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1、成績(jī)南京工程學(xué)院課程設(shè)計(jì)說明書(論文)題目乙醇水連續(xù)精餾塔的設(shè)計(jì)課程名稱化工原理院(系、部、中心 )康尼學(xué)院專業(yè)環(huán)境工程班級(jí)K 環(huán)境 091學(xué)生姓名朱夢(mèng)皓學(xué)號(hào)240094409設(shè)計(jì)地點(diǎn)文理樓 A404指導(dǎo)教師李乾軍設(shè)計(jì)起止時(shí)間:2011 年 12 月 5 日至 2011年 12 月 16 日第一章 緒論3一、目的:3二、已知參數(shù):3三、設(shè)計(jì)內(nèi)容:4第二章 課程設(shè)計(jì)報(bào)告內(nèi)容4一、精餾流程的確定4二、塔的物料衡算4三、塔板數(shù)的確定5四、塔的工藝條件及物性數(shù)據(jù)計(jì)算7五、精餾段氣液負(fù)荷計(jì)算11六、塔和塔板主要工藝尺寸計(jì)算11七、篩板的流體力學(xué)驗(yàn)算16八、塔板負(fù)荷性能圖19九、篩板塔的工藝設(shè)計(jì)計(jì)算結(jié)果總
2、表24十、精餾塔的附屬設(shè)備及接管尺寸24第三章 總結(jié)25另附:化工原理課程設(shè)計(jì)任務(wù)書.乙醇水連續(xù)精餾塔的設(shè)計(jì)第一章緒論一、目的:通過課程設(shè)計(jì)進(jìn)一步鞏固課本所學(xué)的內(nèi)容,培養(yǎng)學(xué)生運(yùn)用所學(xué)理論知識(shí)進(jìn)行化工單元過程設(shè)計(jì)的初步能力,使所學(xué)的知識(shí)系統(tǒng)化,通過本次設(shè)計(jì),應(yīng)了解設(shè)計(jì)的內(nèi)容,方法及步驟,使學(xué)生具有調(diào)節(jié)技術(shù)資料,自行確定設(shè)計(jì)方案,進(jìn)行設(shè)計(jì)計(jì)算,并繪制設(shè)備條件圖、編寫設(shè)計(jì)說明書。在常壓連續(xù)精餾塔中精餾分離含乙醇25%的乙醇水混合液,分離后塔頂餾出液中含乙醇量不小于94%,塔底釜液中含乙醇不高于0.1%(均為質(zhì)量分?jǐn)?shù))。二、已知參數(shù) :( 1)設(shè)計(jì)任務(wù)進(jìn)料乙醇 X = 30 % (質(zhì)量分?jǐn)?shù),下同)生產(chǎn)
3、能力 Q = 100t/d塔頂產(chǎn)品組成 > 94 %塔底產(chǎn)品組成 < 0.1 %(2)操作條件操作壓強(qiáng):常壓精餾塔塔頂壓強(qiáng): Z = 3 KPa進(jìn)料熱狀態(tài):泡點(diǎn)進(jìn)料回流比:自定待測(cè)冷卻水: 20 加熱蒸汽:低壓蒸汽, 0.2 MPa單板壓強(qiáng): 0.7全塔效率: ET = 52 %建廠地址:南京地區(qū)塔頂為全凝器,中間泡點(diǎn)進(jìn)料,篩板式連續(xù)精餾三、設(shè)計(jì)內(nèi)容 :( 1) 設(shè)計(jì)方案的確定及流程說明( 2) 塔的工藝計(jì)算( 3) 塔和塔板主要工藝尺寸的計(jì)算( a、塔高、塔徑及塔板結(jié)構(gòu)尺寸的確定;b、塔板的流體力學(xué)驗(yàn)算;c、塔板的負(fù)荷性能圖)( 4) 設(shè)計(jì)結(jié)果概要或設(shè)計(jì)一覽表( 5) 精餾塔工藝
4、條件圖( 6) 對(duì)本設(shè)計(jì)的評(píng)論或有關(guān)問題的分析討論第二章課程設(shè)計(jì)報(bào)告內(nèi)容一、精餾流程的確定乙醇、水混合料液經(jīng)原料預(yù)熱器加熱至泡點(diǎn)后,送入精餾塔。 塔頂上升蒸汽采用全凝器冷凝后, 一部分作為回流, 其余為塔頂產(chǎn)品經(jīng)冷卻器冷卻后送至貯槽。塔釜采用間接蒸汽向沸熱器供熱, 塔底產(chǎn)品經(jīng)冷卻后送入貯槽。二、塔的物料衡算( 一)料液及塔頂、塔底產(chǎn)品含乙醇摩爾分?jǐn)?shù)30/46xF0.14430/4670/ 1894/ 46xD0.8694/466 /180.1/ 46xW0.00040.1/ 4699.9 / 18( 二)平均摩爾質(zhì)量M F0.14446 (10.144) 1822.03kg / kmolM D
5、0.8646(10.86) 1842.08kg / kmolM W0.000446(10.0004)18 18.01kg / kmol( 三)物料衡算總物料衡算D WF易揮發(fā)組分物料衡算xD DxwWxF F日生產(chǎn)能力 Y=100噸Fm100 * 1000189.14kmol / hMf T22.03 24聯(lián)立以上三式得F189.14kmol / hD30.94kmol / hW158.2kmol / h三、塔板數(shù)的確定( 一)理論塔板數(shù) NT 的求取乙醇、水屬理想物系,可采用M.T. 圖解法求 NT1. 根據(jù)乙醇、水的氣液平衡數(shù)據(jù)作 y-x 圖附表乙醇水氣液平衡數(shù)據(jù)液相中乙醇的摩爾氣相中乙醇
6、的摩爾液相中乙醇的摩爾分氣相中乙醇的摩爾分?jǐn)?shù)分?jǐn)?shù)數(shù)分?jǐn)?shù)0.00.00.250.5510.010.110.300.5750.020.1750.40.6140.040.2730.50.6570.060.340.60.6980.080.3920.70.7550.10.430.80.820.140.4820.8940.8940.180.5130.950.9420.20.5251.01.01.00.80.6f0.4圖:乙醇水的 y-x 圖及圖解理論板2. 乙醇水體系的平衡曲線有下凹部分,求最小回流比自a( xD , , xD , )作平衡線的切線并延長(zhǎng)與y 軸相交,截距xD0.273Rmin1即Rmin
7、 2.15取操作回流比 R1.5Rmin1.52.153.23精餾塔的氣液相負(fù)荷V=(R+1)D=130.88L =L+F=288.93V =V=130.88故精餾段操作線方程RxDyR 1R 1即 y 0.764x 0.203提餾段操作線方程yL' x'W XwV 'V '即 y=2.21X-0.0053. 作圖法求理論塔板數(shù) NT 得NT20.5層(包括再沸器)。其中精餾段理論板數(shù)為18 層,提留段為 2.5層(包括再沸器),第 18 層為加料板。( 二) 全塔效率 ET已知 ET =52%( 三) 實(shí)際塔板數(shù) N精餾段 N精1835 層0.52提留段 N提
8、2.55層0.52四、塔的工藝條件及物性數(shù)據(jù)計(jì)算以精餾段為例進(jìn)行計(jì)算(一)操作壓強(qiáng) Pm塔頂壓力 PD3101.3104.3kPa取每層塔板壓強(qiáng)降 P0.7kPa則進(jìn)料板壓強(qiáng) PF 104.343 0.7 134.4kPa精餾段平均操作壓強(qiáng) Pm104.3134.4119.35kPa2(二)溫度 t m依據(jù)操作壓力, 通過方程試差法計(jì)算出泡點(diǎn)溫度,其中水、乙醇的飽和蒸汽壓由安托尼方程計(jì)算。 方程為 P pA0 xA pB0 xB式中:x 溶液中組分的摩爾分?jǐn)?shù);P溶液上方的總壓, Pa;p0同溫度下純組分的飽和蒸汽壓, Pa。(下標(biāo) A 表示易揮發(fā)組分, B 表示難揮發(fā)組分) 安托因方程為 lg
9、 p0ABTC式中:p0在溫度為 T 時(shí)的飽和蒸汽壓, mmHgT溫度,A,B,C Antoine 常數(shù),其值見下表。附表Antoine常數(shù)組分ABC乙醇8.044961554.3222.65水7.966811668.21228計(jì)算結(jié)果如下:塔頂溫度8. 044961554.37. 966811668.21公式: 10t 222.650.1330.8610t2280.1330.14105.33tD 81.48進(jìn)料板溫度8. 044961554.37.966811668.21公式: 10t 222.650.1330.064410t 2280.1330.9356135.4tF 104.5則精餾段平
10、均溫度 t M81.48104.592.992(三)平均摩爾質(zhì)量Mm塔頂xDy10.86 ,查平衡曲線得X1=0.854M VDm0.86 46(1 0.86) 1842.08kg / kmolM LDm0.854 46 (1 0.854) 1841.912kg / kmol進(jìn)料板即查氣液平衡曲線,可得yF 0.524 xF 0.191M VDm0.52446(1 0.524) 1832.672kg / kmolM LDm0.191 46 (1 0.191) 1823.348kg / kmol則精餾段平均摩爾質(zhì)量:M Vm( 精)42.0832.672237.736kg / kmolM Lm
11、( 精)41.91223.348232.63kg / kmol(四)平均密度m1. 液體密度Lm附表 乙醇與水的密度溫度 / 2030405060708090100110乙醇密度 /kg/m 37957857777657557467357307167033998.2 995.7992.2988.1983.2 977.8 971.8 965.3 958.4 951.0水密度 /kg/m已知: 1/ LmA /LAB /LB (為質(zhì)量分?jǐn)?shù))塔頂因?yàn)?t D81.48所以 908081.48 80乙734.26kg / m3730735乙735908081.4880水970.84kg / m3965
12、.3971.8水 971.810.940.06LmD734.26970.84LmD745.16kg / m3進(jìn)料板由加料板液相組成 xA0.191A0.191460.380.19146(10.191)18因?yàn)?tF 104.5所以 110100104.5100乙710.15kg / m3703716乙716110100104.5 100水955.07kg / m3951.0958.4水958.41 0.38 1 0.38 LmF 710.15 955.07LmF844.38kg / m 3故精餾段平均液相密度1844.38) 794.77kg / m3Lm (精)(745.1622. 氣相密度
13、mVPm M Vm120.35 37.7631.49kg / m3Vm(精)8.314(92.99273.15)RT(五)液體表面張力m附表乙醇與水的表面張力溫度2030405060708090100110/ 乙醇表面張力22.321.220.419.818.81817.116.215.214.4×103/N/m5水表面張力72.671.269.667.766.264.362.660.758.856.9×103/N/m塔頂因?yàn)閠D81.48所以908081.488016.217.15乙乙17.15908081.488060.762.6水水62.617.01mN / m62.
14、32 mN / m進(jìn)料板因?yàn)?tF104.5所以 110100104.5100乙 14.84 mN / m14.415.2乙15.2110100104.5100水 57.945mN / m56.958.858.8水nmxi ii1m( 頂)0.8617.01 (10.86) 62.32 23.35mN / mm( 進(jìn))0.19114.81 (10.191) 57.94549.71mN / m則精餾段平均表面張力為23.3549.71m(精)236.53mN / m(六)液體黏度Lm已知: lg塔頂lg1AA乙醇的 A=686.64 B=300.88TB686.64686.640.451 m a
15、 s乙273.181.48乙300.88水的黏度908081.48800.350 m a s31.6535.65水水 35.65進(jìn)料板lg686.64686.640.344 m a s乙273.1104.5300.88乙水的黏度110100104.5100水 0.302 m a s31.6531.6528.38水nLmxiii 1L(頂)0.86 0.451 (10.86) 0.3500.437 m a sL(進(jìn))0.344()0.31m a s0.19110.191 0.302則精餾段平均液相黏度為0.4370.310.37m a sLm (精)2五、精餾段氣液負(fù)荷計(jì)算V(R1) D(3.2
16、31)30.94130.88kmol / hVSVM Vm(精)130.8837.7630.99m3 / s3600 Vm(精)36001.38LRD 3.23 30.9499.94kmol / hLMLS3600Lm (精)Lm (精)99.94 * 32.630.0011m3 / s3600794.77LhLS 36000.001136004.10m3 / h六、塔和塔板主要工藝尺寸計(jì)算(一)塔徑 D參考表 4-1 ,初選板間距 H T0.45m , 取板上液層高度 hL0.07m表 4-1板間距與塔徑的關(guān)系塔徑 D/m0.30.50.5 0.80.8 1.61.6 2.42.4 4.0板
17、間距 HT/mm200300250 350300450350 600400 600H ThT0.45 0.070.38 mLSL10.0026826.63)() 2(2.2981.38VSV120.0277圖 4-5 Sminth關(guān)聯(lián)圖查圖 4-5可知, C 200.076 ,依照下式校正 C0.2CC20 () 0.20.07639.260.0872020umaxCLV826.631.380.0871.81m / sV1.38取安全系數(shù)為0.70 ,則u0.70umax0.71.811.267m / s4VS42.298故 Du3.141.52m1.267按標(biāo)準(zhǔn),塔徑圓整為1.6m,4VS4
18、2.2981.14 m / s則空塔氣速 u23.141.62D(二)溢流裝置采用單溢流、弓形降液管、平行受液盤及平行溢流堰,不設(shè)進(jìn)口堰。各項(xiàng)計(jì)算如下。1. 溢流堰長(zhǎng) l wl w 為 0.66D,即l w0.661.61.056m2. 出口堰高 hwhw hLhow由 l w / D1.22 / 1.85 0.66 , Lh / l W2.59.368.171.0562.5圖 4-9液流收縮系數(shù)計(jì)算圖查圖 4-9 ,知 E =122.84 E3則 hOWL h1000l w2.8419.3610001.056230.012m故hW0.070.0120.058m3. 管滴寬度 Wd 與降液管滴
19、面積 A f由 l w / D0.66圖 4-11弓形降液管的寬度和面積查圖 4-11 ,得 Wd/ D 0.124, Af / AT 0.0722故 Wd 0.1241.60.198mAf 0.0722D 20.145m24由下式計(jì)算液體在降液管中停留時(shí)間以檢驗(yàn)降液管面積,即A f H f0.145 0.4525.1 5 ( 符合要求 )Ls0.00264. 降液管底隙高度 ho取液體通過降液管底隙得流速uo0.08m / s,依下式計(jì)算降液管底隙高度 hoLs0.0026(符合要求)ho0.031m 0.025ml W u01.056 0.08 3600(三)塔板布置1. 取邊緣區(qū)寬度 W
20、c0.06m ,安定區(qū)寬度Ws0.085m2. 依下式計(jì)算開孔區(qū)面積 AaAa 2 xR 2x 2 R 2 sin 1x180R2 0.5170.7420.51720.74 2 sin 1 0.5171.39m21800.74其中 xD(Wd1.6(0.198 0.085) 0.517m2Ws )2DWc1.6R0.06 0.74 m22圖4-8塔板結(jié)構(gòu)參數(shù)其中 :hW 出口堰高h(yuǎn)ow堰上液層高度hO降液管底隙高度h1 進(jìn)口堰與降液管的水平距離hW進(jìn)口堰高H d降液管中清液層高度H T板間距l(xiāng) W堰長(zhǎng)Wd弓形降液管高度Wc 無效周邊高度Ws 安定區(qū)寬度D塔徑R鼓泡區(qū)半徑x鼓泡區(qū)寬度的1/2 t
21、同一橫排的閥孔中心距( 單位均為 m)(四)篩孔數(shù) n 與開孔率取篩孔的孔徑d06mm ,正三角形排列,一般碳鋼的板厚3mm,取t / d03 ,故孔中心距 t3618mm依下式計(jì)算塔板上的篩孔數(shù)n,即n1.155Aa1.1551.39 4955孔t 20.0182依下式計(jì)算塔板上的開孔區(qū)的開孔率,即A0 %0.907 %0.90710.1% (在 5%15%范圍內(nèi))Aat / d020.0060.0182每層塔板上的開孔面積A0 為AA0.1011.390.14039 m20a氣體通過篩孔的氣速Vs2.298u016.37m / sA00.101 1.39(五)塔有效高度Z(精餾段)ZN精1
22、 H T4310.4518.9m( 六) 塔高計(jì)算七、篩板的流體力學(xué)驗(yàn)算(一)氣體通過篩板壓強(qiáng)降的液柱高度h p依式hphehlh1. 干板壓強(qiáng)降相當(dāng)?shù)囊褐叨?hc依 d0 /6 / 32圖 4-13 干篩孔的流量系數(shù)查圖 4-13, CO0.76uo16.372mhc)2(V) 0.0511.380.051(0.76826.630.04COL2. 氣流穿過板上液層壓強(qiáng)降相當(dāng)?shù)囊褐叨?hluaVs2.2981.23m/ sATAf3.140.8 20.145Fa uaV1.231.381.44圖 4-14 充氣系數(shù)關(guān)系圖由圖 4-14查取板上液層充氣系數(shù)。為 0.6依右式 hlhLhW h
23、OW0.6 0.070.042m3. 克服液體表面張力壓強(qiáng)降相當(dāng)?shù)囊褐叨?h依式( 4-41 )h44 39.2610 3mL gdo826.63 9.810.003230.006故hphehlh0.040 0.0420.00323 0.08523單板壓強(qiáng)降PPhPL g0.08523 826.639.81 0.69 <0.7kPa( 設(shè)計(jì)允許值 )(二)霧沫夾帶量eV 的驗(yàn)算依式( 4-41 )eV5.7 10 6(ua)3.25.710 63 (1.23) 3.2H Th f39.26100.45 0.1750.018kg夜 /kg 氣0.1kg 液 /kg 氣式中, hf 塔板上
24、鼓泡層高度,可按泡沫層相對(duì)密度為0.4 考慮,即hf =( hL 0.4 )=2.5 hL =2.5 ×0.07=0.175故在設(shè)計(jì)負(fù)荷下不會(huì)發(fā)生過量霧沫夾帶。(三)漏液的驗(yàn)算uOW4.4CO(0.00560.13hLh )L / V4.40.760.00560.130.070.00323826.63 1.38 8.77 m / s篩板的穩(wěn)定性系數(shù)KuO16.371.871.5uOW8.77故在設(shè)計(jì)負(fù)荷下不會(huì)產(chǎn)生過量漏液。(四)液泛的驗(yàn)算為防止降液管液泛的發(fā)生,應(yīng)使降液管中清液層高度H d( H ThW ) 。hd0.153(Ls)20.153(0.08)20.00098 mlWhO
25、H dhP hLhd0.085230.070.0009 0.156m取0.5 ,則( H ThW )0.5(0.45 0.058) 0.254m故 H d( H ThW ) ,在設(shè)計(jì)負(fù)荷下不會(huì)發(fā)生液泛。根據(jù)以上塔板的各項(xiàng)流體體力學(xué)驗(yàn)算,可認(rèn)為精餾段塔徑及各工藝尺寸是合適的。八、塔板負(fù)荷性能圖(一)霧沫夾帶線( 1)eV5.710 6(ua)3.2H T h fuaVsVs0.536VSATAf2.00960.145( a)2h f2.5( hW hOW ) 2.5 hW2.84 10 3 E(3600Ls ) 3lW近似取 E1.0, hW0.058m , lW 1.056m2故h f2.50
26、.0582.84 10 31.0(3600 Ls ) 31.05620.21.61L s3( b)取霧沫夾帶極限值eV 為 0.1kg液 /kg氣,已知39.26 10 3 N / m ,H T 0.45m ,5.7106ua)3.2, 得下式:并將式( a)、(b)代入 eV(H Th f5.710 60.536Vs3.20.139.2610 3(2)0.25 1.61Ls 3整理得2Vs3.2821.12Ls 3( 1)在操作范圍內(nèi),任取幾個(gè)Ls 值,依( 1)式算出相應(yīng)的 Vs 值列于下表中。Ls0.610 41.5 10 33.0 10 34.5 10 3m3 / sVs3.253.0
27、02.842.7m3 / s依表中數(shù)據(jù)在 VsLs 圖中做出霧沫夾帶線( 1),如圖 4-24所示。(二)液泛線( 2)H d(H T hW ) hPhWhOW hd( * )近似取E 1.0 , lW 1.056m22 hOW 2.8410 3E(3600Ls ) 32.8410 3(3600 Ls ) 3l W1.0562故hOW 0.6433 Ls 3( c)hPhchlhhc0.051( uo) 2 (V )0.051( Vs) 2VC OLC O AoL0.051(Vs) 21.380.00748Vs20.760.20826.6322hlO hWhOW0.60.0580.6433L
28、S 30.0348 0.3859LS 3h0.00323(已算出 )22故0.03480.3859 L s 30.00323hP 0.00748Vs0.03803 0.00748Vs20.3859Ls23( d)hd0.153(Ls) 20.153(Ls) 2142.77 L s2lWhO1.0560.031( e)將 H T 為 0.45m, hW 為 0.058m,0.5 及式( c)(d)(e)代入( * )式得:22220.058 0.643Ls 30.5(0.45 0.058) 0.03803 0.00748Vs 0.3859 Ls 3142.77L s222整理得:21.12 13
29、7.55Ls 3Vs19087 L s( 2)在操作范圍內(nèi)取若干Ls 值,依式( 2)計(jì)算 Vs 值,列于下表中。Ls0.61041.510 33.010 34.510 3m3/ sVs4.574.394.274.12m3/ s依表中數(shù)據(jù)做出液泛線(2),如圖 4-24 中線( 2)所示。(三)液相負(fù)荷上限線(3)取液體在降液管中停留時(shí)間為5s,Af H T0.145 0.453/ sLs,max50.01305m液泛負(fù)荷上限線( 3)在 VsLs 坐標(biāo)圖上為與氣體流量 Vs 無關(guān)得垂直線,如圖 4-24 線( 3)所示。(四)漏液線(氣相負(fù)荷下限線) ( 4)2、 uOWVs,min由 hL
30、hWhOW0.0580.6433Ls 3代人式漏液點(diǎn)氣速式:AOuOW4.4CO( 0.0056 0.13hL h )L /VVs,min2826.634.40.760.00560.13(0.0580.6433Ls 3 )AO0.003231.38AO 前已算出為 0.14m2,代入上式并整理,得2Vs, min11.4 0.00991 0.0836Ls 3此即氣相負(fù)荷下限關(guān)系式,在操作范圍內(nèi)任取n 個(gè) Ls 值,依( 4)式計(jì)算相應(yīng)得 Vs 值。Ls0.610 41.510 33.010 34.510 3m3/ sVs1.141.201.231.26m3 / s列于下表中,依附表中數(shù)據(jù)作氣相
31、負(fù)荷下限線(4),如圖 4-24中線( 4)所示。(五)液相負(fù)荷下限線(5)取平堰、堰上液層高度, hOW0.006m 作為液相負(fù)荷下限條件, 依下式計(jì)算,取 E1.0 ,則 hOW0.6433 L20.0060.6433L s 3整理上式得Ls,min9 10m3/s4( 5)依此值在 VsLs 圖上作線( 5)即為液相負(fù)荷下限線,如圖7 所示。將以上 5 條線標(biāo)繪于 圖 4-24 ( VsLs 圖)中,即為精餾段負(fù)荷性能圖。5條線包圍區(qū)域?yàn)榫s段塔板操作區(qū),P 為操作點(diǎn), OP為操作線。 OP線與線(1) 的交點(diǎn)相應(yīng)氣相負(fù)荷為 Vs,m ax ,OP線與氣象負(fù)荷下限線 (4)的交點(diǎn)相應(yīng)氣相
32、負(fù)荷為 Vs, min 。其中 P( Ls , Vs ) 即( 3.7 × 10 3 ,33.3 )可知本設(shè)計(jì)塔板上限由霧沫夾帶控制,下限由漏液控制。Vs , max3. 823. 38精餾段的操作彈性1. 13Vs , min九、篩板塔的工藝設(shè)計(jì)計(jì)算結(jié)果總表篩板塔的工藝計(jì)算結(jié)果匯總見表10序號(hào)項(xiàng)目數(shù)值1平均溫度 tm,92.992平均壓力 Pm, kPa120.353氣相流量 Vs,( m3/s )2.2984液相流量 Ls,( m3/s )0.00265實(shí)際塔板數(shù)536有效段高度 Z,m23.757塔徑, m1.68板間距, m0.459溢流形式單溢流10降液管形式弓形11堰長(zhǎng), m1.05612堰高, m0.05813板上液層高度, m0.0714堰上液層高度, m0.01215降液管底隙高度, m0.03116安定區(qū)寬度, m0.08517邊緣區(qū)寬度, m0.0618開孔區(qū)面積, m21.3919篩孔直徑, m0.00620孔中心距, m0.01821篩孔數(shù)目495522開孔率, %10.123空塔氣速, m/s1.2324篩孔氣速, m/s16.3725穩(wěn)定系數(shù)1.
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