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  气 — 液 分 离 器 设 计 杨德华 杨德华 修改 标记 简要说明 修改 页码 编制 校核 审核 审定 日期 2021-04-15 发布 2021-05-01 实施 目 次 总则 目的 范围 编制本标准的依据 立式和卧式重力分离器设计 应用范围 立式重力分离器的尺寸设计 卧式重力分离器的尺寸设计 立式分离器(重力式)计算举例 附图 立式和卧式丝网分离器设计 应用范围 3.2 立式丝网分离器的尺寸设计 卧式丝网分离器的尺寸设计 计算举例 附图 符号说明 总则 目的 本标准适用于工艺设计人员对两种类型的气 — 液分离器设计,即立式、卧式重力分离器设计和立式、卧式丝网分离器设计。并在填写石油化工装置的气 — 液分离器数据表时使用。 范围 本标准适用于国内所有化工和石油化工装置中的气-液分离器的工程设计。 编制本标准的依据: 化学工程学会《工艺系统工程设计技术规定》 HG/T20570.8-1995 第 8 篇气—液分离器设计。 立式和卧式重力分离器设计 应用范围 重力分离器适用于分离液滴直径大于 200μm的气液分离。 为提高分离效率,应尽量避免直接在重力分离器前设置阀件、加料及引起物料的转向。 液体量较多, 在高液面和低液面间的停留时间在 6~9min,应采用卧式重力分离器。 液体量较少,液面高度不是由停留时间来确定,而是通过各个调节点间的最小距离100mm来加以限制的,应采用立式重力分离器。 立式重力分离器的尺寸设计 分离器内的气速 近似估算法 Vt K s 式中 0.5 L G G  — 1) 3Vt —— 浮动(沉降)流速, m/s; ρ L、ρ G—— 液体密度和气体密度, kg/m ; 3 KS—— 系数 Sd*=200μm时, K =0.0512 ; d*=350μm时, KS=0.0675 。 S 近似估算法是根据分离器内的物料流动过程,假设 Re=130,由图 —1查得相应的 阻力系数 CW=1,此系数包含在 Ks系数内, Ks按式 —1) 选取。由式 —1) 计算出浮动(沉降) 流速( Vt ),再设定一个气体流速( ue ),即作为分离器内的气速,但 ue值应小于 Vt 。真正的物料流动状态,可能与假设值有较大的出入,会造成计算结果不准确,因此近 似估算法只能用于初步计算。 精确算法 从浮动液滴的平衡条件,可以得出: 4gd * ( L V t 0.5 G )  — 2) 3CW G 式中 Vt —— 浮动(沉降)流速, m/s; d*—— 液滴直径, m; 3ρ L、ρ G—— 液体密度和气体密度, kg/m ; 3 g—— 重力加速度, 9.81m/s 2; Cw—— 阻力系数。 *首先由假设的 Re数,从图 2.5.1 — 1查CW,然后由所要求的浮动液滴直径( d )以及ρL、 * ttρ G按式( —2)来算出 V ,再由此 V 计算Re。 t t d *V Ret G —3) R e G 式中 μG—— 气体粘度, Pa·S。其余符号意义同前。 由计算求得 Re数,查图 —1,查得新 CW,代入式 — 2) ,反复计算,直到前 Vt后两次迭代的 Re数相等,即 V 为止。 V t t 取ue≤Vt , 即容器中的气体流速必须小于悬浮液滴的浮动(沉降)流速( Vt )。 尺寸设计 尺寸图见图 所示。 直径 D 0.0188 式中 VGmax ue 0.5 — 1) D—— 分离器直径, m; 3VGma—x — 气体最大体积流量, m/h ; 3 ue—— 容器中气体流速, m/s 。 由图 —2可以快速求出直径( D)。 高度 容器高度分为气相空间高度和液相高度,此处所指的高度,是指设备的圆柱体部分,见图 所示。 低液位( LL)与高液位( HL)之间的距离,采用式 — 2) 计算 H VL t L 47.1D 2 式中 —2) HL—— 液体高度, m; t —— 停留时间, min; D—— 容器直径, m; V 3 L—— 液体体积流量, m/h 。 气、液 图立式重力分离器 停留时间( t ) 以及釜底容积的确定, 受许多因素影响。 这些因素包括上、 下游设备的工艺要求以及停车时塔板上的持液量。当液体量较小时,规定各控制点之间的液体高度最小距离 为100mm。表示为:LL(低液位)-100mm-LA(低液位报警) -100mmN- L(正常液位) -100mmH- A (高液位报警) -100mmH- 接管直径 入口接管 L(高液位)。 两相入口接管的直径应符合式 —3) 要求。 u 2 G P —3) 式中 3up—— 接管内流速, m/s; р G—— 气体密度, kg/m 。 3 由此导出 D -3P

  3.34 × D -3 式中 ( VG+VL)  0.5 0.25 G —4) VG、VL—— 分别为气体与液体体积流量, m3/h; DP—— 接管直径, m。 由图 —3可以快速求出接管直径。 2) 出口接管 气体出口接管直径,必须不小于所连接的管道直径。液体出口接管的设计,应使液体流速小于等于1m/s。 任何情况下,较小的出口气速有利于分离。 卧式重力分离器的尺寸设计 计算方法及其主要尺寸 设备尺寸计算的依据是液体流量及停留时间。按式 求出“试算直径”DT,在此基础上,求得容器中液体表面上的气体空间,然后进行校核,验证是否满足液滴的分离。卧式重力分离器的尺寸见图 所示。 试算直径 31 3 D2.12VLt D T  C A 式中 C=LT/ DT=2~ 4(推荐值是 2.5 ); DT、LT—— 分别为圆柱部分的直径和长度, m; V 3 L—— 液体的体积流量, m/h ; t —— 停留时间, min; A—— 可变的液体面积(以百分率计)即A=ATOT-( Aa+Ab),均以百分率计 其中 ATOT—— 总横截面积, %; Aa—— 气体部分横截面积, %; Ab—— 液位最低时液体占的横截面积, %。 气 气、液 L T 液 图卧式重力分离器 通常开始计算时取 A=80%,并假设气体空间面积 Aa 为14%,最小液体面积 Ab为6%。选择C值时,须考虑容器的可焊性(壁厚)和可运输性(直径、长度)。 由DT和Aa=14%,查图4 ,得出气体空间高度 ( a) ,a值应不小于 300mm。如果a<300mm,需用A< 80%的数值,再进行计算新的试算直径。 接管距离 两相流进口接管与气体出口接管之间的距离应尽可能大,即 LN≈LT及LT=C·DT。 式中 LN—— 两相流进口到气体出口间的距离, m; LT—— 圆筒形部分的长度, m。 根据气体空间 (Aa) 和一个时间比值( R)(即液滴通过气体空间高度所需沉降时间与气 LN体停留时间的比)来校核液滴的分离,计算进口和出口接管之间的距离 ( L N  ) 。 L0 .524 a V G L N — 1) AD(2 L A D ( T a 式中 G ) 0 . 5 R G LN 、 DT L V 、a—— 分别为进出口接管间距离、卧式容器直径和气体空间高度, m; 3 G—— 气体流量, m/h ; ρL、ρG—— 分别为液体密度、气体密度, kg/m3; *Aa—— 气体部分横截面积, %; R对于d*=350μm,使用 R=0.167对于d =200μm,使用 R=0.127 * R=τ s/ τT 其中 τs—— 直径为d* 的液滴,通过气体空间高度 ( a) 所需要的时间, s; τT—— 气体停留时间, s。 L。N两相流进口到气体出口间的距离 ( LN) 不应小于 L 。 N 接管设计见 规定。 液位和液位报警点计算实例 LTTLL已知: V=120m3/h ,t =6min,D=2000mm,L =5000mm,最低液位高度 h L T T LL =150mm。 最低液位( LL)、低液位报警( LA)、正常液位( NL)、高液位报警( HA)、最高液位( HL)之间的时间间隔分别是 2、1、1、2min。要计算对应时间间距的各液位高度。 解题:如图 所示。 最低液位,即液面起始高度(计算时间为 0)的液位高度 ( hLL) 为150mm。容器横截面积( ATOT) : D2 D AT A TOT 2 3.14m2 24 4 2 相当于液体在容器中停留时间为 1min所占的横截面积为: A 2 1=120×1/ ( 60×5)=0.4m 图 卧式重力分离器液位高度 其它几个高度按下述方法求出: hLL/ DT=150/2000=0.075 ,由图 2.5.1 —5查得 Ab ATOT 0.034(hLL 即是图中 h) 。 Ab 得 ALA 0.034 Ab ATOT 2A1 0.034 0.107 3.14 2 0.4 0.107m2 0.289 ATOT ATOT 3.14 查图 —5得 hLA DT 0.333,从最低液位经 2min后得到液面高度为 hLA 0.333 DT 0.333 2000 666mm( hLA 即是图中 h) 得 ANL Ab 3A1 0.107 3 0. 4 0.416 ATOT ATOT 3.14 查图 — 5得 图中h) hNL DT =0.434 ,过1min后,液面高度为 hNL=0.434 × 2000=868m(mhNL即是 得 AHA Ab 4A1 0.107 4 0.4 0.544 ATOT ATOT 3.14 查图 —5得 hHA DT =0.535,再过1min液面高度为 hHA=0.535 ×DT=0.535 ×2000=1070mm ( hHA即是图中 h) 得 AHL Ab 6 A1 0.107 6 0.4  0.798 ATOT ATOT 3.14 查图 —5得hHL DT 0.746 ,再过 2min液面高度为 hHL=0.746 ×DT=0.746 ×2000=1492mm ( hHL即是图中 h)。 立式分离器(重力式)计算举例 数据 V 3L V 3 3ρL=762kg/m 3  G=521.7m /h V 33ρG V 3 3 T=318K P=0.324MPa Vmax=135% μG=14.6 ×10-6Pa·s d* =350× 10-6m Vmin=70% 停留时间 t =6min,要决定分离器尺寸。 解题 浮动流速( Vt ) 由式— 2) 计算 4 gd * ( L Vt 0.5 G ) 3CW G -6= [4 ×350×10 -6 ×(762-4.9)/( 3 ×1×4.9)] 0.5 =0.841 m/s 由式— 3) 计算 * RVt d G R e G 0.841 98.8 350 14.6 10 6 610 6 4.9 由图2.5.1 —1查得CW=1.25 ,由式—2) 计算,得Vt =0.75 ,再由式 — 3) 计算,得Re=88.4,由图 —1查得 C W=1.25 ,试算结束,取 ue =Vt, V t =0.75m/s 。 尺寸 直径 D  min 0.0188(VG.max )0.5 Vt 0.0188( 521.7 1.35 )0 .5 0.75 =0.576m 取D=0.6m 高度H VL t 8.3 1.35 6 3.96m L 47.1D 2 47.1 (0.6)2 选用D=1m(由于上述计算 L/D不合适) H 8.3 1.35 6 1.43m 2L 2 47.1 1 每分钟停留时间相当于高度为: H=1430/6=238mm 附图 附图 雷诺数 Re与阻力系数 CW的关系,见图 —1所示。 快速确定 D与u的关系,见图 —2所示。 接管直径的确定,见图 — 3所示。 容器横截面积的求法 ( 一) ,见图 —4所示。 容器横截面积的求法 (二),见图 —5 所示。 图 - 1 Re 数与阻力系数 (C w)关系图 图 - 2 容器和丝网直径的确定 图 - 3 接管直径的确定 DT Aa a m % m 图 -4 容器横截面积的求法 (一) 图 -5 容器横截面积的求法 (二) 立式和卧式丝网分离器设计 应用范围。 丝网分离器适用于分离气体中直径大于 10~ 30μm的液滴。 丝网分离器主要部件为一固定安装的丝网组件,由丝网和上下支承栅条组成。丝 网材料可采用不同的金属或非金属材料。如:不锈钢、蒙乃尔合金、镍、铜、铝、碳钢、 钽、耐腐蚀耐热镍合金、聚氯乙烯和聚乙烯等。 丝网分离器通常规格是丝网的丝直径为 0.22mm~0.28mm,丝网的厚度约为 100mm~ 150mm。 立式丝网分离器的尺寸设计 气体流速 (u G) 的确定 气体流速对分离效率是一个重要影响因素。 流速过高, 聚集的液滴不易从丝网上落下, 液体充满丝网,造成液泛,以致一度被捕集的液滴又飞溅起来,再次被气体携带出去,使 分离效率急剧降低;流速过低,夹带的雾沫在气体中飘荡,未与丝网细丝碰撞就随着气流 通过丝网而被气体带走,降低了丝网的分离效率。气速对分离效率的影响见图 所示。 最大速度的 最最大大速速度度 计算方法 ( 一) 用常数 (KG) 的计算方法 图分离效率与气速的关系 u G K G 0.5 L G G —1) 式中 3u G—— 与丝网自由横截面积相关的气体流速, m/s; ρL、ρG—— 分别为液体和气体的密度, kg/m ; 3 KG—— 常数,通常 KG=0.107 。 如果气流中有较大的液体量被分离,则建议采用 KG=0.075 。在高粘度液体、高压或高 真空工艺中, KG可采用 0.06 。 计算方法 ( 二) 本方法适用于两相物料中含液体很少的物流,假定两相中的液体全部被丝网截住,通过本方法求得气体流速。 丝网自由横截面积上的气体流速 ( uG) uG c m u0 N g 3  0.5 L —2) 其中 u0 9.96a  0.2 L G —3) 式中 c —— 安全系数,取 0.7 ~ 0.9 ; m—— 校正系数,由 G 和 L L H 2 O( 20 C ) 由图 —2查得; σL—— 工作温度下液体表面张力, N/m,烃类的 σL可按式— 4) 计算: 2.64M L L 4 60)( L G 3.9M L — 4) u0—— 临界流速, m/s; μL—— 液体粘度, Pa·s; ε—— 丝网空隙率; a' —— 丝网比表面积, m2/m3;丝网参数见表 。 -3g—— 重力加速度, 9.81m/s 2; σ H2O(20℃) —— 20℃水的表面张力, 72.8 ×10 -3  N/m; 3ρ L、ρ G—— 分别为液体和气体的密度, kg/m ; M L—— 液体分子量; 3 N—— 系数,由 M WL G WG L 0.5 由图 —1查得(当M<0.00001 时,取N=0.7 进行计算); Δ WL—— 进出丝网的液体流量之差, kg/h ; WG—— 气体质量流量, kg/h 。 表国内丝网分离器参数表 3型 号 规 格 空隙率( ε) 丝网密度 Kg/m 丝 径 mm 3 标准型 40~ 100型 60~ 150型 0.982 150 φ 0.23 140~400型 高效型 60~ 100型 80~ 100型 0.975 150 φ 0.23 φ 0.12 高穿透型 20~ 100型 30~ 150型 0.990 160 φ 0.23 70~ 140型 注:表3.2.1 摘自行业标准《丝网除沫器》(HG5—1404—81、HG5—1405— 81和HG5— 1406 — 81) 。 计算方法 ( 三) 本方法适用于物流中液体含量较多时,首先假定被气流夹带的液量。根据本方法计算夹带的液量,然后通过计算方法 ( 二) 求得气体流速。 *当测得被气体夹带的液滴直径 (d ) 后,设定丝网自由横截面积上的气体流速 (u G) ,并计算Re数。 * R*uGd G R * e G 式中 —5) 3μG—— 气体粘度, Pa·s; ρG—— 气体密度, kg/m 。 3 其余符号意义同前。 由Re数查图 —1,得阻力系数( Cw); 由CW校核uG 4d * g( L G ) uG — 6) 3CW ρG *若与假定值不符,则改变 uG值,直到 uG值与假定值相近。其余符号意义同前。 * 由d 、uG值计算单位气体量带到丝网上的液体夹带量 (E) 2.5E WL 0.06243 L e p(4.2uG 2.5 5.34)  G(39.37d*) G  (0 .1603u 2.5 2) —7) WG 0.1603uG 2 及M E( G ) 0. 5 L — 8) 式中 E—— 单位气体量带到丝网上的液体夹带量; M—— 辅助因子。其余符号意义同前。 由M 查图 — 1得N。M、N为辅助系数; 按 G 及 L L H 2O(20 C) 查图 — 2得系数 m值; 7) 由式—3) 得u0。 若u0值小于 uG,且差值不大,则可以用 uG进行 的尺寸设计,否则应选用其它参数 ( a'、ε) 的丝网。 GW若未测定液滴直径 ( d* ) ,则可用式 — 1) 先定u 值,然后再假定 d* ,求Re及C,由 G W 式— 5) 验算d* 值,若不符合,重新假定 d* 值,直至两值相近为止,然后再按 中 4) ~ 7) 计算。 尺寸设计 丝网直径 由式— 1) 求得的 uG,按式 —1) 求DG: VG DG 0.0188 uG 0. 5 —1) 式中 uG—— 丝网自由截面积上的气体流速, m/s; DG—— 丝网直径, m; 其余符号意义同前。 由于安装的原因 (如支承环约为 50/70 ×10mm),容器直径须比丝网直径至少大 100mm。由图 —2可以快速求出丝网直径 ( DG) 。 高度 容器高度分为气体空间高度和液体高度 ( 指设备的圆柱体部分 ) 。低液位 ( LL) 和高液位( HL) 之间的距离由式 —2) 计算: HVL t H L 2 47.1D 式中 —2) D—— 容器直径, m; V 3 L—— 液体流量, m/h ; t —— 停留时间, min; HL—— 低液位和高液位之间的距离, m。 液体的停留时间(以分计)是用邻近控制点之间的停留时间来表示的,停留时间应根 据工艺操作要求确定,例如: LL—4—LA—2—NL—2—HA— 2— HL 上式表示: LL(最低液位)和 LA(低液位报警)之间的停留时间为 4min, LA和NL(正常液位)之间的停留时间为 2min等内容。 气体空间高度的尺寸见图 所示。丝网直径与容器直径有很大差别时, 尺寸数据要 从分离的角度来确定。 接管直径 入口接管 两相混合同物的入口接管的直径应符合式 — 3) 要求: u2 u G GL 1500 — 3) 式中 uGL—— 接管内两相流速, m/s; 3ρG—— 气相密度, kg/m ; 3 由此导出 DP 3.02 10 3 (VL V ) 0.5 0. 25 G —4) G式中 G DP—— 接管直径, m; V 3 L—— 液体体积流量, m/h ; 3VG—— 气体体积流量, m/h ; 其余符号意义同前。 3 由图 —3可以快速求出接管直径 ( DP) 。 T.L. HL LL 图立式丝网分离器 出口接管 液体、气体的出口接管的直径,不得小于连接管道的直径。液体出口接管可以用小于等于1m/s的流速来设计。 气体出口流速取决于气体密度,密度小时,最大出口流速 uG.max≈20m/s。密度大时, 选用较小的气体出口流速。 任何情况下,较小的气体出口流速有利于分离。 丝网的装配 除考虑经济因素外,还应考虑工作温度、容器材料以及丝网本身的耐久性。采用聚丙烯或聚乙烯丝网时,应注意产生碳氢化合物的影响;采用聚四氟乙烯或不锈钢丝网时应考虑其受温度的限制;铝制容器内不能采用蒙乃尔丝网;在有水滴存在的条件下,钢制容器内不能采用铝制丝网。 卧式丝网分离器的尺寸设计 如果经卧式分离器之后, 临界液滴直径需要小于 200μ m时,分离器应带有丝网, 丝网通常置于罐顶部的分离空间中。 其设计方法, 是把卧式重力分离器 (参看第 2章“立式和卧式重力分离器设计”中 2.3 规定)和立式丝网分离器的设计结合起来,从经济上 考虑,应使气体空间尽可能地小。气体最小空间高度 amin=300mm,见图 3.3.1 所示。 气 气、液 液 计算举例 3数据VL=0.4m3/h ρL=878kg/m T=33℃ Vmax=135% 3 要决定分离器尺寸 解题 气体流速 (u G) 0.5由式( —1)得: 0.5 图卧式丝网分离器 V 3G=372.9m /h ρG=5.95kg/m 3 P V 3 Vmin=70% uG=KG( L G ) =0.107( 0.5G 0.5 878 5.95 5.95 ) =1.3m/s 尺寸 1) 丝网直径 (DG) 由式— 1) 得: GD 0.0188( VG ) 0.5 G uG 0.0188 ( 372.9 1.35 ) 0.5 1.3  0.370m( 370 mm) 2) 容器直径( D)至少要比丝网直径大 100mm(考虑安装固定,如支承环约为 50/70 × 10mm),取容器直径为 500mm。 3) 高度( HL) 由式( —2)得: VL t H L 2 0.4 1.35 6 2 0.275m 47.1D 4) 接管两相进口 47.1 0.5 2由式— 3) 得ρG· u GL 2 < 1500Pa uGL 0.5 0 .5 1500 1500 G 5.95 15.88 m / s 再由式 —4) 得: D p 3.02 10 3 (V V ) 0. 5 0.25 G LD P 3.02 L 3 G10 372.9 G 0.4 1.35 0.5 0. 25 5.95 D P 0.106m(取0.15m) 气相出口 气体出口流速 =两相进口流速选用DP=0.15m u 372.9 1.35 7.92m / s 液体出口 0.785 3600 0.152 选用管径 DN40,则流速为: u0.4 1.35 u L 2 0.12m / s 附图 附图 0.785 3600 0.04 由( ΔWL/ WG)( ρ G/ ρL) 0.5 查得辅助系数( N),见图 3.5.1 —1所示。 由ρ G/ ρL和σL/ σH2 O(20℃) 查得校正系数( m),见图 —2所示。 图 - 1 (ΔWL /ΔWG )(ρG/ ρL)0.5 与系数 (N )的关系图 图 2 ρG/ ρL 和σL/ σH2 O(20 ℃) 与校正系数 (m) 的关系图 符号说明 a—— 气体空间高度, m; a —— 丝网比表面积, m2/m3; A—— 可变液体面积, %; Aa—— 气体部分横截面积; A b—— 最小液面面积; ATOT—— 容器横截面积; Aa、Ab、ATOT—— 在式、式( 2.3.2 — 1)中,单位为 %;在 2.3.3 规定中,计算举例单位为 m2 。 C—— 容器高度与直径之比; c—— 安全系数; CW—— 与流动状态有关的阻力系数; d* —— 液滴直径, m; D—— 容器直径, m; DG—— 丝网直径, m; ′D min—— 分离器最小直径, m; DP—— 接管直径, m; DT—— 圆柱部分的直径, m; ′ D T—— 卧式容器直径, m; E—— 单位气体量带到丝网上的液体夹带量; g —— 重力加速度, 9.81m/s 2; HL—— 液体高度, m(第2章); HL—— 低液位与高液位间的距离, m(第3章); h —— 可变液面高度, mm,m; hLL—— 最低液面高度, mm,m; hLA—— 低液位报警液面高度, mm,m; LNL—— 正常液面高度, mm,m; LHA—— 高液位报警液面高度, mm,m; LHL—— 最高液面高度, mm,m; K G—— 常数; K S—— 系数; L —— 从切线到切线的容器长度, m; L T—— 从切线到切线的试算容器长度, m; L N—— 两相流进口到气体出口间距离, m; m—— 校 正 系 数 ; M—— 辅 助 因 子 ; ML—— 液体分子量; N—— 辅 助 系 数 ; P—— 压力, MPa; R—— 时 间 比 率 ; Re—— 雷诺数; T —— 温 度 ,℃, K; t —— 停留时间, min; u —— 出口接管中气体流速, m/s; u e—— 气体在容器内的流速, m/s; u G—— 与丝网自由截面积相关的气体流速, m/s; u GL—— 接管中两相进口流速, m/s; u G.max—— 气体出口最大流速, m/s; u L—— 出口接管中液体流速, m/s; u 0—— 临界流速, m/s; u p—— 接管内的流速, m/s; 3V G—— 气相体积流量, m/h ; V 3 3 G.max—— 气体最大体积流量, m/h ; 3V L—— 液相体积流量, m/h ; 3 Vmax—— 最大体积流量的系数, %; Vmin—— 最小体积流量的系数, %; V t —— 液滴在容器内的浮动流速, m/s; V T′—— 试差的浮动流速, m/s; W G—— 气体或汽体质量流量, kg/h ; W L—— 液体质量流量, kg/h ; Δ WL—— 进出丝网的流体流量之差, kg/h ; σL—— 工作温度下液体的表面张力, N/m; -3σH2 O(20℃ ) —— 20℃时水的表面张力, 72.8 ×10 -3 ε—— 丝网空隙率; N/m; 33μG—— 气体粘度, Pa·s; μL—— 液体粘度, Pa·s; ρG—— 气体密度, kg/m ; ρL—— 液体密度, kg/m ; 3 3 τs—— 直径为 d* 的液滴通过气体空间高度 ( a) 所需的沉降时间, s; τr —— 气体的停留时间, s; 压力—— 本规定除注明外,均为绝对压力。

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