課程設計---乙醇—水溶液連續(xù)精餾塔設計_第1頁
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文檔簡介

1、<p><b>  目錄</b></p><p>  設計任務書··························

2、3;··················· 4</p><p>  第一章 前言···········

3、83;································ 5</p><p>

4、;  第二章 精餾塔過程的確定······························ 5</p><p&g

5、t;  第三章 精餾塔設計物料計算···························· 5</p><p>  3.1水和乙

6、醇有關物性數(shù)據(jù)································ 6</p><

7、;p>  3.2 塔的物料衡算·································

8、83;······ 6</p><p>  3.2.1料液及塔頂、塔底產品及含乙醇摩爾分率………………… 7 </p><p>  3.2.2平均分子量··············

9、·························· 8</p><p>  3.2.3物料衡算····

10、3;····································&#

11、183; 8 </p><p>  3.3塔板數(shù)的確定······························

12、;············ 8</p><p>  3.3.1理論塔板數(shù)的求取··················

13、;············ 8</p><p>  3.3.2求理論塔板數(shù)··················&

14、#183;··············· 9</p><p>  3.4塔的工藝條件及物性數(shù)據(jù)計算·············

15、3;············· 11</p><p>  3.4.1操作壓強·················&

16、#183;···················· 12</p><p>  3.4.2溫度··········

17、································· 12</p><p

18、>  3.4.3平均分子量··································

19、· 12</p><p>  3.4.4平均密度·····························

20、83;········ 13</p><p>  3.4.5液體表面張力 ·····················&#

21、183;·········· 13</p><p>  3.4.6液體粘度····················

22、;················ 14</p><p>  3.4.7精餾段氣液負荷計算·············

23、83;················· 14</p><p>  第四章 精餾塔設計工藝計算············&

24、#183;················ 15</p><p>  4.1塔徑··············&#

25、183;······························ 15</p><p>  4.2精餾塔的有

26、效高度計算······························ 16</p><p>  4.3溢流裝置&

27、#183;····································

28、;····· 16</p><p>  4.3.1堰長··························

29、;············· 16</p><p>  4.3.2出口堰高·················&#

30、183;················ 16</p><p>  4.3.3降液管的寬度與降液管的面積············

31、 16</p><p>  4.3.4降液管底隙高度···························· 17</p&g

32、t;<p>  4.4塔板布置及浮閥數(shù)目排列··························· 17</p><p>  4.

33、5塔板流體力學校核································· 18</p>

34、;<p>  4.5.1氣相通過浮塔板的壓力降······················· 18</p><p>  4.5.2淹塔···

35、····································

36、3;· 18</p><p>  4.6霧沫夾帶·····························

37、3;··········· 18</p><p>  4.7塔板負荷性能圖···················&

38、#183;··············· 16</p><p>  4.7.1霧沫夾帶線··············

39、3;···················· 17</p><p>  4.7.2液泛線··········

40、83;···························· 17</p><p>  4.7.3液相負荷上限線·

41、3;····························· 18</p><p>  4.7.4漏液線(氣相負荷下限線)

42、······················ 18</p><p>  4.7.5液相負荷下限線········&

43、#183;······················ 18</p><p>  4.8塔板負荷性能圖·······

44、3;··························· 19</p><p>  第五章 接頭管設計···&#

45、183;·································· 20</p&

46、gt;<p>  設計計算結果總表································

47、3;······ 20</p><p>  符號說明·························

48、························ 21</p><p>  關鍵詞·······

49、3;····································&#

50、183;······ 22</p><p>  參考文獻·························

51、;························ 22</p><p>  課程設計心得·······

52、····································

53、3; 23</p><p>  附錄·······························

54、83;····················· 24</p><p>  附錄一、水在不同溫度下的黏度········&

55、#183;··················· 24</p><p>  附錄二、飽和水蒸氣表··········

56、3;························· 24</p><p>  附錄三、乙醇在不同溫度下的密度····&#

57、183;····················· 25</p><p>  附錄四、化工小軟件計算的塔相關參數(shù)…………………………… 26</p><p>  附錄五、換熱器

58、的設計以及結構參數(shù)…………………………… 27</p><p>  注:所有計算的相關物性數(shù)據(jù)均是用aspen property 在物性方法為NRTL下模擬。</p><p><b>  精餾塔設計任務書</b></p><p><b>  一、設計題目</b></p><p>  乙醇—水

59、溶液連續(xù)精餾塔設計</p><p><b>  二、設計條件</b></p><p> ?。?)處理量:120000(噸/年)</p><p> ?。?)料液濃度:20(wt%)</p><p> ?。?)產品濃度:塔頂乙醇含量不低于95%</p><p>  塔底乙醇含量不高于0.2%</

60、p><p> ?。?)每年實際生產時間:7200小時/年</p><p><b> ?。?)操作條件:</b></p><p>  精餾塔塔頂壓力 常壓</p><p>  進料熱狀態(tài) 自選</p><p>  回流比 自選</p><p>  加熱蒸汽

61、壓力 常壓蒸汽</p><p>  單板壓降 0.7kPa</p><p>  乙醇-水平衡數(shù)據(jù)自查</p><p>  (6)設備類型為浮閥塔</p><p><b>  三、設計任務</b></p><p>  1、精餾塔的物料衡算</p><p>&l

62、t;b>  2、塔板數(shù)的確定</b></p><p>  3、精餾塔的工藝條件及有關數(shù)據(jù)的計算</p><p>  4、精餾塔的塔體工藝尺寸計算</p><p>  5、塔板主要工藝尺寸的計算</p><p>  6、塔板的流體力學驗算</p><p><b>  7、塔板負荷性能圖<

63、/b></p><p>  8、精餾塔接管尺寸計算</p><p>  9、查找物性參數(shù)(見附件)</p><p>  乙醇——水溶液連續(xù)精餾塔優(yōu)化設計</p><p><b>  第一章 前 言</b></p><p>  乙醇在工業(yè)、醫(yī)藥、民用等方面,都有很廣泛的應用,是很重要的一種原

64、料。在很多方面,要求乙醇有不同的純度,有時要求純度很高,甚至是無水乙醇,這是很有困難的,因為乙醇極具揮發(fā)性,也極具溶解性,所以,想要得到高純度的乙醇很困難。</p><p>  要想把低純度的乙醇水溶液提升到高純度,要用連續(xù)精餾的方法,因為乙醇和水的揮發(fā)度相差不大。精餾是多數(shù)分離過程,即同時進行多次部分汽化和部分冷凝的過程,因此可使混合液得到幾乎完全的分離?;S中精餾操作是在直立圓形的精餾塔內進行的,塔內裝有若

65、干層塔板或充填一定高度的填料。為實現(xiàn)精餾分離操作,除精餾塔外,還必須從塔底引入上升蒸汽流和從塔頂引入下降液??芍?,單有精餾塔還不能完成精餾操作,還必須有塔底再沸器和塔頂冷凝器,有時還要配原料液預熱器、回流液泵等附屬設備,才能實現(xiàn)整個操作。</p><p>  浮閥塔與20世紀50年代初期在工業(yè)上開始推廣使用,由于它兼有泡罩塔和篩板塔的優(yōu)點,已成為國內應用最廣泛的塔型,特別是在石油、化學工業(yè)中使用最普遍。浮閥有很多

66、種形式,但最常用的形式是F1型和V-4型。F1型浮閥的結果簡單、制造方便、節(jié)省材料、性能良好,廣泛應用在化工及煉油生產中,現(xiàn)已列入部頒標準(JB168-68)內,F(xiàn)1型浮閥又分輕閥和重閥兩種,但一般情況下都采用重閥,只有處理量大且要求壓強降很低的系統(tǒng)中,才用輕閥。浮閥塔具有下列優(yōu)點:1、生產能力大。2、操作彈性大。3、塔板效率高。4、氣體壓強降及液面落差較小。5、塔的造價低。浮閥塔不宜處理易結焦或黏度大的系統(tǒng),但對于黏度稍大及有一般聚合

67、現(xiàn)象的系統(tǒng),浮閥塔也能正常操作。</p><p>  第二章 精餾流程的確定</p><p>  乙醇——水溶液經預熱至泡點后,用泵送入精餾塔。塔頂上升蒸氣采用全冷凝后,部分回流,其余作為塔頂產品經冷卻器冷卻后送至貯槽。塔釜采用間接蒸汽再沸器供熱,塔底產品經冷卻后送入貯槽。其中工藝流程圖見圖。其中精餾塔選用F1型重閥浮閥塔。</p><p>  圖2-1乙醇-水精

68、餾塔工藝流程簡圖</p><p>  第三章 精餾塔設計物料計算</p><p>  在常壓連續(xù)浮閥精餾塔中精餾乙醇——水溶液,要求料液濃度為30%,產品濃度為95%,易揮發(fā)組分回收率99.9%。年生產能力120000噸/年</p><p>  操作條件:①間接蒸汽加熱</p><p>  ②塔頂壓強:1atm(絕對壓強)</p>

69、;<p> ?、圻M料熱狀況:常溫進料</p><p>  3.1查閱文獻,整理有關物性數(shù)據(jù)</p><p>  ⑴水和乙醇的物理性質</p><p> ?、瞥合乱掖己退臍庖浩胶鈹?shù)據(jù),見附件</p><p>  3.2 塔的物料衡算</p><p>  3.2.1料液及塔頂、塔底產品及含乙醇摩爾分率&

70、lt;/p><p><b>  0.089</b></p><p><b>  0.881</b></p><p><b>  0.00078</b></p><p>  3.2.2平均分子量</p><p><b>  =20.49</b&

71、gt;</p><p><b>  42.668</b></p><p><b>  =18.00</b></p><p><b>  3.2.3物料衡算</b></p><p>  總物料衡算 </p><p>  易揮發(fā)組分的物料衡算

72、</p><p><b>  聯(lián)立以上二式得</b></p><p><b>  3.3塔板數(shù)的確定</b></p><p>  3.3.1理論塔板數(shù)的求取</p><p> ?。?)根據(jù)乙醇—水氣液平衡表</p><p> ?。?)求取最小回流比Rmin和操作回流比R<

73、;/p><p>  因為乙醇—水不是理想體系,當操作線與q線的交點尚未落到平衡線上之前,操作線已經于平衡線相切,如圖2-2點所示,此時恒濃區(qū)出現(xiàn)在g點附近,對應回流比為最小回流比。由點(xD,xD)向平衡線做切線,切線斜率為。</p><p>  圖3-2 </p><p>  Rmin=3.08,由工藝條件決定R=1.6Rmin</p>

74、<p><b>  故取R=4.928</b></p><p>  由于采用泡點進料,所以q=1</p><p>  3.3.2求理論塔板數(shù)</p><p><b>  回收率</b></p><p><b>  乙醇的回收率為:</b></p><

75、;p><b>  水的回收率為:</b></p><p><b>  精餾段操作線方程為</b></p><p><b>  提餾段操作線方程為</b></p><p>  采用fensk方程求最小理論板層數(shù),</p><p>  其中t為攝氏度,p為毫米汞柱</p

76、><p>  查附錄 得到 乙醇的安托因常數(shù)</p><p>  A=8.04494 B=1554.3 C=222.65</p><p><b>  水的安托因常數(shù)</b></p><p>  A=7.96681 B=1668.21 C=228.0</p><p>  塔頂?shù)臏囟?t=78

77、.16 ps乙醇=753.11 ps水=328.7943 a1= 2.290529</p><p>  塔底的溫度 t=100 ps乙醇= 1689.062 ps水= 759.983 a2= 2.2225</p><p>  進料板的溫度 t=87.1 ps乙醇= 1064.198 ps水= 470.5285 a3= 2.261707</p><p>  塔頂和塔底

78、的平均相對揮發(fā)度為 =2.57</p><p>  同理可證 =2.27</p><p>  把相關數(shù)據(jù)代入式中 可以求出最小理論板數(shù)為:</p><p><b>  12</b></p><p><b>  精餾段理論板數(shù) </b></p><p><b>  提

79、餾段理論板數(shù)為</b></p><p><b>  實際塔板數(shù)的確定</b></p><p><b>  方法一:</b></p><p><b>  全塔效率 </b></p><p>  根據(jù)塔頂、塔底液相組成查圖3-6,求得塔平均溫度為89.05℃,該溫

80、度下的進料液相平均粘度為:</p><p>  實際塔板數(shù) 精餾段塔板數(shù):</p><p><b>  提餾段塔板數(shù):</b></p><p><b>  總塔板數(shù)為26層 </b></p><p><b>  方法二;</b></p><p>  在

81、給定回流比和進料量以及規(guī)定條件下,用aspen plus 模擬的條件可得</p><p><b>  其中</b></p><p>  條件:物性方程:NRTL 進料:140kpa 冷凝:全凝 實際板數(shù):60</p><p>  進料板位置:50(氣相進入49層)</p><p>  得實際塔板為60層為能滿足精餾餾出產

82、品要求</p><p>  注:相關的具體步驟見附錄</p><p>  3.4塔的工藝條件及物性數(shù)據(jù)計算</p><p>  以精餾段為例進行計算:</p><p><b>  3.4.1操作壓強</b></p><p>  塔頂壓強,取每層塔板壓降</p><p>&l

83、t;b>  進料板壓強</b></p><p><b>  精餾段平均操作壓強</b></p><p><b>  3.4.2溫度</b></p><p>  根據(jù)操作壓強,依據(jù)安托因方程及泡點方程</p><p>  試差計算得:塔頂,進料板 則精餾段平均溫度</p>

84、;<p>  3.4.3平均分子量</p><p><b>  相平衡方程</b></p><p><b>  塔頂 </b></p><p><b>  進料板 </b></p><p><b>  塔釜 </b><

85、;/p><p>  精餾段的平均摩爾質量 </p><p>  提餾段的平均摩爾質量 </p><p><b>  3.4.4平均密度</b></p><p><b>  液相密度</b></p><p>  塔頂: kg/m3</p><p&

86、gt;  進料板上由進料板液相組成 </p><p><b>  kg/m3</b></p><p>  故精餾段平均液相密度kg/m3</p><p><b>  塔釜的液相組成為:</b></p><p>  =951.7 kg/m3</p><p><b>

87、  kg/m3</b></p><p><b> ?。?)氣相密度</b></p><p><b>  kg/m3</b></p><p>  3.4.5液體表面張力 </p><p><b>  3.4.6液體粘度</b></p><p>

88、;  3.4.7精餾段氣液負荷計算</p><p><b>  m3/s</b></p><p><b>  m3/s</b></p><p><b>  m3/s</b></p><p>  第四章 塔和塔板主要工藝尺寸計算</p><p><

89、;b>  4.1塔徑</b></p><p>  氣體負荷系數(shù),由圖4-1史密斯關聯(lián)圖,查得,圖中的橫坐標為</p><p>  初取板間距離,取板上液層高度</p><p><b>  故</b></p><p><b>  查圖4-1可得,故</b></p>&l

90、t;p>  可取安全系數(shù)0.7,則</p><p>  取標準塔徑圓整為1.8m</p><p>  塔截面積為 </p><p><b>  實際空塔氣速為</b></p><p>  4.2精餾塔的有效高度計算</p><p><b>  精餾段有效高度為<

91、/b></p><p><b>  提餾段有效高度為</b></p><p>  在進料板上設3個人孔,高為0.6m,提餾段設1個人孔,高為0.6m</p><p>  故精餾塔有效高度為38.4+3.6+0.84=45.2m</p><p><b>  4.3溢流裝置</b></p&g

92、t;<p>  采用單溢流、弓形降液管、平行受液盤及平行溢流堰,設進口堰</p><p><b>  4.3.1堰長</b></p><p><b>  取堰長</b></p><p>  4.3.2出口堰高和進口堰的高度</p><p>  由,,查圖4-1知E為1.01,根據(jù)下式計

93、算</p><p><b>  故</b></p><p><b>  進口堰的高度=</b></p><p>  4.3.3降液管的寬度與降液管的面積</p><p><b>  由查圖4-2得</b></p><p><b>  故 m2

94、</b></p><p>  液體在降液管中停留時間</p><p><b> ?。?s符合要求)</b></p><p>  4.3.4降液管底隙高度,進口堰的高度=</p><p>  由于處理量較大,所以設置進口堰</p><p>  取液體通過降液管底隙的流速為0.08m/s&

95、lt;/p><p><b>  則 </b></p><p><b> ?。?.006m)</b></p><p><b>  符合要求。</b></p><p>  4.3.4降液管底隙進口堰和降液管的水平距離</p><p><b>  ==0

96、.016mm</b></p><p><b>  由于塔的操作流量</b></p><p>  4.4塔板布置及浮閥數(shù)目排列</p><p><b>  取閥孔動能因子</b></p><p><b>  孔速</b></p><p><

97、;b>  浮閥數(shù)</b></p><p>  取無效區(qū)寬度 =0.06m</p><p>  安定區(qū)寬度 =0.07m</p><p><b>  開孔區(qū)面積</b></p><p><b>  故 </b></p><p>  浮閥排

98、列方式采用等腰三角形叉排</p><p><b>  取同一橫排的孔心距</b></p><p><b>  估算排間距</b></p><p>  閥孔數(shù)變化不大,仍在9~12之間。</p><p><b>  塔板開孔率=</b></p><p> 

99、 4.5塔板流體力學校核</p><p>  4.5.1氣相通過浮塔板的壓力降</p><p><b>  由下式</b></p><p><b>  干板阻力 </b></p><p> ?。?)液層阻力 取充氣系數(shù),有</p><p>  液體表面張力所造成的阻

100、力此項可以忽略不計。</p><p>  故氣體流經一層浮閥塔塔板的壓力降的液柱高度為:</p><p>  常板壓降 (<0.7KPa,符合設計要求)</p><p><b>  4.5.2淹塔</b></p><p>  為了防止淹塔現(xiàn)象發(fā)生,要求控制降液管中清液層高度符合下式</p><p

101、><b>  其中 </b></p><p><b>  已知,按下式計算</b></p><p><b>  板上層液,得 </b></p><p><b>  取,板間距,,則有</b></p><p>  由此可見:,符合要求。</p

102、><p><b>  4.6霧沫夾帶</b></p><p>  板上液體流經長度 </p><p>  板上液流面積 </p><p>  水和乙醇可按正常系統(tǒng)取物性系數(shù),又由圖4-3查的泛點負荷系數(shù),所以:</p><p>  由兩種方法計算出的泛點率都在80%以下,故可知霧沫夾帶

103、量能滿足汽的要求。</p><p>  4.7塔板負荷性能圖</p><p>  4.7.1霧沫夾帶線</p><p><b>  按式</b></p><p>  作出。對于一定物性及一定的塔結構,式中均為已知值,相應于的泛點率上限值亦可確定,將各已知數(shù)代入上式,便得出,可作出負荷性能圖中的霧沫夾帶線。</p&g

104、t;<p>  按泛點率=80%計算 </p><p>  將上式整理得 (1)</p><p>  在操作范圍內,任取幾個值,依(1)式算出相應的列于表4-4中。</p><p>  依表中數(shù)據(jù)在-圖中作出霧沫夾帶線(1),如圖所示。</p><p>  圖4-4霧沫夾帶線數(shù)據(jù) <

105、;/p><p><b>  4.7.2液泛線</b></p><p>  由確定液泛線。忽略項,</p><p><b>  所以+</b></p><p><b>  0.418=+</b></p><p>  因物系一定,塔板結構尺寸一定,則等均為定值,

106、而與又有如下關系,即</p><p>  式中閥孔數(shù)與孔徑d0亦為定值。因此,可將上式簡化得</p><p>  在造作范圍內任取若干個值,依上式都可算出一個相應的值列于附表4-5中。依表中數(shù)據(jù)作出液泛線(2)。</p><p><b>  圖4-5液泛線數(shù)據(jù)</b></p><p>  4.7.3液相負荷上限線<

107、/p><p>  取液體在降液管中停留時間</p><p><b>  則 m3/s</b></p><p>  4.7.4漏液線(氣相負荷下限線)</p><p>  對于型重閥,由,計算得</p><p><b>  則m3/s</b></p><p&g

108、t;  4.7.5液相負荷下限線</p><p>  取堰上液層高度,根據(jù)計算式</p><p><b>  取E為1.02 </b></p><p><b>  m3/s</b></p><p>  4.8性塔板負荷能圖</p><p><b>  圖4-4&l

109、t;/b></p><p>  由塔板負荷性能圖可以看出</p><p>  在任務規(guī)定的氣液負荷下的操作點P(0.004121,3.33)處在適宜操作區(qū)內。</p><p>  塔板的氣相負荷上限完全有霧沫夾帶控制,操作下限由漏液控制。</p><p>  按照固定氣液比,即氣相上限m3/s,氣相下限m3/s,則操作彈性</p&

110、gt;<p><b>  第五章 接頭管</b></p><p>  接頭管的尺寸由工藝物流的體積,及質量流速決定相關的數(shù)據(jù)可以從國家的相關標準查詢。其計算結果見下表</p><p><b>  設計計算結果總表</b></p><p><b>  符號說明</b></p>

111、<p>  關鍵詞key words</p><p>  連續(xù)精餾continuous distillation</p><p>  連續(xù)精餾塔continuous distillation column</p><p>  餾出液distillate </p><p>  殘液 residue </p>&l

112、t;p>  精餾 rectification</p><p>  精餾段 rectification section </p><p>  提餾段 stripping section</p><p>  理論板 theoretical stage</p><p>  實際板 actual stage</p><p&g

113、t;  操作線 operating line</p><p>  塔板效率 plate efficiency</p><p>  總塔效率 column efficiency</p><p>  溢流裝置 overflow device</p><p><b>  參考文獻</b></p><p>

114、;  [1]陳英男、劉玉蘭.常用華工單元設備的設計[M].上海:華東理工大學出版社,2005、4</p><p>  [2]劉雪暖、湯景凝.化工原理課程設計[M].山東:石油大學出版社,2001、5</p><p>  [3]賈紹義、柴誠敬.化工原理課程設計[M].天津:天津大學出版社,2002、8</p><p>  [4]路秀林、王者相.塔設備[M].北京:化學

115、工業(yè)出版社,2004、1</p><p>  [5]王明輝.化工單元過程課程設計[M].北京:化學工業(yè)出版社,2002、6</p><p>  [6]夏清、陳常貴.化工原理(上冊)[M].天津:天津大學出版社,2005、1</p><p>  [7]夏清、陳常貴.化工原理(下冊)[M].天津:天津大學出版社,2005、1</p><p>  

116、[8]《化學工程手冊》編輯委員會.化學工程手冊—氣液傳質設備[M]。北京:化學工業(yè)出版社,1989、7</p><p>  [9]劉光啟、馬連湘.化學化工物性參數(shù)手冊[M].北京:化學工業(yè)出版社,2002</p><p>  [10]賀匡國.化工容器及設備簡明設計手冊[M].北京:化學工業(yè)出版社,2002</p><p><b>  課程設計心得</

117、b></p><p>  通過這次課程設計使我充分理解到化工原理課程的重要性和實用性,更特別是對精餾原理及其操作各方面的了解和設計,對實際單元操作設計中所涉及的個方面要注意問題都有所了解。通過這次對精餾塔的設計,不僅讓我將所學的知識應用到實際中,而且對知識也是一種鞏固和提升充實。雖然很累很辛苦,期間也有許多的困難和障礙,在老師和同學的幫助下,問題得到了解決及時的按要求完成了設計任務,通過這次課程設計,使我獲

118、得了很多重要的知識,同時也提高了自己的實際動手和知識的靈活運用能力。課程設計是我們專業(yè)課程知識綜合應用的實踐訓練,著是我們邁向社會,從事職業(yè)工作前一個必不少的過程.”千里之行始于足下”,通過這次課程設計,我深深體會到這句千古名言的真正含義.我今天認真的進行課程設計,學會腳踏實地邁開這一步,就是為明天能穩(wěn)健地在社會大潮中奔跑打下堅實的基礎. 說實話,課程設計真的有點累.然而,當我一著手清理自己的設計成果,漫漫回味這幾周的心路歷程,一種

119、少有的成功喜悅即刻使倦意頓消.雖然這是我剛學會走完的第一步,也是人生的一點小小的勝利,然而它令我感到自己成熟的許多,另我有了一中”春眠不知曉”的感悟. 通過課程設計,使我深深</p><p><b>  附錄</b></p><p>  附錄1、水在不同溫度下的黏度</p><p>  附錄二、飽和水蒸汽表(按溫度排列)</p>

120、<p>  附錄三、相圖(t-x-y)</p><p>  附錄四:化工小軟件計算的理論板數(shù)與回流比</p><p>  附錄五、換熱器的設計以及結構參數(shù)</p><p>  通過aspen 的模擬計算,通過冷凝器和再沸器的工藝物流。在HTRI換熱器的設計軟件中設計所需的相關換熱器的結構參數(shù)。再根據(jù)具體的設備類型進行核算。其相關的設備參數(shù)如下見附圖<

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