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文檔簡介

.,精細化工工藝學,.,Chapter1緒論,精細化學工業(yè)(簡稱精細化工)是生產精細化學品的工業(yè)。精細化工是當今世界各國發(fā)展化學工業(yè)的戰(zhàn)略重點,也是一個國家綜合技術水平的重要標志之一。其基本特征是以高新技術為依托,為全球經(jīng)濟和人民生活生產提供高質量、多品種、專用或多功能的精細化學品。,1.1精細化工的定義,.,化學工業(yè)行業(yè)范疇與產品分類,按4類分:原料工業(yè)(煤、石油、天然氣等)無機化工(酸、堿、鹽)有機化工(合成材料、加工業(yè))合成工業(yè)(制藥、精細化工),化學工業(yè),是一個包含多個行業(yè)的工業(yè)部門。,.,按8類分:石油煉制和裂解工業(yè)煤焦化及煤焦油工業(yè)有機合成工業(yè)高分子工業(yè)氯堿工業(yè)制酸工業(yè)肥料工業(yè)精細化學工業(yè)。,精細化學品當今世界各國競相發(fā)展的重點和熱點!是我國在本世紀調整大中型企業(yè)產品結構的發(fā)展戰(zhàn)略重點之一。,.,1960日本最先提出精細化學品的概念1980精細化工學會成立1983年,我國框定精細化工的范圍,并提議建立精細化工專業(yè)1986年,化工部提出了精細化工產品暫行分類辦法,精細化工的誕生,.,精細化工:生產精細化學品(finechemicals)的工業(yè)。精細化學品:指一些具有特定應用性能、合成工藝中合成步驟較多、反應復雜、產量小、品種多、產品附加值高的商品。,精細化學品與通用化學品的區(qū)別,.,通用化學品(大宗化學品):指一些應用范圍廣泛、生產中化工技術要求高、產品噸位大,附加值與利潤較低的產品。原料:天然資源如煤、天然氣、石油、農副產品。產品:乙烯、合成NH3、苯及三大合成材料(塑料、纖維、橡膠)中國和日本稱謂的精細化學品在歐美國家又分為兩類:,.,精細化學品:銷售量小的化學型產品。(按分子組成來銷售,強調的是產品的規(guī)格、純度)專用化學品:銷售量小的功能型產品。(據(jù)功能來銷售,強調的是產品功能),精細化學品與專用化學品的區(qū)別,.,精細化學品-化學型產品:強調產品的化學結構規(guī)格和純度,產品按分子組成(化合物)來銷售的;如:,3-氯-4-氟-苯胺,1-乙基-6-氟-1,4-二氫-4-氧代-7-(1-哌嗪基)-3-喹啉羧酸,3,5-二甲氧基-苯甲酸,.,專用化學品-功能型產品,強調產品的功能性,按功能來銷售。如農藥乳化劑;乳膠漆、阻燃劑FR88、汽車蠟,各種品牌車蠟,各種品配涂料,.,.,1.2精細化工的范疇和分類,精細比工的范疇相當廣泛。包括的范圍也無定論,各國對精細化工范疇的規(guī)定是有差別的。縱觀世界主要工業(yè)國家關于精細化學品的范圍可以看出,雖然有些不同,但并無多大差別,只是劃分的寬窄范圍不同而己。隨著科學技術的不斷發(fā)展,一些新興的精細化工行業(yè)正在不斷出現(xiàn),行業(yè)越分越細。日本1984年版精細化工年鑒中共分為35個行業(yè)類別,而到1985年,就發(fā)展為51個類別:,.,醫(yī)藥、農藥、合成染料、有機顏料、涂料、粘合劑、香料、化妝品、盥洗衛(wèi)生用品、界面活性劑、合成洗滌劑、肥皂、印刷用油墨、塑料增塑劑,其它塑料添加劑、橡膠添加劑、成像材料、電子用化學品與電于材料、飼料添加劑與獸藥、催化劑、合成沸石、試劑、燃樹油添加劑、潤滑劑、潤滑油添加劑、保健食品、金屬表面處理劑、食品添加劑、混凝土外加劑、水處理劑、高分子絮凝劑、工業(yè)殺菌防霉劑、芳香除臭劑、造紙用化學品、纖維用化學品、溶劑與中間體、皮革用化學品、油田用化學品、汽車用化學品、炭黑、脂肪酸及其衍生物、稀有氣體、稀有金屬、精細陶瓷、無機纖維、貯氫合金、非晶態(tài)合金、火藥與推進劑、酶、生物技術、功能高分子材料等。,日本提出51個類別的精細化工產品:,.,中國把精細化工產品分為11大類,分別是:(1)農藥(2)染料(3)涂料(包括油漆和油墨)(4)顏料(5)試劑和高純物(6)信息用化學品(包括感光材料、磁性材料等能接受電磁波的化學品)(7)食品和飼料添加劑(8)粘合劑(9)催化劑和各種助劑(10)化學藥品(原料藥)和日用化學品(11)功能性高分子材料(包括功能膜、偏光材料等)。其中:絕大多數(shù)是專用化學品,強調功能化Function,.,1)催化劑2)印染助劑3)塑料助劑4)橡膠助劑5)水處理劑6)纖維抽絲用油劑7)有機抽提劑8)高分子聚合物添加劑9)表面活性劑10)皮革助劑,11)農藥用助劑12)油田用化學品13)混凝土用添加劑14)機械、冶金用助劑15)油用添加劑16)炭黑系添加劑17)吸附劑18)電于工業(yè)專用化學品19)紙張用添加劑20)其它助劑,催化劑各種助劑一項,又包括以下內容:,.,(A)以分子水平合成,提純?yōu)橹?結合少量的復配增效技術得到的有特定功能的化學品,如農藥,染料,顏料等。(B)以配方技術為主要生產手段,配方技術能左右最終使用功能的化學品,如化妝品,洗滌劑,涂料,香料等。,從生產角度將精細化學品劃分為以下兩類:,.,在發(fā)展我國精細化工過程中,必須加強統(tǒng)籌規(guī)劃,合理布局,在研究開發(fā)新產品的同時,不僅要注意數(shù)量,而且要注重質量,同時妥善解決“三廢”治理問題。“十一五”期間,單位GDP減排20全球變暖的步伐比科學家們預期的要快,極端天氣的出現(xiàn)也會變得越來越常見。,.,1.3精細化工的特點,生產特性小批量、多品種;技術密集度高;采用間歇式多功能生產裝置;大量采用復配技術經(jīng)濟特性投資少、附加價值高、利潤大商業(yè)特性獨家經(jīng)營,技術保密;重視市場調研,適應市場需求;配有應用技術和技術服務,.,精細化工生產的特點:,(1)多品種、小批量精細化工的領域不斷擴大。專用化學品不斷增加。多品種是國家科技水平綜合發(fā)展的重要標志。(2)技術密集度高精細化學品生產工藝復雜;研究開發(fā)(R&D)費用高、周期長、成功率低;(3)附加值高,高利潤。(4)商品性強。獨家經(jīng)營,技術保密,重視市場調研、適應市場需求,配有應用技術和技術服務,.,多數(shù)在液相中進行,一般又是非均相,反應效率受限制。合成步驟多,副產量大;反應產物組成復雜,不穩(wěn)定,沸點高,純度要求高,分離困難;物料腐蝕性大,毒性大,易燃易爆等;過程控制分析困難;合成工藝路線可供選擇性大,如可采用不同的催化劑,或不同的反應形式如光化學、電化學、生物化學等。,復雜性體現(xiàn)在以下幾個方面:,技術密集度高-工藝復雜,.,收率問題,20步過程,若每一步收率在90%,則總收率只有:0.920=12%精細化工生產要求高轉化率、高選擇性、反應條件盡量溫和、操作安全、分離簡單等,對合成技術要求更高。,附產問題,技術密集度高-工藝復雜,.,以美國新農藥的開發(fā)情況為例:平均費用:1976年1800萬美元80年代初4000萬美元最近統(tǒng)計1億美元成功率:60年代3000:1最近統(tǒng)計30000:119611970年開發(fā)成功19個新品種19711979年4個新品種開發(fā)周期:60年代3年左右最近統(tǒng)計10年,技術密集度高-研發(fā)費高、周期長、成功率低,.,篩選實用性評價開發(fā)與獲取注冊登記申請數(shù)據(jù)注冊登記制造銷售X年2-3年3-5年1-2年,農藥開發(fā)程序,技術密集度高-研發(fā)費高、周期長、成功率低,.,美國商業(yè)部工業(yè)經(jīng)濟局統(tǒng)計資料:,石油化工原料,脂肪烴、芳香烴等通用化學品,乙二醇、苯胺等有機中間體,農藥配劑、醫(yī)藥原藥、紡織印刷助劑、汽車材料等專用化學品,50億美元100億美元200億美元5300億美元,吡啶5.8萬/噸,3,5-二甲基哌啶85萬/噸,哌啶8萬/噸,替米考星(獸藥原藥)300萬/噸,技術密集度高-附加值高,.,發(fā)達國家占據(jù)有機和精細化工的主要市場化工公司全球排名發(fā)達國家精細化工比例重要精細化工公司專用化學品的銷售額和比例在發(fā)展精細化工的同時固守有機化工原料的戰(zhàn)略地位重視石油化工基礎原料的綜合利用有機化工基本原料的發(fā)達國家占主導地位精細有機化學品中間體轉向發(fā)展中國家定制生產和一站式銷售成為專用化學品的市場模式,國內外有機化工和精細化工的發(fā)展概況,.,美國化學周刊2003年對銷售額在十億美元以上的化工公司進行了排名,化工公司全球排名,發(fā)展現(xiàn)狀-市場份額,.,.,.,back,.,杜邦公司是世界上最大的化學公司,成立于1802年。它從1980年前后才從石油化工大幅度地轉向精細化工,比德國和日本起步晚,但發(fā)展速度卻很快。該公司對以往通用產品以提高質量、降低成本和提高市場競爭力為目標,80年代以來,擴大了專用化學品的生產,主要為農藥、醫(yī)藥、特種聚合物、復合材料等精細化工產品的生產。該公司的長遠目標為發(fā)展生命科學制品,為保健品、抗癌、抗衰老等藥物和仿生醫(yī)療品,1995年該公司利潤為33億美元,杜邦公司,.,陶氏化學公司(Dow,)成立于1897年。70年代末,通過產品的結構調整,加強了對醫(yī)藥和多種工程用聚合物的生產,特別是汽車涂料和黏合劑方面有所特長。該公司在1973年精細化學品產值只有5.4億美元,精細化工率為18%,1996年猛增到50%。90年代初總產值為200億美元,而精細化工產值占110億美元。,陶氏化學公司,.,巴斯夫公司、赫斯特公司和拜爾公司是德國化工企業(yè)的三大支柱。重點開發(fā)保健醫(yī)藥用品、農用化學品、電子化學品、醫(yī)療診斷用品、信息影像用品、宇航用化學品和新材料等高新領域,大大提高了精細化工產品的科技含量和經(jīng)濟效益。拜爾公司1994年營業(yè)額為267億美元。它們都非常重視開發(fā)高新技術,拜爾公司至1995年底已獲得15.5萬件專利,產品2.4萬個,它在醫(yī)藥中的主導產品阿司匹林已有百年的歷史。,巴斯夫公司、赫斯特公司和拜爾公司,.,瑞士的汽巴-嘉基公司是世界上著名的農藥、醫(yī)藥、染料、添加劑、化妝品、洗滌劑、宇航用膠粘劑等的生產企業(yè),是世界上唯一全部外購原材料發(fā)展精細化工的大企業(yè)。1994年,其營業(yè)額為161億美元,其精細化工率占世界首位,高達80%以上。,汽巴-嘉基公司,.,目前全球精細與專用化學品的營業(yè)額:3800億3900億美元;其中美國:1250億1300億美元(最高)歐洲:1000億1050億美元日本:60億65億美元,發(fā)達國家全球精細化工市場的份額,美國、西歐和日本是全球精細與專用化學品生產和消費比較發(fā)達的國家和地區(qū),他們是全球專用化學品的代言人。,三者的總營業(yè)額約占全球專用化學品營業(yè)額的77%左右,發(fā)展現(xiàn)狀-市場份額,.,發(fā)展現(xiàn)狀-市場份額,.,預計未來五年全球精細與專用化學品的市場將以年均3.1%的速度增長,預計2008年市場規(guī)模將達到4500億美元,發(fā)展較快的領域有:原料藥、酶制劑、特殊聚合物、納米材料、分離膜、特種涂料、電子化學品和催化劑等,但農藥、染料、和紡織化學品將呈下降趨勢。,美國、西歐和日本主要精細與專用化學品市場規(guī)模(萬美元),市場需求將繼續(xù)健康發(fā)展,發(fā)展現(xiàn)狀-市場份額,.,1.4發(fā)展精細化工的戰(zhàn)略意義,工業(yè)發(fā)達國家經(jīng)過70年代兩次石油危機,由于原料價格猛漲致使經(jīng)濟受到很大的沖擊。這促使其大型石化企業(yè)大量采用高新技術,在節(jié)能、技改、降低成本的同時、調整產品結構,向下游深度加工,向產品精細化、功能化、向綜合生產的方向發(fā)展,走高附加值的生產路線,來發(fā)展精細化工產品。,.,發(fā)展精細化工產品已成為發(fā)達國家生產經(jīng)營發(fā)展戰(zhàn)略的重心。美國精細化工在化學工業(yè)中的產值已由70年代的40上升為現(xiàn)在的55,德國由38.4上升為65。日本為60,到2002年時,發(fā)達國家的精細化工產值率最高可達60一65;我國現(xiàn)在的精細化工產值率僅為40,致使石化工業(yè)和各項工業(yè)中所需的精細比學品有相當數(shù)量需要進口。,.,近幾年來,我國在精細比工產品的開發(fā)、生產和應用上也有可觀的成就,科研、教育和生產管理的技術隊伍正在迅速成長。然而,這些只能看作是今后發(fā)展的一個起點。80年代以來,各國在高科技領域的發(fā)展上競爭激烈,因此我們必須要有緊迫感和危機感。必須大力加快精細化工的發(fā)展,爭奪高新技術的優(yōu)勢,使我國精細化工在世界新科技發(fā)展中占有重要的地位。這對我國國民經(jīng)濟的發(fā)展,提高科學技術水平,增強產品的國際競爭力、提高社會和經(jīng)濟效益都具有重要的現(xiàn)實意義和深遠的戰(zhàn)略意義。,.,精細化工在國民經(jīng)濟中的意義,農業(yè)農業(yè)是國民經(jīng)濟的重要命脈,高效農業(yè)成為當今世界各國農業(yè)發(fā)展的大方向。高效農業(yè)中需要高效農藥、獸藥、飼料添加劑、肥料及微量元素等。單就農藥,它包括各種各樣的殺蟲劑、殺菌劑、殺鼠劑、除草劑、植物生長調節(jié)劑及生物農藥等。全世界每年因病蟲害造成糧食損失占可能收獲量的三分之一以上。使用農藥后所獲效益是農藥費用的5倍以上。使用除草劑其效益可達10倍于物理除草。獸藥和飼料添加劑可使牲畜生病少、生長快、產值高、經(jīng)濟效益大。,.,輕工業(yè),當今社會人們的生活水平越來越高,生活需求與日俱增。由原先的生活必需品增加到現(xiàn)在許多的高檔消費品。各種用品講求高效率、高質量、低價位。單就化妝品一項,其品種數(shù)量就夠琳瑯滿目、百花爭妍了。美容、護膚、染發(fā)、祛臭、防曬、生發(fā)、面膜、霜劑、粉劑、膏劑、面油、手油、早用品、晚用品、日用品等舉不勝舉。個人衛(wèi)生用品也是爭奇斗艷。過去的洗滌品只有肥皂、洗衣粉等幾種,現(xiàn)在就很多了。如家用清洗劑中有:餐具洗潔凈、油煙機及廚具清洗劑、玻璃擦凈劑、地毯清洗劑等等。還有冰箱用、衛(wèi)生間用、鞋用等除臭劑,家用空氣清新劑等。各種用途的表面活性劑更是精細化工行業(yè)最重要、最廣泛的物質。各種香料、香精、食品添加劑、皮革工業(yè)、造紙工業(yè)、紡織印染工業(yè)的各種助劑就更是不勝枚舉了??傊?,輕工業(yè)和人們的生活用品就是精細化工的一個很大的市場。,.,高技術領域,在軍事工程、高空、水下、特殊環(huán)境等條件下需要各種不同性質和功能的材料。如宇宙火箭、航空與航天飛機、原子反應堆、高溫與高壓下的作業(yè)、能源開發(fā)等不同環(huán)境下需要的高溫高強度結構料。從功能角度來說,各種具有熱學、機械、磁學。電子與電學、光學、化學與生物等功能材料,這些都無一不與精細化學品有關。如在航空工業(yè)中,巨型火箭所用的液態(tài)氧、液態(tài)氫貯箱是用多層保溫材料制造,這些材料難于用機械方法連接,而采用了聚氨酯型和環(huán)氧尼龍型超低溫膠粘劑進行粘接。大型波音型客機所用的蜂窩結構以及玻璃鋼和金屬蒙面結構也都離不開膠粘劑。,.,材料的復合化可以集合各自的優(yōu)點,從而滿足許多特殊用途的要求。繼玻璃纖維增強塑料以后,又研究開發(fā)出碳纖維、硼纖維和聚芳酰胺纖維等增強輕塑料復合材料,在宇航和航空中,特別需要這種輕質高強度耐高溫材料。過去,火箭噴管的喉部是用石墨制造的,但隨著火箭的大型化,用石墨制造就困難了,于是出現(xiàn)了比重更小的耐熱復合材料,如以碳纖維或高硅氧纖維增強酚醛樹脂做喉襯,以玻璃纖維增強塑料做結構部分。美國的阿波羅宇宙飛船著陸用發(fā)動機的燃燒室就是采用這些復合材料的。,.,1.5精細化工發(fā)展的重點和方向,到本世紀末,化工科技發(fā)展要由仿制型向創(chuàng)新型過渡,并奠定由勞動密集型向技術密集型過渡的基礎。發(fā)展重點和動向可歸納如下:傳統(tǒng)大宗化學品更新?lián)Q代化學農藥工業(yè)重點是發(fā)展高放、安全、經(jīng)濟的新產品,如殺蟲劑、殺菌劑等。近期以新制劑和新劑型的加工為主。盡量滿足農業(yè)對各種劑型產品的需求。遠期優(yōu)先選擇開發(fā)新的原藥。,.,染料工業(yè)重點發(fā)展紡織印染需求量大的活性染料、分散染料、還原染料等;以及涂料、油墨和塑料加工用的高檔有機顏料及助劑。近期以外引內聯(lián)嫁接的辦法發(fā)展后加工技術為主。涂料工業(yè)以發(fā)展?jié)M足建筑、汽車、電器、交通(船舶、路標)、家具需要的高檔涂料,解決惡劣條件下的防腐難題、著重抓好低污染、節(jié)能型新品種的研制。主要有水性涂料、高固體份涂料、粉末涂料、光固化涂料等;同時重視涂料用無機顏料和配套樹脂、助劑、填料、溶劑的開發(fā)。,.,粘合劑工業(yè)重點是發(fā)展低毒(或無毒),中低溫固化和高強耐候品種,開發(fā)功能型的新品種,尤其注重開發(fā)鞋用粘合劑。化學試劑重點加強分離提純技術研究,狠抓試劑門類品種的開發(fā),實現(xiàn)超凈高純試劑、生物工程用試劑、臨床診斷試劑、有機合成試劑的產品系列化。,.,感光材料和磁記錄材料要瞄準世界先進水平。走“先仿后創(chuàng)”的路子。攝影化學材料要在現(xiàn)有各種沖洗套藥的基礎上,主攻柯達和富士彩色膠卷沖洗套藥的國產化;感光化學材料主攻高純硝酸銀(彩卷尺);磁記錄材料要發(fā)展國際上有競爭能力的出口創(chuàng)匯產品,同時實現(xiàn)數(shù)字磁記錄產品系列的配套。并加強有關方面的研究開發(fā)力量,建立相應的研究與開發(fā)中心。,.,加快精細化學品新領域開發(fā)包括:各類新型化工材料(功能高分子材料、復合材料)、新能源、電子信息技術、生物技術(包括發(fā)酵技術、生物酶技術、細胞融合技術、基因重組技術等)、航空航天技術和海洋開發(fā)技術等。,.,優(yōu)先發(fā)展的關鍵技術新催化技術:合成反應是精細化工產品生產的基礎,化工生產工藝與新催化技術密切相關。新催化技術的重點是開發(fā)能促進石油化工發(fā)展的膜催化劑、稀土絡合催化劑、沸石擇型催化劑、固體超強酸催化劑等,發(fā)展與精細化工新產品開發(fā)密切相關的相轉移催化技術、立體定向合成技術、固定化酶發(fā)酵技術等特種技術。加強工業(yè)規(guī)模的研究和應用,加強與新型催化劑相適應的反應器放大、制造等技術開發(fā)。使能設計和開發(fā)出若干具有高活性、高選擇性、立體定向、穩(wěn)定性好、壽命長的高效催化劑和相應的催化技術,以滿足精細化工發(fā)展和國內外市場的需要。,.,新分離技術開發(fā)工業(yè)規(guī)模的多組分分離,特別是不穩(wěn)定化合物及功能性物質的高效精密分離技術的研究,對精細化工產品的開發(fā)與生產至關重要。重點開發(fā)超臨界萃取分離技術,研究用超臨界萃取分離技術制取出口創(chuàng)匯率極高的天然植物提取物(如天然色素、天然香油、中草藥有效成分等),為超臨界萃取分離技術的實用化、國產化提供理論和技術依據(jù)。它在精細化工、食品、香料、醫(yī)藥以及石油的深度加工等領域內正在開發(fā)應用,發(fā)展前景廣泛。,.,增效復配技術發(fā)達國家化工產品數(shù)量與商品數(shù)量之比為1:20,我國目前僅為1:1.5,不僅品種數(shù)量少,而且質量差。關鍵原因之一是復配增效技術落后。所以加強這方面的應用基礎研究及應用技術研究是當務之急,如專門研究表面活性劑的分離方法、洗滌作用、表面改性、微膠囊化、薄膜化及超微粒化技術等。由于應用對象的特殊性,很難采用單一的化合物來滿足用戶要求,于是配方以及復配技術的研究就成為產品好壞的決定性國素,因而需要大力加強這方面的研究。,.,超細粉體技術超細粉體技術是70年代興起的一門固體材料加工技術,可用于精細化學品的后加工。在超細狀態(tài)下,粉體的物性及化學性質會發(fā)生明顯的變比。超細粉體技術可使藥品的生化作用更趨有效;使油漆、油墨的色彩艷美而光亮;使涂料粘合得更為牢固;作為橡膠與塑料的填充物時,可以改善兩者的物化性質,使其更好地滿足技術要求等。因而對該技術的實用化應用技術的研究,前景廣闊。,.,氣霧劑無污染替代技術臭氧層被破壞這一全球性的環(huán)境問題,自70年代以來就引起世界各國的極大關注,由于受控物質的禁用時間表不斷提前,所以研究其替代物質就更為迫切。研究在空調制冷、塑料發(fā)泡、高效殺蟲氣霧劑等方面氟氯烴(CFC)無污染替代物及替代技術;因而使研究可工業(yè)化的合成路線及其實用化技術具有重要意義。,.,氣霧劑,系指含藥、乳液或混懸液與適宜的拋射劑共同裝封于具有特制閥門系統(tǒng)的耐壓容器中,使用時借助拋射劑的壓力將內容物呈霧狀物噴出,用于肺部吸入或直接噴至腔道粘膜、皮膚及空間消毒的制劑。氣霧劑可用于局部或全身治療作用。局部治療作用諸如:治療咽喉炎的咽速康氣霧劑、治療鼻炎的復方萘甲唑啉噴霧劑、治療陰道炎的復方甲硝唑氣霧劑、局麻止痛利多卡因氣霧劑等;全身治療作用諸如:受體激動劑布地奈德氣霧劑、抗心絞痛的硝酸甘油氣霧劑、解熱鎮(zhèn)痛的吲哚美辛氣霧劑等。,.,氣霧劑,氣霧劑用于多肽與蛋白質類藥物的給藥比較引人注目。多肽與蛋白質類藥物由于分子量大難以從胃腸道吸收,而且不耐受胃腸道酶的破壞,只能注射給藥,這對長期用藥的患者是十分痛苦的。近年來,多肽與蛋白質類藥物的非注射途徑給藥進展迅速,其中比較成功的就是將其制成氣霧劑、粉霧劑或噴霧劑,通過肺部、口腔或鼻腔給藥。如降鈣素等藥物的鼻腔給藥系統(tǒng)已經(jīng)上市;胰島素的幾種肺部、口腔或鼻腔給藥系統(tǒng)均進入了臨床研究

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