TW202222411A - 水合物法聯合膜法的連續氣體分離系統及其擾動裝置 - Google Patents

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Abstract

本發明公開了一種擾動裝置，其包括：兩個噴射混合器，其沿水平方向相對設置；混合腔，其連接在兩個噴射混合器之間；以及混合管道，其連接在混合腔的下方，混合管道包括：圓心管，其為豎直設置的直管；多個螺旋管，其分為多層纏繞設置在圓心管外，多個螺旋管的管徑從內層向外層逐漸增大，每一個螺旋管內間隔設置多組阻流元件；以及外套管，其為直管，外套管套設在最外層的螺旋管外。本發明還公開了一種水合物法聯合膜法的連續氣體分離系統。本發明的水合物法聯合膜法的連續氣體分離系統及其擾動裝置通過多級配合擾動混合，提高水合物的生成效率，並採用貧氣水合分離和富氣膜分離的耦合，實現了連續氣體分離，易於規模化、工業化應用。

Description

水合物法聯合膜法的連續氣體分離系統及其擾動裝置
本發明涉及基於水合物法的氣體分離技術領域，特別涉及一種水合物法聯合膜法的連續氣體分離系統及其擾動裝置。
天然氣水合物在地球上儲存豐富，是世界上重要的潛在能源，在能源危機的時代背景下，其調查與研究已經成為全球的熱點。天然氣水合物是在高壓低溫下由水和天然氣組成的類冰狀的結晶化合物。隨著對水合物基本物性、微觀結構、熱力學和動力學等特性研究的不斷深入，人們陸續在凍土帶和海洋深處發現了儲量豐富的天然氣水合物，在全世界引起了高度的重視。天然氣水合物除了可以作為潛在的清潔能源以外，人們發現水合物利用技術，還能夠成為造福人類的一項新技術。
水合法氣體分離的基本原理是不同氣體生成水合物的條件不同，當氣體混合物生成水合物時，容易生成水合物的組分會在水合物相富集，從而實現了氣體的分離。水合物法氣體分離技術主要應用在含有CO 2的混合氣（煙氣N 2/CO 2、天然氣CH 4/CO 2、煤層氣CH 4/CO 2、合成氣H 2/CO 2），烴類混合氣（CH 4、C 2H 6和C 2H 4等），含氫混合氣體（煉廠含氫氣、乙烯裂解氣、催化裂化幹氣等）以及其他混合氣的分離。但是基於水合物的氣體分離方法也有其自身的問題。首先，目前大多數研究都是基於實驗室規模的小型設備進行的，並且上述研究都是使用間歇式或半間歇式分離方法進行的。在間歇式操作中，連續生產純化氣體需要兩套或更多套反應器，不能同時從形成水合物的反應器中取出氣相，氣體分離不能連續進行操作，並且形成水合物的水溶液沒有循環再次使用。其次，水合物的形成隨著分離目標氣體濃度的減少，分離條件變得更為苛刻。另外，由於氣體水合物的形成是氣-液-固相平衡的過程，因此在水合物形成完成之後，氣相中仍殘留一定百分比的分離目標氣體。簡言之，單一的基於水合物的氣體分離技術無法完全從混合氣體中捕獲目標氣體。因此為了將基於水合物的氣體分離技術應用於工業，有必要開發連續氣體分離工藝，規模化的反應設備，以及水合物法與其他分離方法耦合的新的分離方法。
此外，對於水合物法分離氣體的裝置，氣液混合的效果直接影響了水合物的生成效率及分離效果，因此亟需一種能夠增強氣液傳質，促進水合物高效生成的設計。
公開於該先前技術部分的資訊僅僅旨在增加對本發明的總體背景的理解，而不應當被視為承認或以任何形式暗示該資訊構成已為本領域一般技術人員所公知的現有技術。
本發明的目的之一在於，提供一種水合物法聯合膜法的連續氣體分離系統及其擾動裝置，從而提高水合物的生成效率和氣體分離效率。
本發明的另一目的在於，提供一種水合物法聯合膜法的連續氣體分離系統及其擾動裝置，從而實現連續化、規模化的氣體分離，以供工業應用。
為實現上述目的，根據本發明的第一方面，本發明提供了一種擾動裝置，其包括：兩個噴射混合器，其沿水平方向相對設置；混合腔，其連接在兩個噴射混合器之間；以及混合管道，其連接在混合腔的下方，混合管道包括：多個螺旋管，其分為多層並纏繞所述混合管道的中心軸線設置，多個螺旋管的管徑從內層向外層逐漸增大，每一個螺旋管內間隔設置多組阻流元件；以及外套管，外套管套設在最外層的螺旋管外。
可選擇的，所述混合管道包括圓心管，其豎直設置在所述混合管道的中心軸線處，所述多個螺旋管纏繞所述圓心管設置。
可選擇的，所述外套管為直管，所述圓心管為直管。
可選擇的，混合管道處於混合腔的橫向中心位置。
可選擇的，相鄰的兩組阻流元件之間相隔1/4螺旋。
可選擇的，每一組阻流元件包括偶數個阻流柱，每一個阻流柱的軸向沿螺旋管的橫截面的徑向設置，偶數個阻流柱對稱地分佈在螺旋管的橫截面上。
可選擇的，阻流柱的截面形狀為圓形、三角形、T字型或梯形。
可選擇的，阻流柱的長度為相應的螺旋管的管徑的1/4~1/3。
可選擇的，阻流柱的寬度為相應的螺旋管的管徑的0.1~0.3倍。
可選擇的，最外層的螺旋管的管徑與圓心管的直徑相同。
根據本發明的第二方面，本發明提供了一種水合物法聯合膜法的連續氣體分離系統，其包括：水合物生成環道，其入口設有如上述技術方案中任意一項的擾動裝置，水合物生成環道上設有分離器，分離器的第一入口與進氣單元相連接，第二入口與水合物生成環道的出口相連接，第一出口和第二出口與噴射混合器相連接；三相分離器，其入口與分離器的第三出口相連接；水合物分解模組，其與三相分離器的水合物出口相連接。
可選擇的，水合物法聯合膜法的連續氣體分離系統還包括膜分離單元，其與三相分離器的混合氣出口相連接，膜分離單元設有產品氣出口。
可選擇的，水合物法聯合膜法的連續氣體分離系統還包括：回收單元，其用於回收膜分離單元和水合物分解模組的非產品氣體。
可選擇的，水合物生成環道為管式反應環道。
可選擇的，水合物生成環道外部設有保溫裝置。
可選擇的，水合物生成環道設有觀察視窗，觀察視窗耐壓大於或等於20MPa。
可選擇的，分離器的第一出口與噴射混合器之間設有氣體循環泵；分離器的第二出口與噴射混合器之間設有磁力循環泵。
可選擇的，水合物生成環道設有定量注劑模組，定量注劑模組向水合物生成環道注入水和促進劑，定量注劑模組與水合物分解模組的液體出口相連接。
可選擇的，定量注劑模組包括大流量平流泵和柱塞泵。
可選擇的，促進劑為四氫呋喃和/或四丁基溴化銨。
可選擇的，進氣單元與分離器的第一入口之間設有應急排放單元和背壓單元。
可選擇的，進氣單元為氣瓶，當氣瓶的壓力不足時，氣瓶通過氣體增壓泵與分離器的第一入口相連接。
與現有技術相比，本發明具有如下一個或多個有益效果：
1. 本發明的擾動裝置通過噴射混合器、混合腔和混合管道的多級配合混合，經噴射混合器混合後的兩股混合流高速相向流動撞擊，在混合腔中撞擊瞬間達到極高的相間相對速度，強化相間傳遞，混合管道中不同管徑的螺旋管不僅增強了徑向混合，而且產生了迪恩渦，管內湍動得以增強，螺旋管內設置阻流元件，將迪恩渦分離，並形成交替的反向分離渦，促進氣液接觸混合，能夠增加氣液傳質，進而提高水合物的生成效率。
2. 螺旋管中的迪恩渦的強度與螺旋管的內徑和螺旋直徑相關，本發明中多個螺旋管的管徑從內層向外層逐漸增大，螺旋直徑從內層向外層也是逐漸增大的，因此不同管徑的螺旋管產生的迪恩渦的旋渦強度相當，增加了流體的高效混合；介質流經不同管徑的螺旋管的時間不同，在一定程度上增加了沿軸向的子混合。
3. 本發明的水合物法聯合膜法的連續氣體分離系統，實現了貧氣水合分離和富氣膜分離的耦合，能夠彌補單純水合物法對低濃度氣體分離效率不高、需要額外加壓等問題，本發明的系統包括生成、分離和化解整個過程，實現了連續氣體分離，易於規模化、工業化應用。
4. 通過水合物生成環道，提高氣液接觸停留時間，氣液介面更新速度快，有利於水合物的連續高效快速生成。
上述說明僅為本發明技術方案的概述，為了能夠更清楚地瞭解本發明的技術手段並可依據說明書的內容予以實施，同時為了使本發明的上述和其他目的、技術特徵以及優點更加易懂，以下列舉一個或多個較佳實施例，並配合圖式詳細說明如下。
下面結合圖式，對本發明的具體實施方式進行詳細描述，但應當理解本發明的保護範圍並不受具體實施方式的限制。
除非另有其他明確表示，否則在整個說明書和申請專利範圍中，術語“包括”或其變換如“包含”或“包括有”等等將被理解為包括所陳述的元件或組成部分，而並未排除其他元件或其他組成部分。
在本文中，為了描述的方便，可以使用空間相對術語，諸如“下面”、“下方”、“下”、“上面”、“上方”、“上”等，來描述一個元件或特徵與另一元件或特徵在圖式中的關係。應理解的是，空間相對術語旨在包含除了在圖中所繪的方向之外物件在使用或操作中的不同方向。例如，如果在圖中的物件被翻轉，則被描述為在其他元件或特徵“下方”或“下”的元件將取向在元件或特徵的“上方”。因此，示範性術語“下方”可以包含下方和上方兩個方向。物件也可以有其他取向（旋轉90度或其他取向）且應對本文使用的空間相對術語作出相應的解釋。
在本文中，術語“第一”、“第二”等是用以區別兩個不同的元件或部位，並不是用以限定特定的位置或相對關係。換言之，在一些實施例中，術語“第一”、“第二”等也可以彼此互換。
如圖1所示，根據本發明具體實施方式的水合物法聯合膜法的連續氣體分離系統，其包括水合物生成環道30，其入口設有擾動裝置20，水合物生成環道30上設有分離器31。分離器31的第一入口與進氣單元相連接，示例性地，進氣單元包括氣瓶10。分離器31的第二入口與水合物生成環道30的出口相連接，第一出口和第二出口與擾動裝置20相連接。分離器31的第三出口與三相分離器40的入口相連接，三相分離器40的水合物出口與水合物分解模組50相連接，混合氣出口與膜分離單元60相連接，膜分離單元60設有產品氣出口61。水合物分解模組50用於將產生的水合物漿液進行化解，膜分離單元60用於將產生的貧氣進行進一步分離。水合物法聯合膜法能夠實現富氣水合分離和貧氣膜分離的耦合，彌補採用單一方法時分離效率不高的問題。
結合圖2~4所示，根據本發明具體實施方式的擾動裝置20包括兩個噴射混合器21、混合腔22和混合管道23，混合腔22連接在兩個噴射混合器21之間，混合管道23連接在混合腔22的下方。噴射混合器21為將兩種或兩種以上的液體或氣體加以混合的裝置，經混合後的兩股流體由兩個噴射混合器21沿水平方向相對高速噴出，兩股流體在混合腔22相向撞擊，在撞擊瞬間達到極高的相間相對速度，強化相間傳遞。混合腔22內的流體進入混合管道23。示例性地，混合管道23處於混合腔22的橫向中心位置。在本發明的一個或多個實施方式中，混合管道23由內至外依次包括圓心管231、多個螺旋管232和外套管233。圓心管231為豎直設置的直管，多個螺旋管232分為多層纏繞設置在圓心管231外，多層螺旋管232的管徑從內層向外層逐漸增大，外套管233為套設在最外層的螺旋管232外的直管。每一個螺旋管232內間隔設置多組阻流組件。
進一步地，在本發明的一個或多個示例性實施方式中，相鄰的兩組阻流元件之間相隔1/4螺旋，即螺旋管232每旋轉90°的位置上設置一組阻流組件。進一步地，在本發明的一個或多個示例性實施方式中，每一組阻流元件可以為偶數個阻流柱2321，每一個阻流柱2321的軸向沿螺旋管232的橫截面的徑向設置，每一組阻流組件的偶數個阻流柱2321對稱地分佈在螺旋管232的橫截面上。在圖4所示的實施方式中，每一組阻流組件包括四個均勻分佈在螺旋管232的橫截面上的阻流柱2321，相鄰的兩個阻流柱2321相隔90°，應瞭解的是，本發明並不以此為限。阻流柱2321的設置方向均垂直於螺旋管232中主流體的流動方向。當流體流經螺旋管時，由於流體垂直於流動方向的壓力梯度不平衡及離心力的作用產生兩個旋轉方向相反的旋渦，產生二次流，形成迪恩渦，螺旋管內速度場、壓力場發生變化，其為發生在垂直於主流方向中的一種伴流流動。迪恩渦的產生提高了流體的傳質和傳熱性能，增強氣液接觸和混合。迪恩數是描述流體流動過程中離心力和黏性力的關係的，可以用來表徵迪恩渦的強度。迪恩數與螺旋管的管徑和螺旋直徑相關，螺旋管採用管徑由內至外逐漸變大的設計，螺旋直徑同樣由內到外逐漸變大，從而使得多層螺旋管產生的旋渦強度相當，促進了流體的高效混合。螺旋管中設有對稱分佈的阻流柱，將螺旋管道中產生的兩個迪恩渦進行分離，打亂迪恩渦對流體的擾動。阻流柱後側形成交替的反向旋渦，即分離渦，阻流柱的分離作用通過再分配使流體實現充分接觸，進一步強化混合。隨後流體再次由於螺旋管二次流的影響形成迪恩渦，然後經阻流柱形成分離渦，如此反復通過螺旋管。不同湍流強度的氣液混合介質流經混合管道的時間不同，從而增加了沿軸向的子混合。
進一步地，在本發明的一個或多個示例性實施方式中，阻流柱2321的截面形狀為圓形、三角形、T字型或梯形。應瞭解的是，本發明並不以此為限，阻流柱2321的形狀可以根據實際需要進行選擇。
進一步地，在本發明的一個或多個示例性實施方式中，阻流柱2321的長度為相應的螺旋管232的管徑的1/4~1/3。進一步地，在本發明的一個或多個示例性實施方式中，阻流柱2321的寬度為相應的螺旋管232的直徑的0.1~0.3倍。阻流柱2321的寬度是指迎流面的寬度，例如，當阻流柱為圓柱時，其寬度為圓柱的直徑，當阻流柱為三角柱時，其寬度為迎流面的底邊長度。
進一步地，在本發明的一個或多個示例性實施方式中，最外層的螺旋管232的管徑與圓心管231的直徑相同。
如圖1所示，在本發明的一個或多個實施方式中，水合物法聯合膜法的連續氣體分離系統還包括回收單元70，其用於回收膜分離單元60和水合物分解模組50的非產品氣體，以免污染環境。
進一步地，在本發明的一個或多個示例性實施方式中，水合物生成環道30可以為管式反應環道。優選而非限制性地，管式反應環道設置為可拆換設計，可以在不同管徑之間方便更換，管道承壓為15MPa，工作溫度為-20~90℃，管式反應環道可以由316不銹鋼製成，本發明並不以此為限。進一步地，在本發明的一個或多個示例性實施方式中，水合物生成環道30外部設有保溫裝置32，以保持溫度恒定。示例性地，保溫裝置32可以為高低溫一體化浴槽，工作溫度為-20~90℃，並且具有過熱保護、超載保護等功能。進一步地，在本發明的一個或多個示例性實施方式中，水合物生成環道30設有觀察視窗（圖中未示出），觀察視窗耐壓大於或等於20MPa。觀察視窗主要用於觀察水合物生成環道30中的流動情況和水合物的形成情況。
進一步地，在本發明的一個或多個示例性實施方式中，分離器31的第一出口與噴射混合器21之間設有氣體循環泵311；分離器31的第二出口與噴射混合器21之間設有磁力循環泵312。
進一步地，在本發明的一個或多個示例性實施方式中，水合物生成環道30設有定量注劑模組，定量注劑模組通過柱塞泵334向水合物生成環道30注入促進劑333，通過大流量平流泵332向水合物生成環道30注入水331，定量注劑模組可以與水合物分解模組50的液體出口相連接，實現系統中水的循環利用。應瞭解的是，本發明並不以此為限，具體採用的泵的類型可以根據實際需要選擇。進一步地，在本發明的一個或多個示例性實施方式中，促進劑333可以為四氫呋喃和/或四丁基溴化銨，本發明並不以此為限。
進一步地，在本發明的一個或多個示例性實施方式中，進氣單元的氣瓶10與分離器31的第一入口之間設有應急排放單元12和背壓單元13。
進一步地，在本發明的一個或多個示例性實施方式中，當氣瓶10的壓力不足時，氣瓶10通過氣體增壓泵11與分離器31的第一入口相連接。
實施例1
本實施例的水合物法聯合膜法的連續氣體分離系統如圖1~4所示，其工作流程如下：
氣瓶10中的A/B混合氣體通過分離器31的第一入口進入，分離器31中的A/B混合氣體通過其第一出口經氣體循環泵311泵入兩個噴射混合器21，分離器31中的循環液體通過其第二出口經磁力循環泵312泵入兩個噴射混合器21。經噴射混合器21混合後的流體噴出，在混合腔22中相向撞擊混合。撞擊混合後的流體進入混合管道23進行混合。經擾動裝置20混合後的流體進入水合物生成環道30進行水合物的生成，定量注劑模組向水合物生成環道定量補充水331和促進劑333，以確保系統的連續循環。水合物生成環道30中生成的A水合物與一部分未反應的A/B混合氣體一起經分離器31的第三出口進入三相分離器40。A水合物和A/B混合氣體在三相分離器31中進行分離後，A/B混合氣體經三相分離器31的混合氣出口進入膜分離單元60，A水合物及其漿液經三相分離器31的水合物出口進入水合物分解模組50。含有低濃度A氣體的A/B混合氣體進入膜分離單元60進行分離後，A氣體進入回收單元70進行回收，B氣體經膜分離單元60的產品氣出口61排出收集。A水合物及其漿液在水合物分解模組50中分解為A氣體和水或者促進劑溶液，A氣體進入回收單元70進行回收，水或者促進劑溶液進入定量注劑模組進行循環利用。
前述對本發明的具體示例性實施方案的描述是為了說明和例證的目的。這些描述並非想將本發明限定為所公開的精確形式，並且很顯然，根據上述教導，可以進行很多改變和變化。對示例性實施例進行選擇和描述的目的在於解釋本發明的特定原理及其實際應用，從而使得本領域的技術人員能夠實現並利用本發明的各種不同的示例性實施方案以及各種不同的選擇和改變。針對上述示例性實施方案所做的任何簡單修改、等同變化與修飾，都應落入本發明的保護範圍。
10:氣瓶 11:氣體增壓泵 12:應急排放單元 13:背壓單元 20:擾動裝置 21:噴射混合器 22:混合腔 23:混合管道 231:圓心管 232:螺旋管 2321:阻流柱 233:外套管 30:水合物生成環道 31:分離器 311:氣體循環泵 312:磁力循環泵 32:保溫裝置 331:水 332:大流量平流泵 333:促進劑 334:柱塞泵 40:三相分離器 50:水合物分解模組 60:膜分離單元 61:產品氣出口 70:回收單元
圖1是根據本發明的實施方式的水合物法聯合膜法的連續氣體分離系統的示意圖。 圖2是根據本發明的實施方式的混合管道的俯視結構示意圖。 圖3是根據本發明的實施方式的螺旋管的結構示意圖。 圖4是根據本發明的實施方式的螺旋管的橫截面的示意圖，其中示出該截面上的一組阻流組件。
10:氣瓶
11:氣體增壓泵
12:應急排放單元
13:背壓單元
20:擾動裝置
21:噴射混合器
22:混合腔
23:混合管道
30:水合物生成環道
31:分離器
311:氣體循環泵
312:磁力循環泵
32:保溫裝置
331:水
332:大流量平流泵
333:促進劑
334:柱塞泵
40:三相分離器
50:水合物分解模組
60:膜分離單元
61:產品氣出口
70:回收單元

Claims (22)

  1. 一種擾動裝置，包括：兩個噴射混合器，其沿水平方向相對設置；混合腔，其連接在所述兩個噴射混合器之間；以及混合管道，其連接在所述混合腔的下方，所述混合管道包括：多個螺旋管，其分為多層並纏繞所述混合管道的中心軸線設置，所述多個螺旋管的管徑從內層向外層逐漸增大，每一個所述螺旋管內間隔設置多組阻流組件；以及外套管，所述外套管套設在最外層的所述螺旋管外。
  2. 如請求項1所述的擾動裝置，其中，所述混合管道包括圓心管，其豎直設置在所述混合管道的中心軸線處，所述多個螺旋管纏繞所述圓心管設置。
  3. 如請求項2所述的擾動裝置，其中，所述外套管為直管，所述圓心管為直管。
  4. 如請求項1所述的擾動裝置，其中，所述混合管道處於所述混合腔的橫向中心位置。
  5. 如請求項1所述的擾動裝置，其中，相鄰的兩組所述阻流元件之間相隔1/4螺旋。
  6. 如請求項1所述的擾動裝置，其中，每一組所述阻流元件包括偶數個阻流柱，每一個所述阻流柱的軸向沿所述螺旋管的橫截面的徑向設置，所述偶數個阻流柱對稱地分佈在所述螺旋管的橫截面上。
  7. 如請求項1所述的擾動裝置，其中，所述阻流柱的截面形狀為圓形、三角形、T字型或梯形。
  8. 如請求項1所述的擾動裝置，其中，所述阻流柱的長度為相應的所述螺旋管的管徑的1/4~1/3。
  9. 如請求項1所述的擾動裝置，其中，所述阻流柱的寬度為相應的所述螺旋管的管徑的0.1~0.3倍。
  10. 如請求項1所述的擾動裝置，其中，所述最外層的所述螺旋管的管徑與所述圓心管的直徑相同。
  11. 一種水合物法聯合膜法的連續氣體分離系統，包括：水合物生成環道，其入口設有如請求項1~10中任意一項所述的擾動裝置，所述水合物生成環道上設有分離器，所述分離器的第一入口與進氣單元相連接，第二入口與所述水合物生成環道的出口相連接，第一出口和第二出口與所述噴射混合器相連接；三相分離器，其入口與所述分離器的第三出口相連接；以及水合物分解模組，其與所述三相分離器的水合物出口相連接。
  12. 如請求項11所述的水合物法聯合膜法的連續氣體分離系統，還包括膜分離單元，其與所述三相分離器的混合氣出口相連接，所述膜分離單元設有產品氣出口。
  13. 如請求項12所述的水合物法聯合膜法的連續氣體分離系統，還包括：回收單元，其用於回收所述膜分離單元和所述水合物分解模組的非產品氣體。
  14. 如請求項11所述的水合物法聯合膜法的連續氣體分離系統，其中，所述水合物生成環道為管式反應環道。
  15. 如請求項11所述的水合物法聯合膜法的連續氣體分離系統，其中，所述水合物生成環道外部設有保溫裝置。
  16. 如請求項11所述的水合物法聯合膜法的連續氣體分離系統，其中，所述水合物生成環道設有觀察視窗，所述觀察視窗耐壓大於或等於20MPa。
  17. 如請求項11所述的水合物法聯合膜法的連續氣體分離系統，其中，所述分離器的第一出口與所述噴射混合器之間設有氣體循環泵；所述分離器的第二出口與所述噴射混合器之間設有磁力循環泵。
  18. 如請求項11所述的水合物法聯合膜法的連續氣體分離系統，其中，所述水合物生成環道設有定量注劑模組，所述定量注劑模組向所述水合物生成環道注入水和促進劑，所述定量注劑模組與所述水合物分解模組的液體出口相連接。
  19. 如請求項17所述的水合物法聯合膜法的連續氣體分離系統，其中，所述定量注劑模組包括大流量平流泵和柱塞泵。
  20. 如請求項17所述的水合物法聯合膜法的連續氣體分離系統，其中，所述促進劑為四氫呋喃和/或四丁基溴化銨。
  21. 如請求項11所述的水合物法聯合膜法的連續氣體分離系統，其中，所述進氣單元與所述分離器的第一入口之間設有應急排放單元和背壓單元。
  22. 如請求項11所述的水合物法聯合膜法的連續氣體分離系統，其中，所述進氣單元為氣瓶，當所述氣瓶的壓力不足時，所述氣瓶通過氣體增壓泵與所述分離器的第一入口相連接。
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