TW201716132A - 將潮濕氣體混合物除濕之方法 - Google Patents
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Abstract
本發明係關於將潮濕氣體混合物除濕的方法。本發明進一步係關於將潮濕氣體混合物除濕的設備以及該設備於本發明方法中之用途。
Description
本發明係關於將潮濕氣體混合物除濕的方法。本發明進一步關於用於將潮濕氣體混合物除濕的設備以及使用該設備於本發明的方法中。
眾多技術領域需要將潮濕氣體混合物除濕。
例如,建築物或車輛的通風與空調通常不僅需要冷卻,亦需要空氣除濕,由於待冷卻空氣通常很潮濕,因而在冷卻至所欲之溫度過程中,溫度會低於露點溫度。由於在習知的空調系統中,空氣除濕佔電力消耗很大一部分。
藉由以乾燥介質吸附或吸收水而除濕空氣,接著加熱至再次脫水之溫度以將載水的乾燥介質(water-laden drying medium)再生,而降低建築物之空調系統的電力消耗。相較於固體吸收劑的吸收,液體吸收介質的吸收優點為可用複雜度較低的設備與較少的乾燥介質進行空氣乾燥,以及較容易進行使用太陽熱能將載水的乾燥介質再生。
另一個使用將潮濕氣體混合物除濕的技術領域為吸收式冷卻器(absorption chiller)(原理描述於WO 2014/079675 A1)的領域。在本文中,在低壓下,水蒸發過程中,形成潮濕體混合物。需要自潮濕氣體混合物移除所形成的水蒸氣,因而該混合物而後可回復成為水蒸發而通過新的循環。同樣地,液體吸收介質中的吸收優於固體吸收介質中的吸收。
最後,將潮濕氣體混合物除濕在天然氣開採領域中亦為重要的,例如,DE 10 2010 004 779 A1所述。
合併於空氣或天然氣除濕廠中與冷卻器中的材料例子包含鈦、銅與貴重金屬。以鋁為基礎的組件亦裝設於空氣除濕廠中。相較於其他材料,例如鈦、銅或不鏽鋼,鋁的優點為其具有較高的熱傳導性。它更加容易處理、更輕且更廉價。因而,特別地,在汽車製造中,較佳為鋁製成的空調系統優於其他材料。
至今使用作為商業空調系統中的液體吸收介質的溴化鋰、氯化鋰或氯化鈣之水溶液所具有的缺點為它們對於典型用於空調系統中的建構材料具有腐蝕性,因而它們需要使用昂貴的特定建構材料。特別是對於鋁會遭遇此問題。由於鹽在吸收介質外結晶,因而這些溶液可額外造成問題。
Y.Luo et al.,Appl.Thermal Eng.31(2011)2772-2777提出使用離子液體四氟硼酸1-乙基-3-甲基咪唑鎓鹽(1-ethyl-3-methylimidazolium tetrafluoroborate)代替溴
化鋰的水溶液用於乾燥空氣。然而,此離子液體只有吸收能力差的缺點。
Y.Luo et al.,Solar Energy 86(2012)2718-2724提出離子液體醋酸1,3-二甲基咪唑鎓鹽(1,3-dimethyimidazolium acetate)作為替代四氟硼酸1-乙基-3-甲基咪唑鎓鹽(1-ethyl-3-methylimidazolium tetrafluoroborate)用於乾燥空氣。然而,醋酸1,3-二甲基咪唑鎓鹽不穩定,並且在脫水過程中分解不小的量。
US 2011/0247494 A1第〔0145〕段提出的離子液體亦遭遇此問題。此文件提出使用三甲基醋酸胺(trimethylammonium acetate)或醋酸1-乙基-3-甲基咪唑鎓鹽(1-ethyl-3-methylimidazolium acetate)作為液體乾燥劑替代氯化鋰水溶液。範例3比較一系列的其他離子液體自潮濕空氣吸取水。
CN 102335545 A描述離子液體的水溶液,其作為空氣除濕之吸收介質並未遇到上述問題。該吸收介質被報導為對於不鏽鋼為非腐蝕性。所述之離子液體特別是二甲基磷酸1,3-二甲基咪唑鎓鹽(1,3-dimethyimidazolium dimethylphosphate)、二甲基磷酸1-乙基-3-甲基咪唑鎓鹽(1-ethyl-3-methylimidazolium dimethylphosphate)以及二甲基磷酸1-丁基-3-甲基咪唑鎓鹽(1-butyl-3-methylimidazolium dimethylphosphate)。然而,CN 102335545 A主要係關於不鏽鋼為基礎的空氣除濕器。然而,基於上述理由,相較於鋁,此材料為不利的。此外,
以CN 102335545 A所述的離子液體達到的熱轉移相對為低,該熱轉移對於有效率的空氣除濕而言是重要的。
據此,本發明之目的係提供吸收介質,當用於鋁為基礎的空調系統、空氣除濕器、吸收冷卻器中,其比先前技術的吸收介質呈現較低的腐蝕性。這些吸收介質亦應確保改良的熱轉移。
令人驚訝地,目前已經發現吸收介質對於鋁呈現低腐蝕性,並且特別確保良好的熱轉移。
本發明係關於將潮濕氣體混合物除濕之方法。本發明另關於用於將潮濕氣體混合物除濕的設備以及該設備於本發明方法中之用途。
101‧‧‧導管
102‧‧‧導管
103‧‧‧吸水單元
104‧‧‧熱交換器
105‧‧‧導管
106‧‧‧導管
107‧‧‧熱交換器
108‧‧‧熱交換器
109‧‧‧脫水器
110‧‧‧導管
111‧‧‧導管
112‧‧‧導管
113‧‧‧導管
114‧‧‧導管
211‧‧‧冷凝器
212‧‧‧熱交換器
213‧‧‧節流裝置
214‧‧‧蒸發器
215‧‧‧熱交換器
216‧‧‧導管
圖1(簡稱為Fig.1)顯示根據本發明之設備V2/V1的具體實施例。
圖2(簡稱為Fig.2)以示意方式顯示整合設備V2於其中的吸收冷卻器。
因此,本發明之第一態樣係關於在設備V1中,將潮濕氣體混合物G除濕的方法,特別是對於潮濕空氣,該方法包括以下步驟:
(a)以液體吸收介質AVE接觸潮濕氣體混合物G,該液體吸收介質AVE包括選自於Q+(RO)2PO2 -、(Q+)2ROPO3 2-與Q+M+ROPO3 2-所組成的群組中的至少一鹽,其中該液體吸收介質AVE從該潮濕氣體混合物G至少部分吸收水,以得到相較於該液體吸收介質AVE,具有水含量增加的液體吸收介質AVE1,以及相較於潮濕氣體混合物G,具有相對低水含量的氣體混合物G1,(b)自該液體吸收介質AVE1至少部分移除水,以得到相較於液體吸收介質AVE1,具有較低水含量的液體吸收介質AVE2,其中該設備V1至少部分包括由構造OAl之鋁材料製成的表面,以及在該設備V1中,自AVE、AVE1與AVE2所組成的群組所選的液體吸收介質之至少一者經由至少一接觸表面接觸由構造OAl之鋁材料製成的該表面,特徵在於Q+為1,3-二烷基咪唑鎓鹽(1,3-dialkylimidazolium),其中烷基彼此獨立為未分支或分支的C1-C6烷基,R為未分支或分支的C2-C6烷基,以及M+為鹼金屬離子,較佳為選自於由Li+、K+與Na+所組成的群組,更佳為選自於由K+與Na+所組成的群組,較佳為K+。
氣體混合物G不特別受到限制。「潮濕」在本發明內容中的意義被理解為「包括水,特別是水蒸氣」。「除濕」的意義被理解為至少部分移除水。
「至少部分」在本發明內容中的意義被理解為「部分或全部」。
「潮濕氣體混合物G」在本發明內容中的意義被據以理解為氣體混合物G包括水,較佳為水蒸氣(「水蒸氣」的意義被理解為水的氣體物理狀態),以及其組成不特別受到限制。此潮濕氣體混合物的水量不特別受到限制,並且特別係自0.01vol%至99.99vol%(「Vol%」係指基於潮濕氣體混合物G整體體積之水蒸氣體積)。潮濕氣體G的組成可依本發明之方法的使用而變化。潮濕氣體混合物G特別係選自於潮濕天然氣、潮濕空氣(此可為潮濕室內空氣或自吸收冷卻器中水蒸發造成的潮濕空氣),較佳為潮濕空氣。關於潮濕天然氣,水含量特別係自0.01vol%至15.00vol%,關於潮濕空氣,在潮濕室內空氣的例子中,該含量特別係自0.01vol%至5.00vol%,或特別係自95.00vol%至99.99vol%,當考量吸收冷卻器中的水蒸發所造成的潮濕空氣時,其為較佳範圍。
在設備V1中進行本發明的方法。設備V1僅限於應適合進行本發明之方法的程度。特別可能使用具有以下組件的設備V1:(i)至少一吸水單元Wabs1,設立用於以液體吸收介質AVE接觸潮濕氣體混合物,(ii)至少一脫水單元Wdes1,其包括熱交換器Wx1並且設立用於自液體吸收介質AVE至少部分移除水,
(iii)以及迴路(circuit)U1,其連接吸水單元Wabs1與脫水單元Wdes1,並且藉以使得液體吸收介質AVE可被循環。
吸水單元Wabs1為特別進行本發明之方法的步驟a)的組件。可使用作為吸水單元Wabs1特別為該技藝中的技術人士已知的水吸收器(water absorber)。該吸收器的原理為增加液體吸收介質AVE之表面積以及在吸收水的過程中同時達到液體吸收介質AVE在水吸收器中最長的可能停留時間。在本文中,特別可能是使用選自於填充床、噴霧柱(spray column)、下降膜(falling-film)、氣泡柱(bubble column)、板柱(tray column)、濕式洗滌器(wet scrubber)(例如Venturi洗滌器)、攪拌槽以及這些吸收器的組合之群組的水吸收器。特別較佳係使用下降膜為水吸收器,特別係使用殼與管下降膜(shell and tube falling-film)。吸水單元Wabs1可特別亦包括設立另一熱交換器Wz1,因而液體吸收介質AVE為可冷卻的。
包括熱交換器Wx1的脫水單元Wdes1為特別進行本發明方法之步驟b)的單元。脫水單元Wdes1的原理為供熱至載水的液體吸收介質AVE、增加載水的液體吸收介質AVE的表面積、以及同時達到在脫水單元中載水的液體吸收介質AVE最長的可能停留時間。
可使用作為包括熱交換器Wx1的脫水單元Wdes1特別為該技藝的技術人士已知的熱交換器與脫水器(water desorber)的組合,特別係具有上游熱交換器的水平管蒸
發器、特別係殼與管熱交換器(shell and tube heat exchanger)、板與框架熱交換器(plate and frame heat exchanger)。此外,包括熱交換器Wx1的脫水單元Wdes1亦可為具有整合的熱交換器之脫水器。具有整合的熱交換器之此等脫水器特別為升膜蒸發器(climbing film evaporator)、長管垂直蒸發器(long tube vertical evaporator)、短管垂直蒸發器(short tube vertical evaporator)、強制循環蒸發器(forced circulation evaporator)、攪動薄膜蒸發器(agitated thin film evaporator)。特別較佳為使用下降膜,特別是殼與管下降膜,作為脫水單元Wdes1。
迴路U1特別將本發明方法的步驟a)之AVE1自吸水單元Wabs1傳送至脫水單元Wdes1,更佳地,特別是當以連續方式進行本發明的方法時,附加將本發明方法的步驟b)之AVE2自吸水單元Wdes1傳送至脫水單元Wabs1。
迴路U1特別為導管(conduit),特別是選自於管、軟管(hose)組成的群組。
在另一較佳實施例中,迴路U1亦包括幫浦。
本發明方法的第一步驟包括將潮濕氣體混合物G接觸液體吸收介質AVE,該液體吸收介質AVE包括選自Q+(RO)2PO2 -、(Q+)2ROPO3 2-、Q+M+ROPO3 2-組成的群組之至少一鹽。可用該技藝的技術人士已知的任何方式完成該接觸,特別是在吸水單元Wabs1。該接觸使得吸收介質AVE自潮濕氣體流G至少部分吸收濕氣,亦即水,以提供相較於液體吸收介質AVE之具有水含量增加的液體吸收介
質AVE1,以及相較於潮濕氣體混合物G之具有較低水含量的氣體混合物G1。
在接觸潮濕氣體混合物G的過程中,較佳係冷卻吸收介質AVE,以自潮濕氣體混合物G盡可能吸收更多的濕氣。例如,這可經由吸水單元Wabs1中的附加熱交換器Wz1而達成。因此,在接觸潮濕空氣混合物G的過程中,吸收介質AVE的溫度較佳為15℃至90℃範圍、更佳為20℃至80℃範圍、最佳為20℃至40℃範圍。
吸收介質AVE包括選自Q+(RO)2PO2 -、(Q+)2ROPO3 2-、Q+M+ROPO3 2-組成的群組之至少一鹽,其中Q+為1,3-二烷基咪唑鎓鹽(1,3-dialkylimidazolium),其中烷基彼此獨立為未分支或分支的C1-C6烷基,R為未分支或分支的C2-C6烷基,以及M+為鹼金屬離子,較佳為選自於由Li+、K+、Na+所組成的群組,更佳為選自於由K+、Na+所組成的群組,較佳為K+。
在一較佳具體實施例中,R係選自乙基、正丙基、異丙基、正丁基、第二丁基、第三丁基、正戊基、2-戊基、3-戊基、2-甲基丁基、3-甲基丁基、3-甲基丁-2-基、2-甲基丁-2-基、2-二甲基丙基、正己基組成的群組。R較佳係選自乙基、正丙基、異丙基、正丁基、第二丁基、第三丁基、正戊基、正己基組成的群組;R更佳係選自乙基、正丁基組成的群組。在本發明之非常特別的較佳具體實施例中,R=乙基。這是由於令人驚訝地,目前已經發現R=乙基的咪唑鎓鹽具有特別小的接觸角(contact angle),
因而確保特別良好的表面濕潤。這造成相對大的接觸面積,因而亦造成較少的非濕潤表面,因而造成設備V1內部之改良的熱轉移,以及因而造成特別有效率的方法。
Q+特別係選自1,3-二甲基咪唑鎓鹽(1,3-dimethylimidazolium)、1,3-二乙基咪唑鎓鹽(1,3-diethylimidazolium)、1-乙基-3-甲基咪唑鎓鹽(1-ethyl-3-methylimidazolium)、1-正丁基-3-甲基咪唑鎓鹽(1-n-butyl-3-methylimidazolium)組成的群組。Q+較佳係選自1,3-二乙基咪唑鎓鹽(1,3-diethylimidazolium)、1-乙基-3-甲基咪唑鎓鹽(1-ethyl-3-methylimidazolium)、1-正丁基-3-甲基咪唑鎓鹽(1-n-butyl-3-methylimidazolium)組成的群組。Q+更佳係選自1-乙基-3-甲基咪唑鎓鹽(1-ethyl-3-methylimidazolium)、1-正丁基-3-甲基咪唑鎓鹽(1-n-butyl-3-methylimidazolium)組成的群組。Q+甚至更佳為1-乙基-3-甲基咪唑鎓鹽(1-ethyl-3-methylimidazolium)。
所使用的液體吸收介質AVE可為結構Q+(RO)2PO2 -、(Q+)2ROPO3 2-與Q+M+ROPO3 2-的純鹽形式。可替代地且更佳地,液體吸收介質AVE為水溶液,其中結構Q+(RO)2PO2 -、(Q+)2ROPO3 2-與Q+M+ROPO3 2-之所有鹽的總重量為以該水溶液總重量為基準計的至少70wt%。更佳為結構Q+(RO)2PO2 -、(Q+)2ROPO3 2-與Q+M+ROPO3 2-之所有鹽的總重量為以該水溶液總重量為基準計的至少80wt%時,再更佳為85wt%、再更佳為90wt%。
本發明方法的第一步驟所得到的且相較於潮濕氣體混
合物G之具有相對低水含量的氣體混合物G1而後代表經除濕氣體流,依照使用,該經除濕氣體流可為經除濕空氣的形式返回至生活或工作空間中,或是在天然氣的例子中,可被供應於發電。
相較於液體吸收介質AVE,本發明方法第一步驟中所得到的吸收介質AVE1具有增加的水含量。可理解就包括於其中以及選自Q+(RO)2PO2 -、(Q+)2ROPO3 2-、Q+M+ROPO3 2-所組成之群組的鹽而言,AVE1與AVE相同,並且僅藉由水含量可較佳區別二者。
本發明方法的第二步驟包括自液體吸收介質AVE1至少部分移除水,以得到相較於液體吸收介質AVE1之具有相對低水含量的液體吸收介質AVE2。此附加包括供熱至液體吸收介質AVE1。可用該技藝的技術人士已知的任何方式,特別是在包括熱交換器Wx1的脫水單元Wdes1中,完成供熱與該至少部分移除。自液體吸收介質AVE1至少部分移除水係提供相較於液體吸收介質AVE1之具有相對低水含量的液體吸收介質AVE2。
可理解就包括於其中以及選自Q+(RO)2PO2 -、(Q+)2ROPO3 2-、Q+M+ROPO3 2-所組成之群組的鹽而言,AVE2與AVE1相同,並且僅藉由水含量可較佳區別二者。
本發明方法的必要特徵為設備V1至少部分包括由構造OAl之鋁材料製成的表面(在本發明的內容中,OAl為「構造OAl之鋁材料製成的表面」之縮寫)。
在本發明的內容中,構造之鋁材料的意義被理解為非
合金的鋁以及鋁合金,其中特別是鋁的質量比例(mass fraction)大於其他元素的質量比例。構造的鋁材料較佳為非合金的鋁。
非合金的鋁特別係最高純度的鋁,具有>99.0wt%的純度,更佳為>99.9wt%。
除了鋁之外,鋁合金特別係包括選自鎂、錳、矽、鋅、鉛、銅、鈦、鐵所組成群組之至少一合金金屬,更佳為選自鎂、錳、矽、鋅、鉛、銅、鈦所組成群組。構造的鋁材料可特別為鍛造合金或鑄造合金的形式。
本發明方法的另一必要特徵為在設備V1中,選自AVE、AVE1與AVE2所組成之群組的液體吸收介質至少其中之一經由至少一接觸表面,接觸由構造OAl之鋁材料製成的表面。此意義可被理解為在此接觸表面,液體吸收介質AVE係直接接觸構造OAl之鋁材料製成的表面。在本發明的內容中,「直接接觸(in direct contact)」的意義被理解為「濕潤(wetting)」。可理解選自AVE、AVE1與AVE2所組成之群組的液體吸收介質與包括在該接觸表面中的鋁因而為直接接觸。與包括在該接觸表面中的鋁不特別受到限制,並且係特別選自元素鋁或鋁化合物所組成的群組,該鋁化合物例如特別係鈍化的鋁(passivated aluminium)(其中鈍化的鋁被理解為特別係指氧化鋁)。
在本發明的具體實施例中,使用設備V1並且包括以下組件:
(i)至少一吸水單元Wabs1,設立用於以液體吸收介質AVE接觸潮濕氣體混合物,(ii)至少一脫水單元Wdes1,其包括熱交換器Wx1並且設立用於自液體吸收介質AVE至少部分移除水,(iii)以及迴路(circuit)U1,其連接吸水單元Wabs1與脫水單元Wdes1,並且藉以使得液體吸收介質AVE可被循環。
選自AVE、AVE1、AVE2組成的群組之液體吸收介質接觸構造OAl之鋁材料製成的表面之處的接觸表面係特別位於選自吸水單元Wabs1、脫水單元Wdes1、迴路U1組成的群組之組件至少一者中,較佳為位於選自吸水單元Wabs1與脫水單元Wdes1組成的群組之組件至少一者中。
這是由於目前已經發現令人驚訝地,本發明的鹽出現特別低量的鋁腐蝕,因而特別適合作為具有構造OAl之鋁材料製成的表面之設備V1中的液體吸收介質,其中選自AVE、AVE1、AVE2組成的群組之液體吸收介質之一係直接接觸構造OAl之鋁材料製成的表面。
在另一較佳實施例中,以連續方式進行本發明的方法。這可被理解為特別係指在步驟b)之後至少再一次進行步驟a)與b),並且在每一個例子中,額外進行的步驟a)中使用的液體吸收介質AVE至少部分為前面剛進行的步驟b)所獲得之液體吸收介質AVE2,亦即特別係在每一個例子中額外進行的步驟a)中使用的液體吸收介質
AVE之水含量與前面剛進行的步驟b)所獲得之液體吸收介質AVE2的水含量是相同的。
較佳為當此實施例包括以來自液體吸收介質AVE2的熱,加熱液體吸收介質AVE1。這可在附加的熱交換器Wy1中進行,特別係選自殼與管熱交換器以及板與框架熱交換器所組成的群組。這使得可能以特別有能量效率的方式進行本發明的方法。
本發明另一態樣亦關於設備V2,用於將潮濕氣體混合物除濕,該潮濕氣體混合物特別係潮濕空氣,該設備V2包括以下組件:(i)液體吸收介質AVO,其包括選自Q+(RO)2PO2 -、(Q+)2ROPO3 2-、Q+M+ROPO3 2-組成的群組之至少一鹽,(ii)至少一吸水單元Wabs2,設立用於將潮濕氣體混合物接觸液體吸收介質AVO,(iii)至少一脫水單元Wdes2,其包括熱交換器Wx2,並且設立用於自液體吸收介質AVO至少部分移除水分,(iv)以及迴路U2,其連接吸水單元Wabs2與脫水單元Wdes2,並且藉以使得液體吸收介質AVO可被循環,其中吸水單元Wabs2、脫水單元Wdes2、迴路U2至少一者係至少部分包括構造OAl之鋁材料製成的表面,以及其中位於設備V2中係液體吸收介質AVO接觸構造OAl
之鋁材料製成的表面處之至少一接觸表面,特徵在於Q+為1,3-二烷基咪唑鎓鹽(1,3-dialkylimidazolium),其中烷基彼此獨立為未分支或分支的C1-C6烷基,R為未分支或分支的C2-C6烷基,以及M+為鹼金屬離子,較佳為選自於由Li+、K+與Na+所組成的群組,更佳為選自於由K+與Na+所組成的群組,較佳為K+。
本發明的設備V2適合用於將潮濕氣體混合物除濕,特別是潮濕空氣。該設備包括以下組件:本發明的設備V2包括液體吸收介質AVO作為第一組件,其包括選自於Q+(RO)2PO2 -、(Q+)2ROPO3 2-、Q+M+ROPO3 2-所組成的群組中的至少一鹽,其中Q+為1,3-二烷基咪唑鎓鹽(1,3-dialkylimidazolium),其中烷基彼此獨立為未分支或分支的C1-C6烷基,R為未分支或分支的C2-C6烷基,以及M+為鹼金屬離子,較佳為選自於由Li+、K+、Na+所組成的群組,更佳為選自於由K+、Na+所組成的群組,較佳為K+。
在一較佳具體實施例中,R係選自乙基、正丙基、異丙基、正丁基、第二丁基、第三丁基、正戊基、2-戊基、3-戊基、2-甲基丁基、3-甲基丁基、3-甲基丁-2-基、2-甲基丁-2-基、2-二甲基丙基、正己基組成的群組。R較佳係選自乙基、正丙基、異丙基、正丁基、第二丁基、第三丁基、正戊基、正己基組成的群組;R更佳係選自乙基、正
丁基組成的群組。在本發明的非常特別較佳實施例中,R=乙基。這是由於令人驚訝地,目前已經發現R=乙基的咪唑鎓鹽具有特別小的接觸角(contact angle),因而確保特別良好的表面濕潤。這造成相對大的接觸面積,因而亦造成較少的非濕潤表面,因而造成設備V2內部之改良的熱轉移,以及因而造成特別有效率的方法。
Q+特別係選自1,3-二甲基咪唑鎓鹽(1,3-dimethylimidazolium)、1,3-二乙基咪唑鎓鹽(1,3-diethylimidazolium)、1-乙基-3-甲基咪唑鎓鹽(1-ethyl-3-methylimidazolium)、1-正丁基-3-甲基咪唑鎓鹽(1-n-butyl-3-methylimidazoljum)組成的群組。Q+較佳係選自1,3-二乙基咪唑鎓鹽(1,3-diethylimidazolium)、1-乙基-3-甲基咪唑鎓鹽(1-ethyl-3-methylimidazolium)、1-正丁基-3-甲基咪唑鎓鹽(1-n-butyl-3-methylimidazolium)組成的群組。Q+更佳係選自1-乙基-3-甲基咪唑鎓鹽(1-ethyl-3-methylimidazolium)、1-正丁基-3-甲基咪唑鎓鹽(1-n-butyl-3-methylimidazolium)組成的群組。Q+甚至更佳為1-乙基-3-甲基咪唑鎓鹽(1-ethyl-3-methylimidazolium)。
可使用結構Q+(RO)2PO2 -、(Q+)2ROPO3 2-與Q+M+ROPO3 2-之純鹽形式的液體吸收介質AVO。可替代地且更佳地,液體吸收介質AVO為水溶液,其中結構Q+(RO)2PO2 -、(Q+)2ROPO3 2-與Q+M+ROPO3 2-之所有鹽的總重量為以該水溶液總重量為基準計的至少70wt%。更佳為結構Q+(RO)2PO2 -、(Q+)2ROPO3 2-與Q+M+ROPO3 2-之所有鹽的總
重量為以該水溶液總重量為基準計的至少80wt%,再更佳為85wt%、再更佳為90wt%。
本發明的設備V2包括吸水單元Wabs2作為第二組件,設立用於將潮濕氣體混合物接觸液體吸收介質AVO。吸水單元Wabs2可特別包括設立附加的熱交換器Wz2,因而液體吸收介質AVO可冷卻。可使用的吸水單元Wabs2特別為該技藝的技術人士已知的水吸收器。該吸收器的原理為增加液體吸收介質AVO之表面積以及在吸收水的過程中同時達到液體吸收介質AVO在水吸收器中最長的可能停留時間。在本文中,特別可能是使用選自於填充床、噴霧柱(spray column)、下降膜(falling-film)、氣泡柱(bubble column)、板柱(tray column)、濕式洗滌器(wet scrubber)(例如Venturi洗滌器)、攪拌槽以及這些吸收器的組合之群組的水吸收器。特別較佳係使用下降膜為水吸收器,特別係使用殼與管下降膜(shell and tube falling-film)。
本發明的設備V2包括脫水單元Wdes2作為第三組件,其包括熱交換器Wx2並且設立用於自液體吸收介質AVO至少部分移除水分。可使用的特別為該技藝中的技術人士已知的熱交換器與脫水器的組合。脫水單元Wdes2的原理為供熱至載水的液體吸收介質AVO、增加載水的液體吸收介質AVO的表面積、以及同時達到在脫水單元中載水的液體吸收介質AVO最長的可能停留時間。
使用作為包括熱交換器Wx1的脫水單元Wdes2特別為
該技藝的技術人士已知的熱交換器與脫水器(water desorber)的組合,特別係具有上游熱交換器的水平管蒸發器、特別係殼與管熱交換器(shell and tube heat exchanger)、板與框架熱交換器(plate and frame heat exchanger)。此外,包括熱交換器Wx2的脫水單元Wdes2亦可為具有整合的熱交換器之脫水器。具有整合的熱交換器之此等脫水器特別係升膜蒸發器、長管垂直蒸發器、短管垂直蒸發器、強制循環蒸發器(forced circulation evaporator)、攪動薄膜蒸發器(agitated thin film evaporator)。特別較佳為使用下降膜,特別是殼與管下降膜,作為脫水單元Wdes2。
本發明的設備V2包括迴路U2作為第四組件,其連接吸水單元Wabs2與脫水單元Wdes2,並且藉以使得液體吸收介質AVO可被循環。迴路U2特別為導管(conduit),特別是選自於管、軟管(hose)組成的群組。在另一較佳實施例中,迴路U2亦包括幫浦。
本發明的設備V2之必要特徵為該設備至少部分包括由構造OAl之鋁材料製成的一表面(在本發明的內容中,OAl為「構造OAl之鋁材料製成的表面」之縮寫)。
在本發明的內容中,構造之鋁材料的意義被理解為非合金的鋁以及鋁合金,其中特別是鋁的質量比例(mass fraction)大於其他元素的質量比例。構造的鋁材料較佳為非合金的鋁。
非合金的鋁特別係最高純度的鋁,具有>99.0wt%的
純度,更佳為>99.9wt%。
除了鋁之外,鋁合金特別係包括選自鎂、錳、矽、鋅、鉛、銅、鈦、鐵所組成群組之至少一合金金屬,更佳為選自鎂、錳、矽、鋅、鉛、銅、鈦所組成群組。構造的鋁材料可特別為鍛造合金或鑄造合金的形式。
本發明的設備V2之另一必要特徵為位於該設備中係液體吸收介質AVO接觸構造OAl之鋁材料製成的表面處之至少一接觸表面。這被理解為係指在此接觸表面,液體吸收介質AVO直接接觸構造OAl之鋁材料製成的表面。在本發明的內容中,「直接接觸(in direct contact)」的意義被理解為「濕潤(wetting)」。可理解液體吸收介質AVO與接觸表面中包括的鋁因而直接接觸。包括於接觸表面中的鋁不特別受到限制,並且特別係選自元素鋁或鋁化合物組成的群組,該鋁化合物例如特別為鈍化的鋁(其中鈍化的鋁被理解為特別係指氧化鋁)。
在一較佳實施例中,設備V2包括另一熱交換器Wy2(除了包括在脫水單元Wdes2中的熱交換器Wx2)。設立交換器Wy2,因而自吸水單元Wabs2傳送至脫水單元Wdes2的液體吸收介質AVO與來自液體吸收介質AVO的熱可供給,該介質自脫水單元Wdes2被傳導離開。這可藉由使用特別選自殼與管熱交換器以及板與框架熱交換器的熱交換器作為熱交換器Wy2而確保。
在本發明的另一較佳實施例中,設備V2為吸收式冷卻器(absorption chiller)的一部分。此吸收式冷卻器而
後包括冷凝器(condenser)、蒸發器與冷卻劑作為其他組件,其中該冷卻劑為水。
冷凝器特別經由導管連接至脫水單元Wdes2,並且設立用於將自脫水單元Wdes2中的液體吸收介質AVO至少部分移除的水冷凝。該冷凝器較佳亦包括冷卻水迴路。
蒸發器特別經由導管(其可包括節流裝置(throttling means))連接至冷凝器,且經由其他導管連接至吸水單元Wabs2,並且設立用於將來自冷凝器的冷凝水蒸發。蒸發器較佳亦包括壓力為<1bar,更佳為<0.1bar,以使得在最低的可能溫度下蒸發該冷凝水。該蒸發器可另較佳地附加包括一設備,熱可自該設備引出,因而冷凝水可被蒸發(例如,冷卻劑導管,其中冷卻劑通過至水蒸發的空間中)。
以下說明的圖1與圖2係說明本發明之方法與本發明之設備的較佳具體實施例。
圖1(縮寫為Fig.1)係根據本發明說明設備V2/V1的具體實施例。
圖1所示的設備V2包括吸水單元Wabs2<103>(具有視需要的附加熱交換器Wz2<104>)、脫水單元Wdes2以及迴路U2,導管<101>導引至吸水單元Wabs2<103>並且導管<102>自吸水單元Wabs2<103>導出,脫水單元Wdes2包括熱交換器Wx2<108>與脫水器<109>,導管<111>導引至脫水單元Wdes2並且導管<110>、<112>與<113>自脫水單元Wdes2導出,以及迴路U2由導管<106>、<111>與
<113>或<106>、<111>、<112>與<105>形成(在各個例子中視需要具有導管<114>)。圖1的設備亦可視需要包括另一熱交換器Wy2<107>,導管<106>與<112>導引至該熱交換器Wy2<107>,並且導管<105>與<111>自熱交換器Wy2<107>導出。此外,該設備亦包括液體吸收介質AVO。該介質位於上述組件吸水單元Wabs2、脫水單元Wdes2、迴路U2中的一或多個中。吸水單元Wabs2<103>亦可視需要包括附加的熱交換器Wz2<104>。設備V2,特別係選自吸水單元Wabs2、脫水單元Wdes2、迴路U2組成的群組至少一者,至少部分包括構造OAl之鋁材料製成的表面,以及有液體吸收介質AVO接觸構造OAl之鋁材料製成的該表面處的至少一接觸表面。視需要地,迴路U2亦可附加包括幫浦,用以運送該液體吸收介質。
設備V1相當於沒有吸收介質AVO的設備V2,在圖1與圖2的圖式說明內容中,藉由U1、Wabs1、Wdes1、Wx1、Wy1與Wz1分別替代術語U2、Wabs2、Wdes2、Wx2、Wy2、Wz2。
現在將以參照使用圖1的設備V1說明本發明的方法:經由導管<101>,潮濕氣體混合物G的氣流(該氣流可為潮濕空氣、潮濕天然氣或來自吸收式冷卻器之蒸發器的,關於此選擇請參閱圖2)被提供至吸水單元Wabs1<103>並且在那裡與液體吸收介質AVE接觸,該液體吸收介質AVE係經由導管<105>或經由導管<113>而被供應至吸
水單元Wabs1<103>。吸水單元Wabs1<103>可為本文所述關於Wabs1之任何一種吸水器,特別係下降膜。在吸水單元Wabs1<103>中,經由導管<101>供應的氣體混合物G接觸經由導管<105>或經由導管<113>供應的液體吸收介質AVE,係提供相較於液體吸收介質AVE之具有水含量增加的液體吸收介質AVE1以及經由導管<102>排出的氣體混合物G1的氣流,相較於潮濕氣體混合物G,G1具有相對較低的水含量。取決於應用,G1特別係經除濕的空氣或是經除濕的天然氣。吸水單元Wabs1<103>亦可視需要地包括附加的熱交換器Wz1<104>。較佳地,經由導管<106>、<111>與熱交換器Wy1<107>(或是當未使用熱交換器Wy1<107>時,經由導管<106>、<111>與<114>),液體吸收介質AVE1而後傳送至由熱交換器Wx1<108>與脫水器<109>組成的脫水單元Wdes1。可於視需要的熱交換器Wy1<107>中,附加地供熱至載水的液體吸收介質AVE1。而後,進行自液體吸收介質AVE1至少部分移除水分,以提供相較於液體吸收AVE1之具有相對較低水含量的液體吸收介質AVE2。而後,自脫水器<109>經由導管<110>排出所移除的水成為液體或是蒸氣,較佳為蒸氣。而後,液體吸收介質AVE2自脫水器<109>排出並且返回至吸水單元Wabs1<103>。這可被直接進行,亦即經由導管<113>,其係如圖1的虛線所示。替代地且較佳地,亦可將液體吸收介質AVE2經由導管<112>供應至視需要熱交換器Wy1<107>,其中將來自將液體吸收介質AVE2經導管<112>供
應至視需要熱交換器Wy1<107>的熱供應至經導管<106>供應至視需要熱交換器Wy1<107>的液體吸收介質AVE1。一旦濃縮的液體吸收介質AVE2已經由導管<105>或<113>而被供應至吸水單元Wabs1,該介質被重複使用成為AVE,用於在新的循環中至少部分除濕氣流。本發明的本質為在此方法中,圖1的設備,較佳為選自吸水單元Wabs1<103>(在圖1中,該單元包括熱交換器<104>)、脫水單元Wdes1(在圖1中,該單元包括熱交換器<108>)、迴路U1(圖1中由導管<106>、<111>、<113>或<106>、<111>、<112>、<105>組成,以及在每一例子中視需要亦有導管<114>)組成的群組至少一者至少部分包括由構造OAl之鋁材料製成的表面,以及位於該設備中係至少一接觸表面,在該接觸表面,液體吸收介質AVE、AVE1、AVE2至少其中之一接觸由構造OAl之鋁材料製成的該表面。
圖2(縮寫為Fig.2)以示意方式說明整合設備V2的吸收式冷卻器。顯示組成分<101>至<104>說明圖1所述之設備V2。此外,圖2中的吸收式冷卻器亦包括冷凝器<211>,其經由導管<110>連接至脫水單元Wdes2<109>,並且設立用於將自脫水單元Wdes2中的液體吸收介質Wdes2至少部分移除的水冷凝。冷凝器<211>較佳亦包括熱交換器<212>,其可提供冷卻水。
圖2所示之吸收式冷卻器亦包括蒸發器<214>,該蒸發器<214>經由導管<216>(其可視需要包括節流裝置
<213>)連接至冷凝器<211>,並且經由導管<101>而與吸水單元Wabs2連接。蒸發器<214>經設立用以將自冷凝器冷凝的水蒸發。此外,蒸發器<214>可進一步較佳地亦包括熱交換器<215>,其供應一介質,自該介質排出的熱,因而蒸發所冷凝的水(例如,特別係以水作為冷卻劑的冷卻劑導管,此冷卻劑被傳送至該蒸發器<214>中)。
在本發明之方法的一具體實施例(以下所述內容參照使用圖2的設備V1)中,來自於蒸發器<214>的潮濕氣體混合物G經由導管<101>被傳送至吸水單元Wabs1<103>。脫水單元Wdes1中所移除的水經由導管<110>供應至冷凝器<211>,其中該水被再次冷凝。亦視需要使用冷卻水迴路作為設置於冷凝器中的熱交換器<212>。而後,經冷凝的水經由導管<216>被供應至蒸發器<214>,其中特別在低壓下完成水的蒸發,因而造成冷卻效應。這亦可視需要使用節流裝置<213>而完成。這達到蒸發器<214>中的冷卻作用,以及例如,可經由熱交換器<215>將冷卻劑冷卻。而後,所產生的水蒸氣經由導管<101>而被送回至吸水單元Wabs1<103>。
以下的實施例係用以說明本發明,而非以任何方式限制本發明。
進行以下測試系列:
1.測試系列:E1、V1-V4
1.1所使用的化學物質
EMIM DEP(=二乙基磷酸乙基甲基咪唑鎓鹽(ethylmethylimidazolium diethylphosphate))係取得自Sigma Aldrich。
EMIM HSO4(=氫硫酸乙基甲基咪唑鎓鹽(ethylmethylimidazolium hydrogensulphate))係取得自Sigma Aldrich。
LiCl係取得自Sigma Aldrich。
MMIM+ H+ ROPO3 2-,其中R=乙基(氫一乙基磷酸二甲基咪唑鎓鹽(dimethylimidazolium hydrogen monoethylphosphate))係由以下而獲得:於-5℃,將甲胺(methylamine)(4.8mol)、甲醛(formaldehyde)(2.4mol)與磷酸一乙酯(monoethyl phosphate)(2.4mol)加至低溫恆溫器。在加入乙二醛(glyoxal)(2.4mol)之前,將該混合物攪拌1小時。而後,在減壓下,使用旋轉蒸發器,移除揮發性組成分以得到純物質。
1.2測試程序
在70℃以及在空氣下,將具有尺寸為3cm x 7cm且厚度為3mm的鋁盤(最高純度鋁,純度>99.0%)浸沒在350ml的個別溶液中。在測試過程中,攪拌液體,以確保在該金屬盤附近的液體均勻流動。在自浸沒的鋁盤以化學與機械移除腐蝕產物之後,以重力進行移除速度的判定
(移除速度(removal rate)=「鋁腐蝕造成的損失(loss due to corroded aluminium)」,如表1所示,單位為g/m2*年)。結果如以下表1所示。
1.3結果
由表1中的結果明顯可知,相較於V1-V4中使用的溶液吸收介質,當使用E1表示的液體吸收介質時,腐蝕顯著降低。因此,令人驚訝地,相較於先前技術中所使用的液體吸收介質,根據本發明之液體吸收介質的使用可降低鋁的腐蝕。
2.測試系列:E2、E3、V5
藉由以下測試系列,證實此效果。
2.1所使用的化學物質
EMIM DEP(=二乙基磷酸乙基甲基咪唑鎓鹽(ethylmethylimidazolium diethylphosphate))係取得自Sigma Aldrich。
MMIM+ K+ ROPO3 2-,其中R=乙基(=二甲基咪唑鎓鹽一乙基磷酸鉀(dimethylimidazolium potassium monoethylphosphate))係由以下而獲得:於-5℃,將甲胺(4.8mol)、甲醛(2.4mol)與磷酸一乙酯(2.4mol)加至低溫恆溫器。在加入乙二醛(glyoxal)(2.4mol)之前,將該混合物攪拌1小時。而後,在減壓下,使用旋轉蒸發器,移除揮發性組成分,並且以50wt%的氫氧化鉀水溶液,將所得到的純物質之pH自7.0調整至7.5。
MMIM MeSO3(=甲基磺酸二甲基咪唑鎓鹽(dimethylimidazolium methylsulphonate))係由以下而獲得:在-5℃,將甲胺(4.8mol)、甲醛(2.4mol)與甲烷磺酸(methanesulphonic acid)(2.4mol)加至低溫恆溫器。在加入乙二醛(glyoxal)(2.4mol)之前,將該混合物攪拌1小時。而後,在減壓下,使用旋轉蒸發器,移除揮發性組成分以得到純物質。
2.2測試程序
在70℃以及在空氣下,將具有尺寸為3cm x 7cm且厚度為3mm的鋁盤(最高純度鋁,純度>99.0%)浸沒在350ml的個別溶液中。在測試過程中,攪拌液體,以確保
在該金屬盤附近的液體均勻流動。
以ICP-OES(感應耦合電漿光學發射光譜術(inductively coupled plasma optical emission spectrometry)),藉由量測介質中的A1,測試E2、E3、V5使用濕化學評估。溶液中經判定的鋁含量被推斷至所使用鋁盤的質量。結果如以下表2所示。
2.3結果
由表2中的結果明顯可知,相較於先前技術中所使用的液體吸收介質,根據本發明,液體吸收介質的使用可降低鋁的腐蝕。
3.測試系列E4、E5、V6、V7
3.1使用的化學物質
EMIM DEP(=二乙基磷酸乙基甲基咪唑鎓鹽(ethylmethylimidazolium diethylphosphate))係取得自
Sigma Aldrich。
EMIM DMP(=二甲基磷酸乙基甲基咪唑鎓鹽(ethylmethylimidazolium dimethylphosphate))係取得自Sigma Aldrich。
3.2測試程序
將個別溶液滴3滴至具有尺寸為3cm x 7cm且最大厚度為3mm的鋁盤(最高純度鋁,純度>99.0%)上。根據SOP 1827,進行接觸角(contact angle)判定。結果如以下表3所示。
3.3結果
結果顯示將較於先前技術的吸收介質(V6,V7),本發明的吸收介質(E4,E5)呈現小接觸角,因而在本發明的方法/本發明的設備中確保良好的熱傳導。這係於E4與E6以及E5與E7的比較所示。使用咪唑鎓鹽與二乙基磷酸鹽(diethylphosphate)作為相反離子(counterion),
相對於二甲基磷酸鹽作為相反離子,令人驚訝地達到與含鋁表面較小的接觸角。在二乙基磷酸鹽的例子中,這造成改良的表面濕潤,以及因而有更大且更有效率的熱交換。
101‧‧‧導管
102‧‧‧導管
103‧‧‧吸水單元
104‧‧‧熱交換器
105‧‧‧導管
106‧‧‧導管
107‧‧‧熱交換器
108‧‧‧熱交換器
109‧‧‧脫水器
110‧‧‧導管
111‧‧‧導管
112‧‧‧導管
113‧‧‧導管
114‧‧‧導管
Claims (15)
- 一種用於在設備V1中將潮濕氣體混合物G除濕的方法,包括以下步驟:(a)將該潮濕氣體混合物G接觸液體吸收介質AVE,該液體吸收介質AVE包括選自Q+(RO)2PO2 -、(Q+)2ROPO3 2-與Q+M+ROPO3 2-組成的群組至少其中之一鹽,其中該液體吸收介質AVE自該潮濕氣體混合物G至少部分吸收水,以得到液體吸收介質AVE1,相較於該液體吸收介質AVE,該液體吸收介質AVE1具有增加的水含量,以及相較於該潮濕氣體混合物G,氣體混合物G1具有相對低水含量,(b)自該液體吸收介質AVE1至少部分移除水,以得到液體吸收介質AVE2,相較於該液體吸收介質AVE1,該液體吸收介質AVE2具有相對低水含量,其中該設備V1至少部分包括由構造OAl之鋁材料製成的表面,以及在該設備V1中,選自AVE、AVE1與AVE2所組成群組之該液體吸收介質的至少一者係經由至少一接觸表面而接觸構造OAl之鋁材料製成的該表面,其特徵在於Q+為1,3-二烷基咪唑鎓鹽(1,3-dialkylimidazolium),其中該烷基彼此獨立為未分支或分支的C1-C6烷基, R為未分支或分支的C2-C6烷基,以及M+為鹼金屬離子。
- 如申請專利範圍第1項之方法,其中R係選自乙基與正丁基組成的群組。
- 如申請專利範圍第1或2項之方法,其中Q+係選自1,3-二甲基咪唑鎓鹽(1,3-dimethylimidazolium)、1,3-二乙基咪唑鎓鹽(1,3-diethylimidazolium)、1-乙基-3-甲基咪唑鎓鹽(1-ethyl-3-methylimidazolium)、1-正丁基-3-甲基咪唑鎓鹽(1-n-butyl-3-methylimidazolium)組成的群組。
- 如申請專利範圍第3項之方法,其中該鹽係選自二乙基磷酸1,3-二乙基咪唑鎓鹽(1,3-diethylimidazolium diethylphosphate)、二乙基磷酸1-乙基-3-甲基咪唑鎓鹽(1-ethyl-3-methylimidazolium diethylphosphate)與二-正丁基磷酸1-正丁基-3-甲基咪唑鎓鹽(1-n-butyl-3-methylimidazolium di-n-butylphosphate)組成的群組。
- 如申請專利範圍第1或2項之方法,其中該液體吸收介質AVE係水溶液,其中結構Q+(RO)2PO2 -、(Q+)2ROPO3 2-與Q+M+ROPO3 2-之所有鹽的總重量係以該水溶液之總重量為基準計的至少70wt%。
- 如申請專利範圍第1或2項之方法,其中以連續方式進行該方法。
- 一種用於將潮濕氣體混合物除濕的設備V2,包括以下組件: (i)液體吸收介質AVO,其包括選自Q+(RO)2PO2 -、(Q+)2ROPO3 2-與Q+M+ROPO3 2-組成的群組至少一鹽,(ii)至少一吸水單元Wabs2,設立用於將該潮濕氣體混合物接觸該液體吸收介質AVO,(iii)至少一脫水單元Wdes2,其包括熱交換器Wx2,並且設立用於自液體吸收介質AVO至少部分移除水,以及(iv)迴路U2,其連接該吸水單元Wabs2與該脫水單元Wdes2,並且藉以使得該液體吸收介質AVO可被循環,其中該等組件吸水單元Wabs2、脫水單元Wdes2、迴路U2至少一者至少部分包括由構造OAl之鋁材料製成的表面,以及其中位於該設備V2中係至少一接觸表面,在該至少一接觸表面,該液體吸收介質AVO接觸由構造OAl之鋁材料製成的該表面,其特徵在於Q+為1,3-二烷基咪唑鎓鹽(1,3-dialkylimidazolium),其中該烷基彼此獨立為未分支或分支的C1-C6烷基,R為未分支或分支的C2-C6烷基,以及M+為鹼金屬離子。
- 如申請專利範圍第7項之設備V2,其中R係選自乙基與正丁基組成的群組。
- 如申請專利範圍第7或8項之設備V2,其中Q+係選自1,3-二甲基咪唑鎓鹽(1,3-dimethylimidazolium)、1,3-二乙基咪唑鎓鹽(1,3-diethylimidazolium)、1-乙基-3-甲基咪唑鎓鹽(1-ethyl-3-methylimidazolium)、1-正丁基-3-甲基咪唑鎓鹽(1-n-butyl-3-methylimidazolium)組成的群組。
- 如申請專利範圍第9項之設備V2,其中該鹽係選自二乙基磷酸1,3-二乙基咪唑鎓鹽(1,3-diethylimidazolium diethylphosphate)、二乙基磷酸1-乙基-3-甲基咪唑鎓鹽(1-ethyl-3-methylimidazolium diethylphosphate)與二-正丁基磷酸1-正丁基-3-甲基咪唑鎓鹽(1-n-butyl-3-methylimidazolium di-n-butylphosphate)組成的群組。
- 如申請專利範圍第7或8項之設備V2,其中AVO係水溶液,其中結構Q+(RO)2PO2 -、(Q+)2ROPO3 2-與Q+M+ROPO3 2之所有鹽的總重量係以該水溶液之總重量為基準計的至少70wt%。
- 如申請專利範圍第7或8項之設備V2,其中該等組件吸水單元Wabs2、脫水單元Wdes2至少一者為下降膜。
- 如申請專利範圍第7或8項之設備V2,包括另一熱交換器Wy2,經設立使得自該吸水單元Wabs2傳送至該脫水單元Wdes2的該液體吸收介質AVO與來自該液體吸收介質AVO的熱可供應,該介質係自該脫水單元Wdes2被 傳導離開。
- 一種吸收熱幫浦,包括申請專利範圍第7至13項中任一項之設備V2,以及冷凝器、蒸發器與冷卻劑作為其他組件,其中該冷卻劑係水。
- 一種申請專利範圍第7至14項中任一項之設備V2的用途,係用於進行申請專利範圍第1至6項中任一項之方法。
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