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2024/4/18周四12第一章第一章 绪言绪言 1.1 1.1 化学工业概述化学工业概述 1.2 化工生产过程概述化工生产过程概述1.3 化学工程学简介化学工程学简介 1.4 化工数据化工数据3v1.1 化学工业概述化学工业概述v 四、四、化学工业的化学工业的特点特点v一、一、化学工业的重要性及其发展化学工业的重要性及其发展v 二、二、化学工业范畴及分类化学工业范畴及分类v 三、三、化学工业原料及选择原则化学工业原料及选择原则v 五、五、化工的发展与现状化工的发展与现状4 化学工业化学工业:v一、一、化学工业的重要性及其发展化学工业的重要性及其发展化学工业是将各种原材料通过不同条件化学工业是将各种原材料通过不同条件下所进行的化学反应，使其性质或形态产生下所进行的化学反应，使其性质或形态产生变化，定向加工成对国民经济发展和人民生变化，定向加工成对国民经济发展和人民生活水平改善有价值的化学产品的工业。活水平改善有价值的化学产品的工业。5其重要性可归纳为：其重要性可归纳为：（1）为农业提供化肥、农药、塑料薄膜等农用生产资）为农业提供化肥、农药、塑料薄膜等农用生产资料；料；（2）为轻纺、建材、冶金、国防、军工以及其他工业提）为轻纺、建材、冶金、国防、军工以及其他工业提供各种配套原材料；供各种配套原材料；（3）为微电子、信息、生物、航天技术等高技术产业提）为微电子、信息、生物、航天技术等高技术产业提供新型化工材料和新产品；供新型化工材料和新产品；（4）为人们的衣、食、住、行提供各种化工产品。）为人们的衣、食、住、行提供各种化工产品。v一、一、化学工业的重要性及其发展化学工业的重要性及其发展61、化学工化学工业的的分类：分类：美国：美国：按照美国标准工业分类手册（按照美国标准工业分类手册（SIC）确定的分类法：确定的分类法：化学工业包括：生产基本化工产品的企业化学工业包括：生产基本化工产品的企业 以化学方法为主进行产品加工的企业以化学方法为主进行产品加工的企业中国：中国：化学工业包括化学工业包括：v 二、二、化学工业范畴及分类化学工业范畴及分类分为分为25类类或通用化学品及或通用化学品及 精细化学品精细化学品.化学品化学品:基本化学工业基本化学工业 化肥工业化肥工业 石油化学工业石油化学工业 精细化学工业精细化学工业 其他化学工业其他化学工业7化化 工工 行行 业业主主 要要 产产 品品 或或 用用 途途化学矿山磷矿、硫矿、硼矿、矾矿和石灰石矿等酸、碱硫酸、烧碱、纯碱无机盐磷酸、碳酸钾、小苏打、无水硫酸钠、氰化钠、硫酸铝、硝酸钠、氯化锌、轻质碳酸钙、过氧化氫、沉淀硫酸钡等化 肥氮肥（硫酸铵、硝酸铵、尿素、氯化铵、碳酸氫铵、氨水、石灰氮等）、磷肥（普通过磷酸钙、钙镁磷肥等）、钾肥化学农药敌百虫、乐果、甲胺磷、杀虫双、草甘磷、多菌灵等电 石可作为生产聚氯乙烯、聚乙烯醇、氯丁橡胶、乙酸、乙醛、乙炔黑、双氰胺、硫脲等工业的原料热固性塑料和工程塑料酚醛塑料、氨基塑料、环氧树脂、不饱和聚酯树脂、聚碳酸酯、聚甲醛、ABS树脂、尼龙1010、尼龙6、尼龙66、聚砜等合成橡胶顺丁橡胶、丁苯橡胶、氯丁橡胶、丁腈橡胶等染 料硫化染料、直接染料、酸性染料、活性染料、碱性染料、还原燃料、分散染料、冰染染料、阳离子染料等 2 主要化工行业及其相关产品主要化工行业及其相关产品8 2.主要化工行业及其相关产品主要化工行业及其相关产品化化 工工 行行 业业主主 要要 产产 品品涂 料天然树脂漆、酚醛树脂漆、醇酸树脂漆、氨基树脂漆、过氯乙烯漆、聚酯漆、聚氨酯漆、硝基漆、有机硅漆等增塑剂邻苯二甲酸酯、对苯二甲酸二辛酯、己二酸二辛酯、烷基磺酸苯酯、氯化石蜡、磷酸酯等橡胶加工助剂防老剂、促进剂表面活性剂阳离子型、阴离子型、非离子型、两性型等造纸化学品脱墨剂、助留剂、助滤剂、表面处理剂、浆内施胶剂、纸张增强剂、涂布胶粘剂、分散剂等感光材料电影胶片、照相胶片、特种胶片、彩色像纸等磁性记忆材料磁带、磁盘等橡胶加工轮胎、运输带、胶管、胶鞋、碳黑等9v 三、化工原料及选择原则三、化工原料及选择原则1.化学工业原料化学工业原料按来源划分：按来源划分：无机材料无机材料和和有机材料有机材料无机材料主要有：无机材料主要有：空气空气、水水和和化学矿物化学矿物有机材料主要有：有机材料主要有：煤煤、石油石油、天然气天然气和和生物质生物质102.选择原则选择原则 在选择原料路线和技术线路时应当全面地权衡在选择原料路线和技术线路时应当全面地权衡技术技术、经济经济、社会社会和和环保环保等方面的利弊。等方面的利弊。1.原料的品位、供应量原料的品位、供应量2.经济性经济性3.原料资源的综合利用原料资源的综合利用11v 四、四、化学工业的特点化学工业的特点(1)、化学工业是独特的、化学工业是独特的,不可取代的工业部门；不可取代的工业部门；(2)、化工产品品种繁多、化工产品品种繁多,工艺复杂工艺复杂;(3)、化学工业是装置型工业、化学工业是装置型工业,具有规模经济性具有规模经济性;(4)、化学工业是资金密集、化学工业是资金密集,技术密集的工业部门技术密集的工业部门;(5)、化学工业是能源消耗的大户、化学工业是能源消耗的大户;(6)、化学工业是易污染、重污染的工业部门、化学工业是易污染、重污染的工业部门1218世纪中硫酸生产世纪中硫酸生产;19世纪中制碱世纪中制碱;20世纪初合成氨世纪初合成氨;20世纪中石油工业世纪中石油工业20世纪后精细化工世纪后精细化工v 五、化学工业的发展与现状五、化学工业的发展与现状（1）、化学工业的发展）、化学工业的发展化学工业是一个十分古老的工业，最早可追根化学工业是一个十分古老的工业，最早可追根溯源至公元前年以前，最早的化学工艺为溯源至公元前年以前，最早的化学工艺为制陶、酿造、漂染、鞣革等行业制陶、酿造、漂染、鞣革等行业13（2）、我国的化学工业）、我国的化学工业 旧中国的化学工业基础十分薄弱。从旧中国的化学工业基础十分薄弱。从1876年在天年在天津建立的一个津建立的一个2t/d铅室法制硫酸厂开始，只有几个铅室法制硫酸厂开始，只有几个沿海、沿江城市有化工企业。除少数工厂生产基本沿海、沿江城市有化工企业。除少数工厂生产基本化工原料外，大多只有生产油漆、染料、橡胶制品、化工原料外，大多只有生产油漆、染料、橡胶制品、医药制剂等加工产品。到医药制剂等加工产品。到1949年，国内化工产品仅年，国内化工产品仅100种左右，主要产品产量为：化肥种左右，主要产品产量为：化肥0.6万吨万吨,硫酸硫酸11万吨万吨,烧碱烧碱1.5万吨万吨,纯碱纯碱8.8万吨万吨.全部化工产值仅全部化工产值仅1.77亿元亿元,占全国工业总产值的占全国工业总产值的1.6%14（3）、世界化学工业）、世界化学工业 自自1746年英国出现第一座硫酸铜厂以来年英国出现第一座硫酸铜厂以来,现代世界化学工业经现代世界化学工业经过过过过260多年的发展多年的发展,已形成一个技术成熟、规模宏大和品种繁多已形成一个技术成熟、规模宏大和品种繁多的产业部门。从世界化学工业布局来看，世界化工生产、市场、的产业部门。从世界化学工业布局来看，世界化工生产、市场、技术和大型企业主要集中在北美、日本、西欧和前苏联与东欧四技术和大型企业主要集中在北美、日本、西欧和前苏联与东欧四个地区。个地区。20世纪世纪90年代以来，亚洲特别是东南亚，化学工业异军年代以来，亚洲特别是东南亚，化学工业异军突起，发展势头引人注目。突起，发展势头引人注目。15 1、化工过程 2、单元操作及其分类v 1.2 化工生产过程概述化工生产过程概述16原料原料 （1）预处理预处理 化工过程：化工过程：有目的的使原料经过一系列的化学有目的的使原料经过一系列的化学或物理变化，以获得产品的工业过程，也称为化或物理变化，以获得产品的工业过程，也称为化工生产，或化工生产过程。工生产，或化工生产过程。（2）反反 应应 （3）后处理后处理产品产品 基本化工生产过程基本化工生产过程 1 1、化工过程化工过程17例如：例如：可见，一个化工过程往往包含几个或几十个加工过程。可见，一个化工过程往往包含几个或几十个加工过程。苯的生产：苯的生产：原料油（甲苯、二甲苯）、原料油（甲苯、二甲苯）、H H2 2输送送加加热反反应器器减减压蒸蒸馏塔塔精精馏苯（苯（99.99299.99299.999%）甲醇的生产：甲醇的生产：合成气（合成气（CO，H2，CO2）输送送管式反管式反应器器粗甲醇粗甲醇冷却冷却精精馏精甲醇（精甲醇（99.8599.95%）18化工生产过程化工生产过程化学反应过程化学反应过程物理处理过程物理处理过程 化工生产的化工生产的核心核心 原料的预处理原料的预处理 产品的加工产品的加工（单元操作）（单元操作）19 （）概念（）概念 单元操作：单元操作：化工生产中除化学反应单元以外的化工生产中除化学反应单元以外的 所有物理性操作。所有物理性操作。2 2、单元操作及其分类单元操作及其分类20)单元操作的分类单元操作的分类：(1）按操作目的分：）按操作目的分：流体输送：流体输送：物料的混合：物料的混合：气体和液体的输送气体和液体的输送主要指通过搅拌达到物料混合主要指通过搅拌达到物料混合或分散的目的或分散的目的 物料的加热或冷却：物料的加热或冷却：利用物料和环境之间的利用物料和环境之间的温度差输入或输出热量温度差输入或输出热量 均相混合物的分离：均相混合物的分离：气体吸收、液体蒸馏、萃取等气体吸收、液体蒸馏、萃取等 非均相混合物的分离：非均相混合物的分离：过滤和沉降过滤和沉降21（2）按单元操作遵循的基本规律分：）按单元操作遵循的基本规律分：动量传递过程：动量传递过程：热量传递过程：热量传递过程：遵循流体力学基本规律的单元操作：遵循流体力学基本规律的单元操作：流体输送、沉降、过滤和离心分离等流体输送、沉降、过滤和离心分离等遵循热交换基本规律的单元操作：遵循热交换基本规律的单元操作：如传热、蒸发等如传热、蒸发等 质量传递过程：质量传递过程：遵循通过扩散，从一相转移到另一相的过程：遵循通过扩散，从一相转移到另一相的过程：吸收、吸附、蒸馏、萃取、离子交换、膜分离等吸收、吸附、蒸馏、萃取、离子交换、膜分离等22 在20世纪前的几百年时间里，出现了不少化学工业，如制糖工业、制碱工业、造纸工业等。介绍每一种工业从原料到成品的生产过程，作为一种特殊的知识讲解，这是最早的化学工程学。化学工艺阶段化学工艺阶段1、化学工程学的发展阶段化学工程学的发展阶段v1.3 化学工程学简介化学工程学简介23单元操作阶段单元操作阶段 20世纪初，人们逐渐发现，许多门化学工业中存在共同的操作原理。例如，无论是制糖业还是制碱业，从溶液蒸发得到固体糖和固体碱的原理是相同的，于是，蒸发成为最早提出的单元操作之一。24 到20世纪50年代，人们又发现，各单元操作之间还存在着共性。例如，传热和蒸发都是热量传递的形式，蒸馏、吸附、吸收、萃取都是质量传递的形式。于是，把单元操作归纳为动量传递、热量传递和质量传递。传递过程阶段传递过程阶段25 “三传一反三传一反”阶段阶段 20世纪世纪50年代中期，化学工程中出现了年代中期，化学工程中出现了“化学反应化学反应工程学工程学”这一新的分支。对化学反应器的研究，不仅要这一新的分支。对化学反应器的研究，不仅要运用化学动力学和热力学原理，而且要运用动量、热量运用化学动力学和热力学原理，而且要运用动量、热量和质量传递原理。于是和质量传递原理。于是“传递过程传递过程”与与“反应工程反应工程”成为当今化学工程学的两大支柱。简称成为当今化学工程学的两大支柱。简称“三传一反三传一反”阶段。阶段。262.化学工程学的研究方法化学工程学的研究方法主要研究方法有：主要研究方法有：经验归纳法经验归纳法和和演绎的模型法演绎的模型法273.化学工程学的几个基本概念化学工程学的几个基本概念 在从事化学工程研究、进行化工过程开在从事化学工程研究、进行化工过程开发及设备的设计、操作时，经常运用下面基发及设备的设计、操作时，经常运用下面基本概念本概念:1、物料衡算物料衡算 2、能量衡算能量衡算 3、平衡关系平衡关系 4、过程速率过程速率281)、物料衡算：、物料衡算：物料衡算也称为质量衡算，其依据是质量守物料衡算也称为质量衡算，其依据是质量守恒定律。它反映一个过程中原料、产物、副产物恒定律。它反映一个过程中原料、产物、副产物等之间的关系，即进入的物料量必等于排出的物等之间的关系，即进入的物料量必等于排出的物料量和过程中的积累量。料量和过程中的积累量。输入物料的总量 排出物料的总量过程积累的总量29积累积累 MM入入M出出系系 统统物料衡算示意图物料衡算示意图物料衡算式：物料衡算式：M入入 M出出 M连续稳定流动：连续稳定流动：M入入 M出出 30积累积累 QQ入入Q出出系系 统统热量衡算示意图热量衡算示意图热量衡算式：热量衡算式：Q入入 Q出出 Q稳定的连续性操作：稳定的连续性操作：Q入入 Q出出 2)、热量衡算：、热量衡算：热量衡算的依据是能量守恒定律。热量衡算的依据是能量守恒定律。314、化工基、化工基础在化学在化学领域的地位域的地位32v1.4 化工数据化工数据 单位制与单位换算单位制与单位换算331）、单位制：单位制：英国：英国：英制单位：英制单位：质量：质量：“磅磅”1 b 0.4536 kg长度：长度：“英尺英尺”1 ft 0.3048 m中国：中国：附表附表1-4-1 我国几种旧单位制的基本量和基本单位我国几种旧单位制的基本量和基本单位长 度 质 量时 间 力厘米克秒制 CGScm(厘米)g (克)s (秒)米千克秒制 MKS m (米)kg(千克)s (秒)米千克力秒制 MKfSm (米)s (秒)kgf(千克力)单位制基本量单位制与单位换算34 国际单位制：国际单位制：在在1960年年10月的第月的第11届国际计量大会上届国际计量大会上通过了一种新的单位制度，称为国际单位制通过了一种新的单位制度，称为国际单位制度，代号为度，代号为“SI”，也称为也称为 SI单位制。单位制。SI 单单位制是目前国际上最先进的一种单位制，被位制是目前国际上最先进的一种单位制，被许多国家广泛使用。我国的法定计量单位也许多国家广泛使用。我国的法定计量单位也是以是以 SI单位制为基础的。单位制为基础的。35 国际单位制的构成：国际单位制的构成：国际单位制国际单位制（SI）SI 单位单位SI 单位的十进倍数和分数单位单位的十进倍数和分数单位 SI 基本单位基本单位 SI 导出单位导出单位SI 词头词头 SI 辅助单位辅助单位36表表1-4-2SI 基本单位和辅助单位基本单位和辅助单位量的名称量的名称单单 位位 名名 称称国际符号国际符号备备 注注基 本单位长 度米metrem（1）圆括号中的名称与前面的名称是同义词；（2）去掉方括号后为全称，去掉方括号和其中的字后为简称。质 量千克(公斤)kilogramkg时 间秒seconds电 流安 培AmpereA热力学温度开 尔文KelvinK发光强度坎 德拉CandelaCd物质的量摩 尔molemol辅助单位平 面 角弧 度radianrad立 体 角球 面 角steradiansr37表表1-4-3化工中常用的化工中常用的SI 导出单位举例导出单位举例量的名称量的名称单单 位位 名名 称称单位符号单位符号用用SI 基本单位表示的单基本单位表示的单位位面 积平方米m2m2体 积立方米m3m3速 度米每秒m/sm/s密 度千克每立方米kg/m3kg/m3浓 度摩尔每立方米mol/m3mol/m3力牛顿Nkgm/s2压强，应力帕 斯卡Pa(=N/m2)kg/(ms2)38 续表续表1-4-3 化工中常用的化工中常用的SI 导出单位导出单位量的名称量的名称单单 位位 名名 称称单位符号单位符号用用SI 基本单位表示的单基本单位表示的单位位能，功，热量焦 耳J(=Nm)kgm2/s2功 率瓦 特W(=J/s)kgm2/s3粘 度帕 斯卡秒Paskg/(ms)扩散系数平方米/秒m2/sm2/s热容，熵焦 耳每开尔文J/Kkgm2/(s2K)导热系数瓦 特每米开尔文W/(mK)kgm/(s3K)传热系数瓦 特每平方米开尔文W/(m2K)kg/(s3K)39表表1-4-4 SI 词头词头表示的因数表示的因数词头名称词头名称词头符号词头符号1018艾 可萨E1015拍 它P1012太 拉T109吉 咖G106兆M103千k102百h101十da表示的因数表示的因数词头名称词头名称词头符号词头符号10-1分d10-2厘c10-3毫m10-6微 10-9纳 诺n10-12皮 可P10-15飞 母托f10-18阿 托a40SI 单位的十进倍数和分数单位：单位的十进倍数和分数单位：把把 SI 词头加在词头加在 SI单位前就构成了单位前就构成了 SI单位的十进倍数和分数单位。单位的十进倍数和分数单位。如，压强单位如，压强单位 MPa，力的单位力的单位 kN。原则：原则：词头不可重叠使用词头不可重叠使用m m(毫微米毫微米)n m(纳米纳米)：10-9m41计量单位和计量单位和 SI 词头使用方法要点：词头使用方法要点：1.由 SI 基本单位相除构成的单位，若分母中有两个以上的单位符号时，要给分母加上圆括号，避免混淆。如，传热系数单位：W/(m2K)42计量单位和计量单位和 SI 词头使用方法要点：词头使用方法要点：2.由 SI 基本单位通过乘或除构成的组合单位，在使用 SI 词头时，词头应加在整个单位之前，分母一般不用词头。如，摩尔内能单位：kJ/mol而不用 J/(mmol)43第二章第二章 流体流动过程流体流动过程443.1 流体的基本性质流体的基本性质什么是流体？什么是流体？有哪些特征？有哪些特征？流体 气体 液体45流体的特征流体的特征1易流易流动性性 当流体受到外部切向力作用时，易于变形而产生流动。2可可压缩性性 流体在外部温度和压力作用下，流体分子间的距离会发生一定的改变，表现为流体密度大小的变化。工程上：流体 可压缩流体 不可压缩流体密度为常数461流体的密度流体的密度 流体的密度单位体积流体的质量。用 表示，属于物性。影响因素：流体种类、浓度、温度、压力47流体的密度流体的密度 液体混合物液体混合物：气体气体：-理想气体状态方程 Mm=M1y1+M2y2+Mnyn气体混合物气体混合物：482.比体积单位质量流体具有的体积，称为流体的比体积与流体密度互为倒数 =1/493流体的流体的压强及其表示方法及其表示方法 流体的流体的压强流体垂直作用于单位面积上的力，称为流体的压强，简称压强。用p表示，工程上习惯称之为压力。1）压力单位SI 制中，N/m2=Pa，称为帕斯卡2）压力大小的两种表征方法绝对压力表压1atm（标准大气压）=1.033at（工程大气压）=1.013105Pa=760mmHg=10.33mH2O50 绝对压强以绝对零压作起点计算的压强，是流体的真实强。表表压强压强表上的读数，表示被测流体的绝对压强比大气压强高出的数值，即:表表压强绝对压强大气大气压强 51真空度真空度真空表上的读数，表示被测流体的绝对压强低于大气压强的数值，即:真空度大气压强绝对压强真空度大气压强绝对压强524.4.流体的流量和流速流体的流量和流速流量流量流量流量体体积流量流量 qVVtm3/s质量流量量流量mqmtkg/sqm qV摩摩尔流量流量qm M qn532流速流速 流速流速体体积流速流速uqVA质量流速量流速qmWA平均流速平均流速m/skg/(m2 s)W uqm W A u A54 流体的粘性和内摩擦力流体的粘性和内摩擦力 流体的粘性流体的粘性 流体在运动的状态下,有一种抗拒内在的向前运动的特性。流体的内摩擦力流体的内摩擦力 运动着的流体内部相邻两流体层间的相互作用力。是流体粘性的表现,又称为粘滞力或粘性摩擦力。由于粘性存在，流体在管内流动时，管内任一截面上各点的速度并不相同,如图所示。5 5、流体的粘性与牛顿粘性定律流体的粘性与牛顿粘性定律55 各层速度不同,速度快的流体层对与之相邻的速度较 慢的流体层发生了一个推动其向运动方向前进的力，而同时速度慢的流体层对速度 快的流体层也作用着一个大 小相等、方向相反的力，即 流体的内摩力。流体在圆管内分层流动示意图56 牛顿粘性定律牛顿粘性定律l 流体流动时的内摩擦力大小与哪些因素有关 平板间液体速度分布图1）表达式 实验证明,对于一定的液体,内摩擦力F与两流体层的速度差u成正比；与两层之间的垂直距离y成反比,与两层间的接触面积S（F与S平行）成正比，即:57 单位面积上的内摩擦力称为内摩擦应力或剪应力，以表示，于是上式可写成:此式只适用于u与y成直线关系的场合。比例系数，其值随流体的不同而异，流体的比例系数，其值随流体的不同而异，流体的粘性愈大，其值愈大，所以称为粘滞系数或动力粘粘性愈大，其值愈大，所以称为粘滞系数或动力粘度度,简称为简称为粘度粘度。58 当流体在管内流动时，径向速度的变化并不是直线关系，而是的曲线关系。则式应改写成：式中 速度梯度，即在与流动方向相垂直的y方向上流体速度的变化率；以上两式均称为以上两式均称为牛顿粘性定律。牛顿粘性定律。牛顿粘性定律。牛顿粘性定律。59 牛顿粘性定律说明流体在流动过程中流体层间所产牛顿粘性定律说明流体在流动过程中流体层间所产生的剪应力与法向速度梯度成正比，与压力无关。生的剪应力与法向速度梯度成正比，与压力无关。流体的这一规律与固体表面的摩擦力规律不同。流体的这一规律与固体表面的摩擦力规律不同。2）物理意义）物理意义 60 在物理单位制中在物理单位制中,粘度的单位为粘度的单位为:泊泊 不同单位之间的换算关系为不同单位之间的换算关系为不同单位之间的换算关系为不同单位之间的换算关系为:1Pas=10P=1000cP 1Pas=10P=1000cP 当流体的粘度较小时，单位常用当流体的粘度较小时，单位常用cP（厘泊）表示。（厘泊）表示。（b b）单位）单位 1Pas=10P 1Pas=10P 61 (c)(c)影响因素影响因素 液体：液体：f（t），与压强），与压强p无关，温度无关，温度t，。水（。水（20），），1.005cP；油的粘度可达；油的粘度可达几十、到几百几十、到几百Cp。理想流体理想流体（实际不存在）实际不存在），流体无粘性，流体无粘性062（d）数据获取）数据获取 粘度是流体物理性质之一粘度是流体物理性质之一,其值由实验测定；其值由实验测定；某些常用流体的粘度某些常用流体的粘度,可以从本教材附录或有关可以从本教材附录或有关手册中查得。手册中查得。63牛顿型流体与非牛顿型流体牛顿型流体与非牛顿型流体根据流变特性，流体分为牛顿型与非牛顿型两类。牛顿型流体牛顿型流体 服从牛顿粘性定律的流体称为牛顿型流体。其流变方程式为 （3-14）非牛顿型流体非牛顿型流体 凡不遵循牛顿粘性定律的流体，称为非牛顿型流体。如牙膏。本书只研究牛顿型流体。本书只研究牛顿型流体。