尾气洗涤塔毕业设计说明书.doc

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1、内蒙古科技大学本科生毕业设计说明书题 目：尾气洗涤塔学生姓名：郝振富学 号：200704134104专 业：过程装备与控制工程班 级：装备071指导教师：于文研 教授摘要塔设备是化工、炼油生产中最重要的设备类型之一。本次设计的洗涤塔是化工生产中主要的体净化处理设备。洗涤塔是一种新型的气体净化处理设备。它是在可浮动填料层气体净化器的基础上改进而产生的，广泛应用于工业废气净化、除尘等方面的前处理，净化效果很好。对煤气化工艺来说，煤气洗涤不可避免，无论什么煤气化技术都用到这一单元操作。由于其工作原理类似洗涤过程，故名洗涤塔。本设计主要是针对甲醇气化装置中的尾气洗涤塔进行设计，着重叙述了设备的筒体部分

2、和封头部分的设计，以及塔的强度设计、稳定性校核、辅助装置及附件的选取以及浮阀塔盘的机构设计和工艺计算等内容。关键词：洗涤塔；浮阀塔；浮阀塔盘；强度设计；稳定性校核61AbstractTower equipment in the chemical, oil refining production of one of the most important type of device. The design of the washing tower is the main body of chemical production purification equipment. Scrubber is

3、 a new type of gas purification equipment. It is floating in the packing layer can be based on the purification of gas generated improvements, widely used in industrial exhaust gas, dust and other aspects of pre-treatment, purification works well. On the coal gasification process, the gas washing is

4、 inevitable, no matter what technologies are used in the gasification unit operation. Because of its working principle similar to the washing process, hence the name scrubber. This system is mainly aimed methanol gasification plant in the tail gas scrubber design, focusing on the equipment described

5、 in the cylinder part and the head part of the design, and the tower of strength design, stability check, the selection of auxiliary devices and accessories as well as bodies floating valve tray design and process calculation and so on.Key Words: Scrubber; float valves; float valve trays; strength d

6、esign; stability check。目录摘要IAbstractII第一章 引言11.1、塔设备在化工生产中的作用11.2、塔设备的分类及结构简介21.3、浮阀塔的工作原理及其特点21.4、浮阀塔板的分类31.4.1、F1型浮阀塔板31.4.2、L1条型浮阀塔板和T型浮阀塔板4第二章 浮阀塔盘的设计计算52.1、溢流装置的设计52.1.1、降液管类型与溢流方式的选取52.1.2、溢流装置的设计计算62.2、塔板布置72.3、浮阀的数目与排列82.4、浮阀塔板的流体力学验算102.4.1、气体通过浮阀塔板的压强降102.4.2、淹塔112.4.3、雾沫夹带122.4.4、塔板负荷性能图1

7、3第三章 塔的机械设计计算163.1、塔体及封头厚度的计算163.1.1塔体厚度的确定163.1.2、封头厚度的确定183.2、塔设备质量载荷的计算193.3、风载荷和风弯矩的计算203.3.1、水平风力的计算203.3.2、风弯矩的计算223.4、地震载荷的计算233.4.1塔的自振周期233.4.2、地震力计算233.4.3、地震弯矩的计算263.4.4、最大弯矩263.5、各种载荷引起的轴向应力273.6、塔体和裙座危险截面的强度与稳定校核283.7、塔体水压试验和吊装时的应力校核303.7.1、水压试验时各种载荷引起的应力303.7.2、水压试验时应力校核303.8、基础环的设计313

8、.8.1、基础环尺寸313.8.2、基础环的应力校核323.8.3、基础环的厚度323.9、地脚螺栓的计算333.10、开孔及开孔补强设计343.10.1、进气管、出气管的开孔补强353.10.2出液管开孔补强373.10.3人孔开孔补强40第四章 塔上附件的选择434.1、接管及接管法兰的选择434.1.1进液管434.1.2出液管434.1.3塔顶尾气出口434.1.4塔体进气口444.1.5法兰的选取444.2、除沫器的选择444.3、吊柱的选择464.4、人孔尺寸选择46第五章 塔设备的制造与安装485.1、制造上的要求485.2、焊接及其特点495.3、热处理495.4、设备的安装5

9、0设计总结52致谢53参考文献54附录I 主要符号说明56内蒙古科技大学毕业设计说明书第一章 引言1.1、塔设备在化工生产中的作用 塔设（如图1.1）备是化工及石油化工生产中最重要的单元设备之一。化工生产过程概括地讲是能量传递、质量传递、热量传递和反应等过程组成的。图1.11地脚螺栓座；2.接地板；3.裙座检查孔；4.裙座；5.裙座接管引出管；6.裙座排气孔；7.防涡流挡板；8.物料进口和液位计挡板；9.内部爬梯；10.塔顶吊柱；11.吊耳塔设备则是通过其内部的结构使气（汽）液两相或液液两相之间充分接触、进行质量传递和热量传递。通过塔设备完成的单元操作有精馏、吸收、解吸、萃取、洗涤、冷却及气体

10、增湿等。1.2、塔设备的分类及结构简介塔设备可以从不同的角度进行分类，例如，可以按操作压力分类、单元操作分类，也可以按其内件结构分成板式塔和填料塔等。板式塔中设有一定数量的塔盘，气体从塔的下部进入塔体，液体从塔的顶部（上部）进去塔体；上升的气体与下降液体在每一层塔盘上进行传质。常用的板式塔塔盘有：筛板塔盘、浮阀塔盘、泡罩塔盘。填料塔内装有一定高度的填料层，液体沿填料表面呈膜状向下流动、气体自下而上穿过填料层与膜状液体接触，进行质量传递。1.3、浮阀塔的工作原理及其特点浮阀塔是20世纪50年代开发的一种新塔型，是一种板式塔，用于气液传质过程中。浮阀的阀片可以浮动，随着气体负荷的变化而调节其开启度

11、，因此，浮阀塔的操作弹性大，特别是在低负荷时，仍能保持正常操作。浮阀塔由于气液接触状态良好，雾沫夹带量小(因气体水平吹出之故)，塔板效率较高，生产能力较大。塔结构简单，制造费用便宜，并能适应常用的物料状况，是化工、炼油行业中使用最广泛的塔型之一。在分离稳定同位素时采用在克服泡罩塔缺陷的基础上发展起鼓泡式接触装置。浮阀塔有活动泡罩、圆盘浮阀、重盘浮阀和条形浮阀四种形式。浮阀主要有V型和T型两种，特点是：生产能力比泡罩塔约大2040；气体两个极限负荷比为56，操作弹性大；板效率比泡罩塔高1015；雾沫夹带少，液面梯度小；结构难于泡罩塔与筛板塔之间；对物料的适应性较好等，通量大、放大效应小，常用于初

12、浓段的重水生产过程。缺点是：在气速较低时，仍有塔板漏液，故低气速时板效率有所下降；浮阀阀片有卡死和吹脱的可能，这会导致操作运转及检修的困难；塔板压力降较大，妨碍了它在高气相负荷及真空塔中的应用。1.4、浮阀塔板的分类由于浮阀塔生产能力大、操作弹性大 、效率高、结构简单,所以得到了十分广泛的应用,浮阀塔板的类型也逐步多样化。目前我国大部分石油化工企业使用F1型塔板,该类型塔板尽管效率较高,但塔板寿命较低。现在某些石油化工企业使用了性能较F1型塔板更加优良、效率更高的L1型浮阀、T型浮阀、HIV船阀等类型的浮阀塔板,效果良好。三角浮阀塔板也在研究过程中。1.4.1、F1型浮阀塔板F1型浮阀（如图1

13、.2）塔板是我国在1965年从美国Glitseh公司引进的V-1 型浮阀塔板，在我国已标准化。这种塔板 阀孔直径39mm，阀片直径 48nam，有轻型和重型两种，阀片上有三个闽脚伸入阀孔后外弯定位。由于塔板上浮阀的开度可随气相负荷的变化而变化，使塔的操作弹性较高；由于塔板开孔率比泡罩塔大，所以生产能力大，塔内上升气流被阀片折挡后水平喷出，提高了气液传质效果，使板效率提高。由于F1 型浮阀塔板具有上述优点，结构又筒单，所以目前我国大部分厂家都在使用这种塔板。图1.2 F1型浮阀1.4.2、L1条型浮阀塔板和T型浮阀塔板L1条型浮阀采用了长条顺排错位排列这样避免了气流的逆向反冲现象,使液面落差小,

14、提高了处理能力。在同样的塔板鼓泡面积及开孔率的情况下阀体个数少、安装方便、投资少、易检修。图1.3 T型浮阀T型浮阀如图1.3所示，拱形阀片的活动范围由固定于板上的支架来限制。T型浮阀的性能与F1型浮阀相近，但结构较复杂，适于处理含颗粒或易聚合的物料。第二章 浮阀塔盘的设计计算2.1、溢流装置的设计板式塔的溢流装置包括溢流堰、降液管和受液盘等几部分，其结构和尺寸对塔的性能有重要的影响。2.1.1、降液管类型与溢流方式的选取1）降液管的类型：降液管是塔板间流体流动的通道，也是使溢流液中所夹带气体得以分离的场所。降液管有圆形与弓形两种。本设计要求用圆形降液管。2）降液管的溢流方式：降液管的布置，规

15、定了板上液体流动的途径。一般常用的有如图2.1所示的几种类型，即（a）U形流、（b）单溢流（c）双溢流。图2.1塔板溢流类型（a） U形流、（b）单溢流（c）双溢流U形流亦称回转流，降液管和受液管都安排在塔的同一侧。弓形的一半作受液盘，另一半作降液管，沿直径以挡板将板面隔成U形流道。图2.1（a）中正视图1表示板上液体进口侧，2表示液体出口侧。U形流的液体流径最长，板面利用率最高，但液面落差大，仅用于小塔及液面流量小的情况。此设计选用U形流方式的溢流方式。2.1.2、溢流装置的设计计算1）出口堰（溢流堰）：溢流堰设置在塔板上液体出口处，为了保证塔板上有一定高度的液体层并使液体在板上均匀流动，降

16、液管上端必须高于塔板面上一定高度，以表示。a）堰长： （2-2-1）b）堰高：板上液层高度为堰高与堰上液层高度之和。 （2-2-2）式中 板上液层高度，m； 堰高，m； 堰上液层高度，m。采用齿形堰作为本设计的溢流堰。齿形堰的齿深一般为15mm一下。取=10mm。 （2-2-3）对于真空操作mm之间，取=25mm，mm。 （2-2-4）圆整后=34mm。降液管宽度为450mm，降液管为圆形降液管直径=450mm。降液管的截面积。 （2-2-5）降液管的截面积应保证液体在降液管内有足够的停留时间，使溢流液体中夹带的气泡能来得及分离。为此降液管内的停留时间不应小于35s。降液管内液体停留时间： =

17、31.5s （2-2-6）35s 故降液管尺寸可用。降液管底隙高度即降液管与塔板的距离：。为保证液体由降液管流出时不受到很大的阻力，进口堰与降液管间的水平距离应不小于，取=40mm。2.2、塔板布置塔板分为整块式与分块式两种。直径在800mm以下的小塔采用整块式塔板；直径在1200mm以上的大塔采用分块式塔板，以便通过人孔装拆塔板。本设计塔的内径为3000mm，采用分块式塔板。塔板面积可分为四个区：1） 鼓泡区：塔板上气、液接触构件（浮阀）设置在此区域内，故此区为气、液传质的有效区。2） 溢流区：降液管及受液盘所占的区域为溢流区。3） 破沫区：鼓泡区与溢流区之间的区域为破沫区。当D1.5m时，

18、=80110mm。取=100mm。4） 无效区：因靠近塔壁的部分需要留出一圈边缘区域，以供支承塔板的边梁之用。宽度=60mm。2.3、浮阀的数目与排列气体通过阀孔时的动能因数为： （2-3-1）式中 气体通过阀孔时的动能因数，； 气体通过阀孔时的速度，m/s； 气体密度，kg/。取=10。=7.14m/s （2-3-2）每层塔板上的浮阀数目： = 个 （2-3-3）图2.2 浮阀排列方式（a）顺排 （b）叉排浮阀在塔板鼓泡区内的排列有正三角与等腰三角形两种方式，按照阀孔中心连线与液流方向的关系又分为顺排和叉排。对于分块式塔板，宜采用等腰三角形叉排。阀孔中心距t定为75mm，而相邻两排间的中心距

19、可为65mm、80mm、100mm等几种尺寸。等腰三角形排列： （2-3-4）式中 鼓泡区面积，； t同一排的阀孔中心距，m； 相邻两排阀孔中心线的距离，m； N阀孔总数。对单溢流塔板，鼓泡区面积： =5042461.794 （2-3-5）式中 ； 。相邻两排阀孔中心线距离：=87.3mm。因塔的直径较大采用分块式塔板，各分块板的支承与衔接也要占去一部分面积，故选=80mm。画图验证的N=820个。=7.38m/s。由此可推得： （2-3-6）阀孔动能因数变化不大，仍在在912之间。塔板开孔率： =13.814。符合要求。2.4、浮阀塔板的流体力学验算2.4.1、气体通过浮阀塔板的压强降1）干

20、干板阻力 气体通过浮阀塔板的干板阻力，在浮阀全部开启前后有着不同的规律。板上所有浮阀刚好全部开启时，气体通过阀孔的速度称为临界速度，以表示。阀全开前： （2-4-1）阀全开后： （2-4-2）两式联立得： =7.26m/s=7.38m/s （2-4-3）所以 =0.0291m。2）板上充气液阻力： （2-4-4）由于液体为水，=0.5。 。 （2-4-5）3）液体表面张力下所造成的阻力：由于浮阀塔的值通常很小忽略不计。气体通过一层浮阀塔板时的压强降为： （2-4-6）式中 气体通过一层浮阀塔板的压强降，； 气体克服干板阻力所产生的压强降，； 气体克服板上充气液层得静压强所产生的压强降，； 气体

21、克服液体表面张力所产生的压强降，。习惯上把这些压强降折合成液体的液柱高度表示，故上式也可写成： （2-4-7）式中 与相当的液柱高度； 与相当的液柱高度； 与相当的液柱高度； 与相当的液柱高度。 m液柱。则通过一层塔板上的压强降为： （2-4-8）2.4.2、淹塔为了防止淹塔现象的发生，要求控制降液管中清液层高度，。 （2-4-9）与气体通过塔板的压强降所相当的液柱高度： =0.0461m液柱。液体通过降液管的压头损失：因不设进口堰，即 m液柱。 （2-4-10）则： =0.0461+0.034+0.0000504=0.0802m取=0.3,又以选定，则： ,符合防止淹塔要求。2.4.3、雾沫

22、夹带泛点率= （2-4-11）及 泛点率= （2-4-12）板上液体流径长度 =6-0.9=5.1m （2-4-13）板上液流面积 （2-4-14）查表2-1取物性系数K=1.0,查的泛点负荷系数=0.19。将以上数据带入得：泛点率：=25.85或泛点率：=30.63则泛点率为30.6375。故可知雾沫夹带量能够满足要求。表2-1 物性系数K系 统物性系数K无泡沫，正常系统1.0氟化物（如,氟利昂）0.9中等发泡系统（如油吸收塔）0.85多泡沫系统（如胺吸收塔）0.73严重泡沫系统（如甲乙酮装置）0.60形成稳定泡沫的系统（如碱再生塔）0.302.4.4、塔板负荷性能图1）雾沫夹带线泛点率=7

23、5整理得：或 （2-4-15）由式（2-4-15）可知雾沫夹带线为直线，则在操作范围内任意取两个值，依据（2-4-15）算出相应的值列于附表1中。据此作出雾沫夹带线（2-4-15）。附表10.00050.00221.3221.092）液泛线 （2-4-16）整理得： （2-4-17）在操作范围内任取若干个值，带入（2-4-17）算出相应的值列于附表2中。据此表中数据做出液泛线（2-4-17）。附表20.0010.0020.0060.000113.713.612.613.8（3）液相负荷上限线（3）已知。（4）漏液线 对于重阀，依据计算，则。又知 （2-4-18）以=5作为规定气体最小负荷的标准

24、，则 =3.5（2-4-19）（5）液相负荷下限线（5）已知。负荷性能图操作弹性=第三章 塔的机械设计计算3.1、塔体及封头厚度的计算3.1.1塔体厚度的确定假设塔体的名义厚度：，塔体的材料根据要求选择0Cr18Ni9。钢板厚度的负偏差查表得，对于不锈钢当介质的腐蚀性极微时。 =29.1mm。 （3-1-1）其中C=。塔体主体高度： （3-1-2）取塔体顶部空间。塔底空间取3m。则塔体高度为。 （3-1-3）由此可知： 。查图3-1得： A=0.004。 查图3-2得： B=50。计算筒体的许用外压力。 （3-1-4）。 （3-1-5）。 （3-1-5）计算外压力 （3-1-6）因塔体无安全装

25、置，设计压力取p=0.1Mpa。p。 （3-1-7）。 符合要求，假设成立。图3-1 外压或轴向受压圆筒和管子几何参数计算图图3-2外压圆筒、管子和球壳厚度计算图（0Cr18Ni9 钢）3.1.2、封头厚度的确定假设封头厚度为，根据要求选择风头的材料为0Cr18Ni9。钢板厚度的负偏差查表得，对于不锈钢当介质的腐蚀性极微时。 =29.1mm。其中C=。 （3-1-8） 。 （3-1-9） （3-1-10）则： （3-1-11）查表3-1得： 。 （3-1-12） （3-1-13）计算系数A： （3-1-14）由图3-1查得B=98，计算许用外压力： 。 （3-1-15）由此可知，故合适，可以采

26、用此椭圆型封头。封头尺寸如下：EHADNH内表面积AVm3000mm790mm10.13293.817932.4kg图3-3 封头示意图3.2、塔设备质量载荷的计算1）壳体和裙座质量：查得DN=3000，时一米高筒节质量为2242kg。 。 （3-2-1）2）内件质量： 浮阀塔盘单位质量为75 。 （3-2-2）3）人孔、接管、法兰等附件的质量： 。 （3-2-3）4）扶梯、操作平台的质量，选用笼式扶梯，扶梯单位质量为40kg/m。操作平台每个人孔处设置一个，共两个。每个质量为850kg。则： （3-2-4）5）操作时塔内物料质量：。6）充水质量： 。（3-2-5）7）塔的操作质量：。 （3-

27、2-6）8）塔的最大质量：。 （3-2-7）9）塔的最小质量：。 （3-2-8）3.3、风载荷和风弯矩的计算3.3.1、水平风力的计算安装在室外的塔设备将受到风力的作用。风载荷以弯矩的形式作用在塔器上，在塔壁上引起弯曲应力。通常将塔器进行分段处理，计算各段内的风载荷。如图3-4将塔器分为三段（如图3-4）。作用在两相邻计算截面的水平风力按下式计算： （3-3-1）上式中各个符号的意义如下：塔器各个段得水平风力，N；计算段得长度，m；空气动力系数。不同截面形状的设备其挡风效应是不同的，为表征这一影响因素，引入空气动力系数来表示不同形体的影响，对于圆筒形截面的设备，通常取=0.7为风振系数对于塔高

28、小于40m，塔径在0.66m的塔器，其风振系数通常在1.72.5之间，对于塔高小于20m时取=1.7。.为高度变化系数，当距地面5米时值为0.8当距地面10米时值为1.0，当距地面高度为15米时为1.14。图3-4为塔器各计算段得有效直径，计算有效直径时应考虑塔上扶梯、操作平台及管线等附件的影响。笼式扶梯与塔顶管线布置成，则： （3-3-2）式中 塔设备各个计算段得外径，m； 塔设备各个计算段的保温层的厚度，m； 塔顶管线外径，m； 管线保温层的厚度，m； 笼式扶梯的当量宽度，当无确定数据时，可取； 操作平台的当量宽度，m。取=0.5m。代入数据得： =3000+0+400+500+42+0

29、=3942mm包头的基本风压为450pa。计算各段的水平风力： （3-3-3）=8443.764N （3-3-4） =10554.705N （3-3-5） =12032.34N3.3.2、风弯矩的计算1）塔器计算截面00处得风弯矩计算： （3-3-6）2）塔器计算截面II处得风弯矩计算： = （3-3-7）3）塔器计算截面IIII处得风弯矩计算： = （3-3-8）3.4、地震载荷的计算3.4.1塔的自振周期 （3-4-1） =0.11s=0.02s （3-4-2）=0.006s （3-4-3）3.4.2、地震力计算a）水平地震力 所谓地震力是地震时地面运动对于设备的作用力。对于底部刚性固定在

30、基础上的塔设备，则地震力即为该设备质量相对于地面运动时的惯性力，此力为： （3-4-4）式中 集中于单质点的质量，kg； 地震影响系数，根据场地土的特性周期及塔的自振周期由图3-5确定。图3-5 地震影响系数值 对于图3-5中的曲线下降段，地震影响系数按下式计算： （3-4-5）式中 特性周期，按场地土的类型及震区类型由表3-1确定； 地震影响系数的最大值，见表3-2； 衰减系数； 阻尼调整系数；表3-1 场地土的特性周期设计地震分组场地土类型IIIIIIIV第一组0.250.350.450.65第二组0.300.400.550.75第三组0.350.450.650.90表3-2地震影响系数的

31、最大值设防烈度7890.080.160.32 （3-4-6）式中 为塔的阻尼比，钢结构的阻尼比一般在0.010.02之间，取=0.015则 =0.968 （3-4-7） =1.41 （3-4-8）场地土类型为II第二组，设防烈度为8。.1） 第一振型水平地震力： =0.055 （3-4-9） （3-4-10）2） 第二振型水平地震力： =4.1 （3-4-11） （3-4-12）3） 第三振型水平地震力： =0.23 （3-4-13） （3-4-14）b)垂直地震力 在设防烈度在8度或9度得地区，塔设备应考虑垂直地震力的作用。塔设备底部截面上的垂直地震力为： （3-4-15）式中 垂直地震影响

32、系数的最大值，取； 塔设备的当量质量，取，kg； 塔设备的操作质量，kg。 =41808.4N （3-4-16）3.4.3、地震弯矩的计算00截面： （3-4-17） =II截面： = （3-4-18）3.4.4、最大弯矩00截面： （3-4-19）其中： ； 因此：II截面： （3-4-20）其中： 因此：IIII截面：3.5、各种载荷引起的轴向应力1）由外压引起的轴向应力 （3-5-1）2）操作质量引起的轴向应力00截面： （3-5-2）令裙座厚度为30mm；有效厚度为mm。II截面： （3-5-3）式中 为人孔截面的面积。IIII截面： 3）最大弯矩引起的轴向应力00截面： （3-5-4

33、）II截面： （3-5-5）IIII截面： （3-5-6）3.6、塔体和裙座危险截面的强度与稳定校核1）塔的最大组合轴向应力校核IIII截面：塔体的最大组合轴向拉应力发生在正常操作时的IIII截面上。其中，；K=1.2；。 （3-6-1） 满足要求。2）塔体与裙座的稳定校核IIII截面：塔体IIII截面上的最大组合轴向压应力 （3-6-2） 满足要求。其中， （3-6-3） （3-6-4），K=1.2。II截面：塔体II截面上的最大组合轴向压应力 （3-6-5）其中， （3-6-6），查得B=107.5，K=1.2满足要求。00截面：塔体00截面上的最大组合轴向压应力 （3-6-7）其中， ，

34、查得B=107.5，K=1.2满足要求。3.7、塔体水压试验和吊装时的应力校核3.7.1、水压试验时各种载荷引起的应力1）试验压力和液柱静压力引起的环向应力 （3-7-1）2）试验压力引起的轴向拉应力 （3-7-2）3）最大质量引起的轴向压应力 （3-7-3）4）弯矩引起的轴向应力3.7.2、水压试验时应力校核1）筒体环向应力校核 （3-7-4） （3-7-5）满足要求。2）最大组合轴向拉应力校核 （3-7-6） （3-7-7） （3-7-8）满足要求。3）最大组合轴向压应力校核 （3-7-9）满足要求。3.8、基础环的设计3.8.1、基础环尺寸取： （3-8-1） （3-8-2）如图3-5所

35、示：图3-5 （3-8-9）3.8.2、基础环的应力校核 （3-8-10）其中， （1） （3-8-11）（2） （3-8-12）取以上两者中较大值。选用75号混泥土，由表3-3查得许用应力为。满足要求。3.8.3、基础环的厚度；C=2mm。假设螺栓直径为M30，由表3-6查得， 取其中较大值，故按有筋板时计算基础环厚度： （3-8-13）圆整后取。表3-5混泥土标号混泥土标号混泥土标号753.51507.525013.01005.020010.0 表3-6 螺栓bM2430362412300120M27344026M303642283.9、地脚螺栓的计算 （3-9-1）其中，； ； ； =54638.65kg； ； 。（1）