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第三節(jié)吸收過程的傳質(zhì)速率一、分子擴(kuò)散與菲克定律二、單向?qū)α鱾髻|(zhì)過程三、兩相間的傳質(zhì)過程四、吸收過程的總傳質(zhì)速率方程第五章吸收2023/12/17一、吸收過程分析氣相液相相界面溶解氣相擴(kuò)散
液相擴(kuò)散
氣相主體
液相主體
三步兩過程1、吸收過程的構(gòu)成2023/12/172、吸收過程傳質(zhì)的方式吸收過程相間傳質(zhì)過程單相傳質(zhì)過程分子擴(kuò)散過程對(duì)流傳質(zhì)過程2023/12/17二、單相傳質(zhì)過程中的分子擴(kuò)散1、什么是分子擴(kuò)散【定義】靜止的流體內(nèi)部,若某一組分存在濃度差,則因分子無規(guī)則的熱運(yùn)動(dòng)使該組分由濃度較高處傳遞至濃度較低處,這種現(xiàn)象稱為分子擴(kuò)散。2、分子擴(kuò)散的兩種形式分子擴(kuò)散等分子反向擴(kuò)散單相擴(kuò)散2023/12/17分子擴(kuò)散現(xiàn)象2023/12/17分子擴(kuò)散現(xiàn)象2023/12/172023/12/17費(fèi)克(A.Fick)在1855年在實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上提出了菲克第一定律,指出:“由兩組分A和B組成的混合物中,在恒定溫度、總壓條件下,若組分A只沿z方向擴(kuò)散,濃度梯度為dcA/dz,則任一點(diǎn)處組分A的擴(kuò)散通量與該處A的濃度梯度成正比”,即:3、分子擴(kuò)散的基本規(guī)律——費(fèi)克定律2023/12/17【定義】單位時(shí)間內(nèi)通過垂直于擴(kuò)散方向的單位截面積擴(kuò)散的物質(zhì)量,稱為擴(kuò)散通量(擴(kuò)散速率),以符號(hào)J表示,單位為kmol/(m2·s)?!咀饔谩繑U(kuò)散通量可以用來表征擴(kuò)散進(jìn)行的快慢程度。【擴(kuò)散通量】2023/12/17【費(fèi)克定律的數(shù)學(xué)表達(dá)式】式中
JA——組分A在擴(kuò)散方向z上的擴(kuò)散通量,kmol/
m2·s
dcA/dz——組分A在擴(kuò)散方向z上的濃度梯度,kmol/m4;
DAB——組分A在組分B中的擴(kuò)散系數(shù),m2/s。
【說明】負(fù)號(hào)表示擴(kuò)散方向與濃度梯度方向相反,擴(kuò)散沿著濃度降低的方向進(jìn)行。2023/12/174、等摩爾(分子)逆(反)向擴(kuò)散(1)什么是等分子反向擴(kuò)散【定義】通過連通管內(nèi)任一截面處兩個(gè)組分的擴(kuò)散速率大小相等、方向相反時(shí),此擴(kuò)散過程稱為等分子反向擴(kuò)散。AB2023/12/17①擴(kuò)散過程中,任一截面上總濃度維持不變,即:c=cA+cB(2)等分子反向擴(kuò)散的濃度特點(diǎn)②濃度梯度為常數(shù)cAcB2023/12/17DAB=DBA=D【結(jié)論】在雙組分混合物中,組分A在組分B中的擴(kuò)散系數(shù)等于組分B在組分A中的擴(kuò)散系數(shù)。(3)等分子反向擴(kuò)散的擴(kuò)散系數(shù)c=cA+cB=常數(shù)將以上關(guān)系式代入菲克定律式,得到:由于則組分A在組分B中的擴(kuò)散系數(shù)組分B在組分A中的擴(kuò)散系數(shù)2023/12/17【傳質(zhì)速率】在任一固定的空間位置上,單位時(shí)間內(nèi)通過垂直于傳遞方向的單位面積傳遞的物質(zhì)的量,以符號(hào)N表示,單位為kmol/(m2·s)。【表達(dá)式】在等分子反向擴(kuò)散中,物質(zhì)的傳遞方式僅為分子擴(kuò)散,組分A的傳質(zhì)速率等于其擴(kuò)散速率即:(4)等分子反向擴(kuò)散的傳質(zhì)速率2023/12/17ZcA1cA2NA邊界條件:z=0,cA=cA1;z=Z,cA=cA2;對(duì)上式積分:——液相傳質(zhì)速率2023/12/17如果A、B組成的混合物為理想氣體,由:——?dú)庀鄠髻|(zhì)速率ZpA1pA2NA2023/12/17【等摩爾(分子)逆向擴(kuò)散的特點(diǎn)】
(1)系統(tǒng)中各處的總濃度c(總壓力p)相等;(2)JA=-JB(兩組分反方向的擴(kuò)散速率相等);(3)濃度(壓力)梯度為常數(shù);(4)DAB=DBA=D;(5)傳質(zhì)速率方程式為:2023/12/175、單向擴(kuò)散及速率方程【例如】在氣體吸收中,A為被吸收組分,B為惰性組分,液相不存在組分B,不可能向界面提供組分B。因此,吸收過程所發(fā)生的是組分A通過“靜止”組分B的單方向擴(kuò)散,而不是等分子反向擴(kuò)散。(1)什么是單向擴(kuò)散【特點(diǎn)】一種組分?jǐn)U散,另外一種組分“靜止”。2023/12/17【說明】當(dāng)A、B雙組分氣體混合物與液體溶劑接觸時(shí),氣相主體中的組分A擴(kuò)散到界面,然后通過界面進(jìn)入液相,造成在界面左側(cè)附近總壓降低,使氣相主體與界面產(chǎn)生一小壓差,促使A、B混合氣體由氣相主體向界面處流動(dòng),此流動(dòng)稱為總體流動(dòng)。(2)單向擴(kuò)散的特點(diǎn)——整(總、主)體流動(dòng)
ApA1pA2pB1pB2p1=pA1+pB1p2=pA2+pB2A,B總體流動(dòng)p1>p2氣相液相2023/12/17【說明】(1)整體流動(dòng)將B組分使得氣液相界面附近B組分分壓增大,故B組分將向主體擴(kuò)散;(2)整體流動(dòng)將A組分帶到了氣液相界面,故氣相中A組分的傳質(zhì)量比單純的分子擴(kuò)散過程多。(3)單向擴(kuò)散的質(zhì)量傳遞特點(diǎn)2023/12/17【擴(kuò)散流】(分子擴(kuò)散引起的物料流)是分子微觀運(yùn)動(dòng)的宏觀結(jié)果,所傳遞的是純組分A或純組分B?!菊w(主體)流動(dòng)】是物流的宏觀運(yùn)動(dòng),它同時(shí)攜帶組分A與B流向界面。
(4)整體流動(dòng)與擴(kuò)散流的區(qū)別擴(kuò)散流整體流動(dòng)2023/12/17
若整體流動(dòng)中B組分的傳遞速率為NBM,擴(kuò)散流中B組分的傳遞速率為JB,則:
即JB與NBM兩者數(shù)值相等,方向相反。由于B組分的濃度維持不變,表觀上B組分是“靜止”的。(5)“靜止”組分B擴(kuò)散流整體流動(dòng)2023/12/17(5)單向擴(kuò)散的傳質(zhì)速率方程
①單向擴(kuò)散的傳質(zhì)速率方程基本計(jì)算式
式中JA——分子擴(kuò)散(擴(kuò)散流)所傳遞的量;
NAcA/c——主體流動(dòng)所傳遞的量。2023/12/17②單向擴(kuò)散傳質(zhì)速率方程的積分式對(duì)于氣相可推得:式中:——B組分在1,2兩處的對(duì)數(shù)平均分壓——漂流因子2023/12/17【說明】以上兩式稱為某組分單向擴(kuò)散時(shí)的傳質(zhì)速率方程式,適用于某一組分在擴(kuò)散時(shí),另一組分是“靜止”的,或處于滯流的狀態(tài)。對(duì)于液相可推得:式中
——B組分在1,2兩處的對(duì)數(shù)平均摩爾濃度2023/12/17【漂流因子幾點(diǎn)說明
】(1)因p
pBm或c
cBm,故p/pBm
1或c/cBm
1。(2)漂流因子反映了總體流動(dòng)對(duì)傳質(zhì)速率的影響程度,溶質(zhì)的濃度愈大,其影響愈大。(3)漂流因子的大小為總體流動(dòng)使傳質(zhì)速率較單純分子擴(kuò)散速率增大的倍數(shù)。單純分子擴(kuò)散傳質(zhì)速率單相擴(kuò)散傳質(zhì)速率2023/12/17千里江陵一日還【問題】順?biāo)兄蹫楹慰欤?023/12/176、分子擴(kuò)散系數(shù)【說明】(1)表明了單位濃度梯度下的擴(kuò)散通量;(2)反映了某組分在一定介質(zhì)(氣相或液相)中的擴(kuò)散能力,是物質(zhì)特性常數(shù)之一;(3)其值隨物系種類、溫度、濃度或總壓的不同而變化。(1)分子擴(kuò)散系數(shù)的物理意義——單位(m2/s)2023/12/17目前,擴(kuò)散系數(shù)可由以下3種途徑獲得:①實(shí)驗(yàn)測(cè)定。實(shí)驗(yàn)測(cè)定是獲取物質(zhì)擴(kuò)散系數(shù)的根本途徑;②從有關(guān)手冊(cè)中查得(表5-2、5-3);③借助某些經(jīng)驗(yàn)的或半經(jīng)驗(yàn)的公式進(jìn)行估算(查不到D又缺乏進(jìn)行試驗(yàn)測(cè)定的條件時(shí))。(2)分子擴(kuò)散系數(shù)的獲取2023/12/17一些物質(zhì)在空氣中的擴(kuò)散系數(shù)(0℃,101.33kPa)注:DCO2=0.138(cm2/s)2023/12/17一些物質(zhì)在水中的擴(kuò)散系數(shù)(20℃,稀溶液)注:DCO2=1.50×10-9(m2/s)2023/12/17(3)氣體擴(kuò)散系數(shù)的估算①在簡(jiǎn)化條件下,經(jīng)分子運(yùn)動(dòng)論的理論推導(dǎo)與實(shí)驗(yàn)修正,F(xiàn)uller(富勒)等人提出了如下半經(jīng)驗(yàn)公式:②當(dāng)知道某一溫度和壓力下的擴(kuò)散系數(shù)時(shí),可由下式求算另一溫度和壓力下的擴(kuò)散系數(shù):2023/12/17(4)液體中的擴(kuò)散系數(shù)的估算對(duì)于很稀的非電解質(zhì)溶液(溶質(zhì)A+溶劑B),其擴(kuò)散系數(shù)常用惠爾凱(Wilke-Chang)公式估算:對(duì)給定的系統(tǒng),可由溫度T1下的D1擴(kuò)散系數(shù)推算T2下的D2,如:2023/12/17二、單相對(duì)流傳質(zhì)過程
【定義】流動(dòng)著的流體與某一界面(如氣液相界面)之間或兩個(gè)有限互溶的流動(dòng)流體之間發(fā)生的傳質(zhì),稱為對(duì)流傳質(zhì)。【特點(diǎn)】同時(shí)存在分子擴(kuò)散與渦流擴(kuò)散。2023/12/171、什么是渦流擴(kuò)散(湍流擴(kuò)散)【定義】依靠流體質(zhì)點(diǎn)的位移,使組分從濃度高處向濃度低處移動(dòng)的過程,稱為渦流擴(kuò)散。2023/12/17【表達(dá)式】因質(zhì)點(diǎn)運(yùn)動(dòng)無規(guī)則,所以渦流擴(kuò)散速率很難從理論上確定,通常采用描述分子擴(kuò)散的菲克定律形式表示,即:式中JA——渦流擴(kuò)散速率,kmol/(m2·s);
DE——渦流擴(kuò)散系數(shù),m2/s。2、渦流擴(kuò)散速率2023/12/17(1)渦流擴(kuò)散系數(shù)與分子擴(kuò)散系數(shù)不同,DE不是物性常數(shù)。影響DE的因數(shù)眾多,其值與流體流動(dòng)狀態(tài)及所處的位置有關(guān),DE的數(shù)值很難通過實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)確測(cè)定;(2)由于渦流擴(kuò)散是借助于流動(dòng)質(zhì)點(diǎn)的位移進(jìn)行的質(zhì)量傳遞,故其擴(kuò)散速率遠(yuǎn)大于分子擴(kuò)散速率;(3)物系內(nèi)各處的濃度比較均勻?!居嘘P(guān)說明】2023/12/17層流內(nèi)層——分子擴(kuò)散過渡區(qū)——分子擴(kuò)散、渦流擴(kuò)散湍流主體——渦流擴(kuò)散氣相液相相界面3、對(duì)流傳質(zhì)速率(1)過程分析2023/12/17
一般情況下,對(duì)流傳質(zhì)速率可寫成:(2)對(duì)流傳質(zhì)速率的計(jì)算式【說明】(1)由于DE不像D那樣是物性參數(shù),它與流體的湍動(dòng)程度有關(guān),也與流體質(zhì)點(diǎn)的位置有關(guān),既不能使用公式計(jì)算,也難于用試驗(yàn)的方法測(cè)定。(2)NA的表達(dá)式形式好看但不好用,并不能將NA的表達(dá)式積分求出對(duì)流傳質(zhì)速率NA。2023/12/174、有效層流膜模型(1)對(duì)流傳質(zhì)的傳質(zhì)阻力全部集中在一層虛擬的層流膜層內(nèi),膜層內(nèi)的傳質(zhì)形式僅為分子擴(kuò)散。(2)層流膜外流體高度湍流,無濃度差(沒有推動(dòng)力),故沒有質(zhì)量傳遞過程。(3)層流膜的厚度ZL層流內(nèi)層分壓梯度線延長(zhǎng)線與液相主體濃度線cA相交于一點(diǎn)L,L到相界面的垂直距離。2023/12/17氣相液相【模型要點(diǎn)】(1)膜的厚度為ZL;(2)膜內(nèi)為分子擴(kuò)散;(3)膜外無濃度差,因此不存在傳質(zhì)過程。有效層流模模型示意圖【模型的作用】將復(fù)雜的對(duì)流擴(kuò)散過程處理成了一個(gè)簡(jiǎn)單的分子擴(kuò)散過程。cAicA相界面ZLL2023/12/175、氣(膜)相傳質(zhì)速率方程式
按照有效層流膜模型,結(jié)合單向擴(kuò)散速率方程,可以得到氣相對(duì)流傳質(zhì)速率方程式:式中ZG——有效(氣)膜的厚度;
pA——?dú)庀嘀黧w(膜外)A組分的分壓;
pAi——相界面上A組分的分壓。
2023/12/17令:——?dú)猓ぃ┫鄠髻|(zhì)系數(shù)【說明】由于ZG既不能直接計(jì)算,也難于實(shí)驗(yàn)測(cè)定,但對(duì)于一定的操作條件,kG是一定的。因此,實(shí)際過程一般通過實(shí)驗(yàn)測(cè)定kG,或通過經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算。由此可得到用于工程計(jì)算的傳質(zhì)速率方程式:2023/12/176、液(膜)相傳質(zhì)速率方程式對(duì)于液相,按照類似的處理,可以得到:式中ZL——有效(液)膜的厚度;
cA——液相主體A組分的濃度;
cAi——相界面上A組分的濃度。其中:——液(膜)相傳質(zhì)系數(shù)2023/12/176、單相對(duì)流傳質(zhì)速率方程的表現(xiàn)形式
單向?qū)α鬟^程的傳質(zhì)速率可以表示為:
傳質(zhì)速率=傳質(zhì)系數(shù)×推動(dòng)力(通式)
由于推動(dòng)力有多種不同的表示法,吸收的傳質(zhì)速率方程有多種形式。2023/12/17(1)氣相傳質(zhì)速率方程的具體形式式中
kG——以氣相分壓差表示推動(dòng)力的氣相傳質(zhì)系數(shù),kmol/(m2·s·kPa);
ky——以氣相摩爾分率差表示推動(dòng)力的氣相傳質(zhì)系數(shù),kmol/(m2·s);
kY——以氣相摩爾比差表示推動(dòng)力的氣相傳質(zhì)系數(shù),kmol/(m2·s);
pA、y、Y——分別為溶質(zhì)在氣相主體中的分壓、摩爾分率和摩爾比;
pi、yi、Yi——分別為溶質(zhì)在相界面處的分壓、摩爾分率和摩爾比;2023/12/17(2)液相傳質(zhì)速率方程的具體形式式中
kL-——以液相摩爾濃度差表示推動(dòng)力的液相對(duì)流傳質(zhì)系數(shù),m/s;
kx——以液相摩爾分率差表示推動(dòng)力的液相傳質(zhì)系數(shù),kmol/(m2·s);
kX——以液相摩爾比差表示推動(dòng)力的液相傳質(zhì)系數(shù),kmol/(m2·s);
cA、x、X——分別為溶質(zhì)在液相主體中的摩爾濃度、摩爾分率及摩爾比;
cAi、xi、Xi——分別為溶質(zhì)在界面處的摩爾濃度、摩爾分率及摩爾比。2023/12/17【幾點(diǎn)說明】①不同形式的傳質(zhì)速率方程具有相同的意義,可用任意一個(gè)進(jìn)行計(jì)算;②每個(gè)吸收傳質(zhì)速率方程中傳質(zhì)系數(shù)的數(shù)值和單位各不相同;③傳質(zhì)系數(shù)的下標(biāo)必須與推動(dòng)力的組成表示法相對(duì)應(yīng)。2023/12/17三、兩相間的傳質(zhì)過程【定義】組分由一相傳遞到另一相的過程(溶解),稱為相間傳質(zhì)過程?!咎幚矸椒ā坑捎趦上嚅g的傳質(zhì)過程極為復(fù)雜,一般采用的方法是使用模型法來處理此過程。1、何謂相間傳質(zhì)?2023/12/17(1)相互接觸的氣液兩相存在一個(gè)穩(wěn)定的相界面,界面兩側(cè)分別存在著穩(wěn)定的氣膜和液膜。膜內(nèi)流體流動(dòng)狀態(tài)為層流,溶質(zhì)A以分子擴(kuò)散方式通過氣膜和液膜,由氣相主體傳遞到液相主體。(2)相界面處,氣液兩相達(dá)到相平衡,界面處無擴(kuò)散阻力。即:2、雙膜理論2023/12/17(3)在氣膜和液膜以外的氣、液相主體中,由于流體的充分湍動(dòng),溶質(zhì)A的濃度均勻,即認(rèn)為主體中沒有濃度梯度存在,不存在傳質(zhì)過程。換句話說,傳質(zhì)僅僅發(fā)生在雙膜內(nèi)。并且,通過氣膜或液膜傳遞的物質(zhì)的量即為氣液兩相之間傳遞的物質(zhì)的量?!菊f明】雙膜理論是1923年由美國(guó)人劉易斯(Lewis)和惠特曼(Whitman)提出來的,由其要點(diǎn)可以看出,該模型與真實(shí)過程相距甚遠(yuǎn)。2023/12/17ZGZL膜內(nèi)的傳質(zhì)方式僅為分子擴(kuò)散。傳質(zhì)只發(fā)生在氣、液膜內(nèi)。相界面上各種參數(shù)不隨時(shí)間而改變。NAGNAlNA=NAG=NAL2023/12/17
由于不同的研究者對(duì)過程的處理方法不同,從而得到不同的模型,如:(1)溶質(zhì)滲透理論(希格比Higbie,1935年)(2)表面更新理論(丹克沃茨Danckwerts,1951年)【說明】盡管溶質(zhì)滲透理論和表面更新理論比雙膜理論更接近實(shí)際情況,但其模型參數(shù)難以測(cè)定,將它們用于傳質(zhì)過程的設(shè)計(jì)仍有一段距離,故目前用于傳質(zhì)設(shè)備設(shè)計(jì)主要還是使用雙膜理論。3、其他模型2023/12/17四、吸收過程的總傳質(zhì)速率方程
根據(jù)雙膜理論,吸收過程的傳質(zhì)速率可以用單相傳質(zhì)速率計(jì)算,如:【問題】無論用其中的任何一式,均須知道兩相界面上的組成,而界面上的組成是難以測(cè)定的,故前面得到的各種計(jì)算式?jīng)]有實(shí)際使用價(jià)值。——?dú)饽髻|(zhì)速率——液膜傳質(zhì)速率2023/12/171、總傳質(zhì)速率方程的建立若吸收系統(tǒng)服從亨利定律或平衡關(guān)系在計(jì)算范圍為直線,則:
根據(jù)雙膜理論,界面無阻力,即界面上氣液兩相平衡,則:2023/12/17將上兩式代入下式:得:將:轉(zhuǎn)換為:
(1),(2)兩式相加得………(1)……(2)轉(zhuǎn)換為:
2023/12/17令:則有:變換后:——總傳質(zhì)速率方程2023/12/17①上式稱為以(p-p*)為推動(dòng)力的總傳質(zhì)速率方程。②式中的KG稱為以(p-p*)為推動(dòng)力的總傳質(zhì)系數(shù),簡(jiǎn)稱為氣相總傳質(zhì)系數(shù),可通過實(shí)驗(yàn)測(cè)定獲取。③式中的p是氣相主體的實(shí)際分壓(濃度),可通過檢測(cè)得到其數(shù)據(jù)。
【幾點(diǎn)說明】2023/12/17④式中的p*是與液相主體濃度c兩相平衡時(shí)的氣相平衡分壓(濃度),可通過檢測(cè)液相主體濃度c的大小,然后由氣液相平衡關(guān)系曲線或平衡關(guān)系式(亨利定律)得到其數(shù)據(jù)。⑤因p、p*均是可以得到的量,故總傳質(zhì)速率方程式可用于實(shí)際過程的計(jì)算。2023/12/17氣相液相相界面氣相主體pA
液相主體cA
pAicAi2023/12/172、總傳質(zhì)速率方程的各種表達(dá)形式
用氣相組成表示吸收推動(dòng)力時(shí),總傳質(zhì)速率方程均稱為氣相總傳質(zhì)速率方程,具體如下:2023/12/17氣相液相相界面氣相主體YA
液相主體XA
2023/12/17
用液相組成表示吸收推動(dòng)力時(shí),總傳質(zhì)速率方程均稱為液相總傳質(zhì)速率方程,具體如下:【說明】①可用任意一個(gè)公式進(jìn)行計(jì)算;
②傳質(zhì)系數(shù)必須與推動(dòng)力的組成表示法相對(duì)應(yīng)。2023/12/17氣相液相相界面氣相主體pA
液相主體cA
2023/12/17【例】氣液兩相中含有組分A,平衡關(guān)系滿足亨利定律,吸收劑為水,已知亨利系數(shù)E=143.9kPa,pA=0.21atm,cA=1kmol/m3,P總=1atm。求:pA*、cA*、XA、YA、XA*、YA*2023/12/17【解】∵已知cA=1kmol/m3據(jù)
∴
∴而pA=0.21atm=0.21×101325=21278(Pa)
pA*,故有A組分由氣相進(jìn)入液相。2023/12/17又:
∴cA*=HpA=0.386×0.21×101325=8213.4(mol/m3)
cA=1000mol/m3若維持pA不變,最終液相濃度將增至cA*,即:cA
cA*∵nA=1000mol(以1m3的溶液為計(jì)算基準(zhǔn))∴
2023/12/17∵
∴
又:YA*=mXA
YA=mXA*且∴YA*=1.42×0.018=0.0256<YA=0.266
2023/12/173、總傳質(zhì)系數(shù)與單相傳質(zhì)系數(shù)之間的關(guān)系
前已推得:用類似的方法可推得:2023/12/17【結(jié)論】總傳質(zhì)阻力等于兩相傳質(zhì)阻力之和,即:總傳質(zhì)阻力=液膜阻力+氣膜阻力【總傳質(zhì)阻力的構(gòu)成】2023/12/17(1)氣膜控制過程
對(duì)于H值較大的易溶氣體,有:
【結(jié)論】傳質(zhì)阻力主要集中在氣相,此吸收過程由氣相阻力控制(氣膜控制),總傳質(zhì)速率取決于氣相傳質(zhì)速率的大小?!纠纭坑盟章然瘹?、氨氣等過程。4、氣膜控制與液膜控制2023/12/17氣膜控制過程【說明】氣膜推動(dòng)力越大,其阻力亦越大,此時(shí)應(yīng)增加氣相流率,kG
提高,加快吸收過程。ciccpip*p0氣膜推動(dòng)力液膜推動(dòng)力2023/12/17cc*cipcop*=f(c)pp*pi主體濃度與平衡濃度示意圖
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