化工原理精餾_第1頁(yè)
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1、掌握精餾原理和塔板數(shù)的計(jì)算2、了解回流比對(duì)精餾操作的影響3、了解精餾塔的基本結(jié)構(gòu)和主要性能第五章蒸餾(distillation)基本要求重點(diǎn)難點(diǎn)精餾原理、塔板數(shù)的計(jì)算;回流比對(duì)精餾的影響連續(xù)精餾的原理,傳質(zhì)的概念

§1.1概述1.蒸餾傳質(zhì)(masstransfer)過(guò)程:物質(zhì)在相間的轉(zhuǎn)移過(guò)程稱為傳質(zhì)(分離)過(guò)程常見(jiàn)傳質(zhì)過(guò)程:通過(guò)加熱造成氣液兩相物系,利用物系中各組分揮發(fā)度不同的特性以實(shí)現(xiàn)分離的單元操作蒸餾、吸收、萃取、干燥2.蒸餾過(guò)程的分類1.按蒸餾方式簡(jiǎn)單蒸餾平衡蒸餾精餾特殊精餾萃取精餾恒沸精餾2.按操作壓強(qiáng)常壓蒸餾加壓蒸餾減壓蒸餾3.按待分離混合物中組分的數(shù)目:雙組分蒸餾多組分蒸餾4.按操作流程:間歇蒸餾:小規(guī)模生產(chǎn),非定態(tài)操作連續(xù)蒸餾:大規(guī)模,定態(tài)操作本章討論:常壓下的兩組分連續(xù)精餾

vapor-liquidphaseequilibrium§1.2兩組分溶液的氣液平衡1.2.1雙組分理想物系的氣液平衡理想物系:溶液中不同組分的分子間作用力和相同組分的分子間作用力完全相等。液相為理想溶液、氣相為理想氣體的混合物系液相為理想溶液,遵循拉烏爾定律氣相為理想氣體,遵循道爾頓定律1)用飽和蒸氣壓表示氣液平衡關(guān)系的表示法拉烏爾定律:理想溶液氣相中組分的分壓等于純組分在該溫度下的飽和蒸氣壓與其在溶液中摩爾分?jǐn)?shù)乘積A:易揮發(fā)組分,沸點(diǎn)低組分B:難揮發(fā)組分,沸點(diǎn)高組分y:氣相中易揮發(fā)組分的摩爾分?jǐn)?shù);1-y:難揮發(fā)組分的摩爾分?jǐn)?shù)x:液相中易揮發(fā)組分的摩爾分?jǐn)?shù);1-x:難揮發(fā)組分的摩爾分?jǐn)?shù)溶液沸騰時(shí),總壓等于各組分的蒸氣壓之和理想氣體混合物服從道爾頓分壓定律:用飽和蒸氣壓表示的氣液平衡關(guān)系2)用相對(duì)揮發(fā)度表示某組分在氣相中的平衡分壓與該組分在液相中的摩爾分率之比某組分由液相揮發(fā)到氣相中的趨勢(shì),是該組分揮發(fā)性大小的標(biāo)志☆揮發(fā)度定義揮發(fā)度意義雙組分理想想溶液☆相對(duì)揮發(fā)度度定義溶液中易揮揮發(fā)組分揮揮發(fā)度與難難揮發(fā)組分分揮發(fā)度之之比壓強(qiáng)不高,,氣相遵循循道爾頓分分壓定律理想溶液①α>1,表明明A比B容容易揮發(fā),,α越大,揮發(fā)發(fā)度差別越越大,越容容易分離。。②若α=1,y=x,說(shuō)說(shuō)明明氣氣液液相相組組成成相相同同,,不不能能采采用用普普通通的的精精餾餾方方法法分分離離對(duì)相相對(duì)對(duì)揮揮發(fā)發(fā)度度的的理理解解氣液液平平衡衡方方程程3.兩組組分分理理想想溶溶液液的的氣氣液液平平衡衡相相圖圖苯(A)和和甲甲苯苯(B)的的飽飽和和蒸蒸氣氣壓壓和和溫溫度度關(guān)關(guān)系系如如表表,,試試?yán)糜美瓰鯙鯛枲柖ǘ陕珊秃拖嘞鄬?duì)對(duì)揮揮發(fā)發(fā)度度分分別別計(jì)計(jì)算算苯苯-甲甲苯苯混混合合液液在在總總壓壓101.33kPa下下的的氣氣液液平平衡衡數(shù)數(shù)據(jù)據(jù),溫度度--組組成成圖圖t/℃80.184889296100104108110.8pAo/kPa101.3113.6130143.7160.5179.2199.3221.2233.0pBo/kPa39.344.450.657.665.774.583.393.9101.31))溫溫度度--組組成成((t-x-y)圖圖解(1)利用用拉拉烏烏爾爾定定律律計(jì)計(jì)算算氣氣液液平平衡衡數(shù)數(shù)據(jù)據(jù)t/℃80.184889296100104108110.8x1.0000.8220.6390.5080.3760.2560.1550.0580.000y1.0000.9220.8190.7200.5950.4530.3050.1270.000(2)利用用相相對(duì)對(duì)揮揮發(fā)發(fā)度度計(jì)計(jì)算算氣氣液液平平衡衡數(shù)數(shù)據(jù)據(jù)求平平均均揮揮發(fā)發(fā)度度t---y線,,氣氣相相組組成成與與平平衡衡溫溫度度之之間間的的關(guān)關(guān)系系。。飽飽和和蒸蒸氣氣線線,,露露點(diǎn)點(diǎn)線線t---x線,,液液相相組組成成與與平平衡衡溫溫度度之之間間的的關(guān)關(guān)系系。。飽飽和和液液相相線線,,泡泡點(diǎn)點(diǎn)線線2))x-y圖(1))y>x(2))平平衡衡線線離離對(duì)對(duì)角角線線越越遠(yuǎn)遠(yuǎn),,氣氣液液兩兩相相濃濃度度差差越越大大,,溶溶液液越越易易分分離離1.3.1平平衡衡蒸蒸餾餾((閃閃蒸蒸))§1.3平平衡衡蒸蒸餾餾和和簡(jiǎn)簡(jiǎn)單單蒸蒸餾餾操作作過(guò)過(guò)程程::混混合合液液經(jīng)經(jīng)加加熱熱器器升升溫溫,,使使溫溫度度高高于于分分離離器器壓壓強(qiáng)強(qiáng)下下液液體體的的沸沸點(diǎn)點(diǎn),,通通過(guò)過(guò)減減壓壓閥閥降降壓壓進(jìn)進(jìn)入入分分離離器器,,此此時(shí)時(shí)過(guò)過(guò)熱熱的的液液體體混混合合物物被被部部分分汽汽化化得得到到分分離離1..物物料料衡衡算算總物物料料::易揮揮發(fā)發(fā)組組分分::F,D,W---原原料料液液、、氣氣相相、、液液相相產(chǎn)產(chǎn)品品摩摩爾爾流流量量,kmol/sxF,y,x---原原料料液液、、氣氣相相、、液液相相產(chǎn)產(chǎn)品品的的組組成成,,摩摩爾爾分分?jǐn)?shù)數(shù)q:液液化化分分率率2..熱熱量量衡衡算算對(duì)加加熱熱器器熱熱量量衡衡算算原料料液液減減壓壓進(jìn)進(jìn)入入分分離離器器,,物物料料放放出出的的顯顯熱熱等等于于部部分分汽汽化化所所需需潛潛熱熱原料料液液離離開(kāi)開(kāi)加加熱熱器器的的溫溫度度1.3.2簡(jiǎn)簡(jiǎn)單蒸蒸餾((微分分蒸餾餾)①得得不到到大量量高純純度的的產(chǎn)品品②釜液液與蒸蒸氣的的組成成都是是隨時(shí)時(shí)間而而變化化的,,是一一種非非穩(wěn)態(tài)態(tài)過(guò)程程③只能能進(jìn)行行初步步分離離,而而且生生產(chǎn)能能力低低,適適合于于當(dāng)組組分揮揮發(fā)度度相差差較大大的情情況。。特點(diǎn)點(diǎn):※蒸餾---當(dāng)生生產(chǎn)上上對(duì)產(chǎn)產(chǎn)品的的純度度要求求不高高,只只需要要初步步分離離時(shí)采采用的的分離離方法法;※平衡衡、簡(jiǎn)簡(jiǎn)單蒸蒸餾是是單級(jí)級(jí)分離離過(guò)程程→一一次部部分汽汽化→→混合合物部部分分分離※精餾餾是多多級(jí)分分離過(guò)過(guò)程→→多次次部分分汽化化和部部分冷冷凝→→混合合物幾幾乎完完全分分離※精餾---當(dāng)產(chǎn)產(chǎn)品的的純度度要求求高,,特別別是在在混合合物揮揮發(fā)度度比較較接近近時(shí)采采用的的分離離方法法。蒸餾與與精餾餾的區(qū)區(qū)別§1.4精精餾餾原理理和流流程1.4.1精精餾過(guò)過(guò)程原原理和和條件件液體混混合物物經(jīng)多多次部部分氣氣化后后,在在液相相中獲獲得高高純度度的難難揮發(fā)發(fā)組分分氣體混混合物物經(jīng)多多次部部分冷冷凝后后,在在氣相相中獲獲得高高純度度的易易揮發(fā)發(fā)組分分條件結(jié)果將原料料液進(jìn)進(jìn)入的的層板板稱為為加料料板,,加料料板以以上的的塔段段,作作用是是把上上升蒸蒸氣中中易揮揮發(fā)組組分進(jìn)進(jìn)一步步提濃濃,稱稱為精精餾段段;加加料板板以下下的塔塔段((包括括加料料板)),其其作用用是從從下降降液體體中提提取易易揮發(fā)發(fā)組分分,稱稱為提提餾段段1.4.2精精餾操操作流流程1.5.1理理論板板的概概念和和恒摩摩爾流流假定定理論板板:在其上上氣、、液兩兩相都都充分分混合合,且且傳質(zhì)質(zhì)及傳傳熱過(guò)過(guò)程阻阻力均均為零零的理理想化化塔板板,無(wú)無(wú)論進(jìn)進(jìn)入理理論板板的氣氣、液液兩相相組成成如何何,離離開(kāi)該該板時(shí)時(shí)氣、、液兩兩相達(dá)達(dá)到平平衡狀狀態(tài),,即兩兩相溫溫度相相等,,組成成互成成平衡衡,組成關(guān)關(guān)系可可由平平衡關(guān)關(guān)系來(lái)來(lái)確定定§1.5兩兩組組分連連續(xù)精精餾的的計(jì)算算1.恒恒摩爾爾氣流流精餾段段提餾段段2.恒恒摩爾爾液流流精餾段段提餾段段恒摩爾爾流::每層塔塔板的的上升升蒸氣氣的摩摩爾流流量恒恒定,下降降液體體的摩摩爾流流量也也恒定定。在精餾餾塔的的塔板板上氣氣液兩兩相接接觸時(shí)時(shí),若若有nkmol/h的的蒸氣氣冷凝凝,相相應(yīng)有有nkmol/h液液體氣氣化。。1.全全塔物物料衡衡算總物料料:易揮發(fā)發(fā)組分分:F,D,W---原料料液、、餾出出液、、釜?dú)垰堃耗δ柫髁髁?kmol/sxF,xD,xW---易揮揮發(fā)組組分的的摩爾爾分?jǐn)?shù)數(shù)1.5.2物物料衡衡算與與操作作線方方程塔頂易易揮發(fā)發(fā)組分分的回回收率率:分離要要求的的表示示方法法(1))規(guī)定定易揮揮發(fā)組組分在在餾出出液和和釜?dú)垰堃旱牡慕M成成;(2))規(guī)定定餾出出液組組成xD和塔頂頂易揮揮發(fā)組組分回回收率率;(3))規(guī)定定餾出出液組組成xD和塔頂頂采出出率D/F(4))塔底底難揮揮發(fā)組組分的的回收收率在連續(xù)續(xù)精餾餾塔中中分離離苯--甲苯苯混合合液。。已知知原料料液流流量為為10000kg/h,苯的的組成成為40%%(質(zhì)質(zhì)量))。要要求餾餾出液液組成成為97%%,釜釜?dú)堃阂航M成成為2%。。試求求餾出出液和和釜?dú)垰堃旱牡牧髁苛浚╧mol/h))及餾餾出液液中易易揮發(fā)發(fā)組分分的回回收率率?苯的摩摩爾質(zhì)質(zhì)量為為78kg/kmol;甲苯苯的摩摩爾質(zhì)質(zhì)量為為92kg/kmol2.精精餾餾段操操作線線方程程總物料料易揮發(fā)發(fā)組分分回流比比①物理理意義義:n板下下降的的液相相組成成與相相鄰的的n+1板板上升升蒸氣氣組成成之間間的關(guān)關(guān)系②由恒恒摩爾爾流的的假定定,L為定值值,且且連續(xù)續(xù)定態(tài)態(tài)操作作中D和xD也是定定值,,R是常量量,直直線方方程3.提餾段段操作作線方方程總物料料:易揮發(fā)發(fā)組分分:②根據(jù)據(jù)恒摩摩爾流流的假假定,,L’為定定值,,且連連續(xù)定定態(tài)操操作中中W和xW也是定定值,,是直直線方方程①物理理意義義:m板下下降的的液相相組成成與相相鄰的的m+1板板上升升蒸氣氣組成成之間間的關(guān)關(guān)系在某兩兩組分分連續(xù)續(xù)精餾餾塔中中,精精餾段段內(nèi)自自第n層理論論板下下降的的液相相組成成為0.65((易揮揮發(fā)組組分摩摩爾分分?jǐn)?shù))),進(jìn)進(jìn)入該該板的的氣相相組成成為0.75,,塔內(nèi)內(nèi)氣液液摩爾爾流量量比V/L=2,物物系的的相對(duì)對(duì)揮發(fā)發(fā)度為為2.5,,試求求R、yn、xn-1物料衡衡算::熱量衡衡算::一、進(jìn)進(jìn)料熱熱狀況況參數(shù)數(shù)1.5.3進(jìn)進(jìn)料熱熱狀態(tài)態(tài)的影影響令:q:進(jìn)料料熱狀狀況參參數(shù)精餾段段和提提餾段段的氣氣、液液相流流量與與進(jìn)料料量及及進(jìn)料料熱狀狀況參參數(shù)之之間的的基本本關(guān)系系提餾段段操作作線方方程例題1-5二、進(jìn)進(jìn)料熱熱狀況況:(1)溫度度低于于泡點(diǎn)點(diǎn)的冷冷液體體;(2)泡點(diǎn)點(diǎn)溫度度的飽飽和液液體;;(3)溫度度介于于泡點(diǎn)點(diǎn)和露露點(diǎn)之之間的的氣液液混合合物;;(4)露點(diǎn)點(diǎn)溫度度的飽飽和蒸蒸氣;;(5)溫度度高于于露點(diǎn)點(diǎn)的過(guò)過(guò)熱蒸蒸氣。。進(jìn)料熱熱狀況況影響響L、L’及V、V’之間間的關(guān)關(guān)系L’包括括三部部分:①L;②F;③因因原料料溫度度低于于加料料板上上氣液液溫度度,故故原料料進(jìn)入入加料料板后后將一一部分分從提提餾段段上升升蒸氣氣冷凝凝下來(lái)來(lái)(1))冷液液進(jìn)料料:(2))飽和和液體體進(jìn)料料原料進(jìn)進(jìn)入加加料板板后全全部以以原來(lái)來(lái)液體體的狀狀況進(jìn)進(jìn)入提提餾段段原料含含有一一部分分液體體(往往下流流),,一部部分氣氣體((上升升)(3))氣液液混合合物進(jìn)進(jìn)料(4))飽和和蒸氣氣進(jìn)料料原料進(jìn)進(jìn)入加加料板板后全全部以以原來(lái)來(lái)氣體體的狀狀況上上升因原料料溫度度高于于加料料板上上氣液液溫度度,故故原料料進(jìn)入入加料料板后后勢(shì)必必將原原塔內(nèi)內(nèi)下降降的液液體加加熱氣氣化上上升。。(5))過(guò)熱熱蒸氣氣進(jìn)料料例1--8分離例例1--6中中的苯苯-甲甲苯混混合液液,若若進(jìn)料料為飽飽和液液體,,R=3.5,試求求提餾餾段操操作方方程,,截距距和斜斜率例1--9分離例例1--8中中的苯苯-甲甲苯混混合液液,若若將進(jìn)進(jìn)料熱熱狀態(tài)態(tài)變?yōu)闉?0℃的的冷液液體,,試求求提餾餾段的的上升升蒸氣氣流量量和下下降液液體流流量。。已知操操作條條件下下苯的的汽化化熱為為389kJ/kg,甲甲苯的的汽化化熱為為360kJ/kg,原原料液液的平平均比比熱容容為158kj/(kmol.℃℃)。。苯--甲苯苯混合合液的的氣液液平衡衡數(shù)據(jù)據(jù)見(jiàn)圖圖。原料液液的平平均氣氣化熱熱1.5.4理理論塔塔板數(shù)數(shù)的求求法1.逐逐板計(jì)計(jì)算法法精餾段段第一塊塊(全全凝))第一板板上升升的蒸蒸氣被被全部部冷凝凝并在在泡點(diǎn)點(diǎn)下回回流,,故塔塔頂餾餾出液液組成成及回回流液液組成成與第第一層層板的的上升升蒸氣氣相同同第二塊塊……....離開(kāi)每每層理理論板板的氣氣液相相平衡衡第n塊加料板板屬于于提餾餾段,,故精精餾段段所需需塔板板數(shù)為為(n-1)……....再沸器器相當(dāng)當(dāng)一塊塊理論論板,提餾餾段所所需板板數(shù)(m-1)提餾段段:……精餾塔塔所需需的總總理論論板數(shù)數(shù)2.梯梯級(jí)圖圖解法法2.1在在x-y坐坐標(biāo)圖圖上作作出平平衡曲曲線和和對(duì)角角線2.2在在x-y坐坐標(biāo)圖圖上作作出操操作線線(1)精餾餾段操操作線線的作作法精餾段段操作作線精餾段段操作作線(2)提餾餾段操操作線線的作作法(3)q線方程程精餾段段操作作線與與提餾餾段操操作線線交點(diǎn)點(diǎn)的軌軌跡方方程畫(huà)q線方程程q線方程程,進(jìn)進(jìn)料方方程過(guò)e點(diǎn)作斜斜率為為q/(q-1)的直直線ef,即為為q線ef(4)進(jìn)料料熱狀狀況對(duì)對(duì)q線及操操作線線的影影響進(jìn)料熱狀況q值q線的斜率q/(q-1)冷液體>1+飽和液體1∞氣、液混合物0<q<1-飽和蒸氣00過(guò)熱蒸氣<0+q線在x-y圖上的的位置置2.3圖圖解方方法圖解法法求理理論板板數(shù)2.4適適宜的的進(jìn)料料位置置進(jìn)料位位置不不當(dāng),,將使使理論論板數(shù)數(shù)增多多。實(shí)實(shí)際操操作中中,進(jìn)進(jìn)料位位置過(guò)過(guò)高,,餾出出液中中難揮揮發(fā)組組分含含量增增高;;反之之進(jìn)料料位置置過(guò)低低,使使釜?dú)垰堃褐兄幸讚]揮發(fā)組組分含含量增增高離開(kāi)該該板的的液相相組成成x≤xd,如上上圖中中的4塊塔塔板為為最優(yōu)優(yōu)加料料位置置最優(yōu)加加料板板位置置的確確定::例1--10在常壓壓連續(xù)續(xù)精餾餾塔中中,分分離苯苯-甲甲苯混混合液液。已已知原原料液液流量量為116.6kmol/h,苯苯的組組成為為0.44(摩摩爾分分?jǐn)?shù)))。要要求餾餾出液液組成成為0.975,釜釜?dú)堃阂航M成成為0.0235,,回流流比為為3.5,,相對(duì)對(duì)揮發(fā)發(fā)度為為2.47,塔塔頂采采用全全凝器器,泡泡點(diǎn)下下回流流。塔塔釜采采用間間接蒸蒸汽加加熱,,試用用逐板板計(jì)算算法求求理論論板數(shù)數(shù)。例1--11在常壓壓連續(xù)續(xù)精餾餾塔中中分離離苯--甲苯苯混合合液,,試用用圖解解法求求理論論板數(shù)數(shù)(1))在直直角坐坐標(biāo)上上利用用平衡衡方程程繪制制平衡衡曲線線及對(duì)對(duì)角線線;(2))在對(duì)對(duì)角線線上定定點(diǎn)a(0.975,0.975),,在y軸上上截距距為::在y軸上定定出點(diǎn)點(diǎn)b,連接接ab即為精精餾段段方程程(3))在對(duì)對(duì)角線線上定定點(diǎn)e(0.44,0.44)),過(guò)過(guò)點(diǎn)e作斜率率為3.76的的直線線ef,即為為q線。與與精餾餾段操操作線線相交交于點(diǎn)點(diǎn)d(4))在對(duì)對(duì)角線線上定定點(diǎn)c(0.0235,0.0235)),連連接cd,該直直線即即為提提餾段段操作作線自點(diǎn)a開(kāi)始在在平衡衡線和和精餾餾段操操作線線間由由水平平線和和垂直直線所所構(gòu)成成的梯梯級(jí),,當(dāng)梯梯級(jí)跨跨過(guò)點(diǎn)點(diǎn)d后后更換換操作作線,,即在在平衡衡線和和提餾餾段操操作線線間畫(huà)畫(huà)梯級(jí)級(jí),直直到梯梯級(jí)達(dá)達(dá)到或或跨過(guò)過(guò)點(diǎn)c為止1.5.5回回流比比的影影響及及其選選擇回流比比有兩兩個(gè)極極限值值,上上限是是全回回流,,下限限為最最小回回流比比回流比比:1.全全回流流和最最少理理論板板層數(shù)數(shù)全回流時(shí)時(shí),操作作線距平平衡線最最遠(yuǎn),表表示塔內(nèi)內(nèi)氣液兩兩相間的的傳質(zhì)推推動(dòng)力最最大,因因此達(dá)到到給定分分離任務(wù)務(wù)所需理理論板數(shù)數(shù)最少,,最少理論論板數(shù)Nmin精餾段操操作線與與對(duì)角線線重合操作線方方程:提餾段操操作線與與對(duì)角線線重合理論板數(shù)數(shù):芬斯克方方程全塔平均均相對(duì)揮揮發(fā)度,,可取塔塔頂和塔塔底的平平均值全回流時(shí)時(shí)最小理理論板層層數(shù)(不不包括再再沸器))最小理論論塔板數(shù)數(shù)的圖解解法當(dāng)回流比比減少到到某一極極限值時(shí)時(shí),兩條條操作線線的交點(diǎn)點(diǎn)d落在相平平衡線上上,此時(shí)時(shí)梯級(jí)無(wú)無(wú)法跨過(guò)過(guò)d,所需的的理論塔塔板數(shù)為為無(wú)窮大大,這時(shí)時(shí)的回流流比稱為為最小回回流比Rmin2.最小小回流比比當(dāng)回流比比小于Rmin,操作線線和q線的交點(diǎn)點(diǎn)落在平平衡線外外,精餾餾操作無(wú)無(wú)法完成成最小回流流比的求求法(1)作作圖法(2)解解析法飽和液體體進(jìn)料飽和蒸氣氣進(jìn)料3.最適適宜回流流比的選選擇?一般原則則:1.5.6簡(jiǎn)簡(jiǎn)捷法求求理論板板層數(shù)1.吉利利蘭(Gilliland))圖R、Rmin、N、Nmin的關(guān)聯(lián)圖圖吉利蘭圖圖應(yīng)用條條件:組分?jǐn)?shù)::2~11;進(jìn)進(jìn)料熱狀狀況:5Rmin=0.53~7.0;;相對(duì)揮揮發(fā)度::1.26~4.05理論板層層數(shù):2.4~43.1李德(Liddle))回歸方方程適用條件件:2.簡(jiǎn)捷捷法求理理論板層層數(shù)的步步驟①計(jì)算Rmin,,選擇R④確定進(jìn)料料板位置置②計(jì)算Nmin③計(jì)算橫坐坐標(biāo)(R-Rmin)/(R+1))→縱坐標(biāo)(N-Nmin)/(N+2))→算出理論論板層數(shù)數(shù)例題1-81.5.8塔塔高和塔塔徑的計(jì)計(jì)算1.塔高高的計(jì)算算1)板式式塔有效效高度的的計(jì)算實(shí)際板層層數(shù)板間距有效高度度,不包包括塔釜釜和塔頂頂空間高高度2)塔板板效率反映實(shí)際際塔板的的氣、液液兩相傳傳質(zhì)的程程度(1)總總板效率率(全塔塔效率)):達(dá)到到指定分分離效果果所需理理論板層層數(shù)與實(shí)實(shí)際板層層數(shù)

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