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1、CAPD基础 第七讲第七讲Simulation Design of Simulation Design of Separation Processes Separation Processes 分离单元的仿真设计分离单元的仿真设计 (一一一一)分离过程模型的分类Aspen Plus 中的分离过程中的分离过程模型包含两大类别模型包含两大类别：简单分离单元模型简单分离单元模型 Separators塔设备单元模型塔设备单元模型 Columns简单分离单元模型简单分离单元模型包含五个模块：简单分离单元模型包含五个模块：两相闪蒸器两相闪蒸器 Flash2三相闪蒸器三相闪蒸器 Flash3倾析器倾析器 D
2、ecanter组份分离器组份分离器 Sep两出口组份两出口组份分离器分离器 Sep2简单分离单元模型（2 2）Flash2 两相闪蒸器Flash2 模块执行给定热模块执行给定热力学条件下的汽力学条件下的汽-液平衡或汽液平衡或汽-液液-液平衡计算，输出一股汽液平衡计算，输出一股汽相和一股液相产物。用于模拟相和一股液相产物。用于模拟闪蒸器、蒸发器、气液分离器闪蒸器、蒸发器、气液分离器等等。Flash2 两相闪蒸器（2）Flash2 连接Flash2 模块的连接图如下：Flash2 模型参数Flash2 模块的模型参数有 3 组：1、闪蒸设定闪蒸设定 (Flash SpecificationsFla
3、sh Specifications)（1 1）温度温度（TemperatureTemperature)（2 2）压力压力（PressurePressure)（3 3）蒸气分率蒸气分率（Vapor FractionVapor Fraction)（4 4）热负荷热负荷（Heat DutyHeat Duty)从以上从以上从以上从以上 4 4 个参数中选定个参数中选定个参数中选定个参数中选定 2 2 个。个。个。个。Flash2 模型参数（2）2、有效相态有效相态 (Valid PhaseValid Phase)（1 1）汽汽-液相液相（Vapor-LiquidVapor-Liquid)（2 2）汽）
4、汽-液液-液相液相（Vapor-Liquid-LiquidVapor-Liquid-Liquid)（3 3）汽）汽-液液-游离水相游离水相 （Vapor-Liquid-Free WaterVapor-Liquid-Free Water)从以上从以上从以上从以上 3 3个参数中选定个参数中选定个参数中选定个参数中选定 1 1 个。个。个。个。Flash2 模型参数（3 3）Flash2 模块的模型参数有 3 组：Flash2 模型参数（4 4）Flash2 模型参数 （5 5）Flash2 模块的模型参数有 3 组：3、液沫夹带液沫夹带 (Liquid Entrainment in Vapor
5、Stream)(Liquid Entrainment in Vapor Stream)液相被带入汽相中的分率液相被带入汽相中的分率。Flash2 模型参数 （6 6）Flash2 应用示例（1）流流量量为为 1000 kg/hr、压压力力为为 0.11 MPa、含含乙乙醇醇 70%w、水水 30%w的的饱饱和和蒸蒸汽汽在在蒸蒸汽汽冷冷凝凝器器中中部部分分冷冷凝凝，冷冷凝凝物物流流的的汽汽/液液比比（摩摩尔尔）=1/3。求求离离开开冷冷凝凝器器的的汽汽、液液两两相相的的温温度度和和组组成。成。Flash2 应用示例（2）流流量量为为 1000 kg/hr、压压力力为为 0.5 MPa 温温度度为
6、为 120、含含乙乙醇醇 70%w、水水 30%w的的物物料料绝绝热热闪闪蒸蒸到到 0.15 MPa。求求离离开开闪闪蒸蒸器器的的汽汽、液液两两相相的的温度、流量和组成。温度、流量和组成。Flash2 应用示例（3）流流量量为为 1000 kg/hr、压压力力为为 0.2 MPa 温温度度为为20、含含丙丙酮酮 30%w、水水 70%w的的物物料料进进行行部部分分蒸蒸发发回回收收丙丙酮酮，求求丙丙酮酮回回收收率率为为90%时时的的蒸蒸发发器器温温度度和和热热负负荷荷以以及及汽汽、液液两两相相的的流流量量和组成。和组成。灵敏度分析灵敏度分析Sensitivity 在在进进行行过过程程设设计计和和
7、分分析析时时，常常常常需需要要了了解解某某些些过过程程变变量量受受其其它它过过程程变变量量影影响响的的敏敏感感程程度度，Aspen PLUS为为此此提提供供了了一一个个非非常常有有用用的的分分析析工工具具：模模型型分分析析工工具具(Model Analysis Tools)下的灵敏度下的灵敏度(Sensitivity)对象。对象。灵敏度分析灵敏度分析Sensitivity(2)灵敏度分析灵敏度分析Sensitivity(3)创建灵敏度对象时，按以下步骤操作：创建灵敏度对象时，按以下步骤操作：1、从从数数据据浏浏览览器器右右侧侧的的对对象象管管理理器器(Object Manager)中中 点点
8、击击 新新 建建(New)按钮；按钮；2、在在弹弹出出对对话话框框中中为为新新对对象象指指定定一一个个辨识号辨识号(ID)；灵敏度分析灵敏度分析Sensitivity(4)步骤步骤步骤步骤1 1和步骤和步骤和步骤和步骤2 2：灵敏度分析灵敏度分析Sensitivity(5)3、在在 定定 义义(Define)表表 单单 中中 点点 击击 新新 建建(New)按按钮钮，创创建建灵灵敏敏度度对对象象所所需需的变量；的变量；4、在在弹弹出出对对话话框框中中输输入入新新变变量量的的变变量量名名(Variable name)；灵敏度分析灵敏度分析Sensitivity(6)步骤步骤步骤步骤3 3和步骤和
9、步骤和步骤和步骤4 4：灵敏度分析灵敏度分析Sensitivity(7)5、在在变变量量定定义义(Variable Definition)对对话话框框中中的的下下拉拉式式选选择择框框中中选选择择变变量量的的类类别别(Category)、类类 型型(Type)、流流 股股(Stream)或或模模块块(Block)代代号号，并并指指定定具体变量具体变量(Variable)。灵敏度分析灵敏度分析Sensitivity(8)步骤步骤步骤步骤5 5：灵敏度分析灵敏度分析Sensitivity(9)可以定义多个分析所需的变量，如下图所示：可以定义多个分析所需的变量，如下图所示：可以定义多个分析所需的变量，
10、如下图所示：可以定义多个分析所需的变量，如下图所示：灵敏度分析灵敏度分析Sensitivity(10)步步骤骤6：在在变变化化(Vary)表表单单中中输输入入调调节节变变量量(Manupulated variable)的的类类型型、名名称称和和具具体体变变量量(variable),并并 指指 定定 体体 调调 节节 上上、下下 限限(Upper/Lower limits)和和 增增 量量(Incr)。灵敏度分析灵敏度分析Sensitivity(11)步骤步骤步骤步骤6 6：灵敏度分析灵敏度分析Sensitivity(12)步步骤骤7：在在列列表表(Tabulate)表表单单中中输输入入需需要要
11、进进行行灵灵敏敏度度分分析析的的列列表表变变量量(Tabulated variable)或或组组合合变变量量的的表表达达式式(Expression)，以以及及列列表表时时的的列列序序号号(Column No.)。灵敏度分析灵敏度分析Sensitivity(13)步步步步骤骤骤骤7 7：灵敏度分析灵敏度分析Sensitivity(14)步骤步骤8：结果查看：结果查看 从从左左侧侧索索引引栏栏中中选选择择灵灵敏敏度度对对象象下下的的结结 果果(Results)项项 目目，右右 侧侧 的的 汇汇 总总(Summary)表表单单中中按按照照指指定定的的列列序序号号列列表表给出调节变量和列表变量的对应值
12、。给出调节变量和列表变量的对应值。灵敏度分析灵敏度分析Sensitivity(15)步步步步骤骤骤骤8 8：变量关系图Plot 在在查查看看和和分分析析灵灵敏敏度度分分析析的的列列表表数数据据时时，用用图图形形描描述述的的函函数数关关系系曲曲线线常常常常能能让让我我们们更更直直观观和和全全面面地地了了解解过过程程变变量量间间的的依依赖赖趋趋势势，ASPTEN Plus为为此此提提供供了了绘绘图图(Plot)功功能能，可可以以将将列列表表数数据据中中的的任任意意两两列列绘绘制制成成XY曲曲线图。线图。变量关系图Plot（2）步骤步骤1：选择横坐标变量：选择横坐标变量 在在列列表表数数据据中中选选
13、中中一一列列，从从窗窗口口菜菜单单Plot项项的的下下拉拉框框里里选选择择X轴轴变变量量(X-Axis Variable)；变量关系图Plot（3）变量关系图Plot（4）步骤步骤2：选择纵坐标变量：选择纵坐标变量 再再选选中中列列表表数数据据的的另另一一列列，从从窗窗口口菜菜单单Plot项项的的下下拉拉框框里里选选择择Y轴轴变量变量(Y-Axis Variable)；变量关系图Plot（5）变量关系图Plot（6）步骤步骤3：绘制曲线：绘制曲线 然然后后点点击击窗窗口口菜菜单单Plot项项的的下下拉拉框框里里的的显显示示绘绘图图(Display Plot),即可得到曲线图。即可得到曲线图。变
14、量关系图Plot（7）变量关系图Plot（8）Flash2 应用示例（4）流流量量为为 1000 kg/hr、压压力力为为 0.2 MPa 温温度度为为 20、含含丙丙酮酮 30%w、水水 70%w的的物物料料进进行行部部分分蒸蒸发发回回收收丙丙酮酮，蒸蒸发发器器热热负负荷荷为为 250 kW。分分析析液液沫沫夹夹带带对对汽汽相相丙丙酮酮分分率率和和丙丙酮酮回回收收率率的的影响。影响。Flash3 三相闪蒸器三相闪蒸器 Flash3 模模块块执执行行给给定定热热力力学学条条件件下下的的汽汽-液液-液液平平衡衡计计算算，输输出出一一股股汽汽相相和和两两股股液液相相产产物物。用用于于模模拟拟闪闪蒸
15、蒸器器、蒸蒸发发器器、液液-液液分分离离器器、汽汽-液液-液液分分离器等离器等。Flash3 三相闪蒸器三相闪蒸器（2 2）Flash3 连接Flash3 的连接图如下：Flash3 模型参数Flash3 的模型参数有 3 组：1、闪蒸设定闪蒸设定 (Flash SpecificationsFlash Specifications)（1 1）温度温度（TemperatureTemperature)（2 2）压力压力（PressurePressure)（3 3）蒸汽分率蒸汽分率（Vapor FractionVapor Fraction)（4 4）热负荷热负荷（Heat DutyHeat Duty
16、)从以上从以上从以上从以上 4 4 个参数中选定个参数中选定个参数中选定个参数中选定 2 2 个。个。个。个。Flash3 模型参数（2）Flash3 模型参数（3）Flash3 的模型参数有 3 组：2、关键组份关键组份 (Key Component)指定关键组份后，含关键组份指定关键组份后，含关键组份摩尔分率大的液相作为第二液相。摩尔分率大的液相作为第二液相。如未指定关键组份，则密度大如未指定关键组份，则密度大的液相作为第二液相。的液相作为第二液相。Flash3 模型参数（4）3、液沫夹带液沫夹带 (Liquid Entrainment in Vapor Stream)(Liquid En
17、trainment in Vapor Stream)分别设定两个液相被夹带入汽分别设定两个液相被夹带入汽相中的分率。相中的分率。Flash3 模型参数（5）Flash3 的模型参数有 3 组：Flash3 模型参数（6）Flash3 应用示例（1）流量为流量为 1000 kg/hr、压力为、压力为 0.11 MPa、含乙醇含乙醇 30%w、正己烷、正己烷 30%w、水、水 40%w的饱和蒸汽在蒸汽冷凝器中部分冷凝，冷凝的饱和蒸汽在蒸汽冷凝器中部分冷凝，冷凝物流的汽物流的汽/液比（摩尔）液比（摩尔）=1/9。求离开冷凝。求离开冷凝器的汽、液、液三相的温度、质量流量和组器的汽、液、液三相的温度、质
18、量流量和组成。成。Flash3 应用示例（2）F=500 kg/hr、P=0.8 MPa、T=100 含含乙乙醇醇 70%w、水水 30%w的的物物流流与与F=500 kg/hr、P=0.8 MPa、T=70 含含正正己己烷烷 60%w、乙乙醇醇 40%w的的物物流流在在闪闪蒸蒸器器中中混混合合并并绝绝热热闪闪蒸蒸到到P=0.11 MPa，求求离离开开闪闪蒸蒸器器的的汽汽、液液、液液三三相相的的温温度度、质质量量流流量量和和组成。组成。Flash3 应用示例（3）在示例在示例（2）中分别设置中分别设置乙醇和己烷为关键组份，观察乙醇和己烷为关键组份，观察输出结果有什么变化。输出结果有什么变化。D
19、ecanter 倾析器Decanter 模模块块执执行行给给定定热热力力学学条条件件下下的的液液-液液平平衡衡或或液液-游游离离水水平平衡衡计计算算，输输出出两两股股液液相相产产物物。用用于于模模拟拟液液-液液分离器、水倾析器等分离器、水倾析器等。Decanter倾析器（2 2）Decanter 连接Decanter 模块的连接图如下：Decanter 模型参数Decanter 模块的模型参数有 3 组：1、倾析设定倾析设定 (Decanter SpecificationsDecanter Specifications)（1 1）压力压力（PressurePressure)（2 2）温度温度/
20、热负荷热负荷 （Temperature/Heat Duty Temperature/Heat Duty)Decanter 模型参数（2 2）2、关键组份关键组份 (Key ComponentKey Component)指指定定关关键键组组份份后后，含含关关键键组组份份摩摩尔尔分率大的液相作为第二液相。分率大的液相作为第二液相。如如未未指指定定关关键键组组份份，则则密密度度大大的的液液相作为第二液相。相作为第二液相。Decanter 模型参数（3 3）Decanter 模块的模型参数有 3 组：Decanter 模型参数（4 4）Decanter 模型参数（5 5）Decanter 模块的模型参
21、数有 3 组：3、组份分离效率组份分离效率 (Separation Efficiencies)(Separation Efficiencies)分别设定每个组份在两相中的分分别设定每个组份在两相中的分离效率（代表了相组成偏离平衡组离效率（代表了相组成偏离平衡组成的程度）。成的程度）。Decanter 应用示例(1)用用水水（P=0.2 MPa、T=20）从从含含乙乙醇醇 40%w、正正己己烷烷 60%w的的混混合合液液（F=500 kg/hr、P=0.2 MPa、T=20）中中萃萃取取乙乙醇醇，要要求求乙乙醇醇的的萃萃取取率率达达到到97%，求求需要的水流量和萃取相和萃余相的组成需要的水流量和
22、萃取相和萃余相的组成。Decanter 应用示例(2)同示例同示例（1），求乙醇分离，求乙醇分离效率为效率为0.9时需要的水流量和萃时需要的水流量和萃取相组成。取相组成。Sep 组份分离器 Sep 模块可以接受多股输模块可以接受多股输入物流，输出多股物流，并把入物流，输出多股物流，并把输入混合物中的各个组份分别输入混合物中的各个组份分别按照指定的比例分配到每一股按照指定的比例分配到每一股输出物流中去。输出物流中去。Sep 组份分离器（2 2）Sep 连接Sep 模块的连接图如下：Sep 模型参数Sep 模块的模型参数有 3 组：1、规定规定 (Specifications)输出物流条件设定，指
23、定每输出物流条件设定，指定每个组份在各股输出物流中的分率个组份在各股输出物流中的分率或流量。或流量。Sep 模型参数（2 2）Sep 模型参数（3 3）Sep 模块的模型参数有 3 组：2、进料闪蒸 (Feed FlashFeed Flash)指定输入物流混合后的闪蒸压力指定输入物流混合后的闪蒸压力和有效相态。和有效相态。Sep 模型参数（4 4）3、出口闪蒸 (Outlet FlashOutlet Flash)指定每一股输出物流的闪蒸压指定每一股输出物流的闪蒸压力、温度、气相分率和有效相态。力、温度、气相分率和有效相态。Sep 模型参数（5 5）Sep 模块的模型参数有 3 组：Sep 模型
24、参数（6 6）Sep 应用示例（1）把把把把F=500 F=500 kg/hrkg/hr、P=P=0.15 0.15 MPaMPa、T=20 T=20 含含含含乙乙乙乙醇醇醇醇 30 30%w%w、正正正正丙丙丙丙醇醇醇醇 20%w20%w、正正正正丁丁丁丁醇醇醇醇 10%w10%w、水水水水 40 40%w%w的的的的物物物物流流流流分分分分成成成成四四四四股输出物流，各组份在输出物流中的分配比例为：股输出物流，各组份在输出物流中的分配比例为：股输出物流，各组份在输出物流中的分配比例为：股输出物流，各组份在输出物流中的分配比例为：乙醇乙醇乙醇乙醇 0.96 :0.02 :0.01 :0.01
25、0.96 :0.02 :0.01 :0.01 正丙醇正丙醇正丙醇正丙醇 0.01 :0.95 :0.02 :0.020.01 :0.95 :0.02 :0.02 正丁醇正丁醇正丁醇正丁醇 0.01 :0.05 :0.92 :0.020.01 :0.05 :0.92 :0.02 水水水水 0.01 :0.02 :0.03 :0.940.01 :0.02 :0.03 :0.94求输出物流组成。求输出物流组成。求输出物流组成。求输出物流组成。Sep2两出口组份分离器Sep2 模模块块可可以以接接受受多多股股输输入入物物流流，输输出出两两股股物物流流，并并把把输输入入混混合合物物中中的的各各个个组组份
26、份分分别别按按照照指指定定的的比比例例或或浓浓度度分分配配到输出物流中去。到输出物流中去。Sep2两出口组份分离器（2 2）Sep2两出口组份分离器（3 3）Sep2 模模块块可可以以设设定定分分配配给给各各输输出出物物流流的的流流量量(Flow)/流流量量分分率率(Split fraction)、各各个个组组份份的的流流量量/流流量量分分率率、以以及及摩摩尔尔分分率率/质质量量分分率率。可可自自由由设设定定的的参参数数个个数数由物料平衡自由度决定。由物料平衡自由度决定。Sep2两出口组份分离器（4 4）Sep2 应用示例（1）从从F=500 kg/hr、P=0.15 MPa、T=20、含乙醇
27、、含乙醇 60%w、正丙醇、正丙醇 25%w、正丁、正丁醇醇 15%w 的物流中回收乙醇，要求：的物流中回收乙醇，要求：1.乙乙醇醇浓浓度度达达到到 98%w、正正丁丁醇醇含含量量不不大大于于 1%w;2.乙醇回收率达到乙醇回收率达到 95%。求输出物流的组成和流量。求输出物流的组成和流量。Sep2 应用示例（2）同示例（同示例（1），如果分离过程是在精），如果分离过程是在精馏塔中实现，塔顶出料是馏塔中实现，塔顶出料是 0.11 MPa 的饱的饱和蒸汽，塔底出料是和蒸汽，塔底出料是 0.13 MPa 的饱和液的饱和液体，求输出物流的温度和体积流量。体，求输出物流的温度和体积流量。计算器 Cal
28、culator 在在进进行行过过程程设设计计和和分分析析时时，有有时时无无法法预预先先确确定定某某些些过过程程变变量量的的设设定定值值，而而是是需需要要根根据据过过程程运运行行的的中中间间结结果果按按一一定定的的函函数数关关系系式式计计算算。ASPTEN Plus为为此此提提供供了了一一个个在在线线计计算算工工具具：流流程程选选项项(Flowsheeting Options)下下 的的 计计 算算 器器(Calculator)对象。对象。计算器 Calculator（2）创建计算器对象时，按以下步骤操作：创建计算器对象时，按以下步骤操作：1、从从数数据据浏浏览览器器右右侧侧的的对对象象管管理理
29、器器(Object Manager)中中 点点 击击 新新 建建(New)按钮；按钮；2、在在弹弹出出对对话话框框中中为为新新对对象象指指定定一一个辨识号个辨识号(ID)；计算器 Calculator（3）步骤步骤 1 和步骤和步骤 2：计算器 Calculator（4）3、在在定定义义(Define)表表单单中中点点击击新新建建(New)按按钮钮，创创建建计计算算器器对对象象所所需的变量；需的变量；4、在在弹弹出出对对话话框框中中输输入入新新变变量量的的变变量量名名(Variable name)；计算器 Calculator（5）步骤步骤 3 和步骤和步骤 4：计算器 Calculator（
30、6）5、在在变变量量定定义义(Variable Definition)对对话话框框中中的的下下拉拉式式选选择择框框中中选选择择变变 量量 的的 类类 别别(Category)、类类 型型(Type)、流流 股股(Stream)或或 模模 块块(Block)代代号号，并并指指定定具具体体变变量量(Variable)。计算器 Calculator（7）步骤步骤 5 ：计算器 Calculator（8）可以定义多个计算所需的变量，如下图所示：可以定义多个计算所需的变量，如下图所示：可以定义多个计算所需的变量，如下图所示：可以定义多个计算所需的变量，如下图所示：计算器 Calculator（9）步骤步
31、骤步骤步骤6 6：在在在在 计计计计 算算算算(CalculateCalculate)表表表表 单单单单 中中中中 的的的的 计计计计 算算算算 方方方方 法法法法(Calculation Calculation methodmethod)栏栏栏栏选选选选择择择择FortranFortran（推推推推荐荐荐荐使使使使用用用用）或或或或ExcelExcel；在在在在 输输输输 入入入入 可可可可 执执执执 行行行行 FortranFortran语语语语 句句句句(Enter Enter executable executable Fortran Fortran statementsstateme
32、nts)框框框框 中中中中 输输输输 入入入入 用用用用 于于于于 执执执执 行行行行 计计计计 算算算算 的的的的FortranFortran程序。程序。程序。程序。Aspen Aspen Plus Plus 提提提提供供供供了了了了内内内内嵌嵌嵌嵌(In-LineIn-Line)FortranFortran的的的的实实实实时时时时编编编编译译译译、连连连连接接接接和和和和运运运运行行行行。In-Line In-Line FortranFortran的的的的编编编编程程程程语语语语法法法法、规则、内部函数可参见在线帮助。规则、内部函数可参见在线帮助。规则、内部函数可参见在线帮助。规则、内部函
33、数可参见在线帮助。计算器 Calculator（10）计算器 Calculator（11）步骤步骤步骤步骤7 7：在在在在序序序序列列列列(SequenceSequence)表表表表单单单单中中中中的的的的计计计计算算算算器器器器模模模模块块块块执执执执行行行行序序序序列列列列(Calculator Calculator block block execution execution sequencesequence)栏栏栏栏中中中中选选选选择择择择以以以以下下下下三三三三项项项项内内内内容容容容，从从从从而而而而设设设设定定定定在在在在模模模模拟拟拟拟计计计计算算算算过过过过程程程程中中中中
34、执执执执行行行行计计计计算算算算器器器器程序的序列位置：程序的序列位置：程序的序列位置：程序的序列位置：1 1、执行、执行、执行、执行(ExecuteExecute)：首先：首先：首先：首先(FirstFirst)/)/最后最后最后最后(LastLast)/)/之前之前之前之前 (BeforeBefore)/)/之后之后之后之后(AfterAfter)/)/2 2、模块类型、模块类型、模块类型、模块类型(Block typeBlock type):):单元操作单元操作单元操作单元操作(Unit operationUnit operation)/)/收敛收敛收敛收敛(ConvergenceCon
35、vergence)/)/3 3、模块名字、模块名字、模块名字、模块名字(Block nameBlock name)：计算器 Calculator（12）Sep2 应用示例（3）采采采采用用用用膜膜膜膜分分分分离离离离装装装装置置置置制制制制取取取取富富富富氧氧氧氧空空空空气气气气。原原原原料料料料空空空空气气气气 T T=3030、P P=1.013 1.013 barbar、F F=500 500 kmolkmol/hr/hr，经经经经压压压压缩缩缩缩机机机机加加加加压压压压到到到到 4.5 4.5 barbar后后后后进进进进入入入入膜膜膜膜分分分分离离离离组组组组件件件件，出出出出口口口口压压压压强强强强 1.1 1.1 barbar。已已已已知知知知膜膜膜膜分分分分离离离离组组组组件件件件的的的的性性性性能与进、出口压差及进口流量的关系由下式描述：能与进、出口压差及进口流量的关系由下式描述：能与进、出口压差及进口流量的关系由下式描述：能与进、出口压差及进口流量的关系由下式描述：求求求求富氧空气富氧空气富氧空气富氧空气的氧浓度和体积流量，及其与进口压强的关系。的氧浓度和体积流量，及其与进口压强的关系。的氧浓度和体积流量，及其与进口压强的关系。的氧浓度和体积流量，及其与进口压强的关系。