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1、第第4章章 流体通过颗粒层的流动流体通过颗粒层的流动 1 1 概概 述述 2 2 颗粒床层的特性颗粒床层的特性 3 3 流体通过固定床的压降流体通过固定床的压降 4 4 过滤原理及设备过滤原理及设备 5 5 过滤过程计算过滤过程计算 6 6 加快过滤速率的途径加快过滤速率的途径 1 1 概概 述述1.1.非均相的含义非均相的含义 指体系包含互不相溶的两相或多相指体系包含互不相溶的两相或多相,通常可分为通常可分为:气液相：如雾、泡沫液气液相：如雾、泡沫液气固相：如烟、含尘气体气固相：如烟、含尘气体液液相：如油水混合物、乳浊液液液相：如油水混合物、乳浊液液固相：如泥浆、悬浮液液固相：如泥浆、悬浮液
2、固固相：如矿石、泥砂固固相：如矿石、泥砂23.3.非均相分离的目的非均相分离的目的 （1 1）回收分散物质：如海盐结晶后从母液中分离结晶盐。）回收分散物质：如海盐结晶后从母液中分离结晶盐。（2 2）净化分散介质：如江水处理制备自来水。）净化分散介质：如江水处理制备自来水。（3 3）环保：如化工厂污水处理。）环保：如化工厂污水处理。4.4.常用的分离手段常用的分离手段 （1 1）筛分：分离固固混合物。）筛分：分离固固混合物。（2 2）沉降：分离气液、气固混合物。）沉降：分离气液、气固混合物。（3 3）过滤过滤：分离液固混合物。：分离液固混合物。（4 4）离心分离：分离液液、液固混合物。）离心分离
3、：分离液液、液固混合物。2.2.分散相与连续相分散相与连续相 分散相：处于分散状态的物质，也称分散物质。分散相：处于分散状态的物质，也称分散物质。连续相：处于连续状态的物质，也称分散介质。连续相：处于连续状态的物质，也称分散介质。3 众多固体颗粒堆积而成的静止颗粒层称为固定床。许众多固体颗粒堆积而成的静止颗粒层称为固定床。许多化工操作都与流体流过固定床的流动有关，常见的有：多化工操作都与流体流过固定床的流动有关，常见的有：（1）流体通过固定床进行化学反应，此时组成固定床的颗）流体通过固定床进行化学反应，此时组成固定床的颗粒是粒状或片状。粒是粒状或片状。（2）固体悬浮液的过滤。悬浮液中固体颗粒形
4、成的滤饼作）固体悬浮液的过滤。悬浮液中固体颗粒形成的滤饼作为固定床，滤液通过颗粒间的流动。为固定床，滤液通过颗粒间的流动。4 2 颗粒床层的特性颗粒床层的特性56 当量直径当量直径dev、dea、des在数值上是不相等的，在数值上是不相等的，它们间存在如下关系：它们间存在如下关系：称非球形颗粒的形状系数称非球形颗粒的形状系数7非球形颗粒通常定义当量直径和形状系数表示其体积、表面积和比表面积。它们的值为8粒度分布粒度分布 测量颗粒粒度有筛分法、光学法、电学法、流体力学法等。工业上常见固定床中的混合颗粒，粒度一般大于70m，通常采用筛分的方法来分析颗粒群的粒度分布。标准筛：国际标准组织 ISO 规
5、定制式是由一系列筛孔孔径递增（0.045mm 4.0mm）的，筛孔为正方形的金属丝网筛组成，相邻两筛号筛孔尺寸之比约为 。由于历史的原因，各国还保留一些不同的筛孔制，例如常见的泰勒制，即是以筛网上每英寸长度的筛孔数为筛号，国内将其称之为目数。9分布函数和频率函数分布函数和频率函数粒粒度度的的分分布布函函数数 令某号筛子（筛孔尺寸为令某号筛子（筛孔尺寸为dpi）的筛过量占试样总量的分率）的筛过量占试样总量的分率为为Fi，不同筛号的，不同筛号的Fi与其筛孔尺寸与其筛孔尺寸dpi绘成如图所示的曲线。绘成如图所示的曲线。10n分布函数的特性分布函数的特性（1）对应于某一尺寸）对应于某一尺寸dpi的的F
6、i值表示直径小于值表示直径小于dpi的颗粒占的颗粒占全部试样的质量分率。例如全部试样的质量分率。例如d501.7m表示直径小于表示直径小于1.7m的颗料质量占总质量的的颗料质量占总质量的50%。（2）在该批颗粒的最大直径）在该批颗粒的最大直径dp,max处，其分布函数为处，其分布函数为1。11n频率函数曲线频率函数曲线 设某号筛面上的颗粒占全部试样质量百分率为设某号筛面上的颗粒占全部试样质量百分率为xi，这，这些颗粒直径介于相邻两号筛孔直径些颗粒直径介于相邻两号筛孔直径di-1与与di之间。以粒径之间。以粒径dp为横坐标，将该粒径范围内颗粒的质量分率为横坐标，将该粒径范围内颗粒的质量分率xi用
7、一矩形面用一矩形面积表示，矩形的高度为积表示，矩形的高度为 表示粒径处于表示粒径处于di-1di范围内颗粒的平均分布密度范围内颗粒的平均分布密度1213n 频率函数的特性频率函数的特性 （1）在一定粒度范围内的颗粒占全部颗粒的质量分率等）在一定粒度范围内的颗粒占全部颗粒的质量分率等于该粒度范围内频率函数曲线下的面积。粒度为定值的于该粒度范围内频率函数曲线下的面积。粒度为定值的颗粒，原则上其质量分率为零。颗粒，原则上其质量分率为零。（2）频率函数曲线下的全部面积为）频率函数曲线下的全部面积为1。14颗粒群的平均直径颗粒群的平均直径由于颗粒的比表面对流体通过固定床的流动影响最大，通常以比表面积相等
8、的原则定义混合颗粒的平均直径 dpm。若密度为p的质量m混合球球形形颗颗粒粒中，粒径为dpi的颗粒的质量为mi，则颗粒群的平均直径为 对于非非球球形形颗颗粒粒，按同样的原则可得 或或15床层的空隙率、自由截面和比表面床层的空隙率、自由截面和比表面 一般乱堆的值0.47 0.7，均匀的球形颗粒作最松排列时的=0.48，作最紧密排列时的=0.26。乱堆的非球形颗粒床层空隙率球形颗粒，而非均匀空隙率均匀空隙率。16单位体积床层具有的颗粒的表面积17 3 流体通过固定床的压降流体通过固定床的压降18192021因次分析法和数学模型法的比较因次分析法和数学模型法的比较n化工过程都是在固定的边界内部进行，
9、由于边界的复化工过程都是在固定的边界内部进行，由于边界的复杂性和物系性质的不同，难以采用数学解析求解，只杂性和物系性质的不同，难以采用数学解析求解，只能依靠实验。能依靠实验。22因次分析法因次分析法n因次分析法规划实验，关键是能否列出影响过程因次分析法规划实验，关键是能否列出影响过程的的主要因素主要因素。要做到这一点，考察每个变量对实。要做到这一点，考察每个变量对实验结果的影响即可，无须对过程的内在规律有深验结果的影响即可，无须对过程的内在规律有深入了解。对某些复杂的系统，即使其内在规律不入了解。对某些复杂的系统，即使其内在规律不了解，照样进行研究。了解，照样进行研究。23数学模型法数学模型法
10、n对于数学模型法，关键是对于数学模型法，关键是对复杂过程的合理简化对复杂过程的合理简化，即，即得到简单的数学方程式而又不失真的物理模型，即物得到简单的数学方程式而又不失真的物理模型，即物理模型与真实过程是等效的。只有了解过程的内在规理模型与真实过程是等效的。只有了解过程的内在规律，深刻理解过程的特殊性，才能对真实的复杂的过律，深刻理解过程的特殊性，才能对真实的复杂的过程进行简化。程进行简化。24数学模型法简化实例数学模型法简化实例n例如，流体通过颗粒层的流动进行简化，只要使物理例如，流体通过颗粒层的流动进行简化，只要使物理模型与实际过程在模型与实际过程在阻力损失阻力损失这一侧面保持等效，其它这
11、一侧面保持等效，其它是否与物理模型等效就无关紧要。简化结果，只要颗是否与物理模型等效就无关紧要。简化结果，只要颗粒的表面积与物理模型中流体流动空间的表面积相等粒的表面积与物理模型中流体流动空间的表面积相等作为准则来保证阻力损失等效。作为准则来保证阻力损失等效。25数学模型的精髓数学模型的精髓n数学模型的精髓是抓住过程的特征和研究目的这两方数学模型的精髓是抓住过程的特征和研究目的这两方面的特殊性，但面的特殊性，但数学模型必须通过实验解决问题数学模型必须通过实验解决问题。其。其目的是为了检验物理模型的合理性并测定少量的模型目的是为了检验物理模型的合理性并测定少量的模型参数，因次分析法的实验目的是寻
12、找各无因次变量间参数，因次分析法的实验目的是寻找各无因次变量间的函数关系。的函数关系。n可见数学模型法更具有科学性，但数学模型法立足于可见数学模型法更具有科学性，但数学模型法立足于对所研究过程的深刻理解。对所研究过程的深刻理解。26 4 过滤原理及设备过滤原理及设备272829洗涤滤饼的目的：洗涤滤饼的目的：回收残留在滤饼中的滤液，或者净化构成滤饼的颗粒状物料。回收残留在滤饼中的滤液，或者净化构成滤饼的颗粒状物料。单位时间内消耗的洗水体积称为单位时间内消耗的洗水体积称为洗涤速率洗涤速率。洗涤时滤饼厚度不变，因而当洗涤推动力恒定时，洗涤速率洗涤时滤饼厚度不变，因而当洗涤推动力恒定时，洗涤速率为常
13、数。为常数。置换洗涤置换洗涤30过过滤滤：过过滤滤操操作作中中的的主主要要阶阶段段，在在过过程程中中滤滤饼饼不不断断增增厚厚、阻阻力不断上升，流体的通过能力则不断减小；力不断上升，流体的通过能力则不断减小；洗洗涤涤：无无论论是是以以滤滤饼饼还还是是滤滤液液为为产产品品，都都有有必必要要在在卸卸料料之之前前用清液置换滤饼中存留的滤液并且洗涤滤饼；用清液置换滤饼中存留的滤液并且洗涤滤饼；脱湿：脱湿：以滤饼为产品时洗涤后还可用压缩空气进行脱湿；以滤饼为产品时洗涤后还可用压缩空气进行脱湿；卸料：卸料：将滤饼从过滤介质上移去；将滤饼从过滤介质上移去；清洗过滤介质：清洗过滤介质：使被堵塞的网孔使被堵塞的网
14、孔“再生再生”，以便重复使用。，以便重复使用。过滤的操作方式过滤的操作方式过滤的操作方式过滤的操作方式31式中：dV d 时间内通过过滤面的滤液量；A 过滤面积；u 单位时间内通过单位过滤面积的滤液量。-通过单位过滤面积的滤液总量通过单位过滤面积的滤液总量32过滤过滤设备设备 33属间歇式属间歇式1 1、叶滤机、叶滤机滤叶滤叶结构结构一个操作循环一个操作循环过滤、洗涤、卸渣、整理重装过滤、洗涤、卸渣、整理重装 特点特点缺点：缺点：结构比较复杂，造价较高。结构比较复杂，造价较高。优点：优点：过滤面积大，设备紧凑，密闭操过滤面积大，设备紧凑，密闭操作，劳动条件较好。不必每次循环装卸作，劳动条件较好
15、。不必每次循环装卸滤布，劳动强度也大大降低。滤布，劳动强度也大大降低。34n叶滤机叶滤机35叶滤机叶滤机 NYB系列高效板式密闭过滤机MYB型全自动板式密闭过滤机36叶滤机叶滤机 SYB系列水平叶片过滤机WYB系列卧式叶片过滤机372 2、板框过滤机、板框过滤机滤框、滤板滤框、滤板结构结构洗洗板板板框压滤机板框压滤机框框非非洗洗板板洗洗板板一个操作循环一个操作循环过滤、洗涤、卸渣、整理重装过滤、洗涤、卸渣、整理重装 滤液流出滤液流出悬悬浮浮液液入入口口10 60块不等，块不等，过滤面积约为过滤面积约为2 80m2 洗涤液流出洗涤液流出洗洗涤涤液液入入口口属间歇式属间歇式特点特点38内部结构？3
16、9开启关闭 阀门滤液料浆清洗水40n板框压滤机板框压滤机41过过滤滤操操作作：过过滤滤阶阶段段悬悬浮浮液液从从通通道道进进入入滤滤框框，滤滤液液在在压压力力下下穿穿过过滤滤框框两两边边的的滤滤布布、沿沿滤滤布布与与滤滤板板凹凹凸凸表表面面之之间间形形成成的的沟沟道道流流下下，既既可可单单独独由由每每块块滤滤板板上上设设置置的的出出液液旋旋塞塞排排出出，称称为为明流式明流式；也可汇总后排出，称为；也可汇总后排出，称为暗流式暗流式。优点：优点：结构简单紧凑，过滤面积大并可承受较高的压差。结构简单紧凑，过滤面积大并可承受较高的压差。缺缺点点：间间歇歇式式操操作作，所所费费的的装装、折折、清清洗洗时时
17、间间较较长长，劳劳动动强强度大，生产效率较低。度大，生产效率较低。板框式压滤机主要用于板框式压滤机主要用于含固量较多含固量较多的悬浮液过滤。的悬浮液过滤。42小型板框过滤设备是43板框压滤机板框压滤机XASL/630-UB系列XAZ/2000-UB系列XAZ/800-UB系44板框压滤机板框压滤机DY-Q 带式压榨过滤机XKZ系列全自动快开式压滤机45n过程：安装 过滤洗涤 拆洗n安装过程：细活（次序、压皱）n助滤剂与絮凝剂的使用n滤液回流（开始）n操作压力：结束信号n流量变化46过滤设备可以连续连续操作吗？47属连续式属连续式过滤、洗涤、吹松、刮渣过滤、洗涤、吹松、刮渣3 3、回转真空过滤机
18、、回转真空过滤机转筒转筒-筒的侧壁上覆盖有金属网筒的侧壁上覆盖有金属网 长、径之比约为长、径之比约为1/2 2，滤布滤布-蒙在筒外壁上。蒙在筒外壁上。分配头分配头-转动盘、固定盘转动盘、固定盘 构造构造一个操作循环一个操作循环浸没于滤浆中的过滤面积约占全部面积的浸没于滤浆中的过滤面积约占全部面积的30 40%转速为转速为0.1至至3（转（转/分）分）特点特点48优点：优点：连连续续进进料料，操操作作自自动动化化，便便于于在在转转鼓鼓表表面面预预涂涂助滤剂后用于黏、细物料的过滤。助滤剂后用于黏、细物料的过滤。缺点：缺点：过滤推动力有限，滤饼含液量较大，常达过滤推动力有限，滤饼含液量较大，常达30
19、%。494 4、离心过滤机、离心过滤机 离心过滤机分为立式和卧式两种。离心过滤机分为立式和卧式两种。离离心心过过滤滤机机是是一一种种利利用用物物料料在在转转鼓鼓表表面面受受到到的的离离心心力的分力进行过滤的全自动过滤机。力的分力进行过滤的全自动过滤机。离离心心过过滤滤机机生生产产能能力力大大、适适应应范范围围广广，适适用用于于分分离离固相颗粒固相颗粒0.05mm的易过滤悬浮液。的易过滤悬浮液。50离心过滤机离心过滤机卧式刮刀离心机三足刮刀下离心机卧式活塞推料离心机三足式离心机51离心机的世界52有何收获？n过滤操作的一般步骤怎样？n如何根据处理量确定沉降设备的大小？（Chap5）53 5 过滤
20、过程计算过滤过程计算1 1、物料衡算、物料衡算与与w间关系间关系设悬浮液的质量分数为设悬浮液的质量分数为w（kg固体固体/kg悬浮液），体悬浮液），体积分数为积分数为（m3固体固体/m3悬浮液），固体在液体中不悬浮液），固体在液体中不发生溶胀，体积可以加和，两者关系为：发生溶胀，体积可以加和，两者关系为：54总悬浮液衡算总悬浮液衡算固体物料衡算固体物料衡算式中，为单位面积累积滤液量，为滤饼厚度，式中，为单位面积累积滤液量，为滤饼厚度，为滤液体积，悬为悬浮液体积。为滤液体积，悬为悬浮液体积。一般悬浮液中，颗粒的体积分数一般悬浮液中，颗粒的体积分数比滤饼的空隙率小得多，比滤饼的空隙率小得多，则：则
21、：55滤饼厚度的推导：滤饼厚度的推导：562 2、过滤速率、过滤速率57-单位时间内通过单位过滤面积的滤液体积单位时间内通过单位过滤面积的滤液体积58即过滤速度即过滤速度59-过滤基本方程过滤基本方程过滤常数过滤常数 u 表观速度表观速度60影响影响K的因素：的因素：影响影响qe或或Ve 的因素：的因素：过滤介质的性质（孔的结构、过滤介质的性质（孔的结构、r0、厚度）、厚度）u 表观速度表观速度滤饼性质（滤饼性质（、a）滤浆性质（滤浆性质（、）推动力（推动力（）61 恒速过滤恒速过滤特点：特点：K不不为常数，而为常数，而u u为常数。为常数。整理得：整理得：若过滤介质阻力可忽略不计，则若过滤介
22、质阻力可忽略不计，则 或或或或 u 表观速度表观速度62 恒压过滤恒压过滤特点：特点：K为常数为常数 积分得：积分得：或或若过滤介质阻力可忽略不计，则若过滤介质阻力可忽略不计，则 或或 u 表观速度表观速度63思考：思考：先恒速再恒压操作，恒压段过滤方程？先恒速再恒压操作，恒压段过滤方程？设恒速段过滤时间为设恒速段过滤时间为 1，则，则或或64恒压时：恒压时：求出压缩指数求出压缩指数s 过滤常数的测定过滤常数的测定物料特性常数物料特性常数K65n若过滤开始时，是若过滤开始时，是非恒压非恒压操作。非恒压操作的过滤时操作。非恒压操作的过滤时间为间为1，1时间内得到的滤液量为时间内得到的滤液量为q1
23、，则：，则：转化为转化为同样，同样，与与(q-q1)为线性关系，可以求出为线性关系，可以求出过滤常数过滤常数qe与与K66过滤常数的测定过滤常数的测定-微分法微分法n由过滤基本方程式得：由过滤基本方程式得：2qdq2qedqKd 则：则：d和和dq用用和和q代替，则方程变化：代替，则方程变化：67n如果固定时间间隔如果固定时间间隔，求出每个时间间隔内的滤液量，求出每个时间间隔内的滤液量q，则则/q与总滤液量与总滤液量q之间为线性关系，作直线就可求出过之间为线性关系，作直线就可求出过滤常数滤常数qe与与K。n如果恒压过滤前过滤了时间如果恒压过滤前过滤了时间1，得到滤液量为，得到滤液量为q1，则微
24、分方，则微分方程变为：程变为：n采用上述相同的方法进行回归，就可求出过滤常数采用上述相同的方法进行回归，就可求出过滤常数qe与与K，这是这是过滤实验过滤实验常用的数据方法。见下图。常用的数据方法。见下图。68n过滤常数的测定过滤常数的测定qq69 滤饼洗涤滤饼洗涤特点：特点：洗涤时推动力、阻力不变，洗涤速度为常数。洗涤时推动力、阻力不变，洗涤速度为常数。70洗涤时间洗涤时间 w 1 1、叶滤机的洗涤速率、叶滤机的洗涤速率712 2、板框压滤机的洗涤速率、板框压滤机的洗涤速率72n过滤计算有设备选型的设计计算和现有设备的操作核算过滤计算有设备选型的设计计算和现有设备的操作核算n设计问题：通过小型
25、过滤实验测定的过滤常数，为选择过设计问题：通过小型过滤实验测定的过滤常数，为选择过滤介质和过滤设备提供依据，由设计任务的滤液量和过滤滤介质和过滤设备提供依据，由设计任务的滤液量和过滤时间，选择时间，选择操作压强操作压强，计算，计算过滤面积过滤面积A。n操作型问题：已知过滤设备和操作条件，核算操作型问题：已知过滤设备和操作条件，核算生产任务生产任务；或已知过滤设备和生产任务，求取或已知过滤设备和生产任务，求取操作条件操作条件。n过滤机的生产能力是指单位时间获得的滤液体积。过滤机的生产能力是指单位时间获得的滤液体积。731 1、间歇式过滤机的生产能力、间歇式过滤机的生产能力生产能力：生产能力：操作
26、周期：操作周期：间歇过滤机的操作周期由三部分组成：间歇过滤机的操作周期由三部分组成：过滤时间过滤时间；洗涤时间；洗涤时间；辅助时间（卸饼、清理、装合等）辅助时间（卸饼、清理、装合等）74 对恒压过滤，过滤时间太长不能提高过滤机的生产能力。对恒压过滤，过滤时间太长不能提高过滤机的生产能力。过滤曲线上任何一点与原点联线的斜率即为过滤机的生产能过滤曲线上任何一点与原点联线的斜率即为过滤机的生产能力。此曲线上必存在最佳一点过滤时间力。此曲线上必存在最佳一点过滤时间opt，此时直线的斜率最，此时直线的斜率最大，过滤机的生产能力也最大。大，过滤机的生产能力也最大。一般有这样的关系，一般有这样的关系，最佳过
27、滤时间最佳过滤时间75其中：其中：设设转转筒筒浸浸入入面面积积占占全全部部转转筒筒面面积的分率为积的分率为浸没分数浸没分数，则，则生产能力：生产能力：操作周期：操作周期：若介质阻力忽略不计，则若介质阻力忽略不计，则 2 2、回转真空过滤机的生产能力、回转真空过滤机的生产能力76可见：可见：但这类方法受到一定的限制但这类方法受到一定的限制 77例例1 某某 板板 框框 过过 滤滤 机机 有有 5个个 滤滤 框框，框框 的的 尺尺 寸寸 为为635 635 25mm。过过滤滤操操作作在在20、恒恒定定压压差差下下进进行行，过过滤滤常常数数K=4.24 10-5m2/s，qe=0.0201m3/m2
28、，滤滤饼饼体体积积与与滤滤液液体体积积之之比比c=0.08 m3/m3，滤滤饼饼不不洗洗涤涤，卸卸渣渣、重整等辅助时间为重整等辅助时间为10分钟。试求框全充满所需时间。分钟。试求框全充满所需时间。现现改改用用一一台台回回转转真真空空过过滤滤机机过过滤滤滤滤浆浆，所所用用滤滤布布与与前前相相同同，过过滤滤压压差差也也相相同同。转转筒筒直直径径为为1m，长长度度为为1m，浸浸入入角角度度为为120。问问转转鼓鼓每每分分钟钟多多少少转转才才能能维维持持与与板板框框过过滤机同样的生产能力？滤机同样的生产能力？假设滤饼不可压缩。假设滤饼不可压缩。习习 题题78解：解：以一个框为基准进行计算。框全充满时滤
29、饼的体积为：以一个框为基准进行计算。框全充满时滤饼的体积为：滤液量滤液量 过滤面积过滤面积再根据恒压过滤方程得：再根据恒压过滤方程得：K=4.24 10 5m2/s，qe=0.0201m3/m2习习 题题79板框过滤机的生产能力为：板框过滤机的生产能力为：80改用回转真空过滤机后，压差不变，故改用回转真空过滤机后，压差不变，故K不变；不变；滤布不变，故滤布不变，故qe不变。不变。K=4.24 10 5m2/s，qe=0.0201m3/m2过滤面积过滤面积转筒每分钟转转筒每分钟转n转，则回转真空过滤机生产能力转，则回转真空过滤机生产能力回转真空过滤机回转真空过滤机 81 6 加快过滤速率的途径加
30、快过滤速率的途径改变滤饼结构改变滤饼结构改变悬浮液中的颗粒聚集状态改变悬浮液中的颗粒聚集状态动态过滤动态过滤助滤剂絮凝剂无机电介质饼层过滤中，饼层不断增厚，阻力不断增加，在推动饼层过滤中，饼层不断增厚，阻力不断增加，在推动力（如压强差）保持不变时则过滤速率会不断变小。力（如压强差）保持不变时则过滤速率会不断变小。为了在过滤过程中限制滤饼的增厚，为了在过滤过程中限制滤饼的增厚，Tiller于于1977年年提出了被称为动态过滤的新过滤方式。提出了被称为动态过滤的新过滤方式。8283动态过滤动态过滤84小小 结结过滤：过滤：1.1.公式：公式：858687小小 结结2.重要概念：重要概念：滤浆、滤饼、过滤介质、滤液、滤浆、滤饼、过滤介质、滤液、生产能力生产能力 88