ族金属。
15、按权利要求11~14之任一项的方法所得的载有催化剂的二氧化硅-氧化铝。
16、按权利要求15的一种催化剂在降低烃流氢化过程的芳烃的含量中的应用。
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