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文檔簡介
化工原理氣體2023/3/141projectsofDr.Hao第一頁,共三十六頁,2022年,8月28日2023/3/14projectsofDr.Hao2第二章
氣體吸收
GasAbsorption第二頁,共三十六頁,2022年,8月28日2023/3/14projectsofDr.Hao3第三節(jié)吸收塔的計(jì)算化工單元設(shè)備的計(jì)算,按給定條件、任務(wù)和要求的不同,一般可分為設(shè)計(jì)型計(jì)算和操作型(校核型)計(jì)算兩大類。設(shè)計(jì)型計(jì)算:按給定的生產(chǎn)任務(wù)和工藝條件來設(shè)計(jì)滿足任務(wù)要求的單元設(shè)備。操作型計(jì)算:根據(jù)已知的設(shè)備參數(shù)和工藝條件來求算所能完成的任務(wù)。兩種計(jì)算所遵循的基本原理及所用關(guān)系式都相同,只是具體的計(jì)算方法和步驟有些不同而已。本章著重討論吸收塔的設(shè)計(jì)型計(jì)算,而操作型計(jì)算則通過習(xí)題加以訓(xùn)練。吸收塔的設(shè)計(jì)型計(jì)算是按給定的生產(chǎn)任務(wù)及條件(已知待分離氣體的處理量與組成,以及要達(dá)到的分離要求),設(shè)計(jì)出能完成此分離任務(wù)所需的吸收塔。第三頁,共三十六頁,2022年,8月28日2023/3/14projectsofDr.Hao4本節(jié)討論的重點(diǎn)是:按連續(xù)接觸原理操作的填料塔,至于板式塔則在上一章的基礎(chǔ)上結(jié)合吸收特點(diǎn)作簡單討論。填料填加在塔內(nèi)形成填料層,填料層有兩個(gè)特點(diǎn),一是空隙體積所占比例相當(dāng)大,便于氣體在其內(nèi)部迂回曲折通過并提高湍動(dòng)程度,二是單位體積內(nèi)有很大的固體表面積。液體沿固體壁面呈膜狀流下,因而填料塔內(nèi)的氣液接觸面比空塔內(nèi)大得多。塔內(nèi)氣液流動(dòng)方式一般呈逆流,氣體自塔底通入,液體從塔頂灑下,因此溶液從塔底流出前與剛進(jìn)入塔的氣體相接觸,可使溶液的濃度盡量提高。經(jīng)吸收后的氣體從塔頂排出前與剛?cè)胨囊后w接觸,又可使出塔氣體中溶質(zhì)濃度盡量降低。
吸收塔的計(jì)算第四頁,共三十六頁,2022年,8月28日2023/3/14projectsofDr.Hao5吸收塔的設(shè)計(jì)中,混合氣體的處理量V、進(jìn)口濃度Y1和出口濃度Y2(或溶質(zhì)的回收率)都是作為設(shè)計(jì)條件而規(guī)定的。設(shè)計(jì)時(shí)首先是選定溶劑(吸收劑),隨著就是決定吸收劑的用量。吸收劑用量與氣體處理量之比(液、氣比)由物料衡算與平衡關(guān)系兩者結(jié)合起來決定,具體方法將于本節(jié)討論。設(shè)計(jì)的主要內(nèi)容是算出設(shè)備的基本尺寸,對(duì)填料塔來說,就是設(shè)計(jì)塔徑與填料層高度。由混合氣體的處理量(體積流率V)與合理的氣體線速度(u)可以算出塔的截面積,由此可確定塔徑(D)。塔徑確定后,填料層高度(Z)則取決于所需填料層體積,而所需的填料層體積又取決于所需的有效氣液接觸面積,這個(gè)面積主要是通過傳質(zhì)速率來決定的。
吸收塔的計(jì)算第五頁,共三十六頁,2022年,8月28日2023/3/14projectsofDr.Hao6設(shè)計(jì)計(jì)算的主要內(nèi)容與步驟計(jì)算依據(jù):物系的相平衡關(guān)系和傳質(zhì)速率(1)吸收劑的選擇及用量的計(jì)算;(2)設(shè)備類型的選擇;(3)塔徑計(jì)算;(4)填料層高度或塔板數(shù)的計(jì)算;(5)確定塔的高度;(6)塔的流體力學(xué)計(jì)算及校核;(7)塔的附件設(shè)計(jì)。吸收塔的計(jì)算第六頁,共三十六頁,2022年,8月28日2023/3/14projectsofDr.Hao72––3––1吸收塔的物料衡算與操作線方程
一、物料衡算目的:計(jì)算給定吸收任務(wù)下所需的吸收劑用量L或吸收劑出口濃度X1?;旌蠚怏w通過吸收塔的過程中,可溶組分不斷被吸收,故氣體的總量沿塔高而變,液體也因其中不斷溶入可溶組分,其量也沿塔高而變。但是,通過塔的惰性氣體量和溶劑量是不變的。
第七頁,共三十六頁,2022年,8月28日2023/3/14projectsofDr.Hao8以逆流操作的填料塔為例:對(duì)穩(wěn)定吸收過程,單位時(shí)間內(nèi)氣相在塔內(nèi)被吸收的溶質(zhì)A的量必須等于液相吸收的量。通過對(duì)全塔A物質(zhì)量作物料衡算,可得:下標(biāo)“1”代表塔內(nèi)填料層下底截面,下標(biāo)“2”代表填料層上頂截面。V——單位時(shí)間通過塔的惰性氣體量;kmol(B)/s
;L——單位時(shí)間通過吸收塔的溶劑量;kmol(S)/s
;Y——任一截面的混合氣體中溶質(zhì)與惰性氣體的摩爾比;kmol(A)/kmol(B)
;
X——任一截面的溶液中溶質(zhì)與溶劑的摩爾比;kmol(A)/kmol(S)
。V,Y2V,Y1L,X1L,X2V,YL,X第八頁,共三十六頁,2022年,8月28日2023/3/14projectsofDr.Hao9物料衡算若GA為吸收塔的傳質(zhì)負(fù)荷,即氣體通過填料塔時(shí),單位時(shí)間內(nèi)溶質(zhì)被吸收劑吸收的量kmol/s,則進(jìn)塔氣量V和組成Y1是吸收任務(wù)規(guī)定的,進(jìn)塔吸收劑溫度和組成X2一般由工藝條件所確定,出塔氣體組成Y2則由任務(wù)給定的吸收率求出V,Y2V,Y1L,X1L,X2V,YL,X在填料塔內(nèi),對(duì)氣體流量與液體流量一定的穩(wěn)定的吸收操作,氣、液組成沿塔高連續(xù)變化;在塔的任一截面接觸的氣、液兩相組成是相互制約的;全塔物料衡算式就代表L、V一定,塔內(nèi)具有最高氣、液濃度的截面“1”(濃端),或具有最低氣、液濃度的截面“2”(稀端)的氣、液濃度關(guān)系。第九頁,共三十六頁,2022年,8月28日2023/3/14projectsofDr.Hao10二、操作線方程與操作線同理,若在任一截面與塔頂端面間作溶質(zhì)A的物料衡算,有V,Y2V,Y1L,X1L,X2V,YL,X上兩式均稱為吸收操作線方程,代表逆流操作時(shí)塔內(nèi)任一截面上的氣、液兩相組成Y和X之間的關(guān)系。(L/V)稱為吸收塔操作的液氣比。若取填料層任一截面與塔的塔底端面之間的填料層為物料衡算的控制體,則所得溶質(zhì)A的物料衡算式為V,Y2V,Y1L,X1L,X2V,YL,X第十頁,共三十六頁,2022年,8月28日2023/3/14projectsofDr.Hao11操作線方程與操作線當(dāng)L/V一定,操作線方程在Y-X圖上為以液氣比L/V為斜率,過塔進(jìn)、出口的氣、液兩相組成點(diǎn)(Y1,X1)和(Y2,X2)的直線,稱為吸收操作線。YXoY*=f(X)AY1X1X2Y2BYXX*Y*P線上任一點(diǎn)的坐標(biāo)(Y,X)代表了塔內(nèi)該截面上氣、液兩相的組成。操作線上任一點(diǎn)P與平衡線間的垂直距離(Y-Y*)為塔內(nèi)該截面上以氣相為基準(zhǔn)的吸收傳質(zhì)推動(dòng)力;與平衡線的水平距離(X*-X)為該截面上以液相為基準(zhǔn)的吸收傳質(zhì)推動(dòng)力。兩線間垂直距離(Y-Y*)或水平距離(X*-X)的變化顯示了吸收過程推動(dòng)力沿塔高的變化規(guī)律。Y-Y*X*-X第十一頁,共三十六頁,2022年,8月28日2023/3/14projectsofDr.Hao12操作線方程與操作線并流操作線方程V,Y1V,Y2L,X2L,X1V,YL,X對(duì)氣、液兩相并流操作的吸收塔,取塔內(nèi)填料層任一截面與塔頂(濃端)構(gòu)成的控制體作物料衡算,可得并流時(shí)的操作線方程,其斜率為(-L/V)。YXoY*=f(X)AY1X1X2Y2BYXX*Y*PY-Y*X*-X第十二頁,共三十六頁,2022年,8月28日2023/3/14projectsofDr.Hao13三、吸收塔內(nèi)流向的選擇
在Y1至Y2范圍內(nèi),兩相逆流時(shí)沿塔高均能保持較大的傳質(zhì)推動(dòng)力,而兩相并流時(shí)從塔頂?shù)剿籽厮邆髻|(zhì)推動(dòng)力逐漸減小,進(jìn)、出塔兩截面推動(dòng)力相差較大。在氣、液兩相進(jìn)、出塔濃度相同的情況下,逆流操作的平均推動(dòng)力大于并流,從提高吸收傳質(zhì)速率出發(fā),逆流優(yōu)于并流。這與間壁式對(duì)流傳熱的并流與逆流流向選擇分析結(jié)果是一致的。工業(yè)吸收一般多采用逆流,本章后面的討論中如無特殊說明,均為逆流吸收。與并流相比,逆流操作時(shí)上升的氣體將對(duì)借重力往下流動(dòng)的液體產(chǎn)生一曳力,阻礙液體向下流動(dòng),因而限制了吸收塔所允許的液體流率和氣體流率,這是逆流操作不利的一面。第十三頁,共三十六頁,2022年,8月28日2023/3/14projectsofDr.Hao142––3––2吸收劑用量的決定吸收劑用量L或液氣比L/V在吸收塔的設(shè)計(jì)計(jì)算和塔的操作調(diào)節(jié)中是一個(gè)很重要的參數(shù)。吸收塔的設(shè)計(jì)計(jì)算中,氣體處理量V,以及進(jìn)、出塔組成Y1、Y2由設(shè)計(jì)任務(wù)給定,吸收劑入塔組成X2則是由工藝條件決定或設(shè)計(jì)人員選定。可知吸收劑出塔濃度X1與吸收劑用量L是相互制約的。由全塔物料衡算式選取的L/V,操作線斜率,操作線與平衡線的距離,塔內(nèi)傳質(zhì)推動(dòng)力,完成一定分離任務(wù)所需塔高;L/V,吸收劑用量,吸收劑出塔濃度X1,循環(huán)和再生費(fèi)用;若L/V,吸收劑出塔濃度X1,塔內(nèi)傳質(zhì)推動(dòng)力,完成相同任務(wù)所需塔高,設(shè)備費(fèi)用。第十四頁,共三十六頁,2022年,8月28日2023/3/14projectsofDr.Hao15吸收劑用量的確定
不同液氣比L/V下的操作線圖直觀反映了這一關(guān)系。YXoY*=f(X)AY1X1X2Y2BL/VY-Y*A’X1’(L/V)’X1,max(L/V)minC最小液氣比(L/V)min要達(dá)到規(guī)定的分離要求,或完成必需的傳質(zhì)負(fù)荷量GA=V(Y1-Y2),L/V的減小是有限的。當(dāng)L/V下降到某一值時(shí),操作線將與平衡線相交或者相切,此時(shí)對(duì)應(yīng)的L/V稱為最小液氣比,用(L/V)min表示,而對(duì)應(yīng)的X1則用X1,max表示。第十五頁,共三十六頁,2022年,8月28日2023/3/14projectsofDr.Hao16最小液氣比(L/V)min隨L/V的減小,操作線與平衡線是相交還是相切取決于平衡線的形狀。YXoY*=f(X)Y1X2Y2BX1,max=X1*(L/V)minCYXoY*=f(X)Y1X2Y2BX1*(L/V)minCX1,max兩線在Y1處相交時(shí),X1,max=X1*;兩線在中間某個(gè)濃度處相切時(shí),X1,max<X1*
。最小液氣比的計(jì)算式:第十六頁,共三十六頁,2022年,8月28日2023/3/14projectsofDr.Hao17吸收劑用量的確定
在最小液氣比下操作時(shí),在塔的某截面上(塔底或塔內(nèi))氣、液兩相達(dá)平衡,傳質(zhì)推動(dòng)力為零,完成規(guī)定傳質(zhì)任務(wù)所需的塔高為無窮大。對(duì)一定高度的塔而言,在最小液氣比下操作則不能達(dá)到分離要求。實(shí)際液氣比應(yīng)在大于最小液氣比的基礎(chǔ)上,兼顧設(shè)備費(fèi)用和操作費(fèi)用兩方面因素,按總費(fèi)用最低的原則來選取。根據(jù)生產(chǎn)實(shí)踐經(jīng)驗(yàn),一般取注意:以上由最小液氣比確定吸收劑用量是以熱力學(xué)平衡為出發(fā)點(diǎn)的。從兩相流體力學(xué)角度出發(fā),還必須使填料表面能被液體充分潤濕以保證兩相均勻分散并有足夠的傳質(zhì)面積,因此所取吸收劑用量L值還應(yīng)不小于所選填料的最低潤濕率,即單位塔截面上、單位時(shí)間內(nèi)的液體流量不得小于某一最低允許值。第十七頁,共三十六頁,2022年,8月28日2023/3/14projectsofDr.Hao182––3––3塔徑的計(jì)算
VS=πD2u/4D=(4VS/πu)1/2VS––––操作條件下混合氣體的體積流量,m3/s;u––––空塔氣速,m/s;計(jì)算時(shí)以塔底氣量為依據(jù),因塔底氣量大于塔頂。第十八頁,共三十六頁,2022年,8月28日2023/3/14projectsofDr.Hao192––3––4填料層高度的計(jì)算
一、填料層高度的基本計(jì)算式計(jì)算填料層高度,應(yīng)根據(jù)混合氣體中溶質(zhì)的高低而采用不同的方法。在工業(yè)生產(chǎn)中有很多吸收操作是從混合氣體中把少量可溶組分洗滌下來,屬于低濃度氣體的吸收。本節(jié)重點(diǎn)討論低濃度吸收中填料層高度的計(jì)算。填料層高度的計(jì)算仍然離不開物料衡算,另外還與傳質(zhì)速率方程和相平衡關(guān)系有關(guān)。因?yàn)樘盍蠈痈叨葄取決于填料層體積與塔截面積(填料層體積/塔截面積),而填料層體積又取決于完成規(guī)定任務(wù)所需的總傳質(zhì)面積和每立方米填料所提供的氣液有效接觸面積(填料體積=總傳質(zhì)面積/有效接觸面積/每米3填料),而總傳質(zhì)面積=塔吸收負(fù)荷(kmol/s)/傳質(zhì)速率(kmol/m2·s)。塔的吸收負(fù)荷依據(jù)物料衡算關(guān)系,傳質(zhì)速率依據(jù)吸收速率方程,而吸收速率中的推動(dòng)力總是實(shí)際濃度與某種平衡濃度之差額,因此須知相平衡關(guān)系。下面具體來分析填料層高度之計(jì)算方法。第十九頁,共三十六頁,2022年,8月28日2023/3/14projectsofDr.Hao20此傳質(zhì)量也就是在dZ段內(nèi)溶質(zhì)A由氣相轉(zhuǎn)入液相的量。因此若dZ微元段內(nèi)傳質(zhì)速率為NA,填料提供的傳質(zhì)面積為dF=adZ,則通過傳質(zhì)面積dF溶質(zhì)A的傳遞量為對(duì)填料層中高度為dZ的微分段作物料衡算可得溶質(zhì)A在單位時(shí)間內(nèi)由氣相轉(zhuǎn)入液相的量dGA
填料層高度的基本計(jì)算式
填料塔內(nèi)氣、液組成Y、X和傳質(zhì)推動(dòng)力Y(或X)均隨塔高變化,故塔內(nèi)各截面上的吸收速率也不相同。V,Y2V,Y1L,X1L,X2YXZY+dYdZX+dX第二十頁,共三十六頁,2022年,8月28日2023/3/14projectsofDr.Hao21將以比摩爾分?jǐn)?shù)表示的總的傳質(zhì)速率方程代入,則有對(duì)上兩式沿塔高積分得在上述推導(dǎo)中,用相內(nèi)傳質(zhì)速率方程替代總的傳質(zhì)速率方程可得形式完全相同的填料層高度Z的計(jì)算式。若采用NA=kY(Y-Yi)和NA=kX(Xi
-X)可得:用其它組成表示法的傳質(zhì)速率方程,可推得以相應(yīng)相組成表示的填料層高度Z的計(jì)算式。填料層高度的基本計(jì)算式
第二十一頁,共三十六頁,2022年,8月28日2023/3/14projectsofDr.Hao22低濃度氣體吸收填料層高度的計(jì)算
特點(diǎn):低濃度氣體吸收(y1<10%)因吸收量小,由此引起的塔內(nèi)溫度和流動(dòng)狀況的改變相應(yīng)也小,吸收過程可視為等溫過程,傳質(zhì)系數(shù)kY、kX
、KY、KX沿塔高變化小,可取塔頂和塔底條件下的平均值。填料層高度Z的計(jì)算式:對(duì)高濃度氣體,若在塔內(nèi)吸收的量并不大(如高濃度難溶氣體吸收),吸收過程具有低濃度氣體吸收的特點(diǎn),也可按低濃度吸收處理。體積傳質(zhì)系數(shù):實(shí)際應(yīng)用中,常將傳質(zhì)系數(shù)與比表面積a的乘積(Kya及KXa)作為一個(gè)完整的物理量看待,稱為體積傳質(zhì)系數(shù)或體積吸收系數(shù),單位為kmol/(s.m3)。體積傳質(zhì)系數(shù)的物理意義:傳質(zhì)推動(dòng)力為一個(gè)單位時(shí),單位時(shí)間,單位體積填料層內(nèi)吸收的溶質(zhì)摩爾量。第二十二頁,共三十六頁,2022年,8月28日2023/3/14projectsofDr.Hao23二、傳質(zhì)單元數(shù)與傳質(zhì)單元高度對(duì)氣相總傳質(zhì)系數(shù)和推動(dòng)力:HOG——?dú)庀嗫倐髻|(zhì)單元高度,m;NOG——?dú)庀嗫倐髻|(zhì)單元數(shù),無因次。HOL
——液相總傳質(zhì)單元高度,m;NOL——液相總傳質(zhì)單元數(shù),無因次。若令對(duì)液相總傳質(zhì)系數(shù)和推動(dòng)力:若令第二十三頁,共三十六頁,2022年,8月28日2023/3/14projectsofDr.Hao24傳質(zhì)單元數(shù)與傳質(zhì)單元高度
定義傳質(zhì)單元高度和傳質(zhì)單元數(shù)來表達(dá)填料層高度Z,從計(jì)算角度而言,并無簡便之利,但卻有利于對(duì)Z的計(jì)算式進(jìn)行分析和理解。下面以NOG和HOG為例給予說明。NOG中的dY表示氣體通過一微分填料段的氣相濃度變化,(Y-Y*)為該微分段的相際傳質(zhì)推動(dòng)力。如果用(Y-Y*)m表示在某一高度填料層內(nèi)的傳質(zhì)平均推動(dòng)力,且氣體通過該段填料層的濃度變化(Ya-Yb)恰好等于(Y-Y*)m,即有由Z=HOGNOG可知,這段填料層的高度就等于一個(gè)氣相總傳質(zhì)單元高度HOG。因此,可將NOG看作所需填料層高度Z相當(dāng)于多少個(gè)傳質(zhì)單元高度HOG。第二十四頁,共三十六頁,2022年,8月28日2023/3/14projectsofDr.Hao25傳質(zhì)單元數(shù)與傳質(zhì)單元高度
傳質(zhì)單元數(shù)NOG或NOL反映吸收過程的難易程度,其大小取決于分離任務(wù)和整個(gè)填料層平均推動(dòng)力大小兩個(gè)方面。NOG與氣相或液相進(jìn)、出塔的濃度,液氣比以及物系的平衡關(guān)系有關(guān),而與設(shè)備形式和設(shè)備中氣、液兩相的流動(dòng)狀況等因素?zé)o關(guān)。在設(shè)備選型前可先計(jì)算出過程所需的NOG或NOL。NOG或NOL值大,分離任務(wù)艱巨,為避免塔過高應(yīng)選用傳質(zhì)性能優(yōu)良的填料。若NOG或NOL值過大,就應(yīng)重新考慮所選溶劑或液氣比L/V是否合理。第二十五頁,共三十六頁,2022年,8月28日2023/3/14projectsofDr.Hao26傳質(zhì)單元數(shù)與傳質(zhì)單元高度
總傳質(zhì)單元高度HOG或HOL則表示完成一個(gè)傳質(zhì)單元分離任務(wù)所需的填料層高度,代表了吸收塔傳質(zhì)性能的高低,主要與填料的性能和塔中氣、液兩相的流動(dòng)狀況有關(guān)。HOG或HOL值小,表示設(shè)備的性能高,完成相同傳質(zhì)單元數(shù)的吸收任務(wù)所需塔的高度小。用傳質(zhì)單元高度HOG、HOL或傳質(zhì)系數(shù)KYa、Kxa表征設(shè)備的傳質(zhì)性能其實(shí)質(zhì)是相同的。但隨氣、液流率改變Kya或Kxa的值變化較大,一般流率增加,KYa(或KXa)增大。HOG或HOL因分子分母同向變化的緣故,其變化幅度就較小。一般吸收設(shè)備的傳質(zhì)單元高度在0.15~1.5m范圍內(nèi)。第二十六頁,共三十六頁,2022年,8月28日2023/3/14projectsofDr.Hao27傳質(zhì)單元數(shù)與傳質(zhì)單元高度
類似地當(dāng)相平衡關(guān)系可用Y*=MX或Y=MX+B表示時(shí),利用不同基準(zhǔn)的總傳質(zhì)系數(shù)之間的換算關(guān)系,以及總傳質(zhì)系數(shù)與相內(nèi)傳質(zhì)系數(shù)之間的關(guān)系,可導(dǎo)出如下關(guān)系式氣相傳質(zhì)單元高度氣相傳質(zhì)單元數(shù)液相傳質(zhì)單元高度液相傳質(zhì)單元數(shù)第二十七頁,共三十六頁,2022年,8月28日2023/3/14projectsofDr.Hao28三、傳質(zhì)單元數(shù)的計(jì)算對(duì)于低濃度的氣體吸收,用總傳質(zhì)單元數(shù)計(jì)算填料層高度Z時(shí),可避開界面組成yi和xi。若平衡線為直線或在所涉及的濃度范圍內(nèi)為直線段,直接積分就可得NOG或NOL的解析式,其求解方式主要有對(duì)數(shù)平均推動(dòng)力法和吸收因子法。下面以求解NOG為例。1.對(duì)數(shù)平均推動(dòng)力法設(shè)平衡線段方程為逆流吸收操作線方程為上兩式相減得取微分第二十八頁,共三十六頁,2022年,8月28日2023/3/14projectsofDr.Hao29對(duì)數(shù)平均推動(dòng)力法以氣相為基準(zhǔn)的全塔的對(duì)數(shù)平均傳質(zhì)推動(dòng)力上式說明了NOG的含意:對(duì)低濃度氣體吸收是以全塔的對(duì)數(shù)平均推動(dòng)力Ym作為度量單位,量衡完成分離任務(wù)(Y1-Y2)所需的傳質(zhì)單元高度的數(shù)目。若分離程度(Y1-Y2)大或平均推動(dòng)力Ym小,NOG值就大,所需的填料層就高。第二十九頁,共三十六頁,2022年,8月28日2023/3/14projectsofDr.Hao302.吸收因子法將操作線方程寫為代入相平衡方程令A(yù)=L/(MV),即吸收因子代入NOG定義式并積分第三十頁,共三十六頁,2022年,8月28日2023/3/14projectsofDr.Hao31吸收因子法將NOG表示為兩個(gè)無因次數(shù)群為了計(jì)算方便,將此式繪制成以1/A為參數(shù)的曲線圖吸收因子L/(MV)是操作線斜率與平衡線斜率的比值。A值越大,兩線相距越遠(yuǎn),傳質(zhì)推動(dòng)力越大,越有利于吸收過程,NOG越小。A
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