环境工程原理期末总结
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强化传热措施
表面汽化
临界点
8
传热平均温度差的计算:
tm
t1 t2
ln
t1 t2
首先依据题意,画出流体温度在传热设备中的变 化趋势;
其次,计算两流体流体进口温差、出口温差;
求对数平均值
9
传热过程强化的途径
QKAtm
1.增大总传热系数:
K 1d 0 id o .0i2 3R s d,o Re0.8 d d m o Pr nR s,i如d do 何i 有效1 o提高K?
3.单方向稳态扩散
NADABcB cM(cA1zcA2)
漂流因子
22
4. 亨利定律 p*A E x
实验证明: a)对稀溶液而言,E只是温度的函数,温度上升,E增加,溶解度下降; b)难溶气体的E大,易溶气体的E小。
Henry 定律的其他形式
c* AH pA或 p* AcA/H
yA mxA
23
双膜模型
∵ α1>>α2
∴ α2≈K
当油的流量增加一倍时,u’=2u
K' K
'2 2
2u0.8 u
1.741
若油出口温度仍为80℃时:
2mscpt K'A'tm1.74A1'
mscpt K Atm
A
A'24045.95m2
1.741
17
列管换热器,A=40m2,φ25×2.5mm钢管。 油走管程, ms2=2.5×104kg/h,t1=40℃,t2=80℃,湍流,cp=2.1×103J/(kg.K)。 蒸气走壳程,ps=0.2MPa(绝压),α=1.2×104W/(m2.K)。
环境工程原理 期末总结
2014.12.31
1
主要内容
• 绪论 • 物料衡算与热量衡算 • 传热原理(计算1) • 沉降 • 过滤 • 传质原理 • 吸收(计算1) • 反应工程(计算1)
2
总传热公式
QKAtm
强化
Q 的计算
对流
总衡算
导热
热辐射
Δtm的计算
K 的计算
传热过程
知识关联图
3
传热速率Q的计算:
14
列管换热器,A=40m2,φ25×2.5mm钢管。 油走管程, ms2=2.5×104kg/h,t1=40℃,t2=80℃,湍流,cp=2.1×103J/(kg.K)。 蒸气走壳程,ps=0.2MPa(绝压),α=1.2×104W/(m2.K)。
解: ⑴ 当油的处理量增加一倍时,油的出口温度为多少?
N = y1
OG
y2
dy y y*
ym
y1 ln
y2 y1
y2
NOG
y1 y2 ym
S=1 m mG AL L G
32
例:设计一台常压操作的填料吸收塔,用清水吸收焦炉气中的氨,操作条件下的平衡 关系为y=1.2x,气体流率为4480m3/(m2.h),入塔气体浓度为10g/Nm3,要求回收率为 95%,吸收剂用量为最小用量的1.5倍,气相体积总传质系数Kya=200kmol/(m3.h)。试求: ⑴ 水用量(m3/(m2.h))(取ρ水=1000kg/m3); ⑵ 出塔溶液中氨的浓度(mol%); ⑶ 填料层高度(m); ⑷ Kya正比于G0.8(G为摩尔流率),若回收率不变,塔内温度、压力、均不变,在液流量 不变情况下,气体流率增加一倍,则填料层高度应变为多少?
⑵ 若不够用,可采取哪些措施 ① 增大传热面── 并联或串联一台换热器 ② 提高加热蒸气的压力,以提高传热推动力 ③ 加添加物,增加扰动── 提高管程对流给热系数,以 降低管程热阻
⑶ 并联或串联多大的换热器才够用?要考虑哪些因素? 并联一台同样大小的换热器,流量ms’增加一倍,传热面 增加一倍,流速不变,传热系数K不变── 正好够用。
2.增大传热面积 3. 增大传热平均温度差
tm
t1 t2
ln
t1 t2
逆流优于并流
10
控制热阻法: ,Rs可忽略时,K接近于小一方; 若 大>>小,小≈K 如 汽水 冷凝水 此时,有效提高K的途径为提高小
11
辐射热传导--基本概念、基本原理 基本概念
黑体、镜体、透过体、灰体、黑度ε
气相阻力占总阻力分率为:
1 /0 . ( 0 4 2 .5 3 ) 5 4 9 1 .8 0 0 0
29
吸收
• 1. 吸收影响因素:温度、压力 • 2. 平衡线和吸收操作线图示及基于图的
分析 • 3. 计算要求:
– 物料衡算 – 最小液气比 – 传质单元数 – 传质单元高度 – 填料层高度
30
增大管内强制对流传热系数的途径: 变化的根本原因:层流底层的厚度的变化
1. 在管路条件不变的情况下,增大流速,α增大。 2. 在流量不变的情况下,减小管径或采用蛇管。
注意:此时α并不与管径尺寸成反比。 7
有相变:
冷凝:影响冷凝传热的因素,如何影响冷凝液层的厚度
沸腾: 沸腾条件--过热, 气化核心
沸腾的过热度与传 热系数的关系
2
1
1 1
bd1
d1 d2
K 1 dm
1
2532.79W/(2m.K)
1 1 0.002525 20
25.27 12000 4522.5
16
列管换热器,A=40m2,φ25×2.5mm钢管。 油走管程, ms2=2.5×104kg/h,t1=40℃,t2=80℃,湍流,cp=2.1×103J/(kg.K)。 蒸气走壳程,ps=0.2MPa(绝压),α=1.2×104W/(m2.K)。
无相变:
N ud0.02 R 30.8 ePnr
当流体被加热时,n=0.4; 流体被冷却时, n=0.3。 上式的应用条件:考试中一般满足
Re104 0.7P r120L/d50
物性参数的定性温度为流体进出口的平均温度。
6
管内强制对流的影响因素:
1. 进口段的影响 2. 热流方向的影响 3. 自然对流的影响 4. 其他因素的影响:管路弯曲,表面粗糙度
26
可见pe > pA,故将发生解吸现象。 以分压表示的总传质推动力 :p = pe – pA=26.18 – 15=11.18kPa
27
例:在填料塔内以水吸收空气~氨混合气中的氨。已知:总压P为1大气压,温 度t为20℃,亨利系数E为7.66×104Pa ,气相体积传质分系数kGa为4.25×104kmol/(s∙m3∙kpa) ,液相体积传质分系数 kLa为 5.82×10-3s-1。气相中含氨5.4% (体积),液相中含氨0.062(摩尔分率),液相可按稀溶液处理。试求气、液 界面处平衡的浓度以及气相传质阻力占总阻力的分率。
P
气相主体
p
pi
相 界 面
气液 膜膜
液相主体
C
ci c
δG’
δL’
Z
24
5. 对流扩散的传质公式
NAkL(cAi cA)
相内
NAkG(pApAi)
NAKL(cA*cA)
相间
NAK G(pApA*)
平衡关系
pA=cA/H
在理解双膜理论的基础上,能够推导KL或KG与 kL和kG之间的关系。判断控制步骤。
r1
辐射传热速率 Q 12C 12 12A 1 1T 10 4 0 1 T204 4 0
总传热系数的计算:
Q K
A tm
k 1 O1 id d0 iR Sid d0 id dm 0R So1 0
对流传热系数的求解 导热系数:物性参数 金属>非金属固体>液体>气体
5
对流传热系数
A’>A,所以换热面不够。
若换热面仍为40m2,油的出口温度t’
1.74K 1 A80(120t')
2mscp(t'40)
ln 80 120t'
mscp(8040)
KA57.7
可解得: t’=76.2℃
18
列管换热器,A=40m2,φ25×2.5mm钢管。 油走管程, ms2=2.5×104kg/h,t1=40℃,t2=80℃,湍流,cp=2.1×103J/(kg.K)。 蒸气走壳程,ps=0.2MPa(绝压),α=1.2×104W/(m2.K)。
19
列管换热器,A=40m2,φ25×2.5mm钢管。 油走管程, ms2=2.5×104kg/h,t1=40℃,t2=80℃,湍流,cp=2.1×103J/(kg.K)。 蒸气走壳程,ps=0.2MPa(绝压),α=1.2×104W/(m2.K)。
若串联一台换热器,由上面计算通过查换热器规格知,串 联一台6m2的换热器即可。
若要保持油的出口温度仍为80℃,此换热器是否够用?
查表知2atm水蒸气的饱和蒸气温度 Leabharlann Baidus=120℃
tm(12l04n10 )2 (1 0420080 )57 .7℃ 12080
Kmscpt(250/03060 )0210(08040 )
Atm
4057 .7
25.72W/2(.℃ m)
15
列管换热器,A=40m2,φ25×2.5mm钢管。
热量衡算方程: Q m s 1 c p 1 ( T 1 T 2 ) m s 2 c p 2 ( t2 t1 )
牛顿冷却定律:QAt (局部)
温差差别
导热速率方程
平壁:
Q
T1 Tn1 n bi
i1 (i A)
圆筒壁: Q
T1 Tn1 n bi
i1 (i Ami )
rm
r2 r1 ln r2
解:m=E/P=76.6/101.33=0.756 y=0.054 x=0.062 c=1000/18=55.56kmoL/m
kyapkG a 1 0 1 .3 3 4 .2 5 1 0 40 .0 4 3 1 km o L /(m 3s) kxa C kL a 5 .8 2 1 0 3 5 5 .5 60 .3 2 3 km o L /(m 3s)
油走管程, ms2=2.5×104kg/h,t1=40℃,t2=80℃,湍流,cp=2.1×103J/(kg.K)。 蒸气走壳程,ps=0.2MPa(绝压),α=1.2×104W/(m2.K)。
K为基于管外表面积A的总传热系数
K 111bdd1md21d2
查得钢管导热系数 λ=45 W/(m.K),则
20
传质原理
• 1. 掌握基本概念
– Fick 定律 – 等分子反方向扩散 – 单向扩散
• 2. 气液相平衡原理
– 吸收的方向、推动力和极限
• 3.双膜理论
– 模型 – 控制步骤的判断
21
需要掌握的公式
1. Fick 定律
JA
DAB
dcA dz
浓度梯度
2.等分子反方向稳态扩散
NADAB(cA1zcA2) 浓度梯度的差分形式
28
在界面处:y1 mx1 kya(yy1) kxa(x1 x2) y1 0.756x1 4.31102(0.054y1) 0.323(x1 0.062)
x1 0.0629
y1 0.0475
1 / K y a 1 / k y a m / k x a 1 / 0 . 0 4 3 1 0 . 7 5 6 / 0 . 3 2 3 2 5 . 5 4
基本原理
(1) Planck law (2) Stefan-Boltzmann law(四次方定律) (3) Kirchhoff law
减小热辐射的措施
12
颗粒特性
沉降
过滤
重力沉降
离心
斯托克斯公式
非均相分离过程
知识关联图
13
传热综合题
有一列管换热器,外表面积为40m2,列管为φ25×2.5 mm的钢管。用饱和水蒸气将处理量为2.5×104kg/h的油从40 ℃加热到80℃。油走管程,流动状态为湍流。蒸气走壳程, 水蒸气压力为0.2MPa(绝压),冷凝给热系数α=1.2×104W/ (m2.K),油的平均比热容cp=2.1×103J/(kg.K)。 ⑴ 当油的处理量增加一倍时,油的出口温度为多少?若要 保持油的出口温度仍为80℃,此换热器是否够用? ⑵ 若不够用,可采取哪些措施? ⑶ 并联或串联多大的换热器才够用?
25
例题:在总压P=500kN/m2、温度t=27C下使含CO23.0%(体积%)的气体与含CO2 370 g/m3的水相接触,试判断是吸收还是解吸?并计算以CO2分压差表示的总传质 推动力。 已知在操作条件下,亨利系数E=1.73105kN/m2,水溶液的密度可取1000kg/m3。
解: 由题意可知,
CA04 .347 8.401 9 0 3km/m o3l
对稀水溶液,C=1000/18=55.56kmol/m3
xAC C A8.450 . 5 5196 0 31.51 140 4
于是:pe = E xA=1.731051.51410-4=26.19kPa 而气相主体中CO2的分压pA = p3.0%=5003.0%=15kPa
需要掌握的公式
1. 逆流操作时的物料衡算及最小液气比
G B Y Y 2 L B X X 2
G B Y 1 Y 2 L B X 1 X 2
LB GB
min
Y1 Y2 X1* X2
31
2. 填料层高度的计算公式
H G y1 dy Kya y2 yy*
HHOG NOG
H OG
G Ky a
表面汽化
临界点
8
传热平均温度差的计算:
tm
t1 t2
ln
t1 t2
首先依据题意,画出流体温度在传热设备中的变 化趋势;
其次,计算两流体流体进口温差、出口温差;
求对数平均值
9
传热过程强化的途径
QKAtm
1.增大总传热系数:
K 1d 0 id o .0i2 3R s d,o Re0.8 d d m o Pr nR s,i如d do 何i 有效1 o提高K?
3.单方向稳态扩散
NADABcB cM(cA1zcA2)
漂流因子
22
4. 亨利定律 p*A E x
实验证明: a)对稀溶液而言,E只是温度的函数,温度上升,E增加,溶解度下降; b)难溶气体的E大,易溶气体的E小。
Henry 定律的其他形式
c* AH pA或 p* AcA/H
yA mxA
23
双膜模型
∵ α1>>α2
∴ α2≈K
当油的流量增加一倍时,u’=2u
K' K
'2 2
2u0.8 u
1.741
若油出口温度仍为80℃时:
2mscpt K'A'tm1.74A1'
mscpt K Atm
A
A'24045.95m2
1.741
17
列管换热器,A=40m2,φ25×2.5mm钢管。 油走管程, ms2=2.5×104kg/h,t1=40℃,t2=80℃,湍流,cp=2.1×103J/(kg.K)。 蒸气走壳程,ps=0.2MPa(绝压),α=1.2×104W/(m2.K)。
环境工程原理 期末总结
2014.12.31
1
主要内容
• 绪论 • 物料衡算与热量衡算 • 传热原理(计算1) • 沉降 • 过滤 • 传质原理 • 吸收(计算1) • 反应工程(计算1)
2
总传热公式
QKAtm
强化
Q 的计算
对流
总衡算
导热
热辐射
Δtm的计算
K 的计算
传热过程
知识关联图
3
传热速率Q的计算:
14
列管换热器,A=40m2,φ25×2.5mm钢管。 油走管程, ms2=2.5×104kg/h,t1=40℃,t2=80℃,湍流,cp=2.1×103J/(kg.K)。 蒸气走壳程,ps=0.2MPa(绝压),α=1.2×104W/(m2.K)。
解: ⑴ 当油的处理量增加一倍时,油的出口温度为多少?
N = y1
OG
y2
dy y y*
ym
y1 ln
y2 y1
y2
NOG
y1 y2 ym
S=1 m mG AL L G
32
例:设计一台常压操作的填料吸收塔,用清水吸收焦炉气中的氨,操作条件下的平衡 关系为y=1.2x,气体流率为4480m3/(m2.h),入塔气体浓度为10g/Nm3,要求回收率为 95%,吸收剂用量为最小用量的1.5倍,气相体积总传质系数Kya=200kmol/(m3.h)。试求: ⑴ 水用量(m3/(m2.h))(取ρ水=1000kg/m3); ⑵ 出塔溶液中氨的浓度(mol%); ⑶ 填料层高度(m); ⑷ Kya正比于G0.8(G为摩尔流率),若回收率不变,塔内温度、压力、均不变,在液流量 不变情况下,气体流率增加一倍,则填料层高度应变为多少?
⑵ 若不够用,可采取哪些措施 ① 增大传热面── 并联或串联一台换热器 ② 提高加热蒸气的压力,以提高传热推动力 ③ 加添加物,增加扰动── 提高管程对流给热系数,以 降低管程热阻
⑶ 并联或串联多大的换热器才够用?要考虑哪些因素? 并联一台同样大小的换热器,流量ms’增加一倍,传热面 增加一倍,流速不变,传热系数K不变── 正好够用。
2.增大传热面积 3. 增大传热平均温度差
tm
t1 t2
ln
t1 t2
逆流优于并流
10
控制热阻法: ,Rs可忽略时,K接近于小一方; 若 大>>小,小≈K 如 汽水 冷凝水 此时,有效提高K的途径为提高小
11
辐射热传导--基本概念、基本原理 基本概念
黑体、镜体、透过体、灰体、黑度ε
气相阻力占总阻力分率为:
1 /0 . ( 0 4 2 .5 3 ) 5 4 9 1 .8 0 0 0
29
吸收
• 1. 吸收影响因素:温度、压力 • 2. 平衡线和吸收操作线图示及基于图的
分析 • 3. 计算要求:
– 物料衡算 – 最小液气比 – 传质单元数 – 传质单元高度 – 填料层高度
30
增大管内强制对流传热系数的途径: 变化的根本原因:层流底层的厚度的变化
1. 在管路条件不变的情况下,增大流速,α增大。 2. 在流量不变的情况下,减小管径或采用蛇管。
注意:此时α并不与管径尺寸成反比。 7
有相变:
冷凝:影响冷凝传热的因素,如何影响冷凝液层的厚度
沸腾: 沸腾条件--过热, 气化核心
沸腾的过热度与传 热系数的关系
2
1
1 1
bd1
d1 d2
K 1 dm
1
2532.79W/(2m.K)
1 1 0.002525 20
25.27 12000 4522.5
16
列管换热器,A=40m2,φ25×2.5mm钢管。 油走管程, ms2=2.5×104kg/h,t1=40℃,t2=80℃,湍流,cp=2.1×103J/(kg.K)。 蒸气走壳程,ps=0.2MPa(绝压),α=1.2×104W/(m2.K)。
无相变:
N ud0.02 R 30.8 ePnr
当流体被加热时,n=0.4; 流体被冷却时, n=0.3。 上式的应用条件:考试中一般满足
Re104 0.7P r120L/d50
物性参数的定性温度为流体进出口的平均温度。
6
管内强制对流的影响因素:
1. 进口段的影响 2. 热流方向的影响 3. 自然对流的影响 4. 其他因素的影响:管路弯曲,表面粗糙度
26
可见pe > pA,故将发生解吸现象。 以分压表示的总传质推动力 :p = pe – pA=26.18 – 15=11.18kPa
27
例:在填料塔内以水吸收空气~氨混合气中的氨。已知:总压P为1大气压,温 度t为20℃,亨利系数E为7.66×104Pa ,气相体积传质分系数kGa为4.25×104kmol/(s∙m3∙kpa) ,液相体积传质分系数 kLa为 5.82×10-3s-1。气相中含氨5.4% (体积),液相中含氨0.062(摩尔分率),液相可按稀溶液处理。试求气、液 界面处平衡的浓度以及气相传质阻力占总阻力的分率。
P
气相主体
p
pi
相 界 面
气液 膜膜
液相主体
C
ci c
δG’
δL’
Z
24
5. 对流扩散的传质公式
NAkL(cAi cA)
相内
NAkG(pApAi)
NAKL(cA*cA)
相间
NAK G(pApA*)
平衡关系
pA=cA/H
在理解双膜理论的基础上,能够推导KL或KG与 kL和kG之间的关系。判断控制步骤。
r1
辐射传热速率 Q 12C 12 12A 1 1T 10 4 0 1 T204 4 0
总传热系数的计算:
Q K
A tm
k 1 O1 id d0 iR Sid d0 id dm 0R So1 0
对流传热系数的求解 导热系数:物性参数 金属>非金属固体>液体>气体
5
对流传热系数
A’>A,所以换热面不够。
若换热面仍为40m2,油的出口温度t’
1.74K 1 A80(120t')
2mscp(t'40)
ln 80 120t'
mscp(8040)
KA57.7
可解得: t’=76.2℃
18
列管换热器,A=40m2,φ25×2.5mm钢管。 油走管程, ms2=2.5×104kg/h,t1=40℃,t2=80℃,湍流,cp=2.1×103J/(kg.K)。 蒸气走壳程,ps=0.2MPa(绝压),α=1.2×104W/(m2.K)。
19
列管换热器,A=40m2,φ25×2.5mm钢管。 油走管程, ms2=2.5×104kg/h,t1=40℃,t2=80℃,湍流,cp=2.1×103J/(kg.K)。 蒸气走壳程,ps=0.2MPa(绝压),α=1.2×104W/(m2.K)。
若串联一台换热器,由上面计算通过查换热器规格知,串 联一台6m2的换热器即可。
若要保持油的出口温度仍为80℃,此换热器是否够用?
查表知2atm水蒸气的饱和蒸气温度 Leabharlann Baidus=120℃
tm(12l04n10 )2 (1 0420080 )57 .7℃ 12080
Kmscpt(250/03060 )0210(08040 )
Atm
4057 .7
25.72W/2(.℃ m)
15
列管换热器,A=40m2,φ25×2.5mm钢管。
热量衡算方程: Q m s 1 c p 1 ( T 1 T 2 ) m s 2 c p 2 ( t2 t1 )
牛顿冷却定律:QAt (局部)
温差差别
导热速率方程
平壁:
Q
T1 Tn1 n bi
i1 (i A)
圆筒壁: Q
T1 Tn1 n bi
i1 (i Ami )
rm
r2 r1 ln r2
解:m=E/P=76.6/101.33=0.756 y=0.054 x=0.062 c=1000/18=55.56kmoL/m
kyapkG a 1 0 1 .3 3 4 .2 5 1 0 40 .0 4 3 1 km o L /(m 3s) kxa C kL a 5 .8 2 1 0 3 5 5 .5 60 .3 2 3 km o L /(m 3s)
油走管程, ms2=2.5×104kg/h,t1=40℃,t2=80℃,湍流,cp=2.1×103J/(kg.K)。 蒸气走壳程,ps=0.2MPa(绝压),α=1.2×104W/(m2.K)。
K为基于管外表面积A的总传热系数
K 111bdd1md21d2
查得钢管导热系数 λ=45 W/(m.K),则
20
传质原理
• 1. 掌握基本概念
– Fick 定律 – 等分子反方向扩散 – 单向扩散
• 2. 气液相平衡原理
– 吸收的方向、推动力和极限
• 3.双膜理论
– 模型 – 控制步骤的判断
21
需要掌握的公式
1. Fick 定律
JA
DAB
dcA dz
浓度梯度
2.等分子反方向稳态扩散
NADAB(cA1zcA2) 浓度梯度的差分形式
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在界面处:y1 mx1 kya(yy1) kxa(x1 x2) y1 0.756x1 4.31102(0.054y1) 0.323(x1 0.062)
x1 0.0629
y1 0.0475
1 / K y a 1 / k y a m / k x a 1 / 0 . 0 4 3 1 0 . 7 5 6 / 0 . 3 2 3 2 5 . 5 4
基本原理
(1) Planck law (2) Stefan-Boltzmann law(四次方定律) (3) Kirchhoff law
减小热辐射的措施
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颗粒特性
沉降
过滤
重力沉降
离心
斯托克斯公式
非均相分离过程
知识关联图
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传热综合题
有一列管换热器,外表面积为40m2,列管为φ25×2.5 mm的钢管。用饱和水蒸气将处理量为2.5×104kg/h的油从40 ℃加热到80℃。油走管程,流动状态为湍流。蒸气走壳程, 水蒸气压力为0.2MPa(绝压),冷凝给热系数α=1.2×104W/ (m2.K),油的平均比热容cp=2.1×103J/(kg.K)。 ⑴ 当油的处理量增加一倍时,油的出口温度为多少?若要 保持油的出口温度仍为80℃,此换热器是否够用? ⑵ 若不够用,可采取哪些措施? ⑶ 并联或串联多大的换热器才够用?
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例题:在总压P=500kN/m2、温度t=27C下使含CO23.0%(体积%)的气体与含CO2 370 g/m3的水相接触,试判断是吸收还是解吸?并计算以CO2分压差表示的总传质 推动力。 已知在操作条件下,亨利系数E=1.73105kN/m2,水溶液的密度可取1000kg/m3。
解: 由题意可知,
CA04 .347 8.401 9 0 3km/m o3l
对稀水溶液,C=1000/18=55.56kmol/m3
xAC C A8.450 . 5 5196 0 31.51 140 4
于是:pe = E xA=1.731051.51410-4=26.19kPa 而气相主体中CO2的分压pA = p3.0%=5003.0%=15kPa
需要掌握的公式
1. 逆流操作时的物料衡算及最小液气比
G B Y Y 2 L B X X 2
G B Y 1 Y 2 L B X 1 X 2
LB GB
min
Y1 Y2 X1* X2
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2. 填料层高度的计算公式
H G y1 dy Kya y2 yy*
HHOG NOG
H OG
G Ky a