水吸收氨过程填料吸收塔设计.docx
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水吸收氨过程填料吸收塔设计
设计题目3000Nm3/h含氨5%填料吸收塔的设计
试设计一座填料吸收塔，用于脱出混于空气中的氨气。
混合气体的处理量为3000Nm3/h，其中含氨为5%（体积分数），采用清水进行吸收。
要求塔顶排放气体中含氨低于0.02%（体积分数）。
操作条件
（1）操作压力101.33kPa（常压）；
（2）操作温度20℃；
（3）吸收剂用量为最小用量的1.9倍
填料类型：
选用聚丙烯阶梯环填料。
工作日：
每年300天，每天24小时连续运行
厂址：
合肥
设计内容
（1）设计方案的说明及流程说明；
（2）吸收塔的物料衡算；吸收塔的工艺尺寸计算；
（3）填料层压降的计算；
（4）液体分布器简要设计；
（5）吸收塔接管尺寸计算；
（6）绘制生产工艺流程图；
（7）绘制吸收塔设计条件图；
（8）绘制液体分布器施工图；
（9）对设计过程的评述和有关问题的讨论。
第1章设计方案的简介1
1.1选定塔型1
1.2确定填料吸收塔的具体方案2
1.2.1装置流程的确定2
1.2选择吸收剂3
1.3操作温度与压力的确定3
1.3.1操作温度的确定3
1.3.2操作压力的确定3
第2章填料的类型与选择4
2.1填料的类型4
2.1.1散装填料4
2.1.2规整填料4
2.2填料的选择5
2.2.1填料种类的选择5
2.2.2填料规格的选择6
2.2.3填料材质的选择7
第3章填料塔工艺尺寸9
3.1设计基础数据9
3.1.1液相物性数据9
3.1.2气相物性数据9
3.2.3气液相平衡数据9
3.2.4物料衡算10
第4章填料塔的工艺尺寸的计算11
4.1塔径的计算11
4.2填料层高度计算12
4.3填料塔压降的计算14
第5章液体分布器简要设计16
5.1液体分布器16
5.2液体再分布器17
5.3塔底液体保持管高度18
第6章吸收塔接管尺寸计算19
6.1气体进料管19
6.2液体进料管19
6.3离心泵的选型19
6.4风机的选型20
第7章塔体附件设计22
7.1塔的支座22
7.2其他附件22
附图1填料塔工艺图23
附图2工艺流程图24
附录1吸收塔设计条件图25
附录2符号说明26
附录3设计一览表27
附录4Eckert通用关联图28
参考文献29
第1章设计方案的简介
1.1选定塔型
塔器是关键设备，例如在气体吸收、液体精馏（蒸馏）、萃取、吸附、增湿中、离子交换等过程中都有体现。
通常我们将塔分为板式塔和填料塔两大类。
其中填料塔是一个圆筒塔体，塔内装载一层或多层填料，气相由下而上，液相由上而下接触，传热和传质主要在填料表面进行，填料的选择是填料塔的关键。
填料塔制造方便，结构简单，采用材料可是耐腐蚀的材料或者金属以及塑料，在塔径较小的情况较有效，使用金属材料省，一次投料较少，塔高较低。
表1-1板式塔与填料塔对比
序号
填料塔
板式塔
１
Φ800mm以下，造价低，直径大则价高
Φ600mm以下时，安装困难
２
用小填料时，小塔的效率高，塔径增大，效率下降，所需高度急增
效率较稳定。
大塔板效率比小塔板有所提高
３
空塔速度（生产能力）低
空塔速度高
４
大塔检修费用高，劳动量大
检修清理比填料塔容易
５
压降小，对阻力要求小的场合较适用（如：
真空操作）
压降比填料塔大
６
对液相喷淋量有一定要求
气液比的适应范围大
７
内部结构简单，便于非金属材料制作，可用于腐蚀较严重的场合
多数不便于非金属材料的制作
８
持液量小
持液量大
吸收塔设计基本原则是：
生产能力大，有足够的弹性；
满足工艺要求，分离效率高；
运行可靠性高，操作、维修方便，少出故障；
结构简单，加工方便，造价较低；
塔压降小。
综上考虑，吸收3000Nm3/h含5%的氨的生产任务较小，我们采用填料吸收塔完成该项生产任务。
它结构简单，造价较低，便于采用耐蚀材料使得寿命较长。
1.2确定填料吸收塔的具体方案
装置流程主要有以下几种：
（1）逆流操作气相自塔底进入由塔顶排出，液相由塔顶流入由塔底流出，其传质速率快，分离效率、吸收剂利用率高。
工业生产中多采用此操作。
（2）并流操作气液两相均由塔顶流向塔底，其系统不受液流限制，可提高操作气速，以提高生产能力。
通常用于以下情况：
当吸收过程的平衡曲线较平坦时，液流对推动力影响不大；易溶气体的吸收或吸收的气体不需吸收很完全；吸收剂用量很大，逆流操作易引起液泛。
（3）吸收剂部分循环操作在逆流操作过程中，用泵将吸收塔排除的一部分冷却后与补充的新鲜吸收剂一同送回塔内，通常以下情况使用：
当吸收剂用量较少，为提高塔的喷淋密度，对于非等温吸收过程，为控制塔内的温度升高，需取出一部分热量。
该流程特别适用于相平衡常数m较小的情况，通过吸收液的部分再循环，提高吸收剂的利用率。
需注意吸收剂的部分再循环较逆流操作费用的平均推动力较小，且需设置循环泵，操作费用提高。
由于氨在水中的溶解度很大。
逆流操作时平均推动力大，传质速率快，分离效率高，吸收剂利用率高。
逆流操作是完成该项任务的最佳选择。
在生产工艺流程图中，吸收剂水由离心泵输送至填料塔的塔顶，经液体分布器均匀的分布在填料上，使填料整个的充分润湿。
气体由风机从塔底送入，含少量氨气的空气经过填料时，与填料上的吸收剂水相接触，此时在填料的表面发生传质过程实现氨的吸收。
吸收剂水通过填料吸收氨后由塔底排除，而带有少量氨的空气完成吸收后氨的含量已在0.02%以下由塔顶放空。
1.2选择吸收剂
吸收过程是依靠气体溶质在溶剂中的溶解来实现的，因此，吸收剂的性能的和优劣，是决定吸收操作效果的关键之一，选择时有以下考虑方面：
溶解度 吸收剂对溶质组分的溶解度要大，以提高吸收速率并减少吸收剂的用量。
选择性 吸收剂对溶质组分要有良好的选择吸收能力，而对混合气体中的其他组分不吸收或吸收甚微，否则不能直接实现有效的分离。
挥发度要低 操作温度下吸收剂的蒸汽压要低，要减少吸收和再生过程中吸收剂的挥发和损失。
粘度 吸收剂在操作温度下的粘度越低，其在塔内的流动性越好，有助于传质速率和传热速率的提高。
其他 所选的吸收剂尽量的满足无毒性、无腐蚀性、不易燃易爆、不发泡、冰点低、廉价易得以及化学性质稳定等要求。
在吸收空气中少量的氨时，水是最理想的溶剂，由于氨在水中的溶解度很大。
常温常压下，水的挥发度很小、粘度较小、价格低廉等。
1.3操作温度与压力的确定
由于吸收过程的气液平衡关系可知，温度降低可增加溶质组分的溶解度。
即低温有利于吸收，当操作温度的低限应由吸收系统的具体情况决定。
由吸收过程的气液平衡关系可知，压力升高可增加溶质组分的溶解度，即加压有利于吸收。
但随着操作压力的升高，对设备的加工制造要求提高，且能耗增加因此需结合具体工艺的条件综合考虑，以确定操作压力。
在该任务中，由于在常温常压下操作且在此条件下氨的溶解度很大，且受温度与压力的影响不大，在此不做过多的考虑。
第2章填料的类型与选择
2.1填料的类型
填料种类很多，根据装填方式不同，可分为散装填料和规整填料两大类。
散装填料是一个个具有一定集合形状和尺寸的颗粒体一般以随机的方式堆积在塔内的，又称为乱堆填料和颗粒填料。
散装填料根据结构特点不同，又可分为环形填料、鞍形填料、和环鞍的填料等。
以下是典型的散装填料：
拉西环填料 拉西环填料是最早提出的工业填料，其结构为外径与高度相等的圆环，可用陶瓷、塑料、金属等材质制成。
拉西环填料的气液分布较差、传质效率低、阻力大、通量小，目前工业上用得较少。
鲍尔环填料 鲍尔环是在拉西环的基础上改进而得。
其结构为在拉西环的侧壁上开出两排长方形的窗口，被切开的环壁的一侧仍与壁面相连，另一侧向环内弯曲，形成内伸的舌叶诸舌叶的侧边与环中间相搭，可用陶瓷、塑料、金属制造鲍耳环由于环内开孔，大大提高了环内空间及环内表面的利用率气流阻力小，液体分布均匀。
与拉西环相比通量可提高50%以上，传质效率提高30%左右。
鲍尔环是目前应用较广的填料之一。
阶梯环填料 阶梯环是对鲍尔环的改进。
鲍尔环相比阶梯环高度减少了一半，并在一端增加了一个锥形的翻边由于高径比减少，使得气体绕填料外外壁的平均路径大为缩短，减少了气体通过填料层的阻力。
锥形翻边不仅提高了填料的机械强度，而且使填料之间由线接触为主变为点接触为主，这样不但增加了填料层之间的空隙，同时成为液体沿填料表面流动的汇集分散点，可以促进液膜的表面更新。
有利于传质效率的提高。
阶梯环的综合性能优于鲍尔环，成为目前环形填料中最为优良的一种。
规整填料是按一定的的几何图形排列，整齐堆砌的填料。
规整填料种类很多，根据其几何结构分为格栅填料、波纹填料、脉冲填料。
工业上使用的绝大多数规整填料为波纹填料。
波纹填料按结构分为网波纹填料和板波纹填料可用陶瓷、塑料、金属制造。
金属丝波纹填料是网波纹填料的主要形式，是由金属丝制成。
其特点是压降低、分离效率高，特别适用于精密精馏及真空精馏装置，为难分离物系、热敏性的精馏提供了有效的手段。
尽管造价高，但性能优越仍得到了广泛应用。
金属板波纹填料是板填料的主要形式。
该填料的波纹板片上冲压有许多Φ4mm~Φ6mm的小孔，可起到粗分配板片上的液体、加强横向混合的作用。
波纹板片上扎成细小沟纹，可起到细分配板片上的液体、增强表面润湿性能的作用。
金属孔板波纹填料强度高，耐腐蚀性强，特别适用于大直径塔及气液负荷较大的场合。
波纹填料的优点是结构紧凑，阻力小，传质效率高，处理能力大，比表面积大。
其缺点是不适用于处理粘度大、易聚合或有悬浮物的物料，且装卸、清洗困难、造价高。
2.2填料的选择
填料的选择包括确定填料的种类、规格及材质等。
所选的填料既要满足工艺的要求，又要设备投资和操作费用低。
填料种类的选择要考虑到分离工艺的要求，有以下几方面：
传质效率 传质效率即分离效率。
它的表示方法有两种：
一是每个理论级当量的填料层高度，即HETP值；二是每个单元相当的填料层高度既HTU值。
在满足工艺要求的条件下，应选用传质效率高，即HETP（HTU）值低的填料。
通常在相同的液体负荷下，填料的泛点气速或气相动能因子愈大，则通量愈大，塔的处理能力愈大。
因此，在选择填料种类的时，在保证具有较高的传质效率的前提下，应选择具有较高泛点气速或气相动能因子的填料。
填料层的压降 填料层的压降是填料的主要应用性能，填料层的压降愈低，动力消耗愈低，操作费用愈小。
选择低压降的填料对热敏系的分离尤为重要。
比较填料的压降有两种方法，一是比较填料层单位高度的压降ΔＰ／Ｚ；另一是比较填料层单位传质效率的比压降ΔＰ／ＮＴ。
填料的操作性能 填料的操作性能主要是指操作弹性、抗污堵性及抗热敏性等。
所选填料应具有较大的操作弹性，以保证塔内气液负荷发生波动时维持操作稳定。
同时，还应有一定的抗堵、抗热敏能力，以适应物料的变化及塔内温度的变化。
此外，所选的要便于安装、拆卸和检修。
通常，散装填料与规整填料的规格表示方法不同，选择方法也有所不同，选择的方法亦不尽相同，现在分别加以介绍。
散装调料规格的选择 散装填料的规格通常是指填料的公称直径。
工业塔常用的散装填料主要有DN16、DN25、DN38、DN50、DN76等几种规格。
同类填料，尺寸越小，分离效率越高，但阻力增加，通量减小，填料费用也增加很多。
而大尺寸的填料应用于小直径塔中，又会产生液体分布不良及严重的壁流，使塔的分离效率低。
因此对塔径与填料尺寸的比值要有一规定，采用填料的塔径与填料公称直径比值D/d的推荐值列如下表：
表2-1填料的塔径与填料公称直径比值
填料种类
D/d的推荐值
拉西环
D/d
20～30
鞍环
D/d
15
鲍尔环
D/d
10～15
阶梯环
D/d>8
环矩鞍
D/d>8
规整填料规则的选择 工业上常用规整填料的型号和规格表示方法有多种，国内习惯用比表面积表示，主要有125、150、250、350、500、700等几种规格，同种类型的规整填料，其比表面积越大，传质效率越高，但阻力增加，通量减少，填料费用也明显的增加。
选用时应分离要求、通量要求、场地的条件、物料的性质及设备投资、操作费用等方面考虑，使所选填料既能满足工艺的要求，又具有经济合理性。
应予指出，一座填料塔可以选用同种类型、同一规格的填料，也可选用不同种类型、不同规格的填料，设计时灵活掌握，根据技术经济统一的原则来选择填料的规格。
工业上，填料的材质分为陶瓷、金属和塑料三大类：
陶瓷填料 陶瓷填料具有良好的耐腐蚀性及耐热性，一般能耐除氢氟酸以外的常见的各种无机酸、有机酸的腐蚀，对强酸碱介质，可以选用耐碱配方制成的耐碱陶瓷填料。
陶瓷填料因其质脆、易碎，不宜在高冲击强度下使用。
陶瓷填料价钱便宜，具有很好的表面润湿性能，工业上，主要用于气体吸收、气体洗涤、液体萃取等过程。
金属填料 金属填料可用多种材质制成，金属材质的选择主要根据物系的腐蚀性和金属材质的耐腐蚀性综合考虑。
碳钢填料的造价低，且具有良好的表面润湿的性能，对无腐蚀或低腐蚀性的物系要优先考虑使用；不锈钢填料耐腐蚀性强，一般除了Cl-以外的常见物系应优先的腐蚀，但其造价较高，钛材、特种合金钢等材质制成的填料造价极高，一般只在某些腐蚀性极强的物系下使用。
金属填料可制成薄壁结构（0.2～1.0mm），与同种类型、同种规格的陶瓷、塑料填料相比，它的通量大，气体阻力小，且具有很高的抗冲击性强，能在高温、高压高冲击强度下使用，工业上主要以金属填料为主。
塑料填料 塑料填料的材质只要包括聚丙烯（PP）、聚乙烯（PE）、聚氯乙烯（PVC）等，国内一般都采用聚丙烯材质。
塑料填料的耐腐蚀性较好，可耐无机酸，碱和有机溶剂的腐蚀。
其耐温性良好，好长期在100℃以下使用。
聚丙烯在低温（低于０℃）时具有冷脆性，在低于０℃时条件下慎用，可选用耐低温好的聚氯乙烯填料。
塑料填料具有质轻、价廉、耐冲击、不易破碎等优点多用于吸收、解吸、萃取、除尘等装置中。
塑料的缺点是表面润湿性差，在某些场合，需要对其表面进行处理，以提高表面的润湿性能。
综上对各种类型、各种规格填料的分析，对于在20℃，101.3KPa下吸收3000Nm3/h空气含5%的氨，由于操作温度及操作压力较低，工业上常用塑料散装填料。
在塑料散装填料中，塑料阶梯环填料性能较好，故选用DN38聚丙烯阶梯环填料。
第3章填料塔工艺尺寸
3.1设计基础数据
20℃时水的有感物性数据如下：
密度
黏度
表面张力
NH3在水中的扩散系数为ＤＬ＝１.76×10-9ｍ2/s＝6.336×10-6m2/h。
20℃氨在水中的溶解度系数为H=0.725kmol/（m3?
kPa）。
混合气体的平均摩尔质量：
。
混合气体的平均密度：
ρv=PMV/RT=101.325×28.4÷（8.314×293）=1.181kg/m3
混合气体的黏度：
μv=1.73×10-5Pa.s=0.062kg/m.h
查物性数据手册NH3在空气中的扩散系数为：
DV={4.36×10-5T3/2（1/MA+1/MB）1/2}/{P（VA1/3+VB1/3）2}
=1.79510-5m2/s
=0.0646m2/h。
已知在20℃下氨在水中溶解度系数：
H=0.725kmol/kPa·m3
则在常压下氨在水中的亨利系数：
相平衡常数：
。
进塔气相摩尔比：
出塔气相摩尔比：
进塔气体流量为：
该过程属于低浓度吸收，平衡关系为直线，最小液气比可按下式计算：
（L/V）min=（Y1-Y2）/（Y1/m-X2）
因为是纯溶剂吸收过程，进塔液相组成X2=0
所以
则操作液气比：
取操作液气比为最小液气比的1.9倍，可得吸收剂用量为：
L/V=1.9（L/V）min=1.9×0.752=1.427
则L=1.427×118.55=169.17kmol/h
第4章填料塔的工艺尺寸的计算
4.1塔径的计算
采用Eckert通用关联图计算泛点气速。
气相质量流量为：
ωV=3000×1.181=3543kg/h
液相质量流量可近似按纯水的流量计算，即：
ωL=169.17×18.02=3048.44kg/h
Eckert通用关联图的横坐标为：
查Eckert通用关联图得：
查散装填料泛点填料因子平均值表得ΦF=170m-1
取u=0.7uF=0.7×3.1m/s=2.17m/s
由
圆整塔径：
D=0.7m
泛点率校核：
（在合理范围内）
填料规格矫正：
D/d=700÷38=18.42>8
取最小润湿速率为：
LW=0.08m3/m·hat=72m2/m3
Umin=（LW）minat=0.08×72=5.76m3/m2·h
经上可知，填料塔径合适。
4.2填料层高度计算
已知：
Y1*=mX1=0.754×0.036=0.027
脱吸因数为：
273K，101.3kPa下，氨气在空气中的扩散系数
。
由
则：
293K，101.3kPa下，氨气在空气中的扩散系数:
293K，101.3kPa下，氨气在水中的扩散系数:
气相总传质单元数为：
=10.225
气相总传质单元高度采用修正的恩田关联式计算：
液体质量通量为：
气体质量通量为：
故：
气膜吸收系数：
液膜吸收系数:
查表得
=1.45故
=0.0882
72×0.3719
1.451.1=3.554
=0.5802×72×0.3719
1.450.4=18.025
f=
=0.7>0.5
以下公式为修正计算公式：
=7.101
=22.989
则
（H为溶解度系数）；
=
=4.979
由
得Z=HOG×NOG=0.611×10.225=6.25m
取上下活动系数为1.25
故Z’=1.25Z=1.25×6.25=7.81m
取填料层高度为8m。
查散装填料分段高度推荐值查得塑料阶梯环
，
取h/D=10得
h=10
0.7=7m
填料层需要分为两段，高度分别为4m，两段间设置一个液体再分布器。
4.3填料塔压降的计算
采用Eckert通用关联图计算填料层压降
横坐标为：
查表得：
纵坐标为：
查Eckert图得：
填料层压降为：
△P=392.4×8=3.1392kPa。
第5章液体分布器简要设计
5.1液体分布器
液体分布器可分为初始分布器和再分布器，初始分布器设置于填料塔内，用于将塔顶液体均匀的分布在填料表面上，初始分布器的好坏对填料塔效率影响很大，分布器的设计不当，液体预分布不均，填料层的有效湿面积减小而偏流现象和沟流现象增加，即使填料性能再好也很难得到意的分离效果。
因而液体分布器的设计十分重要。
特别对于大直径低填料层的填料塔，特别需要性能良好的液体分布器。
液体分布器的性能主要由分布器的布液点密度（即单位面积上的布液点数），各布液点均匀性，各布液点上液相组成的均匀性决定，设计液体分布器主要是决定这些参数的结构尺寸。
对液体分布器的选型和设计，一般要求：
液体分布要均匀；自由截面率要大；操作弹性大；不易堵塞，不易引起雾沫夹带及起泡等；可用多种材料制作，且操作安装方便，容易调整水平。
根据本吸收的要求和物系的性质可选用重力型排管式液体分布器，布液孔数应依据所用填料所需的质量分布要求决定，喷淋点密度应遵循填料的效率越高所需的喷淋点密度越大这一规律。
分布点密度计算：
表5.1Eckert的散装填料塔喷淋点密度推荐值
塔径，mm
喷淋点密度，点/m2塔截面
D=400
D=500
D=600
D=750
D≥1200
330
285
246
170
42
按Eckert建议值，D=700>600时，喷淋点密度为246点／m2，塔液相对负荷较小，所以设计取喷淋点密度为246点／m2。
总布液孔数n=0.785×0.72×246=94.624
取布液点数为90点
布液计算，取Φ=0.6△H=0.2m
由
设计取d0=0.002m=2mm
设计布液点数90，直径2mm。
5.2液体再分布器
液体在乱堆填料层内向下流动时，有一种逐渐向塔壁流动的趋势，即壁流现象。
为提高塔的传质效果，当填料层高度与塔径之比超过某一数值时，填料层需分段。
为改善壁流造成的液体分布不均，在各段填料层之间安设液体再分布器，以收集来自上一填料层来的液体，为下一填料层提供均匀的液体分布。
在填料层中每隔一定高度应设置一液体再分布器。
在通常情况下，一般将液体收集器与液体分布器同时使用，构成液体收集及再分布装置。
液体收集器的作用是将上层填料流下的液体收集，然后送至液体分布器进行液体再分布。
液体收集再分布器的种类很多，大体上可分为两类：
一类是液体收集器与液体再分布器各自独立，分别承担液体收集和再分布的任务。
另一类是集液体收集和再分布功能于一体而制成的液体收集和再分布器。
液体再分布器有与百叶窗式集液器配合使用的管式或槽盘式液体再分布器、多孔盘式再分布器和截锥式液体再分布器。
最简单的液体再分布装置为截锥式再分布器，其结构简单，安装方便，一般多用于直径小于0.6m的填料塔中，以克服壁流作用对传质效率的影响。
此次设计填料层高度为8m需分段，根据实际情况选取多孔盘式液体再分布器。
为防止上一填料层来的液体直接流入升气管，应于升气管上设盖帽。
液体分布器有截锥形再分布器、边圈槽型再分布器、改进截锥形再分布器。
（1）截锥式再分布器截锥式再分布器分为两种，其中一个是将截锥体固定在塔壁上，其上下均可装满填料，锥体不占空间，是最简单的一种。
另一个是在截锥上方设支承板，截锥以下隔一段距离再放填料，需分段卸出填料时可用此型。
截锥体与塔壁的夹角一般取为35~40°，截锥下口直径D1=（0.7～0.8）D。
截锥型再分布器适于直径800mm以下的塔应用。
（2）边圈槽形再分布器壁流液汇集于边圈槽中，再由溢流管引入填料层。
边槽宽度为50～100mm，可依塔径大小选取，溢流管直径为16～32mm，一般取3～4根溢流管。
此型结构简单，气体通过截面较大，可用于300～1000mm直径的塔中，其缺点是喷洒不够均匀。
（3）改进截锥形再分布器此型既改善了液体分布情况，又有较大的自由截面积，适用于600mm以下塔径。
此次设计吸收塔填料层分层，所以需设计液体再分布器。
选用液体再分布器为截锥式再分布器
5.3塔底液体保持管高度
塔底液体保持管高度可以根据液体的流率及布液孔的直径选定。
塔底液位保持管高度与所需的布液孔直径两者之间的关系如下：
k为孔流系数，其值由小孔液体流动雷诺数决定，在雷诺数大于1000的情况下，可取0.60-0.62。
液位高度的确定应和布液孔径协调设计，使各项参数均在一定范围。
对于重力式排管液体分布器，液位保持管的高度由液体最大流率下的最高液位决定，一般取最高液位的1.12-1.15倍。
第6章吸收塔接管尺寸计算
6.1气体进料管
由于常压下塔气体进出口管气速可取12～20
，故若取气体进出口流速近似为19m/s，则由公式
可求得气体进出口内径为：
选择直径270mm×10mm热轧无缝钢管，则：
气体进出口压降：
进口：
出口：
6.2液体进料管
由于常压下塔液体进出口管速可取
，故若取液体进出口流速近似为2.4m/s，则由公式
可求得液体进出口内
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