程設(shè)計(jì) 苯—甲苯分離板式精餾塔_第1頁
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文檔簡介

1、課程設(shè)計(jì)任務(wù)書學(xué)生姓名:_ 專業(yè)班級(jí):應(yīng)用化學(xué)_ 指導(dǎo)老師:_ 工作部門:_1 課程設(shè)計(jì)題目設(shè)計(jì)一臺(tái)苯甲苯分離板式精餾塔2 設(shè)計(jì)要求1、設(shè)計(jì)一座苯-甲苯連續(xù)精餾塔,具體工藝參數(shù)如下:原料苯含量(m/m):(25+0.5)%原料處理量:2萬t/a產(chǎn)品要求(m/m):xD = 0.98, xW=0.022、操作條件塔頂壓力:常壓進(jìn)料熱狀況:泡點(diǎn)進(jìn)料回流比:自選單板壓降:0.7kPa加熱方式:間接蒸氣加熱冷凝方式:全凝器,泡點(diǎn)回流年操作時(shí)數(shù):8000h3、塔板類型浮閥塔板(F1重閥)三課程設(shè)計(jì)內(nèi)容1、精餾塔的物料衡算及塔板數(shù)的確定2、精餾塔的工藝條件及有關(guān)物性數(shù)據(jù)的計(jì)3、精餾塔的塔體及塔板工藝尺寸計(jì)

2、算4、塔板的流體力學(xué)驗(yàn)算5、塔板的負(fù)荷性能圖的繪制6、精餾塔接管尺寸計(jì)算7、繪制帶控制點(diǎn)的生產(chǎn)工藝流程圖(A3圖紙)8、繪制主體設(shè)備圖(A2圖紙)4 進(jìn)度安排1.課程設(shè)計(jì)準(zhǔn)備階段:收集查閱資料,并借閱相關(guān)工程設(shè)計(jì)書;2.設(shè)計(jì)分析討論階段:確定設(shè)計(jì)思路,正確選用設(shè)計(jì)參數(shù),樹立工程觀點(diǎn), 小組分工協(xié)作,較好完成設(shè)計(jì)任務(wù);3. 計(jì)算設(shè)計(jì)階段:物料衡算,熱量衡算,主要設(shè)備工藝尺寸計(jì)算,塔盤工藝 尺寸計(jì)算及流體力學(xué)計(jì)算;4.課程設(shè)計(jì)說明書編寫階段:整理文字資料計(jì)算數(shù)據(jù),用簡潔的文字和適當(dāng) 的圖表表達(dá)自己的設(shè)計(jì)思想及設(shè)計(jì)成果。1. 課程設(shè)計(jì)的目的 化工原理課程設(shè)計(jì)是一個(gè)綜合性和實(shí)踐性較強(qiáng)的教學(xué)環(huán)節(jié),也是培

3、養(yǎng)學(xué)生獨(dú)立工作的有益實(shí)踐,更是理論聯(lián)系實(shí)際的有效手段。通過課程設(shè)計(jì)達(dá)到如下目的: 1鞏固化工原理課程學(xué)習(xí)的有關(guān)內(nèi)容,并使它擴(kuò)大化和系統(tǒng)化; 2培養(yǎng)學(xué)生計(jì)算技能及應(yīng)用所學(xué)理論知識(shí)分析問題和解決問題的能力; 3熟悉化工工藝設(shè)計(jì)的基本步驟和方法; 4學(xué)習(xí)繪制簡單的工藝流程圖和主體設(shè)備工藝尺寸圖; 5訓(xùn)練查閱參考資料及使用圖表、手冊的能力; 6通過對“適宜條件”的選擇及對自己設(shè)計(jì)成果的評價(jià),初步建立正確的設(shè)計(jì)思想,培養(yǎng)從工程技術(shù)觀點(diǎn)出發(fā)考慮和處理工程實(shí)際問題的能力;7 學(xué)會(huì)編寫設(shè)計(jì)說明書。 課程設(shè)計(jì)題目描述和要求 本設(shè)計(jì)的題目是苯-甲苯浮閥式連續(xù)精餾塔的設(shè)計(jì),即需設(shè)計(jì)一個(gè)精餾塔用來分離易揮發(fā)的苯和不易

4、揮發(fā)的甲苯,采用連續(xù)操作方式,需設(shè)計(jì)一板式塔,板空上安裝浮閥,具體工藝參數(shù)如下: 生產(chǎn)能力:2萬噸/年(料液)原料組成: 25%苯,60%甲苯(摩爾分?jǐn)?shù),下同)產(chǎn)品組成: 餾出液98%苯, 釜液2%苯 操作壓力:塔頂壓強(qiáng)為常壓進(jìn)料溫度:泡點(diǎn)進(jìn)料狀況:泡點(diǎn)加熱方式:間接蒸汽加熱回流比:R=(1.22)Rmin3 課程設(shè)計(jì)報(bào)告內(nèi)容 3.1 流程示意圖 冷凝器塔頂產(chǎn)品冷卻器苯的儲(chǔ)罐苯 回流 原料原料罐原料預(yù)熱器精餾塔 回流 再沸器 塔底產(chǎn)品冷卻器甲苯的儲(chǔ)罐甲苯 3.2 流程和方案的說明及論證 3.2.1 流程的說明 首先,苯和甲苯的原料混合物進(jìn)入原料罐,在里面停留一定的時(shí)間之后,通過泵進(jìn)入原料預(yù)熱器

5、,在原料預(yù)熱器中加熱到泡點(diǎn)溫度,然后,原料從進(jìn)料口進(jìn)入到精餾塔中。因?yàn)楸患訜岬脚蔹c(diǎn),混合物中既有氣相混合物,又有液相混合物,這時(shí)候原料混合物就分開了,氣相混合物在精餾塔中上升,而液相混合物在精餾塔中下降。氣相混合物上升到塔頂上方的冷凝器中,這些氣相混合物被降溫到泡點(diǎn),其中的液態(tài)部分進(jìn)入到塔頂產(chǎn)品冷卻器中,停留一定的時(shí)間然后進(jìn)入苯的儲(chǔ)罐,而其中的氣態(tài)部分重新回到精餾塔中,這個(gè)過程就叫做回流。液相混合物就從塔底一部分進(jìn)入到塔底產(chǎn)品冷卻器中,一部分進(jìn)入再沸器,在再沸器中被加熱到泡點(diǎn)溫度重新回到精餾塔。塔里的混合物不斷重復(fù)前面所說的過程,而進(jìn)料口不斷有新鮮原料的加入。最終,完成苯與氯苯的分離。3.2.

6、2 方案的說明和論證浮閥塔之所以廣泛應(yīng)用,是由于它具有下列特點(diǎn): 1生產(chǎn)能力大,由于塔板上浮閥安排比較緊湊,其開孔面積大于泡罩塔板, 生產(chǎn)能力比泡罩塔板大20%40%,與篩板塔接近。2操作彈性大,由于閥片可以自由升降以適應(yīng)氣量的變化,因此維持正常操作而允許的負(fù)荷波動(dòng)范圍比篩板塔,泡罩塔都大。3塔板效率高,由于上升氣體從水平方向吹入液層,故氣液接觸時(shí)間較長,而霧沫夾帶量小,塔板效率高。4氣體壓降及液面落差小,因氣液流過浮閥塔板時(shí)阻力較小,使氣體壓降及液面落差比泡罩塔小。5塔的造價(jià)較低,浮閥塔的造價(jià)是同等生產(chǎn)能力的泡罩塔的 50%80%,但是比篩板塔高 20%30%。 浮閥塔盤的操作原理和發(fā)展:浮

7、閥塔的塔板上,按一定中心距開閥孔,閥孔里裝有可以升降的閥片,閥孔的排列方式,應(yīng)使絕大部分液體內(nèi)有氣泡透過,并使相鄰兩閥容易吹開,鼓泡均勻。為此常采用對液流方向成錯(cuò)排的三角形的排列方式。蒸汽自閥孔上升,頂開閥片,穿過環(huán)形縫隙,以水平方向吹入液層,形成泡沫,浮閥能隨著氣速的增減在相當(dāng)寬的氣速范圍內(nèi)自由升降,以保持穩(wěn)定的操作。但是,浮閥塔的抗腐蝕性較高(防止浮閥銹死在塔板上),所以一般采用不銹鋼作成,致使浮閥造價(jià)昂貴,推廣受到一定限制。隨著科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展,各種新型填料,高效率塔板的不斷被研制出來,浮閥塔的推廣并不是越來越廣。 近幾十年來,人們對浮閥塔的研究越來越深入,生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)越來越豐富,積累的設(shè)

8、計(jì)數(shù)據(jù)比較完整,因此設(shè)計(jì)浮閥塔比較合適。3.2.3設(shè)計(jì)方案的確定1.操作壓力精餾操作可在常壓,加壓,減壓下進(jìn)行。應(yīng)該根據(jù)處理物料的性能和設(shè)計(jì)總原則來確定操作壓力。例如對于熱敏感物料,可采用減壓操作。本次設(shè)計(jì)苯和甲苯為一般物料因此,采用常壓操作。2.進(jìn)料狀況進(jìn)料狀態(tài)有五種:過冷液,飽和液,氣液混合物,飽和氣,過熱氣。但在實(shí)際操作中一般將物料預(yù)熱到泡點(diǎn)或近泡點(diǎn),才送入塔內(nèi)。這樣塔的操作比較容易控制。不受季節(jié)氣溫的影響,此外泡點(diǎn)進(jìn)料精餾段與提餾段的塔徑相同,在設(shè)計(jì)和制造上也叫方便。本次設(shè)計(jì)采用泡點(diǎn)進(jìn)料,即q=1。3.加熱方式精餾釜的加熱方式一般采用間接加熱方式,若塔底產(chǎn)物基本上就是水,而且在濃度極稀

9、時(shí)溶液的相對揮發(fā)度較大。便可以直接采用直接接加熱。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)只需安裝鼓泡管,不需安裝龐大的傳熱面,這樣,操作費(fèi)用和設(shè)備費(fèi)用均可節(jié)省一些,然而,直接蒸汽加熱,由于蒸汽的不斷涌入,對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。塔釜中易于揮發(fā)組分的濃度應(yīng)較低,因而塔板數(shù)稍微有增加。但對有些物系。當(dāng)殘液中易揮發(fā)組分濃度低時(shí),溶液的相對揮發(fā)度大,容易分離故所增加的塔板數(shù)并不多,此時(shí)采用間接蒸汽加熱是合適的。4.冷卻方式塔頂?shù)睦鋮s方式通常水冷卻,應(yīng)盡量使用循環(huán)水。如果要求的冷卻溫度較低??煽紤]使用冷卻鹽水來冷卻。5.熱能利用精餾過程的特性是重復(fù)進(jìn)行

10、氣化和冷凝。因此,熱效率很低,可采用一些改進(jìn)措施來提高熱效率。因此,根據(jù)上敘設(shè)計(jì)方案的討論及設(shè)計(jì)任務(wù)書的要求,本設(shè)計(jì)采用常壓操作,泡點(diǎn)進(jìn)料,間接蒸汽加熱以及水冷的冷卻方式,適當(dāng)考慮熱能利用。4.精餾塔的工藝計(jì)算4.1精餾塔的物料衡算4.1.1物料衡算:1) 原料液及塔頂、塔底產(chǎn)品的摩爾分率苯的摩爾質(zhì)量:;甲苯的摩爾質(zhì)量:;.(2)原料液及塔頂、塔底產(chǎn)品的平均摩爾質(zhì)量原料液的平均摩爾質(zhì)量:(3)物料衡算原料處理量:總物料衡算:苯的物料衡算28.2×0.250.98D0.02W聯(lián)立解得:;4.1.2 相對揮發(fā)度的計(jì)算:氣液相平衡數(shù)據(jù)t/80.1859095100105110.6101.3

11、3116.9135.5155.7179.2204.2240.040.046.054.063.374.386.0101.33x/摩爾分?jǐn)?shù)1.0000.7800.5810.4120.2580.1300y/摩爾分?jǐn)?shù)1.0000.9000.7770.6330.4560.2620因此有:塔頂用t=80.10時(shí),.塔底用t=101.63時(shí),.平均相對揮發(fā)度4.2塔板數(shù)的確定4.2.1理論板層數(shù)的求算4.2.1.1逐板法求塔板數(shù)(1)平衡線方程的求算 汽液相平衡方程式:.(2)q線方程進(jìn)料狀態(tài)由五種,即過冷液體進(jìn)料(q>1),飽和液體進(jìn)料(q1),氣液混合進(jìn)料(0<q<1)和過熱蒸汽進(jìn)料(

12、q<0),本設(shè)計(jì)選用的為泡點(diǎn)進(jìn)料,故q=1。則xF=xq(3) 最小回流比;由以上兩式可得:;由于(4) 精餾段操作線方程精餾段液相質(zhì)量流量:精餾段氣相質(zhì)量流量:V=精餾段操作方程:提餾段液相質(zhì)量流程:提段氣相質(zhì)量流程:提餾段操作線方程:.由以上精餾段操作方程和提餾段操作線方程可得:兩操作線交點(diǎn)的橫坐標(biāo)為(5)理論塔板數(shù)的確定先交替使用相平衡方程和精餾段操作線方程計(jì)算如下:;.以下交替使用提餾線操作線方程語相平衡方程得:;.故理論板為21塊,精餾板為10塊,第11塊為進(jìn)料板. 4.2.1.2逐板法求塔板數(shù)由此算得于逐板法得一致.4.2.2 精餾塔塔效率的計(jì)算 在t=95.4時(shí),此時(shí)查得苯

13、和甲苯黏度:, 則:時(shí),此時(shí)的相對揮發(fā)度為:則:查奧康內(nèi)爾精餾塔全塔板效率圖得:.4.3 塔的工藝條件及物性數(shù)據(jù)計(jì)算4.3.1 混合液的平均摩爾質(zhì)量計(jì)算進(jìn)料板苯的摩爾分?jǐn)?shù)在塔板數(shù)計(jì)算中得進(jìn)料板的苯的摩爾分?jǐn)?shù)為(94): y=0.649 x=0.428=0.649*78+(1-0.649)*92=82.914kg/kmol=0.428*78+(1-0.428)*92=86.008kg/mol塔底摩爾分?jǐn)?shù)(110.63): x=0.024 y=0.024平均摩爾質(zhì)量:=(82.914+91.664)/2=87.289kg/kmol=(86.008+91.664)/2=88.836kg/kmol4.

14、3.2平均密度計(jì)算 進(jìn)料板平均密度: t=94時(shí),=7893,=789,=0.39 參考化工原理P361某些有機(jī)液體的相對密度圖(下同)=798塔底平均密度: t=110.63,=780,=775,=0.02故=(775.1+798)/2=786.55kg/m3=102.315vm=2.83kg/m34.3.3 液體的平均張力 t=110.63時(shí), =17.2,=17.8 t=94時(shí),=19.8,=19.9,由化工原理第三版P379查得 t=101.63時(shí),=0.024*17.2+(1-0.024)*17.8=17.7859t=94時(shí),=0.428*19.8+(1-0.428)*19.9=19

15、.8572提餾段平均張力:=18.824.3.4 提餾段氣液相的體積流量 Lh=26.02m3/h Vh=5044.5m3/h 4.4 塔體工藝尺寸計(jì)算4.4.1 精餾段塔徑計(jì)算由FLV及(HT-hl)查Smith圖(化工單元過程及課程設(shè)計(jì)P161)氣流動(dòng)參數(shù) FLV=0.086取塔盤清夜層高度 hL=0.07m HT=0.45m液滴沉降高度 HT-hL=0.45m-0.07m=0.38m當(dāng)=18.82時(shí)的負(fù)荷因子C20等于0.028由工藝條件得:C=C20()0.2=0.081液乏氣速 uf=c=0.081*=1.35m/s取泛點(diǎn)率為0.75,故空塔氣速u=0.75=0.75*1.35=1.

16、013m/s氣相通過的塔截面積 A=1.38m2取=0.0877由計(jì)算D: D=故取 D=1.4m設(shè)計(jì)點(diǎn)的泛點(diǎn)率=4.4.2 精餾塔高度計(jì)算 (1)精餾段有效高度計(jì)算: Z精=(N精-1)*HT=10*0.35=3.5m (2)提餾段有效高度計(jì)算: Z提=(N提-1)*HT=(17-1)*0.45=7.2m 如進(jìn)料板上面開一人孔,其高度為0.6m (3)精餾塔的有效高度為: Z有=Z精+Z提+0.8=3.5+7.2+0.6=11.3m .(4) 精餾塔的實(shí)際高度為:塔兩端空間,上封頭留1.5m. 下封頭留1.5m. Z實(shí)= Z有+1.5*2=11.3+3=14.3m4.4.3 溢流裝置的計(jì)算由

17、化工單元過程及設(shè)備課程設(shè)計(jì)P166流液收縮圖: 降管液的尺寸: 降液管寬度: 選取hb=0.04m 溢流堰尺寸: 堰上液頭高h(yuǎn)ow, 取E=1 堰高: 溢流強(qiáng)度: 降液管底隙流體速度:4.5 塔板負(fù)荷性能4.5.1 浮閥計(jì)算及其排列(1) 浮閥數(shù) 選取F1型浮閥,閥孔直徑d0=0.039m 根據(jù)表54選擇單流型 初取F0=11 , 則 浮閥數(shù): (2)排列方式 取塔板上液體進(jìn),出口安定區(qū)寬度 取邊緣區(qū)寬度bc=0.05m 根據(jù)估算提供孔心距進(jìn)行布孔,按t=75mm進(jìn)行布孔,實(shí)排閥數(shù)n=163 閥孔氣速 動(dòng)能因子 塔板開孔率 4.6 塔板的流體性能的校核4.6.1泡沫夾帶量校核 為控制液沫夾帶量

18、eV過大,應(yīng)使泛點(diǎn)F10.80.82 浮閥塔板泛點(diǎn)率計(jì)算如下: 由塔板上氣相密度及板間距HT=0.45m查圖526(泛點(diǎn)荷因數(shù))得系數(shù)GF=0.128,根據(jù)表511(物性系數(shù))所提供的數(shù)據(jù),取k=1塔板液流道長ZL=D-2bd=1.4-2*2*0.2=1.0(m)液流面積 故得: 故不會(huì)產(chǎn)生過量的液沫夾帶4.6.2塔板阻力計(jì)算由化工單元過程及設(shè)備課程設(shè)計(jì)P171泛點(diǎn)負(fù)荷因數(shù)圖: (1)干板阻力 臨界孔速 閥孔大于其臨界孔閥氣速,故應(yīng)在浮閥全開狀態(tài)計(jì)算干板阻力。(2) 塔板清液層阻力(m) (3)克服表面張力所造成阻力 由以上三阻力之和求得塔板阻力: 4.6.3降液管液面校對 流體流過降液管底隙

19、的阻力: 浮閥塔板上液面落差較小可以忽略,則降液管內(nèi)清液層高度: 取降液管中泡沫層相對密度,則可求降液管中泡沫層高度: 而,故不會(huì)發(fā)生降液管液泛。4.6.4液體在降液管內(nèi)停留時(shí)間校核 應(yīng)保證液體在降液管內(nèi)的停留時(shí)間大于3S5S,才能保證液體所夾帶的氣 體的釋放。 故所夾帶氣體可以釋出 4.6.5嚴(yán)重漏液校核 當(dāng)閥孔的動(dòng)能因子F0=5的相應(yīng)孔流氣速: 穩(wěn)定系數(shù) 故不會(huì)發(fā)生嚴(yán)重漏液4.6.6塔板負(fù)荷性能圖由化工單元過程及設(shè)備課程設(shè)計(jì)P187塔板負(fù)荷性能圖: (1)過量液沫夾帶線關(guān)系式 根據(jù)前面液沫夾帶的校核選擇F1=0.8 則有 由此兩點(diǎn)作過量液夾帶線(a) (2)液相下限線關(guān)系式 對于平直堰,其

20、堰上液頭高度how必須大于0.006m。 取how=0.006m,即可以確定液相流量的下限線 取E=1.0,代人lw=0.98 該線為垂直軸的直線,記為(b) (3)嚴(yán)重漏液線關(guān)系式: 因動(dòng)能因子F0<5時(shí),會(huì)發(fā)生嚴(yán)重漏液,故取F0=5,計(jì)算相應(yīng)氣體流 量: 該線為平行軸的直線,為漏液線,也稱為氣相下限線,記(c)(4)液相上限線關(guān)系式:降液的最大流量為: 該線為平行軸的直線,記為(d)(5)降液管液泛關(guān)系式: 根據(jù)降液管液泛的條件,得以下將液管液泛工況下的關(guān)系: 或 即 10 20 30 40 50 60 6133.7 590.75 566.2 538.3 506.06 468.1 操

21、作彈性 適宜裕度=46.9%4.7換熱器的計(jì)算4.7.1原料預(yù)熱器:設(shè)加熱原料溫度由10加熱到104 則 4.7.2塔頂冷凝器: R苯=390kJ/kg4.7.3塔底再沸器:4.7.4貯罐的體積計(jì)算:由化工單元過程及設(shè)備課程設(shè)計(jì)查得在0.11MPa下,塔頂采量 D=7394kmol/h 故設(shè)冷凝液停留20min,補(bǔ)充系數(shù) 則位號(hào)名稱停留時(shí)間容積/m3V-101原料中間罐20min13V-102回流罐10min7V-103塔頂產(chǎn)品罐24h937V-104塔底產(chǎn)品罐24h937貯罐容積估算結(jié)果表4.7.5進(jìn)料罐線管徑選擇原液流速: u=0.5m/s管線直徑: 選取管材,其內(nèi)徑為0.121m 其實(shí)際

22、流速為: u=10471/(3600*798*0.785*0.09162)=0.5m/s5.設(shè)計(jì)結(jié)果匯總表 表一 設(shè)備一覽表序號(hào)位號(hào)設(shè)備名稱形式主要結(jié)構(gòu)參數(shù)或性能1T-101循環(huán)苯精餾塔篩板塔D=1400 Np=27 H=185002E-101原料預(yù)熱器固定管板式24m23E-102塔T-101頂冷凝器固定管板式151m24E-103塔T-101再沸器固定管板式166m25E-104塔頂產(chǎn)品冷卻器固定管板式55m26E-105塔底產(chǎn)品冷卻器固定管板式62m27P-101進(jìn)料泵2號(hào)離心泵qv=14m3/h H=10m8P-102釜液泵2號(hào)離心泵qv = 8 m3/h H=4m9P-103回流泵2

23、號(hào)離心泵qv=11 m3/h H=19m10P-104塔頂產(chǎn)品泵2號(hào)離心泵qv=6 m3/h H=19m11P-105塔底產(chǎn)品泵2號(hào)離心泵qv=8 m3/h H=4m12V-101原料罐臥式V=13m313V-102回流罐臥式V=7 m314V-103塔頂產(chǎn)品罐立式937m215V-104塔底產(chǎn)品罐立式937m216V-105不合格產(chǎn)品罐立式937m2表二 提留段塔板設(shè)計(jì)結(jié)果匯總表塔板主要結(jié)構(gòu)參數(shù)數(shù)據(jù)塔板主要流動(dòng)參數(shù)數(shù)據(jù)塔徑 m塔板間距 堰長 lw堰寬 堰高 hw入口堰高底隙 hb塔截面積AT降液管面積有效傳質(zhì)區(qū)Aa開孔面積 氣相流通面積閥孔直徑 閥孔數(shù) n開孔率 孔心距 t邊緣區(qū)寬 塔板厚

24、S安定區(qū)寬排列方式1.4m0.6m0.98m0.2001m0.045m無0.04m0.0877m1.513m0.135m1.020m0.215m1.405m0.039m1630.1260.0809m0.050m0.075m錯(cuò)排流動(dòng)方式液體流量 氣體流量 qVVh液泛氣速 空塔氣速 u降液管內(nèi)流速 ud底隙流速 泛點(diǎn)率 F1溢流強(qiáng)度 堰上頭液高度 hOW塔板阻力 降液管內(nèi)液體層高度Hd降液管內(nèi)液沫層高度 Hd/降液管液體停留時(shí)間閥孔氣速閥孔動(dòng)能因子 F0漏液點(diǎn)氣速穩(wěn)定系數(shù)K最大氣相流量最大氣相流量(qVVh)min單流型26.2m3/h5044.5m3/h1.35m/s0.9970.9370.053m/s0.184m/s0.73926.55m3/(mh)0.025m0.0682m0.1614m0.296m8.4s7.2m/s12.112.97m/s2.427410.0m3/h2080.87m3/h6.課程設(shè)

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