填料塔设计.docx
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填料塔设计
填料塔的设计
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隆业发布时间：
2009-9-5阅读：
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本章符号说明英文字母
a——填料的有效比表面积，m2/m3
at——填料的总比表面积，m2/m3
aW——填料的润湿比表面积，m2/m3
AT——塔截面积，m2；
C——计算umax时的负荷系数，m/s；
Cs——气相负荷因子，m/s；
d——填料直径，m；
D——塔径，m；
DL——液体扩散系数，m2/s；
Dv——气体扩散系数，m2/s；
ev——液沫夹带量,kg（液）/kg（气）；
E——液流收缩系数，无因次;
ET——总板效率，无因次；
g——重力加速度，9.81m/s2；
h——填料层分段高度，m；
HETP关联式常数；
hmax——允许的最大填料层高度，m；
HB——塔底空间高度，m；
HD——塔顶空间高度，m；
HoG——气相总传质单元高度，m；
H1——封头高度，m；
H2——裙座高度，m；
HETP——等板高度，m；
kG——气膜吸收系数，kmol/（m2·s·kPa）；
kL——液膜吸收系数，m/s；
KG——气相总吸收系数，kmol/（m2·s·kPa）；
lW——堰长，m；
Lb——液体体积流量，m3/h；
LS——液体体积流量，m3/s；
LW——润湿速率，m3/（m·s）；
m——相平衡常数，无因次；
n——筛孔数目；
NOG——气相总传质单元数；
P——操作压力，Pa；
△P——压力降，Pa；
u——空塔气速，m/s；
uF——泛点气速，m/s
u0.min——漏液点气速，m/s；
u′0——液体通过降液管底隙的速度，m/s；
U——液体喷淋密度，m3/（m2·h）
UL——液体质量通量，kg/（m2·h）
Umin——最小液体喷淋密度，m3/（m2·h）
Uv——气体质量通量，kg/（m2·h）
Vh——气体体积流量，m3/h；
VS——气体体积流量，kg/s；
wL——液体质量流量，kg/s；
wV——气体质量流量，kg/s；
x——液相摩尔分数；
X——液相摩尔比Z
y——气相摩尔分数；
Y——气相摩尔比；
Z——板式塔的有效高度，m；
填料层高度，m。
希腊字母
β——充气系数，无因次；
δ——筛板厚度，m
ε——空隙率，无因次；
θ——液体在降液管内停留时间，s；
μ——粘度，Pa·s；
ρ——密度，kg/m3；
σ——表面张力，N/m；
φ——开孔率或孔流系数，无因次；
Φ——填料因子，l/m；
ψ——液体密度校正系数，无因次。
下标
max——最大的；
min——最小的；
L——液相的；
V——气相的。
在化学工业中，经常需将气体混合物中的各个组分加以分离。
气体的吸收是用适当的液体吸收剂与气体混合物接触，吸收气体混合物中一个或几个组分，使其中的各组分得以分离的一种操作。
在化工生产中它主要用于原料气的净化、有用组分的回收、制取气体的溶液作为成品以及废气的治理等方面，因此吸收操作是一种重要的分离方法，在化学工业中应用相当普遍。
可用作吸收的设备种类很多，如填料塔、板式塔、喷洒塔和鼓泡塔等，工业上较多地使用填料塔。
填料塔的类型很多，其设计的原则大体相同，一般来说，填料塔的设计步骤如下：
①根据设计任务和工艺要求，确定设计方案；
②根据设计任务和工艺要求，合理地选择填料；
③确定塔径、填料层高度等工艺尺寸；
④计算填料层的压降；
⑤进行填料塔塔内件的设计与选型。
4.1填料塔设计
4.1.1设计方案的确定
4.1.1.1填料精馏塔设计方案的确定
填料精馏塔设计方案的确定包括装置流程的确定、操作压力的确定、进料热状况的选择、加热方式的选择及回流比的选择等，其确定原则与板式精馏塔基本相同，参见第三章。
4.1.1.2填料吸收塔设计方案的确定
（1）装置流程的确定
吸收装置的流程主要有以下几种，图4-1～4-4列出了部分流程。
①逆流操作气相自塔底进入由塔顶排出，液相自塔顶进入由塔底排出，此即逆流操作。
逆流操作的特点是，传质平均推动力大，传质速率快，分高效率高，吸收剂利用率高。
工业生产中多采用逆流操作。
②并流操作气液两相均从塔顶流向塔底，此即并流操作。
并流操作的特点是，系统不受液流限制，可提高操作气速，以提高生产能力。
并流操作通常用于以下情况：
当吸收过程的平衡曲线较平坦时，流向对推动力影响不大；易溶气体的吸收或处理的气体不需吸收很完全；吸收剂用量特别大，逆流操作易引起液泛。
③吸收剂部分再循环操作在逆流操作系统中，用泵将吸收塔排出液体的一部分冷却后与补充的新鲜吸收剂一同送回塔内，即为部分再循环操作。
通常用于以下情况：
当吸收剂用量较小，为提高塔的液体喷淋密度；对于非等温吸收过程，为控制塔内的温升，需取出一部分热量。
该流程特别适宜于相平衡常数m值很小的情况，通过吸收液的部分再循环，提高吸收剂的使用效率。
应予指出，吸收剂部分再循环操作较逆流操作的平均推动力要低，且需设置循环泵，操作费用增加。
④多塔串联操作若设计的填料层高度过大，或由于所处理物料等原因需经常清理填料，为便于维修，可把填料层分装在几个串联的塔内，每个吸收塔通过的吸收剂和气体量都相等，即为多塔串联操作。
此种操作因塔内需留较大空间，输液、喷淋、支承板等辅助装置增加，使设备投资加大。
⑤串联-并联混合操作若吸收过程处理的液量很大，如果用通常的流程，则液体在塔内的喷淋密度过大，操作气速势必很小（否则易引起塔的液泛），塔的生产能力很低。
实际生产中可采用气相作串联、液相作并联的混合流程；若吸收过程处理的液量不大而气相流量很大时，可采用液相作串联、气相作并联的混合流程。
总之，在实际应用中，应根据生产任务、工艺特点，结合各种流程的优缺点选择适宜的流程布置。
图4-1逆流吸收塔图4-2串联逆流吸收塔流程
1吸收塔2贮槽3泵4冷却器
图4-3吸收剂部分循环吸收塔图4-4吸收剂部分循环的吸收解吸联合流程
1吸收塔2泵3冷却器1吸收塔2贮槽3泵4冷却器5换热器6解吸塔
（2）吸收剂的选择
吸收过程是依靠气体溶质在吸收剂中的溶解来实现的，因此，吸收剂性能的优劣，是决定吸收操作效果的关键之一，选择吸收剂时应着重考虑以下几方面。
①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需用量。
②选择性吸收剂对溶质组分要有良好地吸收能力，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。
③挥发度要低操作温度下吸收剂的蒸气压要低，以减少吸收和再生过程中吸收剂的挥发损失。
④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。
⑤其他所选用的吸收剂应尽可能满足无毒性、无腐蚀性、不易燃易爆、不发泡、冰点低、价廉易得以及化学性质稳定等要求。
一般说来，任何一种吸收剂都难以满足以上所有要求，选用时应针对具体情况和主要矛盾，既考虑工艺要求又兼顾到经济合理性。
工业上常用的吸收剂列于表4-1。
表4-1工业常用吸收剂
溶质
吸收剂
氨
水、硫酸
丙酮蒸气
水
氯化氢
水
二氧化碳
水、碱液、碳酸丙烯酯
二氧化硫
水
硫化氢
碱液、砷碱液、有机溶剂
苯蒸气
煤油、洗油
丁二烯
乙醇、乙腈
二氯乙烯
煤油
一氧化碳
铜氨液
（3）操作温度与压力的确定
①操作温度的确定由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，但操作温度的低限应由吸收系统的具体情况决定。
例如水吸收CO2的操作中用水量极大，吸收温度主要由水温决定，而水温又取决于大气温度，故应考虑夏季循环水温高时补充一定量地下水以维持适宜温度。
②操作压力的确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条件综合考虑，以确定操作压力。
4.1.2填料的类型与选择
塔填料（简称为填料）是填料塔中气液接触的基本构件，其性能的优劣是决定填料塔操作性能的主要因素，因此，塔填料的选择是填料塔设计的重要环节。
4.1.2.1填料的类型
填料的种类很多，根据装填方式的不同，可分为散装填料和规整填料两大类。
（1）散装填料
散装填料是一个个具有一定几何形状和尺寸的颗粒体，一般以随机的方式堆积在塔内，又称为乱堆填料或颗粒填料。
散装填料根据结构特点不同，又可分为环形填料、鞍形填料。
环鞍形填料及球形填料等。
现介绍几种较典型的散装填料。
①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、金属等材质制造。
拉西环填料的气液分布较差，传质效率低，阻力大，通量小，目前工业上已很少应用。
②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孔，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，诸舌叶的侧边在环中心相搭，可用陶瓷、塑料、金属等材质制造。
鲍尔环由于环壁开孔，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，其通量可增加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。
③阶梯环填料阶梯环是对鲍尔环的改进。
与鲍尔环相比，阶梯环高度减少了一半，并在一端增加了一个锥形翻边。
由于高径比减少，使得气体绕填料外壁的平均路径大为缩短，减少了气体通过填料层的阻力。
锥形翻边不仅增加了填料的机械强度，而且使填料之间由线接触为主变成以点接触为主，这样不但增加了填料间的空隙，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，成为目前所使用的环形填料中最为优良的一种。
④弧鞍填料弧鞍填料属鞍形填料的一种，其形状如同马鞍，一般采用瓷质材料制成。
弧鞍填料的特点是表面全部敞开，不分内外，液体在表面两侧均匀流动，表面利用率高，流道呈弧形，流动阻力小。
其缺点是易发生套叠，致使一部分填料表面被重合，使传质效率降低。
弧鞍填料强度较差，容易破碎，工业生产中应用不多。
⑤矩鞍填料将弧鞍填料两端的弧形面改为矩形面，且两面大小不等，即成为矩鞍填料。
矩鞍填料堆积时不会套叠，液体分布较均匀。
矩鞍填料一般采用瓷质材料制成，其性能优于拉西环。
目前，国内绝大多数应用瓷拉西环的场合，均已被瓷矩鞍填料所取代。
⑥环矩鞍填料环矩鞍填料（国外称为Intalox）是兼顾环形和鞍形结构特点而设计出的一种新型填料，该填料一般以金属材质制成，故又称为金属环矩鞍填料。
环矩鞍填料将环形填料和鞍形填料两者的优点集于一体，其综合性能优于鲍尔环和阶梯环，是工业应用最为普遍的一种金属散装填料。
工业上常用散装填料的特性参数列于附录五中，可供设计时参考。
（2）规整填料
规整填料是按一定的几何图形排列，整齐堆砌的填料。
规整填料种类很多，根据其几何结构可分为格栅填料、波纹填料、脉冲填料等，工业上应用的规整填料绝大部分为波纹填料。
波纹填料按结构分为网波纹填料和板波纹填料两大类，可用陶瓷、塑料、金属等材质制造。
加工中，波纹与塔轴的倾角有30°和45°两种，倾角为30°以代号BX（或X）表示，倾角为45°以代号CY（或Y）表示。
金属丝网波纹填料是阿波纹填料的主要形式，是由金属丝网制成的。
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、热敏性物系的精馏提供了有效的手段。
尽管其造价高，但因性能优良仍得到了广泛的应用。
金属板波纹填料是板波纹填料的主要形式。
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。
波纹板片上轧成细小沟纹，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。
其缺点是不适于处理粘度大、易聚合或有悬浮物的物料，且装卸、清理困难，造价高。
工业上常用规整填料的特性参数列于附录六中，可供设计时参考。
4.1.2.2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。
所选填料既要满足生产工艺的要求，
又要使设备投资和操作费用较低。
（1）填料种类的选择
填料种类的选择要考虑分离工艺的要求，通常考虑以下几个方面。
①传质效率传质效率即分离效率，它有两种表示方法：
一是以理论级进行计算的表示方法，以每个理论级当量的填料层高度表示，即HETP值；另一是以传质速率进行计算的表示方法，以每个传质单元相当的填料层高度表示，即HTU值。
在满足工艺要求的前提下，应选用传质效率高，即HETP（或HTU值）低的填料。
对于常用的工业填料，其HETP（或HTU）值可由有关手册或文献中查到，也可通过一些经验公式来估算。
②通量在相同的液体负荷下，填料的泛点气速愈高或气相动能因子愈大，则通量愈大，塔的处理能力亦越大。
因此，在选择填料种类时，在保证具有较高传质效率的前提下，应选择具有较高泛点气速或气相动能因子的填料。
对于大多数常用填料，其泛点气速或气相动能因子可由有关手册或文献中查到，也可通过一些经验公式来估算。
③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，动力消耗越低，操作费用愈小。
选择低压降的填料对热敏性物系的分离尤为重要。
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△P/Z；另一是比较填料层单位传质效率的比压降△P/NT。
填料层的压降可用经验公式计算，亦可从有关图表中查出。
④填料的操作性能填料的操作性能主要指操作弹性、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，还应具有一定的抗污堵、抗热敏能力，以适应物料的变化及塔内温度的变化。
此外，所选的填料要便于安装、拆卸和检修。
（2）填料规格的选择
通常，散装填料与规整填料的规格表示方法不同，选择的方法亦不尽相同，现分别加以介绍。
①散装填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，使塔的分离效率降低。
因此，对塔径与填料尺寸的比值要有一规定，常用填料的塔径与填料公称直径比值D/d的推荐值列于表4-2。
表4-2塔径与填料公称直径的比值D/d的推荐值
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
②规整填料规格的选择工业上常用规整填料的型号和规格的表示方法很多，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，通量减小，填料费用也明显增加。
选用时应从分离要求、通量要求、场地条件、物料性质及设备投资、操作费用等方面综合考虑，使所选填料既能满足工艺要求，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，也可选用同种类型、不同规格的填料；可以选用同种类型的填料，也可以选用不同类型的填料；有的塔段可选用规整填料，而有的塔段可选用散装填料。
设计时应灵活掌握，根据技术经济统一的原则来选择填料的规格。
（3）填料材质的选择
工业上，填料的材质分为陶瓷、金属和塑料三大类。
①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，对强碱介质，可以选用耐碱配方制造的耐碱陶瓷填料。
陶瓷填料因其质脆、易碎，不宜在高冲击强度下使用。
陶瓷填料价格便宜，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。
②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来综合考虑。
碳钢填料造价低，且具有良好的表面润湿性能，对于无腐蚀或低腐蚀性物系应优先考虑使用；不锈钢填料耐腐蚀性强，一般能耐除Cl-以外常见物系的腐蚀，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能，能在高温、高压、高冲击强度下使用，工业应用主要以金属填料为主。
③塑料填料塑料填料的材质主要包括聚丙烯（PP）、聚乙烯（PE）及聚氯乙烯（PVC）等，国内一般多采用聚丙烯材质。
塑料填料的耐腐蚀性能较好，可耐一般的无机酸、碱和有机溶剂的腐蚀。
其耐温性良好，可长期在100℃以下使用。
聚丙烯填料在低温（低于0℃）时具有冷脆性，在低于0℃的条件下使用要慎重，可选用耐低温性能好的聚氯乙烯填料。
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。
塑料填料的缺点是表面润湿性能差，在某些特殊应用场合，需要对其表面进行处理，以提高表面润湿性能。
4.1.3填料塔工艺尺寸的计算
填料塔工艺尺寸的计算包括塔径的计算、填料层高度的计算及分段等。
4.1.3.1塔径的计算
填料塔直径仍采用式4-1计算，即
（4-1）
式中气体体积流量Vs由设计任务给定。
由上式可见，计算塔径的核心问题是确定空塔气速u。
（1）空塔气速的确定
①泛点气速法
泛点气速是填料塔操作气速的上限，填料塔的操作空塔气速必须小于泛点气速，操作空塔气速与泛点气速之比称为泛点率。
对于散装填料，其泛点率的经验值为u/uF=0.5~0.85
对于规整填料，其泛点率的经验值为u/uF=0.6~0.95
泛点率的选择主要考虑填料塔的操作压力和物系的发泡程度两方面的因素。
设计中，对于加压操作的塔，应取较高的泛点率；对于减压操作的塔，应取较低的泛点率；对易起泡沫的物系，泛点率应取低限值；而无泡沫的物系，可取较高的泛点率。
泛点气速可用经验方程式计算，亦可用关联图求取。
a.贝恩（Bain）—霍根（Hougen）关联式填料的泛点气速可由贝恩—霍根关联式计算，即
（4-2）
式中uF——泛点气速，m/s
g——重力加速度，9.81m/s2；
at——填料总比表面积，m2/m3；
ε——填料层空隙率，m3/m3；
ρV、ρL——气相、液相密度，kg/m3；
μL——液体粘度，mPa·s；
wL、wV——液相、气相质量流量，kg/h；
A、K——关联常数。
常数A和K与填料的形状及材质有关，不同类型填料的A、K值列于表4-3中。
由式4-2计算泛点气速，误差在15%以内。
表4-3式3-34中的A、K值
散装填料类型
A
K
规整填料类型
A
K
塑料鲍尔环
0.0942
1.75
金属丝网波纹填料
0.30
1.75
金属鲍尔环
0.1
1.75
塑料丝网波纹填料
0.4201
1.75
塑料阶梯环
0.204
1.75
金属网孔波纹填料
0.155
1.47
金属阶梯环
0.106
1.75
金属孔板波纹填料
0.291
1.75
瓷矩鞍
0.176
1.75
塑料孔板波纹填料
0.291
1.563
金属环矩鞍
0.06225
1.75
b.埃克特（Eckert）通用关联图散装填料的泛点气速可用埃克特关联图计算，如图4-5所示。
计算时，先由气液相负荷及有关物性数据求出横坐标
的值，然后作垂线与相应的泛点线相交，再通过交点作水平线与纵座标相交，求出纵座标
值。
此时所对应的u即为泛点气速uF。
应予指出，用埃克特通用关联图计算泛点气速时，所需的填料因子为液泛时的湿填料因子，称为泛点填料因子，以ΦF表示。
泛点填料因子ΦF与液体喷淋密度有关，为了工程计算的方便，常采用与液体喷淋密度无关的泛点填料因于平均值。
表4-4列出了部分散装填料的泛点填料因子平均值，可供设计中参考。
图4-5填料塔泛点和压降的通用关联图
图中u0——空塔气速，m/s；
φ——湿填料因子，简称填料因子，1/m；
ψ——水的密度和液体的密度之比；
g——重力加速度，m/s2；
ρV、ρL——分别为气体和液体的密度，kg/m3；
wV、wL——分别为气体和液体的质量流量，kg/s。
此图适用于乱堆的颗粒形填料，如拉西环、弧鞍形填料、矩鞍形填料、鲍尔环等，其上还绘制了整砌拉西环和弦栅填料两种规整填料的泛点曲线。
对于其他填料，尚无可靠的填料因子数据。
表4-4散装填料泛点填料因子平均值
填料类型
填料因子，1/m
DN16
DN25
DN38
DN50
DN76
金属鲍尔环
410
—
117
160
—
金属环矩鞍
—
170
150
135
120
金属阶梯环
—
—
160
140
—
塑料鲍尔环
550
280
184
140
92
塑料阶梯环
—
260
170
127
—
瓷矩鞍
1100
550
200
226
—
瓷拉西环
1300
832
600
410
—
②气相动能因子（F因子）法
气相动能因子简称F因子，其定义为
（4-3）
气相动能因子法多用于规整填料空塔气速的确定。
计算时，先从手册或图表中查出填料在操作条件下的F因子，然后依据式4-3即可计算出操作空塔气速u。
常见规整填料的适宜操作气相动能因子可从有关图表中查得。
应予指出，采用气相动能因子法计算适宜的空塔气速，一般用于低压操作（压力低于0.2MPa）的场合。
③气相负荷因子（Cs因子）法
气相负荷因于简称Cs因子，其定义为
（4-4）
气相负荷因子法多用于规整填料空塔气速的确定。
计算时，先求出最大气相负荷因子Cs,max，然后依据以下关系
Cs=0.8Cs.max（4-5）
计算出Cs，再依据式4-4求出操作空塔气速u。
常用规整填料的Cs.max的计算见有关填料手册，亦可从图4-6所示的Cs.max曲线图查得。
图中的横坐标ψ称为流动参数，其定义为
（4-6）
图4-4曲线适用于板波纹填料。
若以250Y型板波纹填料为基准，对于其他类型的板波纹填料，需要乘以修正系数C，其值参见表4-5。
表4-5其他类型的波纹填料的最大负荷修正系数
填料类型
型号
修正系数
板波纹填料
250Y
1.0
丝网波纹填料
BX
1.0
丝网波纹填料
CY
0.65
陶瓷波纹填料
BX
0.8
（2）塔径的计算与圆整
根据上述方法得出空塔气速u后，即可由
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