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文檔簡介

篩板精餾塔設(shè)計(jì)及工藝數(shù)據(jù)的計(jì)算摘要: 環(huán)氧丙烷篩板精餾塔設(shè)計(jì)選定在以直接氧化法制備環(huán)氧丙烷背景下進(jìn)行,直接氧化法制備的環(huán)氧丙烷精餾時(shí)段進(jìn)料組分為環(huán)氧丙烷和水。精餾塔是將反應(yīng)生成得含環(huán)氧丙烷混合物分離得到環(huán)氧丙烷,而篩板精餾塔同時(shí)可以將混合物分離得到環(huán)氧丙烷并提純。通過篩板精餾塔分離提純可以得到預(yù)想中純度更高的產(chǎn)品,有利于提高產(chǎn)品的質(zhì)量從而進(jìn)一步提高以環(huán)氧丙烷為原料生產(chǎn)的物質(zhì)的質(zhì)量。本設(shè)計(jì)內(nèi)容主要有設(shè)計(jì)精餾塔理論塔板數(shù);確定塔的操作壓強(qiáng)、溫度等物性數(shù)據(jù);確定精餾塔塔徑、塔高、塔板分布概況;以及計(jì)算合適的輔助設(shè)備尺寸,即計(jì)算塔接管規(guī)格、換熱器設(shè)計(jì)。關(guān)鍵詞:環(huán)氧丙烷;HPPO;精餾塔目錄摘要 1目錄 21緒論 42設(shè)計(jì)方案 52.1設(shè)計(jì)條件 52.2設(shè)計(jì)內(nèi)容 53篩板精餾塔各項(xiàng)數(shù)據(jù)具體設(shè)計(jì) 53.1篩板精餾塔的物料衡算 53.2理論板書求解 63.2.1回流比計(jì)算 63.2.2氣相和液相負(fù)荷 73.2.3精餾塔操作線方程 83.2.4理論塔板數(shù)計(jì)算 83.2.5各項(xiàng)平均摩爾質(zhì)量 93.3全塔效率計(jì)算 103.4精餾塔工藝參數(shù) 123.4.1操作壓強(qiáng) 123.4.2平均密度 123.4.3兩段平均表面張力計(jì)算 133.5塔體主要工藝尺寸的設(shè)計(jì) 133.5.1塔徑D 133.5.2精餾塔的有效塔高 143.5.3精餾塔全塔高 143.5.4溢流裝置 153.5.5塔板布置 163.6塔板設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)計(jì)算 183.6.1壓降驗(yàn)算 183.6.2霧沫夾帶量eV的驗(yàn)算 193.6.3液沫夾帶 193.6.4液泛線 203.6.5漏液線 213.6.6液相負(fù)荷上限線 223.6.7液相負(fù)荷下限線 224精餾塔輔助設(shè)備的設(shè)計(jì)和選型 224.1精餾塔接管尺寸計(jì)算 224.1.1各種無縫鋼管管道選取及各數(shù)據(jù)計(jì)算 224.2換熱器選取設(shè)計(jì) 234.2.1冷凝器 234.2.2再沸器 245總結(jié) 25參考文獻(xiàn) 29

1緒論環(huán)氧丙烷(PO),是沒有顏色的通透醚味有毒液體,并且沸點(diǎn)低、便于燃燒。PO是重要有機(jī)生產(chǎn)原料,是第四代非離子表面活性劑,它的衍生物可用于多種行業(yè)的生產(chǎn)。氯醇法、苯乙烯共氧化法、叔丁醇共氧化法和過氧化氫異丙苯法以及過氧化氫直接氧化法(HPPO)都可用于生產(chǎn)環(huán)氧丙烷。傳統(tǒng)氯丙醇法是丙烯與氯氣、水發(fā)生反應(yīng)生成氯丙醇,后再與石灰乳反應(yīng)生成含PO的混合物,此過程中伴隨著五個(gè)副反應(yīng)發(fā)生。共氧化法中PO/SM法是乙苯氧化后與丙烯反應(yīng)生成含PO混合物;而PO/TBA法是將異丁烷氧化后產(chǎn)物與丙烯反應(yīng)生成PO。過氧化氫氧化法是丙烯與H2O2反應(yīng)得到PO。HPPO氯醇法生產(chǎn)流程簡單、副產(chǎn)物少,廢水等較多,會嚴(yán)重污染環(huán)境。共氧化法生產(chǎn)流程長、副產(chǎn)品多而雜,廢水較少,對環(huán)境污染相對不大。隨著工業(yè)中環(huán)境保護(hù)要求的日益增加,氯醇法面臨著淘汰。而共氧化技術(shù)投資率高、工藝復(fù)雜、對原料要求高。隨著環(huán)氧丙烷生產(chǎn)工藝的不斷發(fā)展,化工業(yè)對環(huán)境保護(hù)要求的不斷提高等,直接氧化法建設(shè)將成為此行業(yè)重點(diǎn),我國許多科學(xué)研究院以及相關(guān)企業(yè)單位相繼進(jìn)行了HPPO法合成環(huán)氧丙烷的研發(fā),然而現(xiàn)如今我國的HPPO生產(chǎn)技術(shù)還不是很成熟任然有很大的發(fā)展空間,但可以肯定的是HPPO法將在未來有極大的發(fā)展與研究。精餾塔可以得到純度高的產(chǎn)品,精餾塔工作是分離揮發(fā)度不同的混合物,低沸物先存在于液相中而后轉(zhuǎn)移到氣相中,高沸物先存在于氣相中而后轉(zhuǎn)移到液相中,從而完成分離。精餾過程可以得到想要的產(chǎn)品系列。精餾塔的常見類型有反應(yīng)型、分離型以及常規(guī)型等。對流塔、環(huán)流塔是篩板精餾塔的主要類型,對流塔也可分為單溢流、雙溢流和四溢流。篩板精餾塔是用于氣體與液體或者液體與液體之間分離的傳質(zhì)設(shè)備,不僅可以實(shí)現(xiàn)混合物分離還可以獲得定量純度高的所需產(chǎn)品。篩板精餾塔塔板結(jié)構(gòu)有篩板、泡罩板、浮筏板、網(wǎng)孔板、舌型板、穿流塔板等。其原理為液體由于重力,液體自上而下由降液管流到受液盤,平行流過本層塔板后,再以相同方式流到下一層塔板,依次形式不斷進(jìn)行直到液體由塔板底部排除;氣體上移是根據(jù)壓力差的作用,以上升形式不斷穿過各層塔板,最終到達(dá)塔頂而排出。在熱能推動作用下,容揮發(fā)的混合物成分進(jìn)入氣相中,不容易揮發(fā)的混合物成分返回液相,進(jìn)行熱量和質(zhì)量的轉(zhuǎn)換,使混合液形成適當(dāng)?shù)姆蛛x。因每層塔板上都有液體存在,所以氣體上升時(shí)兩相不斷接觸不斷進(jìn)行傳熱過程。2設(shè)計(jì)方案2.1設(shè)計(jì)根據(jù)a.篩板塔精餾塔b.進(jìn)料比例:環(huán)氧丙烷:甲醇=3:2,塔底產(chǎn)品組成≥99%,塔釜產(chǎn)品組成c.進(jìn)料熱狀態(tài):泡點(diǎn)進(jìn)料(q=1)d.操作狀態(tài):持續(xù)操作e.操作壓強(qiáng):0.1f.操作時(shí)間:7200小時(shí)/年g.回流比:h.再沸器加熱2.2設(shè)計(jì)內(nèi)容本設(shè)計(jì)年產(chǎn)5萬噸環(huán)氧丙烷篩板精餾塔設(shè)計(jì),設(shè)計(jì)主要內(nèi)容包括:精餾塔主體設(shè)計(jì):有設(shè)計(jì)精餾塔理論塔板數(shù),確定進(jìn)料口塔板所在板書、精餾段提餾段所占的塔板數(shù);計(jì)算整個(gè)塔的效率;確定塔的操作壓強(qiáng)、溫度等物性數(shù)據(jù);確定精餾塔塔徑、塔高、塔板的布置;精餾塔輔助設(shè)備設(shè)計(jì);計(jì)算合適的輔助設(shè)備尺寸,即計(jì)算塔接管規(guī)格、換熱器設(shè)計(jì)。3篩板精餾塔各項(xiàng)數(shù)據(jù)具體設(shè)計(jì)3.1篩板精餾塔的物料衡算環(huán)氧丙烷的摩爾質(zhì)量:MA甲醇的摩爾質(zhì)量:M原料、塔頂、塔釜環(huán)氧丙烷平均摩爾分?jǐn)?shù)為xFxxx平均摩爾質(zhì)量原料:M塔頂:M塔釜:M進(jìn)料產(chǎn)品流量:F總物料衡算計(jì)算如下:F=D+WF由上式,可得D=72.66935,W=85.975303.2理論板書求解3.2.1回流比計(jì)算表1Antoine值物質(zhì)環(huán)氧丙烷甲醇A5.77957.19736B915.311574.99C208.28238.86溫度-48℃~67℃-16℃~91℃沸點(diǎn)34℃64℃從而選5個(gè)溫度點(diǎn):38℃、44℃、50℃、56℃、62℃.lg代入數(shù)據(jù):lgplgpA20==2.15135lgpA30==2.23563lgpA40==2.31609lgpA50==2.39297lgpB10==1.50860lgpB20==1.62927lgpB30==1.74493lgpB40==1.85588lgpB50==1.96240α(拉烏爾定律)=p于是可得α1=3.58338α2=3.32684α3α5從而α=5α1α2α3α4α5xe與yy(相平衡方程)=y(從而根據(jù)上述計(jì)算所得數(shù)據(jù)及q=1可得:xe=0.45283ye=0.71963從而得:Rmin=3.2.2氣相和液相負(fù)荷精餾段:L(氣相)=DR=142.69499V(液相)=(R+1)D=215.36434提餾段:L'V'3.2.3精餾塔操作線方程精餾段:yn+1=提餾段:y3.2.4理論塔板數(shù)計(jì)算yn+1xm+1為精(提)餾段上升蒸汽第n+1(m+1)層板容易揮發(fā)成分的摩爾分采用逐板計(jì)算法:令yy可得x1=0.94627,將x1帶入yn+1=再代入(Ι)求出x2,依次進(jìn)行下去求算出xn、yn,若得到xn<xF而后將xn+1ym+1=L與精餾段方法相同,直到計(jì)算出xm<x精餾段:第一塊板y由相平衡方程求得x1=0.94627,將x同理得x2=0.86370,由x同理得x3=0.73712,由x同理得x4=0.58365,由x同理得x5=0.44274,由x因x5<xF,x4>x提餾段:由相平衡方程求得x6=0.34277,將x同理得x7=0.23066,由x同理得x8=0.13436,由x同理得x9=0.07040,由x同理得x10=0.03485,由x同理得x11=0.01702,由x同理得x12=0.00854,由x同理得x13=0.00461,由x因x13<xw3.2.5各項(xiàng)平均摩爾質(zhì)量(1)塔頂:y1=氣相:M液相:M(2)進(jìn)料板:x5=0.44274氣相:M液相:M(3)塔底:xW=0.00554氣相:M液相:M(4)精餾段:氣相:M液相:M(5)提餾段:氣相:M液相:M3.3全塔效率計(jì)算操作壓強(qiáng):塔頂是常壓pD=101.3kPa,由于?p=0.6kPa操作溫度:方程分別如下所示:環(huán)氧丙烷:log甲醇:log(1)塔頂溫度:假定該條件下環(huán)氧丙烷和甲醇的飽和蒸汽壓分別為pA0和pB0。計(jì)算出x,若x已知pD=101.3kPa,設(shè)塔頂溫度tD=34.62℃,則:pA0=102.62223kPa,(2)塔底溫度:運(yùn)用塔頂相同方法x=設(shè)tw=67.95℃,則pA0=292.60420kPa,pB從而精餾塔平均溫度:t=(3)進(jìn)料板:運(yùn)用上述相同方法xx=設(shè)tF=49.5℃,則pA0=169.33981kPa,從而t(4)精(提)餾段分別平均溫度:精餾段:t提餾段:t(5)粘度計(jì)算:查粘度共線圖得塔溫度下:μA=0.33784mpa.s,μBμ計(jì)算出μμ(6)全塔效率公式:ET'=ENP從而現(xiàn)實(shí)塔板數(shù)26,其中精餾段為10塊(包括進(jìn)料塔),進(jìn)料板為第10塊,提餾段為16塊(不包括再沸器)。3.4精餾塔工藝參數(shù)3.4.1各項(xiàng)操作壓力單板:?塔頂:P進(jìn)料板:P塔底:P精餾段平均:P提餾段平均:P3.4.2各項(xiàng)平均密度(1)氣相:精餾段:ρ提餾段:ρ(2)液相:公式:1ρw=塔頂:由tD=34.62℃,查[9]得:ρ代入:1ρD塔釜:由tw=67.95℃,查[9]得:ρ代入1ρw加料板:由tF=49.5℃,查[9]得:ρ代入1ρF精餾段:ρ提餾段:ρ3.4.3兩段平均表面張力計(jì)算塔頂:由塔頂操作溫度tD=34.62℃,查數(shù)據(jù)[9]得σA=19.9塔釜:由塔釜操作溫度tw=67.95℃,同理查數(shù)據(jù)[9]得σA=16.1加料板:由加料板操作溫度tF=49.5℃,同理查數(shù)據(jù)[9]得σA=18.1精餾段:σ提餾段:σ3.5塔體主要工藝尺寸的設(shè)計(jì)3.5.1塔徑D精餾段氣液相流量:VL則VL提餾段氣液相流量:VL則VL取HT=0.40m圖1史密斯關(guān)聯(lián)圖查圖1得C20=0.075計(jì)算得負(fù)荷因子取u(空塔氣速)=0.7u3.5.2精餾塔的有效塔高精餾段:Z提餾段:Z從而總有效高度:Z3.5.3精餾塔全塔高(1)塔頂高HD:(2)開設(shè)人孔板間距HT':規(guī)定人孔上下兩塔板距離要≥0.5(3)人孔數(shù):間隔10塊設(shè)一個(gè)人孔,因?qū)嶋H塔板數(shù)26塊,所以設(shè)2個(gè)人孔;(4)進(jìn)料段高度HF:一般進(jìn)料段高度HF要比HT大,從而(5)塔底的空間高度HB:塔底空間可作為儲存槽,而塔底釜要在塔底有10~15min(6)封頭高度:橢圓封頭DN=900,直邊高度h=25mm、曲面高度(7)裙座高度:筒體高度小于25m,塔徑0.92083m,所以采用圓筒形裙座:H'實(shí)際高度:Z=3.5.4溢流裝置(1)LWL精餾段:L提餾段:L(2)hwh其中,堰上液層高度公式how=0.00284E(LhLW)23,其中Lh精餾段:how=0.00284E(L提餾段:how'=0.00284E(L(3)Wd及A精餾段:由LWD=0.65WAT=0.785τ(液體停留時(shí)間)提餾段:由LW'DWAT'τ'圖2弓形降液管截面尺寸參數(shù)圖(4)降液管的低隙高度h為擁有良好的液封條件,同時(shí)不會導(dǎo)致液流阻力過大,h0應(yīng)低于hW,但此高度又不能低于6mm,hW-h0=6~12mm,且精餾段:uc=0.1m/s提餾段:uc'3.5.5塔板布置 塔徑大于800mm,用分塊式塔板。(1)WC與WC(邊緣區(qū)域),塔徑<2.5m,WC可取30~75mmWS(安定區(qū)寬度)溢流堰前WS=70~100mmWC=60mm;(2)Aa計(jì)算公式:Axr=精餾段:x=D2-A 提餾段:x'=D2- (3)每層塔板n與?和A0 孔徑d0 δ 篩孔心距離:篩孔為正三角形,常規(guī)范圍t=(2.5~5)d0,通常選取(3~4)d0 取正d0 精餾段: n( φ A u 提餾段: n' φ= A u3.6塔板設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)計(jì)算3.6.1氣體壓降驗(yàn)算(1)氣體hf和pf驗(yàn)算 流量系數(shù)精餾段:h提餾段:hhFu精餾段:ua=V查找資料數(shù)據(jù)庫可得β=0.59;則h提餾段:ua'=查找資料數(shù)據(jù)庫可得β'=0.56(2)液體hσ計(jì)算hσ精餾段:h提餾段:h(3)每層塔板?p精餾段:h提餾段:h(4)壓降:精餾塔:V提餾塔:V從而滿足設(shè)計(jì)要求。3.6.2霧沫夾帶量eV的驗(yàn)算令eVe式中hf表示鼓泡層高度,一般常取 精餾段:hf=2.5 提餾段:hf'從而滿足設(shè)計(jì)要求。3.6.3液沫夾帶 精餾段:eeuahf=2.5hhow故hHTeV整理得:VS表2精餾段液沫夾帶取點(diǎn)L0.00040.00080.00120.00160.00200.00240.0028V1.156991.130541.108361.088561.070361.053341.03725提餾段:euahf'=2.5how故hHTeV整理得:VS表3提餾段液沫夾帶取點(diǎn)L0.00040.00080.00120.00160.00200.00240.0028V1.004740.983170.965070.948920.934080.920200.907073.6.4液泛線 令Hd=φHT+hw以及φ整理得:a式中a=0.051(A0C0精餾段:a=0.051b=0.5×0.45+0.5-0.59-1c=0.153d=0.00284×(1+0.59)×(3600從而V表4精餾段液泛線取點(diǎn)L0.00040.00080.00120.00160.0020.00240.0028V2.157582.140652.125832.112002.098692.085642.07268提餾段:a'b'c'd'從而V表5提餾段液泛線取點(diǎn)L0.00040.00080.00120.00160.00200.00240.0028V0.469660.51980.56110.597410.630340.660760.689213.6.5漏液線精餾段:V可得V表6精餾段漏液線取點(diǎn)L0.00040.00080.00120.00160.00200.00240.0028V0.469660.51980.56110.597410.630340.660760.68921提餾段:V可得V表7提餾段漏液線取點(diǎn)L0.00040.00080.00120.00160.00200.00240.0028V0.838760.907310.963901.013731.059001.100861.140073.6.6液相負(fù)荷上限精餾段:L提餾段:L3.6.7液相負(fù)荷下限精餾段:L提餾段:L4精餾塔輔助設(shè)備設(shè)計(jì)4.1各項(xiàng)接管尺寸計(jì)算4.1.1各種無縫鋼管管道的選型及各數(shù)據(jù)計(jì)算 (1)進(jìn)料管道 q取u=2.0m/s。因qv=從而選規(guī)格?45mm×3 (2)塔頂回流液管道 q 取u=2.0m/s,d=從而選規(guī)格?48mm×3 (3)塔底料液排出管道q 取u=0.8m/s,d=從而選規(guī)格?89mm×3.5mm,現(xiàn)實(shí)流量:u= (4)塔頂蒸汽出口管道q 取u=20m/s;d=從而規(guī)格選?159mm×7mm,最終流量:u=(5)塔底蒸汽進(jìn)口管道 ρ q取u=20m/s;從而選規(guī)格?133mm×7mm,最終流量:u=4.2換熱器選取設(shè)計(jì) 選用管殼式換熱器4.2.1冷凝器(1)Q0e查找資料數(shù)據(jù)得PD,tD下汽化替熱數(shù)據(jù):γγQ (2)qme t=t1 則為q (3)Ae K 加熱介質(zhì)為水,進(jìn)口溫度t1=10℃ ?t A (4)N計(jì)算及換熱管各項(xiàng)規(guī)格排列確定 選用?25mm×2.5 N( 取t=1.25nc b D (5)折流板:弓形折流板 缺口弦高h(yuǎn)=0.25D=0.068 取折流板間距B=0.4D=0.1088 折流板數(shù)NB4.2.2再沸器 (1)QPw和tw下汽化替熱數(shù)據(jù):γQ0h (2)qmh的 t=t1 則q (3)Ah K 進(jìn)口溫度t1=90℃ ?t A (4)N計(jì)算及換熱管各項(xiàng)規(guī)格排列確定 選用?25mm×2.5mm碳鋼換熱管,L=5m N=A nc b=1.1N D=t5總結(jié) 本設(shè)計(jì)主要內(nèi)容有篩板精餾塔主題設(shè)計(jì)和輔助設(shè)備以及各項(xiàng)管道規(guī)格數(shù)據(jù)設(shè)計(jì)。先計(jì)算出精餾塔進(jìn)料物質(zhì)的物質(zhì)量衡算;再通過計(jì)算出精餾塔回流比和各項(xiàng)方程最終計(jì)算出所設(shè)計(jì)的條件下的精餾塔理論塔板數(shù),其中包括確定了精餾提餾段的理論塔板數(shù)、進(jìn)料口理論所在位置;通過計(jì)算塔體的實(shí)際效率求出設(shè)計(jì)精餾塔現(xiàn)實(shí)塔板數(shù),包括最終所做出來的精餾塔的現(xiàn)實(shí)進(jìn)料口所處方位、精餾提餾現(xiàn)實(shí)需要的塔板數(shù);計(jì)算理論塔板數(shù)的同時(shí)也確定了各塔板不同位置的平均摩爾質(zhì)量、密度,確定塔的操作壓強(qiáng)、溫度等物性數(shù)據(jù);后根據(jù)所取設(shè)計(jì)條件下求得的液體流量、氣體氣速確定了精餾塔塔徑、有效以及實(shí)際塔高,最終得以確定塔板的布置;最后通過計(jì)算確定了精餾塔所有需要使用的管道合適的尺寸,確定了輔助設(shè)備的適宜規(guī)格即精餾塔換熱器合適尺寸。表8數(shù)據(jù)結(jié)果匯總表項(xiàng)目符號單位計(jì)算數(shù)據(jù)精餾段提餾段平均溫度t℃42.0258.725平均壓強(qiáng)pkPa104.3106.1流量氣相V0.355010.37378液相L0.002250.00365實(shí)際塔板數(shù)N塊26實(shí)際塔板數(shù)N塊1016塔板間距Hm0.40塔高Hm19.45塔徑Dm0.92083空塔氣速um?0.623070.73887溢流裝置弓形溢流堰、降液管、弓形溢流堰、降液管、溢流堰堰長Lm0.598540.69062溢流堰高度hm0.043880.04856溢流堰寬度Wm0.11050.17496堰上液層高度hm0.016120.02027降液管底隙高度hm0.037590.02506板上液層高度hm0.03540.03854篩孔直徑dmm44孔中心距tm0.010.01篩孔數(shù)n68138146開孔率φ%14.51214.512開孔區(qū)面積Am0.589880.70536篩孔氣速um?4.147313.50037單板壓降?kPa0.60.6液體在降液管中停留時(shí)間τs8.519118.75288液沫夾帶量ekg0.001970.00391液相負(fù)荷上限Lm0.002250.00365液相負(fù)荷下限Lm0.000510.00059表9數(shù)據(jù)結(jié)果匯總表精餾塔接管分類選用尺寸進(jìn)料管45mm×3mm塔頂回流液管48mm×3mm塔底料液排出管89mm×3.5mm塔頂蒸汽出口管159mm×7mm冷凝器符號單位計(jì)算數(shù)據(jù)熱負(fù)荷QkJ/s2217傳熱面積Am143用量qKg/h95410換熱管管徑25mm×2.5mm換熱管管長Lm5換熱管數(shù)N根2278換熱管排列管心距tmm0.005橫過管中心線管數(shù)n根57殼體內(nèi)徑Dm0.272折流板間距Bm0.1折流板數(shù)N塊45再沸器符號單位計(jì)算數(shù)據(jù)熱負(fù)荷QkJ/s2217傳熱面積Am226用量qKg/h95524換熱管管徑25mm×2.5mm換熱管管長Lm5換熱管數(shù)N根3595換熱管排列管心距tmm0.005橫過管中心線管數(shù)n根74殼體內(nèi)徑Dm0.337參考文獻(xiàn)[1]胡立峰,陳彬,王鳳.我國環(huán)氧丙烷生產(chǎn)工藝現(xiàn)狀分析及進(jìn)展[J].吉神化學(xué)工業(yè).2018,04(47):39-42[2]李明威.國內(nèi)環(huán)氧丙烷工藝技術(shù)進(jìn)展及市場分析[J].廣州化工.2020,47(11):112-114[3]李春耕,凌世明.環(huán)氧丙烷生產(chǎn)工藝研究[J].中國氯堿.2019,(05):23-28[4]崔小明.過氧化氫直接氧化法制備環(huán)氧丙烷技術(shù)進(jìn)展.化學(xué)推進(jìn)劑與高分子材料[J].2017,15(02):22-26[5]林杰賜,陳炳耀,陳明毅.空氣凈化涂料的研究進(jìn)展[J].山東化工.2021,50(03):93-98[6]鄭大鋒,陳宇,鐘定明,等.板式精餾塔塔板

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