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1第五章干燥原理西安建筑科技大学粉体工程研究所2提纲干燥静力学干燥速率和干燥过程干燥技术35.1

概述去湿概念脱水原理机械去湿

吸附去湿

热能去湿

(干燥)加热方式传导干燥

对流干燥

辐射干燥

场干燥法

干燥介质有空气、烟气;对流干燥特点

⑴一种典型的非稳态不可逆过程;⑵有多相多组分参与,一般要涉及相变传热传质,影响因素众多;⑶在干燥过程中传热传质相互耦合;⑷干燥过程与物料性质、干燥介质组分和状态密切相关。4

材料行业以对流干燥为主,下图为对流干燥示意图:干空气将热量传给湿物料;湿物料将湿份传给干空气5.1

概述55.2

干燥静力学5.2.1

湿空气的性质1

干空气与湿空气完全不含水蒸汽的空气称为绝干空气(简称干空气)。

湿空气是指含有水蒸气的空气,是干空气和水蒸气的混合物。

特点:湿空气中水蒸气分压通常很低(0.003~0.004MPa),可视为理想气体。湿空气是理想气体的混合物,遵循理想气体状态方程。

道尔顿(Dalton)分压定律:湿空气中的水蒸气通常处于过热状态,干空气与过热水蒸气组成的湿空气称为未饱和空气。当水蒸气的分压达到对应温度下的饱和压力,水蒸气达到饱和状态。由干空气与饱和水蒸气组成的湿空气称为饱和空气。

65.2.1.2

湿空气中水蒸气的量5.2

干燥静力学表示方式有三种:绝对湿度、相对湿度和湿含量。

(1)绝对湿度

单位体积湿空气所含水蒸气的质量称为湿空气的绝对湿度,用ρv表示,kg/m3

根据理想气体状态方程:

对于饱和空气:

水在一个标准大气压下的饱和蒸汽压仅是温度的单值函数。

在0℃~100℃范围及标准大气压下

说明:绝对湿度仅表示单位体积湿空气中水蒸气的质量的多少,不能完全说明空气干燥能力。

75.2干燥静力学(2)相对湿度相对湿度是指湿空气的绝对湿度ρv与相同温度下可能的最大绝对湿度(即饱和空气的绝对湿度)ρsv的比值,用

表示。(psv≤p时)

饱和度相对湿度

与干燥能力的关系。

空气中水蒸气未饱和,湿空气能够继续接受水分(可以用作干燥介质)空气中水蒸气达到饱和,湿空气不能继续接受水分(不能用作干燥介质)空气中水蒸气过饱和,湿空气不能继续接受水分(不能用作干燥介质)空气中不含水蒸气,为绝干空气,干燥能力最强(可以用作干燥介质)85.2干燥静力学当作为干燥介质的湿空气被加热到相当高的温度时,psv可能大于总压力。这种情况下,相对湿度的定义为:

(psv>p时)

(3)湿含量

空气的湿含量是指1kg干空气所携带的水蒸气质量(又称为比湿度),以d表示,kg水/kg干空气。根据理想气体状态方程,有:95.2干燥静力学总结:绝对湿度:用在测定湿空气中水蒸气量的多少时,便于实际测量;相对湿度:用在描述湿空气的干燥能力时较为清楚,反映湿空气继续接受水分的能力

含湿量:用在进行干燥计算时较为方便。

三者之间可以相互转换。105.2.1.3湿空气的温度参数5.2干燥静力学(1)干球温度

干球温度即是用普通温度计测得的湿空气的真实温度,t。

(2)湿球温度

用水保持湿润的湿纱布包裹温度计的感温部位(水银球)

,在平衡状态下,湿球温度计测出的空气温度称为湿球温度,用tw表示。

由干球温度计和湿球温度计组合成的温度计称为干湿球温度计。

未饱和空气饱和空气水分汽化需要吸收热量空气与温度计表面处于而平衡115.2干燥静力学在平衡状态下,空气向湿纱布传递的热量恰好等于湿纱布表面水分汽化所需热量。即:湿球温度不是湿空气的状态参数h和kd与风速相关125.2干燥静力学(3)绝热饱和温度绝热饱和过程

以1kg干空气为基准,热量平衡关系如下:湿空气的状态参数湿空气降温——放出显热——焓降低;湿空气增湿——吸收潜热——焓增加。通常情况下可以用湿球温度代替绝热饱和温度135.2干燥静力学(4)露点当未饱和湿空气中水蒸气分压或含湿量不变时,湿空气冷却到饱和状态(=100%)的温度称为露点,用td表示。

分析:湿空气在露点温度下处于饱和状态,其湿含量保持不变。(kg水蒸气/kg干空气)

湿空气的状态参数总结:对空气-水系统,tw≈tas,

对于饱和空气:。对于未饱和空气:;145.2.1.4湿空气的密度5.2干燥静力学湿空气的密度

湿空气的密度表示单位体积湿空气的质量,用ρ表示,kg/m3。它也表示湿空气中空气的质量浓度与水蒸气的质量浓度之和,即:155.2.1.5

湿空气的比热和焓5.2干燥静力学(1)湿空气的比热

湿空气的比热是指1kg干空气及其所携带的dkg水蒸气升高或降低单位温度所吸收或释放的热量,用cw表示,kJ/(kg干空气·℃)

cw=ca+dcv0~120℃

cw=1.005+1.85d

(2)湿空气的焓

湿空气的焓是以1kg干空气为基准,是指1kg干空气的焓及其所携带的dkg水蒸气的焓值之和,用h

表示,kJ/kg干空气

。以0℃时的干空气和饱和水为焓基准点0~120℃

ha=cat=1.005t

165.2干燥静力学【例5.1】已知大气压p=101325Pa,相对湿度=40%,温度t=80℃,求湿空气的湿含量d、焓h及密度ρ。【解】由表5.1查得空气在80℃时的饱和蒸气压psw=47.3465KPa,于是有:17例:在容积为50m3的空间中,空气温度为30℃,相对湿度为60%,大气压强p=101.3kPa。求湿空气的露点、含湿量、干空气的质量、水蒸气质量和湿空气的焓值。5.2干燥静力学解:由饱和水蒸气表5-1查得,t=30℃时,psv=4.243KPa,所以pv=φpsv=0.6×4.243=2.546kPa反查饱和水蒸气表,可得

td

=21.25℃干空气分压:干空气质量:水蒸气质量:湿空气的焓:

=(1.005+1.85×0.016)×30+2501×0.016=71.05kJ/(kg干空气)18例:在一个标准大气压下(101.325kPa),由干湿球温度计测得空气的干球温度和湿球温度分别为30℃和20℃。求湿空气的d、

、h、pv、pa。tas=20℃;

γas=γw=2453kJ/kg;das=dw=0.0147kg水蒸气/kg干空气,Cw=1.005+1.85X

d=0.0105温度为30℃时

=39.6%

=56.99kJ/(kg干空气)

水蒸气分压干空气分压kPa

kPa

【解】:由表5-1中查得,20℃和30℃时饱和水蒸气分压分别为psv1=2.338kPa和psv2=4.243kPa,由附录查得20℃时水的汽化潜热

w=2453kJ/kg,20℃时饱和湿空气的湿含量为

kg水蒸气/kg干空气kg水蒸气/kg干空气30℃时空气的焓19湿空气的I-x图1.I-x图的组成等湿含量线(等d线)等焓线(等I线)等干球温度线(等t线)等相对湿度线(等线)等湿球温度线(等twb线)水蒸汽分压线(等pw线)I-x图的组成205.2.2

湿空气状态的变化过程5.2干燥静力学5.2.2.1

加热和冷却过程空气的加热过程

根据稳定流动能量方程,加热和冷却过程中的吸热量和放热量分别等于过程中的湿空气焓增加值和减小值。d1d215.2.2.2

加湿和去湿过程5.2干燥静力学热空气的加湿过程

无外加热源的物料干燥过程可以看作是绝热加湿过程。绝热加湿过程中,湿空气的焓保持不变,而相对湿度和湿含量均增加,湿空气温度降低。各状态参数之间的具体关系

绝热去湿过程各状态参数的大小关系与上式相反。

注意:在外界有热量交换的加湿或去湿过程中,焓值将增加或减小。各参数在加湿或去湿过程中的计算可以根据过程特点及状态参数之间的关系确定。d1d2225.2干燥静力学5.2.2.3

绝热混合过程

在混合时,气流与外界的热交换量很少,此过程可视为绝热过程。

忽略混合过程中微小的压力变化,设

混合前:、d1、h1和、d2、

h2,

混合后:

、d3、h3

空气质量守恒

湿空气中水蒸气质量守恒

能量守恒

两股气流的混合

23干燥过程5.2干燥静力学干燥过程包括湿空气的加热过程和绝热吸湿过程。例:已知空气t1=30℃、pv1=2.938kPa,将该空气送入加热器进行加热后,t2=60℃,然后送入干燥器中作为干燥介质。空气流出干燥器时的温度t3=35℃。求空气在加热器中吸收的热量和1kg干空气的所吸收的水分。大气压强P=0.1MPa。解:从饱和水蒸气表中可知,当t1=30℃,psv1=4.243kPa;t2=60℃,psv2=19.916kPa;t3=35℃,psv3=5.6231kPa相对湿度1湿含量1焓1245.2干燥静力学加热过程:d2=d1=0.0188kg水蒸气/kg干空气,

空气在加热器所吸收的热量:q=h2-h1=31.19kJ/kg干空气。

在干燥器中的吸湿过程中焓不变:h2=h3=109.4kJ/kg干空气。

干燥过程中吸收水分:△d=d3-d2=0.0289-0.0188=0.0101kg水蒸气/kg干空气相对湿度2湿含量2焓2焓3湿含量3255.2干燥静力学d0=d1d2dC(t2,I2,d2)265.2.3水分在气-固两相间的平衡5.2.3.1

结合水与非结合水能否用干燥方法化学结合水

物理化学结合水

5.2.3.2

平衡水分和自由水分物料中所含水分

除水的难易结合水

非结合水

湿物料中水分

平衡水分

自由水分

(1)平衡水分平衡含水量是物料在一定空气状态下被干燥的极限。

比较物料的含水量(X)与平衡含水量(X*)的大小可判断过程进行的方向。

5.2干燥静力学难易能不能27(2)自由含水量

物料中所含大于平衡含水量的那一部分含水量,即可在一定空气状态下用干燥方法去除的水分称为自由含水量,其大小为(X—X*)。利用平衡含水量曲线可确定物料中结合含水量与非结合含水量的大小,判断水分去除的难易程度。物料的平衡含水量曲线5.2干燥静力学X

X*干燥不再进行

X>X*干燥进行

28第5章干燥原理干燥静力学干燥速率和干燥过程干燥技术295.3干燥速率和干燥过程5.3.1

恒定干燥条件下的干燥速率5.3.1.1干燥动力学实验恒定干燥条件下物料的干燥曲线干燥条件:恒定干燥

空气各项性质可取进、出口的平均值。

实验中记录每一个时间间隔内物料质量的变化及物料的表面温度,直到湿物料的质量恒定,这时物料中含水量为该条件下的平衡含水量。根据实验数据绘出物料含水量与物料表面温度、干燥时间的关系曲线。

305.3

干燥速率和干燥过程5.3.1.2

干燥速率曲线恒定干燥条件下的干燥速率曲线物料的干燥速率:kg/(m2.s)

干燥曲线

干燥速率曲线

干燥过程

预热阶段(A→B)

恒速干燥(B→C)

降速干燥(C→D→E)

31(1)恒速干燥阶段5.3

干燥速率和干燥过程分析:物料内部的水分能及时扩散到表面,物料整个表面都有充分的非结合水。

对流传热速率:

传质速率:

干燥速率

1)干燥速率不随物料的含水量改变而变化;

2)干燥速率由物料表面的水分汽化速率所控制(外扩散控制),干燥速率取决于干燥条件。恒速干燥速率特点:325.3

干燥速率和干燥过程(2)降速干燥阶段分析:第一降速阶段,物料内部水分向表面扩散的速率已小于物料表面水分的汽化速率,实际汽化面积减小,干燥速率下降。第二降速阶段,水分的汽化面由物料表面移向内部,使传热和传质途径加长,造成干燥速率下降。

1)干燥速率取决于水分在物料内部的扩散(内扩散)速率,与物料本身的结构、形状和尺寸等因素有关,受外部干燥介质的条件影响较小。2)水分迁移形式:主要以液态形式扩散,少量以气态形式扩散。降速干燥特点:水分在多孔物料中的分布

335.3

干燥速率和干燥过程(3)临界含水量恒速干燥阶段与降速干燥阶段的分界点称为临界点,相应的物料平均含水量为临界含水量(Xc)。

临界含水量的影响因素:物料的性质、厚度以及恒速阶段干燥速率。

对于粘土制品,在制品水分沿厚度方向按抛物线分布时,临界水分可表示为:分析:物料的平均临界含水量Xc总是大于其最大吸湿量Xm,随着物料厚度的增加和干燥速度的提高,Xc值加大;在干燥过程中ρ0和k的增大,则使Xc下降。Xc值越大,干燥中产生的内应力越大。

345.3.2

影响干燥速率的因素5.3

干燥速率和干燥过程5.3.2.1

恒速干燥阶段在恒速干燥阶段,Le=1,Nu=Sh,即有a=D刘伊斯关系式

影响干燥速率的主要因素:

空气流速=0.68~8.14kg/(m2.s)

t=45~150℃

j∝

条件:绝热且空气流动方向与物料表面平行35条件:空气垂直穿过物料颗粒堆积层时,设物料颗粒直径为dp,则:5.3

干燥速率和干燥过程j∝⑵空气中的含湿量

空气温度不变,空气的含湿量降低,传质推动力(dw-d)将增大,干燥速率增加。⑶

空气温度

(4)空气与物料接触方式

物料颗粒悬浮分散在气流,物料的干燥速率较大;

气流掠过物料层表面时,干燥速率较低;

气流垂直穿过物料时,干燥速率介于两者之间。

365.3.2.2

降速干燥阶段5.3

干燥速率和干燥过程水分在物料内部扩散的机制主要有液体扩散理论和毛细管理论。在降速阶段的前期,水分的移动靠毛细管作用力,而在后期,水分移动是以扩散方式进行的。

物料内部的传质采用稳态Fick定律:

在非等温度条件下,存在热湿传导,又称为Luikov效应,在不可逆热力学中将这种由温差引起的质量传递现象称为Soret效应。

物料中水分在压力梯度作用下所产生的质量扩散通量jAp可表示为:375.3

干燥速率和干燥过程根据物料中各种传递过程的耦合分析有:对沿X方向上的一维干燥过程,内扩散速率可用下式表示:对厚度为δ的平板制品进行两面对称干燥时,湿扩散速率:

1)热湿扩散中水分扩散与加热强度及加热方式有关。

2)外部加热时,热扩散与质扩散方向相反;内热源加热时,热扩散与质扩散方向相同,这有利于干燥速率的提高。3)湿扩散和热湿扩散中的扩散系数D和Dt的大小与物料的种类、结构、形状、大小等性质有关,可由实验测得。

总结:385.3

干燥速率和干燥过程5.3.3

间歇干燥过程的干燥时间计算5.3.3.1

恒速干燥阶段若物料在干燥前的含水量(X1)大于临界含水量(XC),忽略物料的预热阶段,恒速干燥阶段的干燥时间(τ1)可通过下式进行计算。恒速干燥

已知:常压下将干球温度t=30℃、湿球温度tw=20℃的空气预热到70℃后送入间歇式干燥器,

70℃时,X=0.0105kg/kg干空气。空气以6m/s的速度流过物料表面。干燥单位面积的干物料量为23.5kg/m2,物料的临界含水量Xc=0.21kg/(kg干料)。求:(1)恒速干燥阶段的干燥速率;(2)将物料含水量从X1=0.45kg/(kg干料)减少到X2=0.24kg/(kg干料)所需要的干燥时间。395.3

干燥速率和干燥过程解:(1)查附录得

tw=20℃时,水的汽化潜热=2453kJ/kg,得

tw=70℃时,Psv=4.243kPa。干燥器内湿空气的相对湿度

:湿空气的密度:

湿空气的质量流速:

对流换热系数:

W/(m2·℃)

恒速干燥阶段的干燥速率:kg/(m2·s)(2)因X2>Xc,恒速干燥阶段,干燥时间为

405.3.3.2

降速干燥阶段物料从临界含水量(XC)减少到(X2)所需要的时间τ2为:(1)图解积分法

物料在降速干燥阶段,干燥速率与含水量呈非线性变化,采用图解积分法求解τ2。

图解积分法示意

(2)近似计算法物料在降速干燥阶段,干燥速率与含水量的变化关系可近似作为线性关系处理:

干燥时间:降速干燥速率曲线处理为直线

5.3

干燥速率和干燥过程总的干燥时间τ为:

41例:已知物料在恒定空气条件下含水量从0.10kg/(kg干料)干燥至0.04kg/(kg干料)共需要5h。如果将此物料继续干燥到含水量为0.01kg/(kg干料)还需多少时间?已知:此干燥条件下物料的临界含水量Xc=0.08kg/kg干料,降速干燥阶段的干燥曲线近似作为通过原点的直线处理。5.3

干燥速率和干燥过程解:(1)由X1>Xc>X2,物料含水量经历等速和降速干燥两个阶段τ1=1.33hτ2=3.67h(2)继续干燥所需要的时间设物料从临界含水量Xc干燥X3=0.01kg/kg干料至所需时间为τ3,则:τ3=3τ2继续干燥所需要的时间τ3-τ2=2τ2=2×3.67=7.34h425.3

干燥速率和干燥过程5.3.4

连续干燥过程气流与物料接触方式:顺流、逆流、错流或更为复杂的形式。

顺流干燥器中的气固温度的变化特点:不存在恒速干燥阶段,只有表面汽化阶段。在升温阶段中,与物料接触的空气状态是不断变化的,其干燥速率不能假设与物料含水量成正比。

5.3.4.1

连续干燥过程的数学描述数学描述:欧拉方法。气、固两相的热、质同时传递过程方程组物料衡算质量衡算传热速率传质速率物料内部的导热和扩散内部传热内部传质435.3.4.2

干燥过程的物料衡算和热量衡算5.3

干燥速率和干燥过程(1)物料衡算以干燥器为控制体对水分进行物料衡算可得:湿基水分Xw与以干基水分Xd之间的关系:不计干燥器内物料损失,即:(2)预热器的热量衡算以预热器为控制体,忽略热损失,热量衡算式为:(3)干燥器的热量衡算以干燥器作为控制体进行热量衡算,得:445.3.4.3

干燥过程的热效率与干燥效率5.3

干燥速率和干燥过程干燥过程的热效率ηt定义为:干燥效率ηd定义为:提高干燥过程的热效率和干燥效率的途径:

①降低出口温度t2;

②回收废气中热量用以预热冷空气或冷物料;③加强干燥设备和管路的保温,减少干燥过程的热损失。455.3

干燥速率和干燥过程5.3.4.4

实际干燥过程的简化物料水分恒速度干燥忽略热损失及物料温度变化未补充热量热量用于

水分汽化等焓过程理想干燥过程简化条件:临界含水量较低、颗粒尺寸细小的松散物料。解决实际干燥问题途径:实验和经验。简化假设:

①假定预热阶段物料含水量不变,仅温度发生变化,且只发生气、固两相间传热过程。常忽略物料的预热阶段。②假定恒速干燥阶段为理想干燥过程。由实验测定的临界含水量,可求出此阶段内物料的温度(tw)。③假定在物料的降速干燥阶段气、固两相温度呈线性,两相在此阶段平均温差可由两端点温差的对数平均值计算。46例:在连续干燥器中,湿物料以1.58kg/s的速率送入干燥器中,要求湿物料从

Xd1=5%干燥至Xd2=0.5%。以温度为20℃、含湿量为0.007kg/(kg干空气)、总压为101.3kPa的空气为干燥介质,空气预热温度为127℃,废气出口温度为82℃。设过程为理想干燥过程,求(1)空气用量;(2)预热器的热负荷。解:(1)过程中干物料的处理量物料进、出干燥器的干基含水量蒸发水分的量:

入干燥器空气状态:

空气的焓值:

47湿空气用量:

(2)空气进入预热器时的状态预热器的热负荷:

注意:在实际干燥过程中,由于有热损失及物料带走的热量,过程所需要的空气量及预热器的热负荷将有所增加。干空气用量:

出干燥器空气状态:

485.4

干燥技术5.4.1对流干燥

干燥介质:空气、烟气、过热蒸汽等。对流干燥物料颗粒是否流动固定床对流干燥流化床对流干燥影响因素:热气体状态参数和被干燥物料的尺寸、形状及特性。

不同厚度粒状物料的加热与干燥曲线

1)块状物料,干燥时间与物料的厚度的关系可用以下经验式表示:

2)粒状物料,随物料层厚度增加,干燥速度迅速降低(如图)。对粒状稠密堆积多孔物料,可用下列关系式:粒状物料的干燥技术:悬浮态干燥(也称流态化或沸腾床干燥)、振动流态化干燥、气流干燥及喷雾干燥等。49气流干燥流程

多层流化床干燥

喷雾干燥流程

气流干燥适用范围:含非结合水及结块不严重又不怕磨损的粒状物料,尤其适宜干燥热敏性物料或临界水分低的细粒或粉末物料。喷雾干燥适用范围:液体、悬浮液以及浆状液体的干燥。流化床干燥特点:颗粒在热气流中上下翻滚,互相碰撞,类似液体的腾现象,热气流与物料间进行剧烈传热与传质,湿物料被快速干燥。5.4

干燥技术505.4.2传导干燥5.4

干燥技术适用范围:薄片、纤维、膏状物料的干燥。1-排气罩;2-刮刀;3-滚筒;4-螺旋输送器双滚筒干燥器

传导干燥是将湿物料与热表面直接接触来实现干燥的。

滚筒干燥器特点:传热面积小,干燥后产品的含水量较高(一般为3%~10%),适用于干燥小批量的液状、泥状和浆状物料。515.4

干燥技术5.4.3辐射干燥

辐射干燥(热辐射干燥)是以辐射的方式传热给物料使其干燥。

辐射能的波长范围

红外线干燥可见光干燥原理

物体对热射线吸收具有选择性热辐射源的适宜波长:0.4~15μm。

分析热辐射干燥的换热过程:当外界对物料进行热辐射时,辐射能量经过物料后,一部分被吸收dqa,另一部分被散射dqs。通过物料后辐射能量减少量dq为

与描述通过气体层的单色辐射吸收定律-Bouguer定律相吻合。

积分适用于薄型制品525.4

干燥技术5.4.4场干燥技术

5.4.4.1高频电场干燥高频电场干燥是向物料施加高频交变电场,利用物料的电阻发热。微波干燥:3×102~3×105MHz高频干燥:频率低于300MHz优点:制品不易开裂和变形,可用于干燥形状复杂的大型制品。5.4.4.2工频干燥原理:将被干燥的制品作为电阻并联在工频(50Hz)电路中,用焦耳效应产生的热量使其中的水分蒸发而被干燥。优点:干燥速度快,可用于大型制品的干燥;方法简便,干燥均匀性好;单位产品热耗少。缺点:在干燥形状复杂的大型制品时,安装电极较困难。缺点:纯粹用高频电场进行干燥运转成本很高。

53原理:在声波或超声波场中,以适当频率的声波撞击物料,物料内部产生振动,使部分结合水与物料分离,同时声波所传播的能量被物料吸收而产生热量,使物料中水分移动和蒸发后排出。

5.4.4.3声波场干燥5.4

干燥技术声能在传播介质中的吸收与声能密度的降低呈指数规律变化:

选择声波波长、频率原则:物料的形状、尺寸、结构及性质。粗大物料:低频(0.5~6.0kHz)、高声能密度(>160dB)效果佳。英国Drimax带式快速干燥器

代表干燥技术:脉冲燃烧干燥、对撞流干燥、冲击穿透干燥、超临界流体干燥、过热蒸汽干燥、接触吸附干燥等。545-1

下列三种空气作为干燥介质,问采用何者干燥推动力最大?何者最小?为什么?⑴t=60℃,X=0.015kg/kg干空气⑵t=70℃,X=0.040kg/kg干空气⑶t=80℃,X=0.045kg/kg干空气解:要知道各情况下空气干燥推动力大小,其实质是求解相对湿度。查表,当温度分别为t=60℃,t=70℃,t=80℃时,饱和水蒸气分压分别为19.9163kPa,31.1567kPa,47.3465kPa。湿空气总压为1标准大气压。结论:⑴的干燥推动力最大,⑵最小。555-2

已知大气压强为0.1Mpa,温度为30℃,露点温度为20℃,求空气的相对湿度、含湿量、焓、水蒸气分压。解:含湿量X与psd(温度露点td时的饱和水蒸气分压)满足以下关系:查表

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