27万吨年丙烯腈项目3-1 设备设计说明书

27万吨/年丙烯睛项目

设备设计说明书

I/—1—

刖5

本团队依据相关标准及文献，对“27万吨/年丙烯睛项目”所涉及的化工设

备进行了设计与选型，其设计计算与选型结果列于本说明书第一章至第十章。

为使本团队设备设计实用且符合标准，团队成员本着认真负责严谨的态度，

做了大量的资料搜集、设计计算与设备校核工作，同时参考最新标准、规范、数

据资料、公式和图表。审校人员反复多次校审并对个别章节进一步地完善。

目录

第一章设备设计总述....................................................1

1.1过程设备类别................................................1

1.2过程设备设计与选型原则......................................1

1.3过程设备设计与选型的主要内容................................2

第二章反应器设计..................................................3

第三章塔设备设计.................................................4

3.1设计依据....................................................4

3.2塔的设计要求................................................4

3.3塔类型的选择................................................5

3.3.1板式塔及塔板选择.......................................7

3.3.2填料塔及填料选择.......................................8

3.4T0503初偏塔的设计.........................................10

3.4.1T0503初储塔水力学核算.................................11

3.4.2T0503初储塔塔高设计..................................25

3.4.3T0503初储塔接管设计..................................27

3.4.4T0503初储塔机械强度核算..............................28

3.5塔设备设计一览表...........................................55

第四章换热器设计.................................................58

4.1设计依据...................................................58

4.2换热器类型的选择...........................................58

4.3换热器选型原则.............................................61

4.3.1换热介质流程..........................................61

4.3.2换热介质终点温差......................................61

4.3.3换热介质流速..........................................62

4.3.4换热器管壳层压降......................................62

4.3.5传热膜系数............................................63

4.3.6污垢系数..............................................63

4.4管壳式换热器E0707选型.....................................63

4.4.1换热流体数据..........................................64

4.4.2类型选择..............................................64

4.4.3E0707换热器结构数据..................................65

4.4.4E0707校核结果........................................65

4.4.5E0707换热器校核示意图................................67

4.4.6E0707技术特性表......................................68

4.4.7E0707机械校核........................................68

4.5板式换热器E0501选型.......................................87

4.5.1板式换热器的结构......................................87

4.5.2换热流体数据..........................................88

4.5.3类型选择..............................................88

4.5.4E0501换热器结构数据..................................90

4.5.5E0501校核结果........................................92

4.4.6E0501换热器校核示意图................................93

4.4.6E0501板式、管壳式换热器性能对比......................93

4.6换热器结构形式优化.........................................94

4.7换热器设计一览表...........................................96

第五章容器选型..................................................105

5.1储罐、回流罐..............................................105

5.1.1概述..................................................105

5.1.2设计原则.............................................105

5.1.3分类.................................................105

5.1.4材料的选择...........................................106

5.1.5储罐容积的选择.......................................106

5.1.6设计实例.............................................107

5.1.7储罐、回流罐设计一览表...............................108

5.2气液分离器................................................109

5.2.1概述.................................................109

5.2.2设计步骤.............................................109

5.2.3设计实例..............................................111

5.2.4气液分相器一览表.....................................113

5.3液液分相器.................................................114

5.3.1概述..................................................114

5.3.2设计步骤.............................................114

5.3.3设计实例.............................................115

5.3.4液液分相器一览表.....................................116

第六章泵设备选型.................................................117

6.1泵的选型原则...............................................117

6.2泵的选型依据..............................................117

6.3设计实例..................................................118

6.3.1设计目标..............................................118

6.3.2设计过程.............................................118

6.3.3泵选型一览表.........................................121

6.4真空泵的选型..............................................124

6.4.1真空泵选型一览表......................................124

第七章加热炉....................................................125

7.1设计实例...................................................125

7.2加热炉选型一览表..........................................128

第八章蒸发器....................................................129

8.1概述......................................................129

8.1.1循环式换热器.........................................129

8.1.2单程型换热器.........................................130

8.1.3直接接触传热的蒸发器.................................131

8.2蒸发器选型原则............................................131

8.2.1选型应考虑的有关因素.................................131

8.2.2选型的定性准则.......................................132

8.3设计实例..................................................133

8.3.1原料物性..............................................133

8.3.2蒸发器操作条件.......................................133

8.3.3蒸发器选型设计.......................................133

8.4蒸发器选型一览表...........................................134

第九章吸附塔设备设计............................................135

9.1干燥塔设计................................................135

9.1.1吸附材料的选择一分子筛................................135

9.1.2吸附设备尺寸的确定...................................135

9.1.3吸附器内吸附剂装填...................................136

9.1.4吸附器高度的确定.....................................136

9.2氢气变压吸附塔设计........................................136

9.2.1吸附材料的选择一一分子筛..............................136

9.2.2吸附设备尺寸的确定...................................137

9.2.3吸附器内吸附剂装填...................................138

9.2.4吸附器高度的确定.....................................139

9.2.5吸附器细节设置.......................................139

9.2.6吸附器选型一览表.....................................139

第十章压缩机选型设计............................................140

10.1压缩机设备概述............................................140

10.2选型原则.................................................140

10.3压缩机设计计算举例.......................................140

10.4压缩机选型一览表.........................................142

10.5鼓风机选型一览表.........................................142

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第一章设备设计总述

化工设备的工艺设计与选型是在物料衡算和热量衡算的基础上进行的，其目

的是决定工艺设备的类型、规格、主要尺寸和数量，为车间布置设计、施工图设

计及非工艺设计项目提供足够的设计数据。过程设备最基本的要求是满足安全性

与经济性，安全是核心，在充分保证安全的前提下尽可能做到经济。过程设备的

基本要求是能满足工艺要求。对于工艺上所要求的温度、压力、液位、流量等都

需要过程设备来实现。在满足工艺要求的同时,过程设备也必保证有足够的强度,

不会在操作过程中遭到破坏。

1.1过程设备类别

化工设备从总体上分为两类，一类称定型设备或标准设备，这是由一些加工

厂成批成系列生产的设备，通俗地说，就是可以买到的现成的设备，如泵、反应

釜、换热器、大型储罐等；另一类称非定型设备或非标准设备，是指规格和材料

都是不定型的、需要专门设计的特殊设备，如小的储罐、塔器、反应器等。

1.2过程设备设计与选型原则

在满足工艺要求的前提下，为了确保安全与经济，过程设备应满足以下基本

要求，其中包括合理性、可靠性和先进性、安全性、经济性。合理性即设备必须

满足工艺需求，与工艺流程、生产规模、工艺条件及工艺控制水平相适应，在设

备的许可范围内，能够最大限度地保证工艺的合理和优化并运转可靠。可靠性和

先进性即工艺设备的型式、牌号多种多样，实现某一化工单元过程，可能有多种

设备，要求设备运行可靠。在可靠的基础上考虑先进性，便于连续化和自动化生

产，转化率、收率、效率要尽可能达到高的先进水平，在运转的过程中，波动范

围小，保证运行质量可靠，操作上方便易行，有一定的弹性，维修容易，备件易

于加工等。安全性即设备的选型和工艺设计要求安全可靠、操作稳定、无事故隐

患，对工艺和建筑、地基、厂房等无苛刻要求，工人在操作时劳动强度小，尽量

避免高温高压高空作业，尽量不用有毒有害的设备附件、附材，创造良好的工作

环境和无污染。经济性即设备的选择力求做到技术上先进，经济上合理。

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27万吨/年丙烯睛项目•设备设计说明书

1.3过程设备设计与选型的主要内容

（1）确定单元操作所用设备的类型。这项工作应与工艺流程设计结合起来

进行。

（2）确定设备的材质。根据工艺操作条件（温度、压力、介质的性质）和

对设备的工艺要求确定符合要求的设备材质。这项工作应与设备设计专业人员共

同完成。

（3）确定设备的设计参数。设备的设计参数是由工艺流程设计、物料衡算、

热量衡算、设备的工艺计算多项工作得到的。对不同的设备，它们有不同的设计

参数。对塔设备，需要确定进出口物料的流量、组成、温度、压力、塔径与塔的

材质、填料类型与填料高度或塔板类型与塔板数等，对于精储塔还要确定塔顶冷

凝器和塔底再沸器的热负荷、换热流体的种类等;对换热器，则需要知道热负荷、

换热面积、冷热流体的种类及流量。

（4）确定定型设备（即标准设备）的型号或牌号以及数量。定型设备是一

些加工厂成批、成系列生产的设备，即那些可以直接向生产厂家订货或购买的现

成设备。对已有标准图纸的设备，确定标准图的图号和型号。随着中国化工设备

标准化的推进，有些本来用于非标设备的化工装置，已逐步走向系列化、定型化。

这些设备包括换热器系列、容器系列、搪玻璃设备系列以及圆泡罩、F1型浮阀

和浮阀塔塔盘系列等，它们已经有了国家标准。

（5）对非标设备，向化工设备专业设计人员提出设计条件和设备草图，明

确设备的型式、材质、基本设计参数、管口、维修安装要求、支承要求及其他要

求（如防爆口、人孔、手孔、卸料口、液面计接口等）。

（6）编制工艺设备一览表。在初步设计阶段，根据设备工艺设计的结果，

编制工艺设备一览表，可按非定型工艺设备和定型工艺设备两类编制。初步设计

阶段的工艺设备一览表作为设计说明书的组成部分提供给有关部门进行设计审

查。

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第二章反应器设计

化学反应是反应过程的主体，而反应装置是实现这种反应的客观环境。化学

反应过程和反应器作为化工生产流程中的中心环节，反应器的设计往往占有重要

的地位。而在工业中，运用最广泛的有固定床、流化床和移动床反应器。

本项目主要涉及到三种反应，分别为丙烷脱氢反应、氢气选择性氧化反应以

及丙烯氨氧化反应。对于丙烷脱氢反应来说，由于反应吸热而且工艺条件比较苛

刻，所以我们选用了移动床反应器使催化剂在里面循环移动并且一边反应一边再

生使之保持比较高的活性；从移动床反应器出来的物料由于反应温度下降，所以

本项目组利用氢气选择性氧化放出的热量给物料升温，本项目组设计了列管式固

定反应器进行反应；最后反应生成的丙烯再经过流化床反应器，通过丙烯氨氧化

过程生产丙烯庸产品。

反应器的具体设计见《反应器设计说明书》。

TORCHS

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第三章塔设备设计

塔设备是化工、石油化工和炼油等生产中最重要的设备之一。它可使气（或

汽）液或液液两相进行紧密接触，达到相际传质及传热的目的。可在塔设备中完

成的常见操作有：精储、吸收、解吸和萃取等。在化工厂、石油化工厂、炼油厂

等中，塔设备的性能对于整个装置的产品产量、质量、生产能力和消耗定额，以

及三废处理和环境保护等各个方面，都有重大的影响。因此，塔设备的设计和研

究，受到化工炼油等行业的极大重视。

本项目为27万吨/年丙烯睛项目，该项目所涉及的塔设备共12座，其中板

式塔7座，填料塔4座，复合塔1座。本项目借助AspenPlusV8.4软件得到塔

设备水力学数据，并利用中国石油大学（华东）自主研发的CupTower软件对

板式塔进行水力学校核，使用SULZER公司研发的Sulpak软件对填料塔进行水

力学校核，使用全国化工设备设计中心站研发的SW6软件对塔设备进行机械强

度校核。

3.1设计依据

《化工设备设计全书一一塔设备》

《压力容器》GB150-2011

《设备及管道绝热设计导则》GB/T8175-2008

《压力容器封头》GB/T25198-2010

《中国地震动参数区划分》GB18306-2001

《塔器设计技术规定》HG20652-1998

《钢制化工容器结构设计规定》HG/T20583-2011

《工艺系统工程设计技术规范》HG/T20570-1995

《塔顶吊柱》HG/T21639-2005

《钢制人孔和手孔的类型与技术条件》HG/T21514-2005

《钢制塔器容器》JB/T4710-2005

3.2塔的设计要求

（1）生产能力大。在较大的气液流速下,仍不致发生大量的雾沫夹带、拦

液或液泛等破坏正常操作的现象。

TORCH4

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（2）操作稳定、弹性大。当塔设备的气液负荷量有较大的波动时，仍能在

较高的传质效率下进行稳定的操作。并且塔设备应能保证长期连续操作。

（3）流体流动的阻力小，即流体通过塔设备的压力降小。这将大大节省生

产中的动力消耗，以降低经常操作费用。对于减压蒸储操作，较大的压力降还将

使系统无法维持必要的真空度。

（4）结构简单、材料耗用量小、制造和安装容易。这可以减少基建过程中

的投资费用。

（5）耐腐蚀和不易堵塞，方便操作、调节和检修。

3.3塔类型的选择

塔主要有板式塔和填料塔两种，它们都可以用作蒸储和吸收等气液传质过程,

但两者各有优缺点，要根据具体情况选择。

（1）板式塔，塔内装有一定数量的塔盘，是气液接触和传质的基本构件；属逐

级（板）接触的气液传质设备；气体自塔底向上以鼓泡或喷射的形式穿过塔板上

的液层，使气液相密切接触而进行传质与传热；两相的组分浓度呈阶梯式变化。

（2）填料塔，塔内装有一定高度的填料，是气液接触和传质的基本构件；属微

分接触型气液传质设备；液体在填料表面呈膜状自上而下流动；气体呈连续相自

下而上与液体作逆流流动，并进行气液两相的传质和传热；两相的组分浓度或温

度沿塔高连续变化。

类型选择时需要考虑多方面的因素，如物料性质、操作条件、塔设备的性能，

以及塔的制造、安装、运转和维修等。对于真空精得和常压精得，通常填料塔塔

效率优于板式塔，应优先考虑选用填料塔，其原因在于填料充分利用了塔内空间，

提供的传质面积很大，使得汽液两相能够充分接触传质。而对于加压精镭，若没

有特殊情况，一般不采用填料塔。这是因为填料塔的投资大，耐波动能力差。

同样，吸收过程也分为液膜控制、气膜控制和介于两者之间的共同控制吸收

三种类型。气膜控制的吸收优先考虑选用高效规整填料塔；液膜控制的吸收往往

选用板式塔或汽液湍动大、持液量高的散装填料塔；介于两者之间的，宜采用比

表面积大、持液量高、液相湍动大的填料塔，一般多采用散装填料塔。

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表3-1板式塔与填料塔的对比

序号板式塔填料塔

①800mm以下，造价一般比板式塔低，直

1（D600mm以下时，安装较困难

径大则造价高

2效率较稳定，大塔效率比小塔高用小填料时，小塔的效率高，

3空塔速度高空塔速度（生产能力）低

4检修清理比填料塔容易大塔检修费用大，劳动量大

5压降比填料塔大压降小，对阻力要求小的场合较适用

6气液比的适应范围大对液相喷淋量有一定的要求

7多数不便于非金属材料制作内部结构简单，便于非金属材料制作

8持液量大持液量小

本项目组根据实际装置特点，根据塔内液体滞液量较大，操作负荷变化范围

较宽，对进料浓度变化要求敏感程度进行选择，板式塔有液流通道较大的塔板,

堵塞的危险较小；我们在设备选择过程中优先考虑采用板式塔，控制设备投资成

本和操作成本，既有较高的操作弹性，同时操作维修也较为方便，但是对于吸收

和解吸塔，及气液相负荷较小的塔，选用填料塔。选择结果如表3-2所示：

表3-2塔设备型式

设备位号设备名称选择类型

T0203深冷分离塔板式塔

T0301丙烷丙烯精镯塔板式塔

T0501急冷塔板式塔

T0502水洗塔填料塔

T0503初储塔复合塔

T0504分水塔板式塔

T0505氢氟酸精储塔板式塔

T0701萃取精微塔板式塔

T0702丙烯盾分离塔板式塔

T0703水分离塔填料塔

T0801常压精储塔填料塔

T0802高压精储塔填料塔

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3.3.1板式塔及塔板选择

板式塔是在塔内有多层塔板，传热传质过程基本上在每层塔板上进行，塔板

的形状、塔板结构或塔板上气液两相的表现，就成了命名这些他的依据，诸如筛

板塔、舌形板塔、斜孔板塔、波纹形板塔、泡罩塔、浮阀塔、喷射板塔、波纹传

流塔、浮动喷射塔。下面简单介绍一下几种常见的板式塔性能。

表3-3各类塔板性能比较

条s溢导圆条穿穿波异条舌文

内

序泡形形流向形形栅流流纹孔孔形丘

号罩泡泡筛筛浮浮板筛笆筛径状塔里

容

罩罩板板阀阀板排板筛班板板

I高气、液相流量CBDEEEEEEEEEEEF

2低气、液相流量DDDCDFFCDCDDEDB

3操作弹性大EBEDFEFBBBCDEDD

4阻力降小AAADCDCEDEDDECE

5雾沫夹带量小BBCDDDEEEEEEEEF

6板上滞液量小AAADEDDEDECDEFF

7板间距小DCDEFEFFFEEFFEE

8效率高EDEEFFEEEDEEEDE

9塔单位体积生产能力大CBEEEEEEEEEEEEF

10气、液相流量的可变性DCEDEFFBBACCDDD

11价格低廉CBDEDEDDFCDEEEE

12金属消耗量少CCDEDEFFFCEFEFF

13易于装卸BBDECBFFFCDFFEE

14易于检查清洗和维修CBDDCDFFEEEEDDD

有固体沉积时用液体进

15BAABABEEDFEEECC

行清洗的可能性

16开工和停工方便EEECDECCDCDDDDD

17加热和冷却的可能性BBBDACDDDFDCCAA

18用于腐蚀介质的可能性BBCDCCEEEDCDDCC

其中A表示不合适；B表示尚可；C表示合适；D表示较满意；E表示很好;

F表示最好。

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本项目选用中国石油大学（华东）设计的SFV浮阀，SFV全通导向浮阀塔

板技术的核心是其鼓泡元件一一SFV全通导向浮阀，如图3-1所示。SFV全通

导向浮阀的主要特点是其阀面为矩形并开有微型固定阀，前阀腿开有导向孔，导

向孔的上端设有侧条。它将导向浮阀和微分浮阀的优点集于一身：阀面上的微型

固定阀充分利用浮阀上方的空间，使气体分散更加细密均匀，气液接触更加充分,

从而提高传质效率；前阀腿上开的导向孔及矩形阀体可发挥气流推液作用，将动

量传递给水平流动的液体，减小塔板上的液面梯度，减少塔板上液相返混，且可

消除塔板上液体滞留区；导向孔上端侧条可有效地减少漏液；另外，气体从阀体

SFV全通导向浮阀较普通F1浮阀塔板，SFV导向浮阀的性能特点：

（1）分离效率较F1浮阀塔盘提高5%〜10%；

（2）处理能力比F1浮阀塔盘高5%；

（3）压降较F1浮阀塔盘减少10%；

（4）操作弹性增加10%〜20%。

3.3.2填料塔及填料选择

填料塔是一个圆筒塔体，塔内装载一层或多层填料，气相由下而上、液相由

上而下接触，传热和传质主要在填料表面上进行，因此，填料的选择是填料塔的

关键。

填料的种类很多，许多研究者还在不断地试图改进填料，填料塔的命名也以

填料名称为依据，如金属鲍尔环塔、波网填料塔。常用的填料还有拉西环填料、

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鲍尔环填料、矩鞍形填料、阶梯形填料、波纹填料、波网（丝网）填料、螺旋环

填料、十字环填料等。

填料塔制造方便，结构简单，便于采用耐腐蚀材料，特别适用于塔径较小的

情况，使用金属材料省，一次投资较少，塔高相对较低。

表3-4常用填料的分类与名称

填料类型填料名称

拉西环形拉西环，环，十字环，内螺旋环

环形

开孔环形鲍尔环，改进型鲍尔环，阶梯环

散装填料鞍形弧鞍形，矩鞍形，改进矩鞍形

环鞍形金属环矩鞍形，金属双弧形，纳特环

其他新型塑料球形，花环形，麦勒环形

垂直波纹型网波纹型，板波纹型

波纹型

水平波纹型Spraypak,Panapak

规整填料珊格形GlitschGrid

非波纹型板片形压延金属板，多孔金属板

绕圈形古德洛形，Hyperfil

本项目选用苏尔寿公司生产的Mellapak的板波纹填料，其结构特征是：板

波填料的波纹片上有若干压延小孔，孔刺向外突出,能起毛细管的作用，有利于填

料的湿润与液体的均布。波纹片上打有若干的小孔起压力均衡作用，有利于汽液

的均匀分布。它与网波填料相比，造价低，具有较强的抗污能力，与散堆填料相

比，有更好的操作性能。MELLAPAK系列填料的技术数据如表3-5所示：

表3-5MELLAPAK系列技术数据

Mellapak250.X250.Y170.X170.Y

Specificsurfacearea250m2/m3250m2/m3170m2/m3170m2/m3

Elementheight(approx)500mm400mm500mm800mm

Surfacestructuresmooth

Materialthickness0.5to2mm

MaterialCeramic,plastic,stainlesssteel

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本项目使用中的填料塔，我们使用性能更为优异的MELLAPAK系列M250.Y

填料，填料实物图如图3-2所示:

图3-2MELLAPAK系列填料实物图

本项目使用中的MELLAPAK系列M250.Y填料，填料性能如图3-3所示:

MeBapak250.YMellapak250/

960----------------------960-

400—400

100----------------------100—

50—50———

parameter=headpressurep/mbar

图3-3MELLAPAK系列性能图

3.4T0503初储塔的设计

表3-6使用软件列表

名称用途来源

AspenPlusV8.4分离性能设计AspenTech公司

CUP-Tower板式塔流体力学设计中国石油大学（华东）

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Sulpak填料塔流体力学设计SULZER公司

SW6-2011强度校核全国化工设备设计中心站

3.4.1T0503初福塔水力学核算

3.4.1.1初t留塔frayingSizing计算

在AspenPlus的SizingandRating中选择TrayingSizing进行塔设计得到表

3-7、3-8的设计结果。

表3-7T0503TrayingSizingResult

Sectionstartingstage:2

Sectionendingstage:24

Columndiameter:2.2meter

Downcomerarea/Columnarea0.17

Sidedowncomervelocity0.12m/sec

Flowpathlength1.20meter

Sidedowncomerwidth0.50meter

Sideweirlength1.85meter

表3-8T0301TrayingSizingProfile

StageDiameterTotalareaActiveareaperpanelSidedowncomerarea

metersqmsqmsqm

2.000.720.410.330.04

3.000.720.410.320.04

4.000.720.400.320.04

5.000.720.400.320.04

6.000.720.400.320.04

7.000.720.410.330.04

8.002.043.262.080.59

9.002.193.772.470.65

10.002.203.792.490.65

11.002.193.782.480.65

12.002.193.782.480.65

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27万吨/年丙烯睛项目•设备设计说明书

13.002.193.782.480.65

14.002.193.782.480.65

15.002.193.782.480.65

16.002.193.782.480.65

17.002.193.782.480.65

18.002.193.782.480.65

19.002.193.782.480.65

20.002.193.782.480.65

21.002.193.782.480.65

22.002.193.782.480.65

23.002.193.782.480.65

24.002.203.812.500.65

根据AspenPlus的TrayingSizing塔设计结果，初储塔T0503精微段和提镭

段气液相负荷太大，需分别进行设计校核，T0503采用变径复合塔，精谯段使用

MELLAPAK系列M250.Y填料，使用SULZER公司研发的Sulpak软件对填料段

进行水力学校核，提储段使用中国石油大学（华东）设计的SFV全通导向浮阀

塔板，使用中国石油大学（华东）自主研发的CupTower软件对提储段进行水

力学校核。

3.4.1.2初储塔提储段TrayingRating核算

将结果代入TrayingRating中去，输入塔径与塔板间距、降液管底隙高度进

行初储塔T0503提储段的核算，得到结果如表3-9,3-10,3-11所示:

表3-9T0301TrayingRatingResult

Sectionstartingstage:8

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