CN115850214A - 一种正丁烷氧化制备顺丁烯二酸酐的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明属于顺酐生产技术领域,本发明公开了一种正丁烷氧化制备顺丁烯二酸酐的方法。本发明将二氧化硅气凝胶作为壳层包裹钒磷氧催化剂,制备得到核壳型复合催化剂,提高了催化剂的催化效率和稳定性,本发明采用串联反应器的方式,对反应尾气进行利用,工艺能耗低,工艺流程简单,提高了顺丁烯二酸酐的收率。本发明所述正丁烷的转化率在83%以上,顺丁烯二酸酐的收率达到了106%以上,适于大范围的推广应用。
Description
技术领域
本发明涉及顺酐生产技术领域,尤其涉及一种正丁烷氧化制备顺丁烯二酸酐的方法。
背景技术
顺丁烯二酸酐简称顺酐,是一种重要的有机化工原料。实际应用中生产顺酐的主要方法为正丁烷氧化法;目前正丁烷氧化制顺酐的生产工艺主要采用钒磷氧(VPO)催化剂。目前的VPO催化剂前驱体主要采用有机法进行制备,其制备过程通常采用五价的钒和磷酸在有机溶剂中回流得到的前驱体,将所得前驱体与磷酸回流反应得到VPO催化剂。
目前,正丁烷氧化制备顺丁烯二酸酐的方法中正丁烷的转化率主要受两方面因素的影响。其一,由于现有的VPO催化剂的稳定性差,所以经过多次重复使用后VPO催化剂存在磷流失以及强度下降的弊端,导致催化效率降低,影响正丁烷的转化率。虽然现有的负载型VPO催化剂可以降低磷流失,但其降低的效果随着使用次数的增加处于递减状态,而且由于催化剂与载体的结合强度不高,导致现有的VPO催化剂的强度随着使用次数增加而降低的问题仍未得到解决。其二,现有的正丁烷氧化制备顺丁烯二酸酐的方法中,正丁烷转化率在82~85%之间顺丁烯二酸酐的收率最好,收率可以达到95~98%,但氧化完成后做为废气排放处理的尾气中尚有15~18%未转化的正丁烷。为了解决上述问题,现有技术将尾气进行处理后作为空气进入反应器的入口进行循环,但上述反应在单一的反应器中循环,需要精确控制尾气的排入量以及反应的参数,增加了工艺成本,且增加了催化剂的运作负荷,影响了催化效率,降低了正丁烷的转化率。因此,如何研究一种成本低,正丁烷转化率高,且能充分利用尾气的正丁烷氧化制备顺丁烯二酸酐的方法成为本领域亟需。
发明内容
有鉴于此,本发明提供了一种正丁烷氧化制备顺丁烯二酸酐的方法,以解决现有的工艺存在的催化剂的催化效率低,工艺复杂,成本高,且正丁烷转化率低的问题。
为了达到上述目的,本发明采用如下技术方案:
本发明提供了一种正丁烷氧化制备顺丁烯二酸酐的方法,包括如下步骤:
(1)在第一反应器内,将正丁烷、核壳型复合催化剂和空气混合,反应得到顺丁烯二酸酐和反应尾气;
(2)在第二反应器内,将正丁烷、核壳型复合催化剂和反应尾气混合,反应得到顺丁烯二酸酐和反应尾气,反应尾气经焚烧后进行排放;
所述核壳型复合催化剂包括钒磷氧催化剂和二氧化硅气凝胶。
作为优选,所述核壳型复合催化剂的制备方法包括如下步骤:
a、将钒源、磷源和有机溶剂混合,加热反应得到催化剂前驱体溶液;
b、将催化剂前驱体溶液、二氧化硅气凝胶粉末和硅烷偶联剂混合,经干燥和焙烧,得到核壳型复合催化剂。
作为优选,所述钒源为五氧化二钒和/或草酸氧钒,磷源为磷酸和/或五氧化二磷,磷酸的质量浓度为90~92%,有机溶剂为苯甲醇;钒源、磷源和有机溶剂的质量体积比为1~1.5g:2~2.5g:20~25mL;加热反应的温度为80~100℃,加热反应的时间为10~24h。
作为优选,所述二氧化硅气凝胶粉末和催化剂前驱体溶液的质量体积比为3~5g:30~40mL,二氧化硅气凝胶粉末和硅烷偶联剂的质量比为1:0.2~0.5。
作为优选,所述干燥包括旋蒸和烘干,旋蒸的温度为60~80℃,旋蒸至混合所得混合物的水分含量≤10%,烘干的温度为100~110℃,烘干的时间为3~4h;焙烧的温度为400~500℃,焙烧的时间为3~5h。
作为优选,所述步骤(1)和(2)中,核壳型复合催化剂的装填量独立的为反应器中反应管容量的10~20%,正丁烷的进料浓度独立的为0.15~2mol%,反应的温度独立的为360~450℃,反应的压力独立的为150~300KPaG。
作为优选,所述空气的流速为1.5~2m/s;步骤(1)所述反应尾气经洗涤后进入第二反应器内,步骤(2)所述反应尾气的流速为1.5~2m/s。
作为优选,所述第一反应器和第二反应器内,反应所得产物独立的通过水、邻苯二甲酸二丁酯或六氢化邻苯二甲酸二异丁酯吸收。
作为优选,吸收所得反应液顺次经解吸和精制,得到顺丁烯二酸酐。
经由上述的技术方案可知,与现有技术相比,本发明有益效果如下:
(1)本发明采用核壳结构复合催化剂,一方面提高了催化剂与正丁烷的接触面积,提高了催化效率;另一方面,本发明所述二氧化硅气凝胶外壳避免了钒磷氧催化剂的磷流失,同时核壳结构复合催化剂的壳层和核的结合能力优异,提高了催化剂的使用寿命;
(2)本发明采用串联反应器的方式,对反应尾气进行利用,工艺能耗低,工艺流程简单,提高了顺丁烯二酸酐的收率。
具体实施方式
本发明提供了一种正丁烷氧化制备顺丁烯二酸酐的方法,包括如下步骤:
(1)在第一反应器内,将正丁烷、核壳型复合催化剂和空气混合,反应得到顺丁烯二酸酐和反应尾气;
(2)在第二反应器内,将正丁烷、核壳型复合催化剂和反应尾气混合,反应得到顺丁烯二酸酐和反应尾气,反应尾气经焚烧后进行排放;
所述核壳型复合催化剂包括钒磷氧催化剂和二氧化硅气凝胶。
在本发明中,所述核壳型复合催化剂的粒度优选为120~200目,进一步优选为150~180目。
在本发明中,所述核壳型复合催化剂的制备方法包括如下步骤:
a、将钒源、磷源和有机溶剂混合,加热反应得到催化剂前驱体溶液;
b、将催化剂前驱体溶液、二氧化硅气凝胶粉末和硅烷偶联剂混合,经干燥和焙烧,得到核壳型复合催化剂。
在本发明中,所述钒源优选为五氧化二钒和/或草酸氧钒,进一步优选为五氧化二钒;磷源优选为磷酸和/或五氧化二磷,进一步优选为磷酸;磷酸的质量浓度优选为90~92%,进一步优选为91~91.5%;有机溶剂优选为苯甲醇;钒源、磷源和有机溶剂的质量体积比优选为1~1.5g:2~2.5g:20~25mL,进一步优选为1.2~1.4g:2.1~2.3g:21~24mL;加热反应的温度优选为80~100℃,进一步优选为85~95℃;加热反应的时间优选为10~24h,进一步优选为12~20h。
在本发明中,所述二氧化硅气凝胶粉末的粒度优选为200~300目,进一步优选为220~250目;二氧化硅气凝胶粉末和催化剂前驱体溶液的质量体积比优选为3~5g:30~40mL,进一步优选为3.5~4.5g:32~35mL;二氧化硅气凝胶粉末和硅烷偶联剂的质量比优选为1:0.2~0.5,进一步优选为1:0.3~0.4。
在本发明中,所述干燥包括旋蒸和烘干,旋蒸的温度优选为60~80℃,进一步优选为62~75℃;旋蒸至混合所得混合物的水分含量优选为≤10%,进一步优选为6~8%;烘干的温度优选为100~110℃,进一步优选为105~108℃;烘干的时间优选为3~4h,进一步优选为3.5h;焙烧的温度优选为400~500℃,进一步优选为410~480℃;焙烧的时间优选为3~5h,进一步优选为3.5~4h。
在本发明中,所述焙烧在保护气体下进行,保护气体优选为氮气或氢气,进一步优选为氮气。
在本发明中,所述催化剂前驱体溶液、二氧化硅气凝胶粉末和硅烷偶联剂混合时,加入醋酸,调节混合所得混合液的pH优选为5.5~6.5,进一步优选为6。
本发明通过调节混合液为弱酸性状态,可以增加硅烷偶联剂的水解,水解后的硅烷偶联剂进一步缩聚,使得大量的极性基团分布于二氧化硅气凝胶的外表面,增加了二氧化硅气凝胶的表面能,增加了吸附性,增加了催化剂和正丁烷的接触,提高了催化效率,而且二氧化硅气凝胶表面的极性基团之间存在斥力,提高了二氧化硅气凝胶孔隙结构的完整性,提高了二氧化硅气凝胶的稳定性,延长了复合催化剂的寿命。
在本发明中,所述核壳型复合催化剂为环形结构;核壳型复合催化剂的外径优选为5.2~5.7mm,进一步优选为5.6mm,核壳型复合催化剂的内径优选为2.1~2.3mm,进一步优选为2.2mm,核壳型复合催化剂的高优选为5.5~5.7mm,进一步优选为5.6mm;
环形结构的核壳型复合催化剂通过将焙烧所得粉体在模具中压制而成。
在本发明中,所述步骤(1)和(2)中,核壳型复合催化剂的装填量独立的优选为反应器中反应管容量的10~20%,进一步优选为12~15%;正丁烷的进料浓度独立的优选为0.15~2mol%,进一步优选为0.2~1.5mol%;反应的温度独立的优选为360~450℃,进一步优选为380~420℃;反应的压力独立的优选为150~300KPaG,进一步优选为200~250KPaG。
在本发明中,所述空气的流速优选为1.5~2m/s,进一步优选为1.6~1.8m/s;步骤(1)所述反应尾气经洗涤后进入第二反应器内,步骤(2)所述反应尾气的流速优选为1.5~2m/s;进一步优选为1.7~1.8m/s;
所述洗涤在洗涤塔中进行。
在本发明中,所述第一反应器和第二反应器内,反应所得产物独立的优选为通过水、邻苯二甲酸二丁酯或六氢化邻苯二甲酸二异丁酯吸收,进一步优选为通过水或邻苯二甲酸二丁酯吸收。
在本发明中,吸收所得反应液顺次经解吸和精制,得到顺丁烯二酸酐;
所述解吸在解吸塔中进行,精制在蒸馏塔中进行;
所述解吸所用解吸剂优选为水蒸气;解吸前,优选为将反应液加热至205~210℃,进一步优选为将反应液加热至206~209℃。
下面结合实施例对本发明提供的技术方案进行详细的说明,但是不能把它们理解为对本发明保护范围的限定。
以下实施例所用硅烷偶联剂为南京全希化工有限公司的水性硅烷偶联剂KH-460。
实施例1
核壳型复合催化剂的制备:
将100g五氧化二钒、210g质量浓度为90%的磷酸和2500mL苯甲醇混合,利用水浴加热在80℃下反应10h得到催化剂前驱体溶液;将400mL催化剂前驱体溶液、30g二氧化硅气凝胶粉末(粒度为200目)和6g水性硅烷偶联剂KH-460混合,将混合所得混合液加入质量浓度为10%的醋酸调节pH至6,然后置于旋转蒸发仪上,在60℃下旋蒸至混合液的水分含量为10%,后置于干燥箱中,在100℃下干燥3h,最后在氮气保护下,400℃焙烧3h得粉料,将粉料放入环形模具中在压机中压制得到外径为5.6mm、内径为2.2mm、高为5.6mm的环形核壳型复合催化剂。
顺丁烯二酸酐的制备:
将上述所得核壳型复合催化剂置于反应器一和反应器二中,反应器一中核壳型复合催化剂的填充量为反应器中反应管容量的20%,反应器二中核壳型复合催化剂的填充量为反应器中反应管容量的15%;填充完毕后,控制反应器一中压力为180KPaG、温度为380℃;反应器二中压力为150KPaG、温度为360℃;将空气与正丁烷混合后一同进入反应器一,控制空气流速为1.5m/s、正丁烷进料浓度为0.5mol%,同时将正丁烷通入反应器二中,控制正丁烷进料浓度为0.2mol%。反应器一中的反应尾气进入反应器二中,在反应器二中,反应尾气中的氧与未反应的正丁烷及补充的正丁烷在复合催化剂的作用下发生催化氧化反应生成顺丁烯二酸酐。反应生成气用水吸收,吸收液依次通过解吸塔和蒸馏塔后进行顺丁烯二酸酐重量的计量。反应器二中产生的反应尾气通过焚烧后进行排放。
通过计算,本实施例反应器一中正丁烷的转化率为85.1%,顺丁烯二酸酐的收率为106.5%;反应器二中正丁烷的转化率为83.1%,顺丁烯二酸酐的收率为106.2%。
实施例2
核壳型复合催化剂的制备:
将120g五氧化二钒、230g质量浓度为90%的磷酸和2000mL苯甲醇混合,利用水浴加热在83℃下反应12h得到催化剂前驱体溶液;将350mL催化剂前驱体溶液、50g二氧化硅气凝胶粉末(粒度为250目)和15g水性硅烷偶联剂KH-460混合,将混合所得混合液加入质量浓度为10%的醋酸调节pH至6,然后置于旋转蒸发仪上,在65℃下旋蒸至混合液的水分含量为10%,后置于干燥箱中,在110℃下干燥3h,最后在氮气保护下,450℃焙烧4h得粉料,将粉料放入环形模具中在压机中压制得到外径为5.6mm、内径为2.2mm、高为5.6mm的环形核壳型复合催化剂。
顺丁烯二酸酐的制备:
将上述所得核壳型复合催化剂置于反应器一和反应器二中,反应器一中核壳型复合催化剂的填充量为反应器中反应管容量的20%,反应器二中核壳型复合催化剂的填充量为反应器中反应管容量的15%;填充完毕后,控制反应器一中压力为250KPaG、温度为400℃;反应器二中压力为180KPaG、温度为380℃;将空气与正丁烷混合后一同进入反应器一,控制空气流速为1.6m/s、正丁烷进料浓度为1.5mol%,同时将正丁烷通入反应器二中,控制正丁烷进料浓度为1mol%。反应器一中的反应尾气进入反应器二中,在反应器二中,反应尾气中的氧与未反应的正丁烷及补充的正丁烷在复合催化剂的作用下发生催化氧化反应生成顺丁烯二酸酐。反应生成气用水吸收,吸收液依次通过解吸塔和蒸馏塔后进行顺丁烯二酸酐重量的计量。反应器二中产生的反应尾气通过焚烧后进行排放。
通过计算,本实施例反应器一中正丁烷的转化率为86.1%,顺丁烯二酸酐的收率为106.5%;反应器二中正丁烷的转化率为84.6%,顺丁烯二酸酐的收率为106.3%。
实施例3
核壳型复合催化剂的制备:
将140g五氧化二钒、230g质量浓度为90%的磷酸和2500mL苯甲醇混合,利用水浴加热在90℃下反应14h得到催化剂前驱体溶液;将400mL催化剂前驱体溶液、40g二氧化硅气凝胶粉末(粒度为300目)和13g水性硅烷偶联剂KH-460混合,将混合所得混合液加入质量浓度为10%的醋酸调节pH至6,然后置于旋转蒸发仪上,在75℃下旋蒸至混合液的水分含量为10%,后置于干燥箱中,在110℃下干燥3h,最后在氮气保护下,460℃焙烧4h得粉料,将粉料放入环形模具中在压机中压制得到外径为5.6mm、内径为2.2mm、高为5.6mm的环形核壳型复合催化剂。
顺丁烯二酸酐的制备:
将上述所得核壳型复合催化剂置于反应器一和反应器二中,反应器一中核壳型复合催化剂的填充量为反应器中反应管容量的20%,反应器二中核壳型复合催化剂的填充量为反应器中反应管容量的15%;填充完毕后,控制反应器一中压力为300KPaG、温度为430℃;反应器二中压力为200KPaG、温度为400℃;将空气与正丁烷混合后一同进入反应器一,控制空气流速为1.6m/s、正丁烷进料浓度为1.5mol%,同时将正丁烷通入反应器二中,控制正丁烷进料浓度为1.2mol%。反应器一中的反应尾气进入反应器二中,在反应器二中,反应尾气中的氧与未反应的正丁烷及补充的正丁烷在复合催化剂的作用下发生催化氧化反应生成顺丁烯二酸酐。反应生成气用水吸收,吸收液依次通过解吸塔和蒸馏塔后进行顺丁烯二酸酐重量的计量。反应器二中产生的反应尾气通过焚烧后进行排放。
通过计算,本实施例反应器一中正丁烷的转化率为86.3%,顺丁烯二酸酐的收率为106.8%;反应器二中正丁烷的转化率为84.2%,顺丁烯二酸酐的收率为106.5%。
实施例4
核壳型复合催化剂的制备:
将120g五氧化二钒、230g质量浓度为90%的磷酸和2200mL苯甲醇混合,利用水浴加热在95℃下反应10h得到催化剂前驱体溶液;将400mL催化剂前驱体溶液、40g二氧化硅气凝胶粉末(粒度为250目)和12g水性硅烷偶联剂KH-460混合,将混合所得混合液加入质量浓度为10%的醋酸调节pH至6,然后置于旋转蒸发仪上,在80℃下旋蒸至混合液的水分含量为10%,后置于干燥箱中,在108℃下干燥3h,最后在氮气保护下,480℃焙烧4h得粉料,将粉料放入环形模具中在压机中压制得到外径为5.6mm、内径为2.2mm、高为5.6mm的环形核壳型复合催化剂。
顺丁烯二酸酐的制备:
将上述所得核壳型复合催化剂置于反应器一和反应器二中,反应器一中核壳型复合催化剂的填充量为反应器中反应管容量的20%,反应器二中核壳型复合催化剂的填充量为反应器中反应管容量的15%;填充完毕后,控制反应器一中压力为290KPaG、温度为440℃;反应器二中压力为250KPaG、温度为400℃;将空气与正丁烷混合后一同进入反应器一,控制空气流速为1.6m/s、正丁烷进料浓度为1.2mol%,同时将正丁烷通入反应器二中,控制正丁烷进料浓度为1mol%。反应器一中的反应尾气进入反应器二中,在反应器二中,反应尾气中的氧与未反应的正丁烷及补充的正丁烷在复合催化剂的作用下发生催化氧化反应生成顺丁烯二酸酐。反应生成气用水吸收,吸收液依次通过解吸塔和蒸馏塔后进行顺丁烯二酸酐重量的计量。反应器二中产生的反应尾气通过焚烧后进行排放。
通过计算,本实施例反应器一中正丁烷的转化率为87.1%,顺丁烯二酸酐的收率为106.5%;反应器二中正丁烷的转化率为85.5%,顺丁烯二酸酐的收率为106.1%。
实施例5
核壳型复合催化剂的制备:
将150g五氧化二钒、240g质量浓度为92%的磷酸和2500mL苯甲醇混合,利用水浴加热在95℃下反应14h得到催化剂前驱体溶液;将400mL催化剂前驱体溶液、40g二氧化硅气凝胶粉末(粒度为300目)和13g水性硅烷偶联剂KH-460混合,将混合所得混合液加入质量浓度为10%的醋酸调节pH至6,然后置于旋转蒸发仪上,在80℃下旋蒸至混合液的水分含量为10%,后置于干燥箱中,在110℃下干燥3h,最后在氮气保护下,500℃焙烧4h得粉料,将粉料放入环形模具中在压机中压制得到外径为5.6mm、内径为2.2mm、高为5.6mm的环形核壳型复合催化剂。
顺丁烯二酸酐的制备:
将上述所得核壳型复合催化剂置于反应器一和反应器二中,反应器一中核壳型复合催化剂的填充量为反应器中反应管容量的20%,反应器二中核壳型复合催化剂的填充量为反应器中反应管容量的15%;填充完毕后,控制反应器一中压力为290KPaG、温度为450℃;反应器二中压力为250KPaG、温度为390℃;将空气与正丁烷混合后一同进入反应器一,控制空气流速为1.8m/s、正丁烷进料浓度为1.6mol%,同时将正丁烷通入反应器二中,控制正丁烷进料浓度为1.1mol%。反应器一中的反应尾气进入反应器二中,在反应器二中,反应尾气中的氧与未反应的正丁烷及补充的正丁烷在复合催化剂的作用下发生催化氧化反应生成顺丁烯二酸酐。反应生成气用水吸收,吸收液依次通过解吸塔和蒸馏塔后进行顺丁烯二酸酐重量的计量。反应器二中产生的反应尾气通过焚烧后进行排放。
通过计算,本实施例反应器一中正丁烷的转化率为85.9%,顺丁烯二酸酐的收率为106.3%;反应器二中正丁烷的转化率为84.1%,顺丁烯二酸酐的收率为106.2%。
由实施例1~5可知,本发明所述正丁烷的转化率在83%以上,顺丁烯二酸酐的收率达到了95%以上,说明本发明所述工艺可以达到较大的正丁烷转化率和顺丁烯二酸酐的收率。
以上所述仅是本发明的优选实施方式,应当指出,对于本技术领域的普通技术人员来说,在不脱离本发明原理的前提下,还可以做出若干改进和润饰,这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。
Claims (9)
1.一种正丁烷氧化制备顺丁烯二酸酐的方法,其特征在于,包括如下步骤:
(1)在第一反应器内,将正丁烷、核壳型复合催化剂和空气混合,反应得到顺丁烯二酸酐和反应尾气;
(2)在第二反应器内,将正丁烷、核壳型复合催化剂和反应尾气混合,反应得到顺丁烯二酸酐和反应尾气,反应尾气经焚烧后进行排放;
所述核壳型复合催化剂包括钒磷氧催化剂和二氧化硅气凝胶。
2.根据权利要求1所述正丁烷氧化制备顺丁烯二酸酐的方法,其特征在于,所述核壳型复合催化剂的制备方法包括如下步骤:
a、将钒源、磷源和有机溶剂混合,加热反应得到催化剂前驱体溶液;
b、将催化剂前驱体溶液、二氧化硅气凝胶粉末和硅烷偶联剂混合,经干燥和焙烧,得到核壳型复合催化剂。
3.根据权利要求2所述正丁烷氧化制备顺丁烯二酸酐的方法,其特征在于,所述钒源为五氧化二钒和/或草酸氧钒,磷源为磷酸和/或五氧化二磷,磷酸的质量浓度为90~92%,有机溶剂为苯甲醇;钒源、磷源和有机溶剂的质量体积比为1~1.5g:2~2.5g:20~25mL;加热反应的温度为80~100℃,加热反应的时间为10~24h。
4.根据权利要求2或3所述正丁烷氧化制备顺丁烯二酸酐的方法,其特征在于,所述二氧化硅气凝胶粉末和催化剂前驱体溶液的质量体积比为3~5g:30~40mL,二氧化硅气凝胶粉末和硅烷偶联剂的质量比为1:0.2~0.5。
5.根据权利要求4所述正丁烷氧化制备顺丁烯二酸酐的方法,其特征在于,所述干燥包括旋蒸和烘干,旋蒸的温度为60~80℃,旋蒸至混合所得混合物的水分含量≤10%,烘干的温度为100~110℃,烘干的时间为3~4h;焙烧的温度为400~500℃,焙烧的时间为3~5h。
6.根据权利要求1所述正丁烷氧化制备顺丁烯二酸酐的方法,其特征在于,所述步骤(1)和(2)中,核壳型复合催化剂的装填量独立的为反应器中反应管容量的10~20%,正丁烷的进料浓度独立的为0.15~2mol%,反应的温度独立的为360~450℃,反应的压力独立的为150~300KPaG。
7.根据权利要求1、2或6所述正丁烷氧化制备顺丁烯二酸酐的方法,其特征在于,所述空气的流速为1.5~2m/s;步骤(1)所述反应尾气经洗涤后进入第二反应器内,步骤(2)所述反应尾气的流速为1.5~2m/s。
8.根据权利要求7所述正丁烷氧化制备顺丁烯二酸酐的方法,其特征在于,所述第一反应器和第二反应器内,反应所得产物独立的通过水、邻苯二甲酸二丁酯或六氢化邻苯二甲酸二异丁酯吸收。
9.根据权利要求8所述正丁烷氧化制备顺丁烯二酸酐的方法,其特征在于,吸收所得反应液顺次经解吸和精制,得到顺丁烯二酸酐。
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