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1、;.課程設(shè)計(jì)任務(wù)書一、課題名稱乙酸乙酯乙酸丁酯分離板式精餾塔設(shè)計(jì)二、課題條件(原始數(shù)據(jù))原 料:乙酸乙酯、乙酸丁酯溶液 處理量:4萬t/a原料組成:30%(乙酸乙酯的質(zhì)量分率)料液初溫: 35操作壓力、回流比、單板壓降:自選進(jìn)料狀態(tài):冷液體進(jìn)料塔頂產(chǎn)品濃度: 97%(質(zhì)量分率)塔底釜?dú)堃阂宜岫□セ厥章蕿?7%(質(zhì)量分率)塔 頂:全凝器塔 釜:飽和蒸汽間接加熱塔板形式:浮閥板生產(chǎn)時(shí)間:300天/年,每天24h運(yùn)行冷卻水溫度:20設(shè)備形式:浮閥板塔廠 址:衡陽市三、設(shè)計(jì)內(nèi)容(包括設(shè)計(jì)、計(jì)算、論述、實(shí)驗(yàn)、應(yīng)繪圖紙等根據(jù)目錄列出大標(biāo)題即可)1 、設(shè)計(jì)方案的選定2、精餾塔的物料衡算3、塔板數(shù)的確定4、精
2、餾塔的工藝條件及有關(guān)物性數(shù)據(jù)的計(jì)算(加熱物料進(jìn)出口溫度、密度、粘度、比熱、導(dǎo)熱系數(shù))5、精餾塔塔體工藝尺寸的計(jì)算6、塔板主要工藝尺寸的計(jì)算7、塔板的流體力學(xué)驗(yàn)算8、塔板負(fù)荷性能圖(精餾段)9、換熱器設(shè)計(jì)10、餾塔接管尺寸計(jì)算11、制生產(chǎn)工藝流程圖(帶控制點(diǎn)、機(jī)繪,A2圖紙)12、繪制板式精餾塔的總裝置圖(包括部分構(gòu)件)(手繪,A1圖紙)13、撰寫課程設(shè)計(jì)說明書一份(設(shè)計(jì)說明書的基本內(nèi)容:課程設(shè)計(jì)任務(wù)書;課程設(shè)計(jì)成績?cè)u(píng)定表;中英文摘要;目錄;設(shè)計(jì)計(jì)算與說明;設(shè)計(jì)結(jié)果匯總;小結(jié);參考文獻(xiàn)) 14、 有關(guān)物性數(shù)據(jù)可查相關(guān)手冊(cè)15、 注意事項(xiàng)l 寫出詳細(xì)計(jì)算步驟,并注明選用數(shù)據(jù)的來源l 每項(xiàng)設(shè)計(jì)結(jié)束后
3、列出計(jì)算結(jié)果明細(xì)表l 設(shè)計(jì)最終需裝訂成冊(cè)上交目 錄摘要1第一章 概述11.1精餾操作對(duì)塔設(shè)備的要求11.2板式塔類型1第二章 設(shè)計(jì)方案的確定22.1操作條件的確定22.2確定設(shè)計(jì)方案的原則4第三章塔的工藝尺寸得計(jì)算53.1精餾塔的物料衡算53.1.1摩爾分率53.1.2平均摩爾質(zhì)量53.1.3 物料衡算53.1.4 回收率53.2塔板數(shù)的確定63.2.1理論板層數(shù)N的求取63.3 精餾塔有關(guān)物性數(shù)據(jù)的計(jì)算83.3.1 操作壓力計(jì)算83.3.2 操作溫度計(jì)算93.3.3 平均摩爾質(zhì)量計(jì)算93.3.4 平均密度計(jì)算103.3.5 液體平均表面張力計(jì)算103.3.6 液體平均黏度計(jì)算113.4 精餾
4、塔的塔體工藝尺寸設(shè)計(jì)113.4.1 塔徑的計(jì)算113.4.2 精餾塔有效高度的計(jì)算113.5 塔板主要工藝尺寸的計(jì)算143.5.1 溢流裝置計(jì)算143.5.2 塔板布置173.6 篩板的流體力學(xué)驗(yàn)算193.6.1 塔板壓降203.6.2液面落差213.6.3 液沫夾帶223.6.4 漏液223.6.5 液泛233.7 塔板負(fù)荷性能圖233.7.1 漏液線233.7.2 液沫夾帶線233.7.3 液相負(fù)荷下限線243.7.4 液相負(fù)荷上限線253.7.5 液泛線26第四章 塔附屬設(shè)計(jì)294.1 塔附件設(shè)計(jì)294.2 筒體與封頭324.3 塔總體高度設(shè)計(jì)334.3.1 塔的頂部空間高度334.3.
5、2 塔的底部空間高度334.3.3 塔體高度334.4 附屬設(shè)備設(shè)計(jì)334.4.1 冷凝器的選擇334.4.2 泵的選擇34設(shè)計(jì)小結(jié)35附錄36摘 要化工生產(chǎn)過程中所處理的原料,中間產(chǎn)物,粗產(chǎn)品幾乎都是由若干組分組成的混合物,而且其中大部分都是均相物質(zhì)。生產(chǎn)中為了滿足存儲(chǔ)、運(yùn)輸。加工和使用的要求,時(shí)常將這些混合物分離為較純凈的物質(zhì)。精餾是分離液體混合物最常用的一種單元操作,在化工、煉油、石油化工等工業(yè)得到廣泛應(yīng)用。精餾過程在能量驅(qū)動(dòng)下,使氣、液兩相多次接觸和分離,利用各組分揮發(fā)度的不同,使揮發(fā)組分由液相向氣相轉(zhuǎn)移,實(shí)現(xiàn)原料混合物中各組分分離,該過程是同時(shí)進(jìn)行傳熱傳質(zhì)過程。本次設(shè)計(jì)任務(wù)為設(shè)計(jì)一定
6、處理量的分離乙酸乙酯-乙酸丁酯混合物的精餾塔。板式精餾塔也是很早出現(xiàn)的一種板式塔,20世紀(jì)50年代起對(duì)板式精餾塔進(jìn)行了大量工業(yè)規(guī)模的研究,逐步掌握了篩板塔的性能,并形成了較完善的設(shè)計(jì)方法。與泡罩塔相比,板式精餾塔具有下列優(yōu)點(diǎn):生產(chǎn)能力(20%40%)塔板效率(10%50%)而且結(jié)構(gòu)簡單,塔盤造價(jià)減少40%左右,安裝,維修都較容易。而在板式精餾塔中,篩板塔有結(jié)構(gòu)比浮閥塔更簡單,易于加工,造價(jià)約為泡罩塔的60,為浮閥塔的80左右,處理能力大等優(yōu)點(diǎn),綜合考慮更符合本設(shè)計(jì)的要求?;ぴ碚n程設(shè)計(jì)是培養(yǎng)我們化工設(shè)計(jì)能力的重要教學(xué)環(huán)節(jié),通過課程設(shè)計(jì)使我們初步掌握化工設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)知識(shí)、設(shè)計(jì)原則及方法;學(xué)會(huì)各種
7、手冊(cè)的使用方法及物理性質(zhì)、化學(xué)性質(zhì)的查找方法和技巧;掌握各種結(jié)果的校核,能畫出工藝流程、塔板結(jié)構(gòu)等圖形。在設(shè)計(jì)過程中不僅要考慮理論上的可行性,還要考慮生產(chǎn)上的安全性、經(jīng)濟(jì)合理性。本課程設(shè)計(jì)的主要內(nèi)容是過程的物料衡算,工藝計(jì)算,結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和校核。關(guān)鍵詞:板式精餾塔 篩板 計(jì)算 校核.第一章 概 述塔設(shè)備是最常采用的精餾裝置,無論是填料塔還是板式塔都在化工生產(chǎn)過程中得到了廣泛的應(yīng)用,在此我們作板式塔的設(shè)計(jì)以熟悉單元操作設(shè)備的設(shè)計(jì)流程和應(yīng)注意的事項(xiàng)是非常必要的。1.1精餾操作對(duì)塔設(shè)備的要求 精餾所進(jìn)行的是氣(汽)、液兩相之間的傳質(zhì),而作為氣(汽)、液兩相傳質(zhì)所用的塔設(shè)備,首先必須要能使氣(汽)、液兩相
8、得到充分的接觸,以達(dá)到較高的傳質(zhì)效率。但是,為了滿足工業(yè)生產(chǎn)和需要,塔設(shè)備還得具備下列各種基本要求: (1)氣(汽)、液處理量大,即生產(chǎn)能力大時(shí),仍不致發(fā)生大量的霧沫夾帶、攔液或液泛等破壞操作的現(xiàn)象。 (2)操作穩(wěn)定,彈性大,即當(dāng)塔設(shè)備的氣(汽)、液負(fù)荷有較大范圍的變動(dòng)時(shí),仍能在較高的傳質(zhì)效率下進(jìn)行穩(wěn)定的操作并應(yīng)保證長期連續(xù)操作所必須具有的可靠性。 (3)流體流動(dòng)的阻力小,即流體流經(jīng)塔設(shè)備的壓力降小,這將大大節(jié)省動(dòng)力消耗,從而降低操作費(fèi)用。對(duì)于減壓精餾操作,過大的壓力降還將使整個(gè)系統(tǒng)無法維持必要的真空度,最終破壞物系的操作。 (4) 結(jié)構(gòu)簡單,材料耗用量小,制造和安裝容易。 (5)耐腐蝕和不易
9、堵塞,方便操作、調(diào)節(jié)和檢修。 (6) 塔內(nèi)的滯留量要小。實(shí)際上,任何塔設(shè)備都難以滿足上述所有要求,況且上述要求中有些也是互相矛盾的。不同的塔型各有某些獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn),設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)根據(jù)物系性質(zhì)和具體要求,抓住主要矛盾,進(jìn)行選型。1.2板式塔類型 氣液傳質(zhì)設(shè)備主要分為板式塔和填料塔兩大類。精餾操作既可采用板式塔,也可采用填料塔,填料塔的設(shè)計(jì)將在其他分冊(cè)中作詳細(xì)介紹,故本書將只介紹板式塔。 板式塔為逐級(jí)接觸型氣液傳質(zhì)設(shè)備,其種類繁多,根據(jù)塔板上氣液接觸元件的不同,可分為泡罩塔、浮閥塔、篩板塔、穿流多孔板塔、舌形塔、浮動(dòng)舌形塔和浮動(dòng)噴射塔等多種。板式塔在工業(yè)上最早使用的是泡罩塔(1813年)、篩板塔(1832
10、年),其后,特別是在本世紀(jì)五十年代以后,隨著石油、化學(xué)工業(yè)生產(chǎn)的迅速發(fā)展,相繼出現(xiàn)了大批新型塔板,如S型板、浮閥塔板、多降液管篩板、舌形塔板、穿流式波紋塔板、浮動(dòng)噴射塔板及角鋼塔板等。目前從國內(nèi)外實(shí)際使用情況看,主要的塔板類型為浮閥塔、篩板塔及泡罩塔,而前兩者使用尤為廣泛,因此,本章只討論篩板塔的設(shè)計(jì)。篩板塔也是傳質(zhì)過程常用的塔設(shè)備,它的主要優(yōu)點(diǎn)有: (1) 結(jié)構(gòu)比浮閥塔更簡單,易于加工,造價(jià)約為泡罩塔的60,為浮閥塔的80左右。 (2)處理能力大,比同塔徑的泡罩塔可增加1015。 (3) 塔板效率高,比泡罩塔高15左右。(4)壓降較低,每板壓力比泡罩塔約低30左右。篩板塔的缺點(diǎn)是: (1)塔
11、板安裝的水平度要求較高,否則氣液接觸不勻。 (2) 操作彈性較小(約23)。 (3)小孔篩板容易堵塞。第二章 設(shè)計(jì)方案的確定 本設(shè)計(jì)任務(wù)為乙醇水混合物。對(duì)于二元混合物的分離,應(yīng)采用連續(xù)精餾流程。設(shè)計(jì)中采用泡點(diǎn)進(jìn)料,將原料液通過預(yù)熱器加熱至泡點(diǎn)后送入精餾塔內(nèi)。塔頂上升蒸氣采用全凝器冷凝,冷凝液在泡點(diǎn)下一部分回流至塔內(nèi),其余部分經(jīng)產(chǎn)品冷卻器冷卻后送至儲(chǔ)罐。該物系屬易分離物系,最小回流比較小,故操作回流比取最小回流比的2倍。塔釜采用間接蒸汽加熱,塔底產(chǎn)品經(jīng)冷卻后送至儲(chǔ)罐。2.1操作條件的確定確定設(shè)計(jì)方案是指確定整個(gè)精餾裝置的流程、各種設(shè)備的結(jié)構(gòu)型式和某些操作指標(biāo)。例如組分的分離順序、塔設(shè)備的型式、操
12、作壓力、進(jìn)料熱狀態(tài)、塔頂蒸汽的冷凝方式等。下面結(jié)合課程設(shè)計(jì)的需要,對(duì)某些問題作些闡述。2.1.1操作壓力 蒸餾操作通常可在常壓、加壓和減壓下進(jìn)行。確定操作壓力時(shí),必須根據(jù)所處理物料的性質(zhì),兼顧技術(shù)上的可行性和經(jīng)濟(jì)上的合理性進(jìn)行考慮。例如,采用減壓操作有利于分離相對(duì)揮發(fā)度較大組分及熱敏性的物料,但壓力降低將導(dǎo)致塔徑增加,同時(shí)還需要使用抽真空的設(shè)備。對(duì)于沸點(diǎn)低、在常壓下為氣態(tài)的物料,則應(yīng)在加壓下進(jìn)行蒸餾。當(dāng)物性無特殊要求時(shí),一般是在稍高于大氣壓下操作。但在塔徑相同的情況下,適當(dāng)?shù)靥岣卟僮鲏毫梢蕴岣咚奶幚砟芰?。有時(shí)應(yīng)用加壓蒸餾的原因,則在于提高平衡溫度后,便于利用蒸汽冷凝時(shí)的熱量,或可用較低品位
13、的冷卻劑使蒸汽冷凝,從而減少蒸餾的能量消耗。2.1.2 進(jìn)料狀態(tài) 進(jìn)料狀態(tài)與塔板數(shù)、塔徑、回流量及塔的熱負(fù)荷都有密切的聯(lián)系。在實(shí)際的生產(chǎn)中進(jìn)料狀態(tài)有多種,但一般都將料液預(yù)熱到泡點(diǎn)或接近泡點(diǎn)才送入塔中,這主要是由于此時(shí)塔的操作比較容易控制,不致受季節(jié)氣溫的影響。此外,在泡點(diǎn)進(jìn)料時(shí),精餾段與提餾段的塔徑相同,為設(shè)計(jì)和制造上提供了方便。2.1.3加熱方式蒸餾釜的加熱方式通常采用間接蒸汽加熱,設(shè)置再沸器。有時(shí)也可采用直接蒸汽加熱。若塔底產(chǎn)物近于純水,而且在濃度稀薄時(shí)溶液的相對(duì)揮發(fā)度較大(如酒精與水的混合液),便可采用直接蒸汽加熱。直接蒸汽加熱的優(yōu)點(diǎn)是:可以利用壓力較低的蒸汽加熱;在釜內(nèi)只須安裝鼓泡管,
14、不須安置龐大的傳熱面。這樣,可節(jié)省一些操作費(fèi)用和設(shè)備費(fèi)用。然而,直接蒸汽加熱,由于蒸汽的不斷通入,對(duì)塔底溶液起了稀釋作用,在塔底易揮發(fā)物損失量相同的情況下,塔底殘液中易揮發(fā)組分的濃度應(yīng)較低,因而塔板數(shù)稍有增加。但對(duì)有些物系(如酒精與水的二元混合液),當(dāng)殘液的濃度稀薄時(shí),溶液的相對(duì)揮發(fā)度很大,容易分離,故所增加的塔板數(shù)并不多,此時(shí)采用直接蒸汽加熱是合適的。值得提及的是,采用直接蒸汽加熱時(shí),加熱蒸汽的壓力要高于釜中的壓力,以便克服蒸汽噴出小孔的阻力及釜中液柱靜壓力。對(duì)于本實(shí)驗(yàn)溶液,一般采用0.40.7KPa(表壓)。2.1.4冷卻劑與出口溫度冷卻劑的選擇由塔頂蒸汽溫度決定。如果塔頂蒸汽溫度低,可選
15、用冷凍鹽水或深井水作冷卻劑。如果能用常溫水作冷卻劑,是最經(jīng)濟(jì)的。水的入口溫度由氣溫決定,出口溫度由設(shè)計(jì)者確定。冷卻水出口溫度取得高些,冷卻劑的消耗可以減少,但同時(shí)溫度差較小,傳熱面積將增加。冷卻水出口溫度的選擇由當(dāng)?shù)厮Y源確定,但一般不宜超過50,否則溶于水中的無機(jī)鹽將析出,生成水垢附著在換熱器的表面而影響傳熱。2.2確定設(shè)計(jì)方案的原則確定設(shè)計(jì)方案總的原則是在可能的條件下,盡量采用科學(xué)技術(shù)上的最新成就,使生產(chǎn)達(dá)到技術(shù)上最先進(jìn)、經(jīng)濟(jì)上最合理的要求,符合優(yōu)質(zhì)、高產(chǎn)、安全、低消耗的原則。2.2.1滿足工藝和操作的要求所設(shè)計(jì)出來的流程和設(shè)備,首先必須保證產(chǎn)品達(dá)到任務(wù)規(guī)定的要求,而且質(zhì)量要穩(wěn)定,這就要求
16、各流體流量和壓頭穩(wěn)定,入塔料液的溫度和狀態(tài)穩(wěn)定,從而需要采取相應(yīng)的措施。其次所定的設(shè)計(jì)方案需要有一定的操作彈性,各處流量應(yīng)能在一定范圍內(nèi)進(jìn)行調(diào)節(jié),必要時(shí)傳熱量也可進(jìn)行調(diào)整。因此,在必要的位置上要裝置調(diào)節(jié)閥門,在管路中安裝備用支線。計(jì)算傳熱面積和選取操作指標(biāo)時(shí),也應(yīng)考慮到生產(chǎn)上的可能波動(dòng)。再其次,要考慮必需裝置的儀表(如溫度計(jì)、壓強(qiáng)計(jì),流量計(jì)等)及其裝置的位置,以便能通過這些儀表來觀測生產(chǎn)過程是否正常,從而幫助找出不正常的原因,以便采取相應(yīng)措施。2.2.2滿足經(jīng)濟(jì)上的要求要節(jié)省熱能和電能的消耗,減少設(shè)備及基建費(fèi)用。如前所述在蒸餾過程中如能適當(dāng)?shù)乩盟敗⑺椎膹U熱,就能節(jié)約很多生蒸汽和冷卻水,也
17、能減少電能消耗。又如冷卻水出口溫度的高低,一方面影響到冷卻水用量,另方面也影響到所需傳熱面積的大小,即對(duì)操作費(fèi)和設(shè)備費(fèi)都有影響。同樣,回流比的大小對(duì)操作費(fèi)和設(shè)備費(fèi)也有很大影響。 2.2.3保證安全生產(chǎn)例如酒精屬易燃物料,不能讓其蒸汽彌漫車間,也不能使用容易發(fā)生火花的設(shè)備。又如,塔是指定在常壓下操作的,塔內(nèi)壓力過大或塔驟冷而產(chǎn)生真空,都會(huì)使塔受到破壞,因而需要安全裝置。以上三項(xiàng)原則在生產(chǎn)中都是同樣重要的。但在化工原理課程設(shè)計(jì)中,對(duì)第一個(gè)原則應(yīng)作較多的考慮,對(duì)第二個(gè)原則只作定性的考慮,而對(duì)第三個(gè)原則只要求作一般的考慮。第三章 塔的工藝尺寸的計(jì)算3.1精餾塔的物料衡算物料衡算原料組成: 乙酸乙酯:3
18、0% 乙酸丁酯:70%流量: F=400噸/年塔頂流出液: 回收率:A=97%塔釜流出液: 回收率:%乙酸乙酯(以下用A代表):摩爾質(zhì)量MA=88.11kg/kmol摩爾百分?jǐn)?shù)xA=( 0.3/88.11)/(0.3/88.11+0.7/116.16)=0.361乙酸丁酯(以下用B代表):摩爾質(zhì)量MB=116.16kg/kmol摩爾百分?jǐn)?shù)xB=1xA =0.639原料液平均摩爾質(zhì)量:M平均=88.110.361+116.160.639=106.03kg/kmol F=(40000103)/(30024)=5555.56kg/h F=5555.56/106.03=52.40Kmol/h餾出液中乙
19、酸乙酯的摩爾分?jǐn)?shù)xD=97/88.11/(97/88.11+3/116.16)=0.977釜?dú)堃褐幸宜嵋阴サ哪柗謹(jǐn)?shù)xW=3/88.11/(3/88.11+97/116.16)=0.039全塔物料衡算:F=D+W FxF =DxD+Wxw 由計(jì)算得餾出液摩爾流量D=17.99 kmol/h 釜液液摩爾流量W=34.41 kmol/h 圖1 乙酸乙酯和乙酸丁酯二元混合物的t-x(y)關(guān)系圖由圖t-x(y)查得,進(jìn)料液泡點(diǎn)溫度tb=99.68塔頂溫度:79.36 塔底溫度:122.11進(jìn)料溫度 tF = 35平均溫度 tm=( tb+tF) /2=67.34進(jìn)料熱狀態(tài)參數(shù):進(jìn)料平均摩爾熱容:CpL
20、 = xF CpA+(1xF)CpB = 229.31 kJ/(kmolK)進(jìn)料平均摩爾汽化潛熱:r = xFrA+(1xF)rB = 35.14 kJ/mol故求得熱狀態(tài)參數(shù): q=1.26進(jìn)料熱狀態(tài)參數(shù)q線方程:平衡線方程進(jìn)料熱狀態(tài)參數(shù)q線方程與平衡線方程的交點(diǎn)為(0.472,0.899)故取R=2Rmin=0.366故精餾段操作線方程精餾段氣相摩爾流量:V = (R+1)D = 24.57 kmol/ h 精餾段液相摩爾流量:L = RD = 6.58kmol /h提餾段氣相摩爾流量:V = V(1q)F =20.21kmol/h 提餾段液相摩爾流量:L = L+qF = 72.6kmo
21、l/h提餾段操作線方程:故提餾段操作線方程y=1.9x-0.0353.2.1.3 逐板法求塔板數(shù):,q線方程和精餾段操作線方程交點(diǎn)xq=0.459求得x1=0.809 y2=0,932 X2=0.587 y3=0.870 X3=0.40.459 則精餾段N=2提餾段: x3=0.4 y4=0.725 X4= 0.208 y5=0.36 X5=0.053 y6=0.066 X6= 0.0007 0.039 則提餾段N=3 第三塊板為最佳進(jìn)料理論板。3.2.2實(shí)際板層數(shù)的求取 定性溫度計(jì)算由t x(y)圖查得塔頂溫度 tD=79.36 塔底溫度tW=122.11 定性溫度 tm=( tD +tW)
22、=100.74 平均黏度L計(jì)算由圖5查得 A = 0.21cp B=0.31cpL = xFA + (1xF) B = 0.274cp 平均相對(duì)揮發(fā)度計(jì)算塔底相對(duì)揮發(fā)度 W = yw/(1yw)(1xw)/ xw=10.02塔頂相對(duì)揮發(fā)度 D = xD/(1xD)(1x1)/ x1=10.02平均相對(duì)揮發(fā)度 由Oconnell公式得全塔效率:ET=0.49k(L)-0.245=0.38精餾段實(shí)際塔板數(shù):NT=2/ ET =5.2塊6塊提餾段實(shí)際塔板數(shù):NT=3/ ET =7.89塊8塊塔有關(guān)物性數(shù)據(jù)的計(jì)算3.3 精餾塔有關(guān)物性數(shù)據(jù)的計(jì)算物性數(shù)據(jù)數(shù)據(jù)的查取和估算對(duì)于工藝設(shè)計(jì)計(jì)算非常重要,精餾塔設(shè)計(jì)中主要的物性數(shù)據(jù)包括:密度、粘度、比熱、汽化熱和表面張力。3.3.1 操作壓力計(jì)算(影響氣相密度,進(jìn)而影響Vs、D、塔板結(jié)構(gòu)參數(shù))取塔頂表壓為0Kpa。塔頂操作壓力 每層塔板壓降 P=0.5KPa,一般0.4-0.7kPa,浮閥塔板的壓降為0.2650.53kPa,篩板的小于浮閥塔板,泡罩的大于浮閥塔板。進(jìn)料板壓力 PF=101.325+0.56=104.325KPa塔底操作
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