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        為過(guò)程工業(yè)添柴加薪
        ——多相復(fù)雜系統(tǒng)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室

        2019-12-04 07:16:22
        科學(xué)中國(guó)人 2019年21期
        關(guān)鍵詞:反應(yīng)器尺度實(shí)驗(yàn)室

        多相復(fù)雜系統(tǒng)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室的前身和發(fā)展要追溯到半個(gè)世紀(jì)之前。1956年8月,郭慕孫院士回國(guó)后,創(chuàng)建了我國(guó)第一個(gè)流態(tài)化研究室,由他當(dāng)主任、研究員。研究室經(jīng)過(guò)30多年堅(jiān)持不懈的探索、實(shí)踐、創(chuàng)新,建立了研究隊(duì)伍,開(kāi)拓和發(fā)展了流態(tài)化這一新興領(lǐng)域,并在郭慕孫院士的親自組織和領(lǐng)導(dǎo)下,于1986年10月成立了“多相反應(yīng)開(kāi)放研究實(shí)驗(yàn)室”,郭慕孫院士被任命為首任主任兼學(xué)術(shù)委員會(huì)主任。實(shí)驗(yàn)室以液固和氣固兩個(gè)和兩個(gè)以上相間的非催化反應(yīng)的固相加工為主要研究對(duì)象,取得了一批高水平的科研成果,培養(yǎng)了人才,成為我國(guó)化學(xué)工程應(yīng)用基礎(chǔ)研究方向有利于思想萌生和青年人才成長(zhǎng)的場(chǎng)所。

        在幾代人長(zhǎng)達(dá)50年的科研積累、人才培養(yǎng)和學(xué)科發(fā)展的基礎(chǔ)上,2006年7月,科技部正式批準(zhǔn)成立了“多相復(fù)雜系統(tǒng)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室”,郭慕孫院士任名譽(yù)主任。同時(shí),也形成了以物質(zhì)轉(zhuǎn)化復(fù)雜系統(tǒng)內(nèi)部結(jié)構(gòu)的量化與調(diào)控為主旨的研究方向。

        聚焦“介尺度科學(xué)”

        物質(zhì)轉(zhuǎn)化過(guò)程三層次的多尺度特征和介尺度問(wèn)題

        根據(jù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室在國(guó)家創(chuàng)新體系中的定位,多相復(fù)雜系統(tǒng)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室一直將聚焦科學(xué)前沿、引領(lǐng)學(xué)科進(jìn)步、解決重大問(wèn)題、促進(jìn)產(chǎn)業(yè)發(fā)展作為其重要使命。具體講,實(shí)驗(yàn)室把開(kāi)創(chuàng)化學(xué)工程前沿,推動(dòng)化學(xué)工程研發(fā)模式變革,解決國(guó)家經(jīng)濟(jì)和社會(huì)發(fā)展中的重大瓶頸問(wèn)題作為中心任務(wù)。近30年來(lái),實(shí)驗(yàn)室一直長(zhǎng)期聚焦化工過(guò)程中多尺度問(wèn)題的研究,形成了以“能量最小多尺度(EMMS)”原理為核心的理論體系:物理上,其穩(wěn)定性條件表述為控制機(jī)制之間競(jìng)爭(zhēng)中的協(xié)調(diào);數(shù)學(xué)上表述為多目標(biāo)變分問(wèn)題。以該原理建立的計(jì)算方法,突破傳統(tǒng)計(jì)算流體力學(xué)精度和規(guī)模的限制,被國(guó)內(nèi)外廣泛應(yīng)用于大型工業(yè)過(guò)程的開(kāi)發(fā)和基礎(chǔ)研究。與此同時(shí),在研究不同問(wèn)題的過(guò)程中,發(fā)現(xiàn)了EMMS原理對(duì)介尺度問(wèn)題具有普適性,認(rèn)識(shí)到針對(duì)各種類(lèi)型介尺度問(wèn)題建立一門(mén)交叉學(xué)科的可能性。為此,近年來(lái)實(shí)驗(yàn)室提出“介尺度科學(xué)”的概念,并確定為實(shí)驗(yàn)室的主攻方向。

        物質(zhì)轉(zhuǎn)化過(guò)程涉及材料、反應(yīng)器和系統(tǒng)3個(gè)層次,它們分別對(duì)應(yīng)物質(zhì)轉(zhuǎn)化相關(guān)產(chǎn)業(yè)技術(shù)研發(fā)的不同階段,即工藝創(chuàng)新、過(guò)程放大和系統(tǒng)集成。盡管3個(gè)層次研究的內(nèi)容和對(duì)象截然不同,并形成不同的分支學(xué)科,但卻具有共同的屬性:

        1.多尺度復(fù)雜結(jié)構(gòu):3個(gè)層次分別均具有多尺度特征,即材料層次包括分子/原子,分子/原子聚集體和宏觀材料(如顆粒、薄膜等);反應(yīng)器層次包括單顆粒(或氣泡、液滴),顆粒聚團(tuán)和單元設(shè)備;而系統(tǒng)層次則由單元設(shè)備、工廠和生態(tài)環(huán)境構(gòu)成。

        2.對(duì)邊界尺度認(rèn)識(shí)較為深入:對(duì)3個(gè)層次涉及的邊界尺度(即分子/原子、顆粒、單元設(shè)備和環(huán)境),現(xiàn)有認(rèn)識(shí)已較為深入,并逐步形成不同的分支學(xué)科,即化學(xué)、化學(xué)工程和過(guò)程系統(tǒng)工程。

        3.介尺度結(jié)構(gòu)久未突破:對(duì)于3個(gè)層次中介于各自邊界尺度之間的介尺度現(xiàn)象及其機(jī)理,即介尺度1(材料或表界面結(jié)構(gòu))、介尺度2(非均勻結(jié)構(gòu))和介尺度3(系統(tǒng)集成),雖然人們認(rèn)識(shí)到這3個(gè)介尺度問(wèn)題對(duì)所在層次的性能影響十分顯著,但對(duì)這3個(gè)問(wèn)題本身的認(rèn)識(shí)卻十分有限,分別對(duì)應(yīng)工藝創(chuàng)新、過(guò)程放大和系統(tǒng)集成階段的瓶頸問(wèn)題,成為現(xiàn)代物質(zhì)科學(xué)和工程研發(fā)領(lǐng)域的焦點(diǎn)問(wèn)題。

        因此突破3個(gè)介尺度瓶頸問(wèn)題,并實(shí)現(xiàn)三者之間的兩個(gè)關(guān)聯(lián),即材料和反應(yīng)器層次的關(guān)聯(lián)以及反應(yīng)器和系統(tǒng)層次的關(guān)聯(lián),是21世紀(jì)化學(xué)工程科學(xué)的前沿,也是實(shí)現(xiàn)化學(xué)工程研發(fā)模式由經(jīng)驗(yàn)向量化過(guò)渡的關(guān)鍵。為此,實(shí)驗(yàn)室在長(zhǎng)期積累的基礎(chǔ)上,逐步將“多尺度研究”提升并聚焦到“介尺度科學(xué)”,旨在引領(lǐng)這一學(xué)科的發(fā)展方向,促進(jìn)化工相關(guān)產(chǎn)業(yè)的升級(jí)和跨越式發(fā)展。

        注重解決實(shí)際問(wèn)題

        多相復(fù)雜系統(tǒng)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室緊緊圍繞其自身的特色學(xué)術(shù)方向和科研布局進(jìn)行研究團(tuán)隊(duì)建設(shè),不斷優(yōu)化人才隊(duì)伍,形成了一支年齡和專(zhuān)業(yè)結(jié)構(gòu)合理的高水平研究隊(duì)伍。其中科學(xué)院院士3人,國(guó)家杰出青年科學(xué)基金獲得者6人,國(guó)家優(yōu)秀青年科學(xué)基金獲得者3人,國(guó)家萬(wàn)人計(jì)劃“領(lǐng)軍人才”入選者1人,原國(guó)家“973”項(xiàng)目首席1人,國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃項(xiàng)目首席科學(xué)家2人。實(shí)驗(yàn)室現(xiàn)有固定研究人員107人,包括研究員44人,副研究員57人,高級(jí)工程師2人,高級(jí)實(shí)驗(yàn)師1人。

        在發(fā)展“多尺度方法”,聚焦“介尺度科學(xué)”的過(guò)程中,實(shí)驗(yàn)室選擇了工程中的重大需求作為研究對(duì)象,一方面從實(shí)際問(wèn)題中歸納介尺度科學(xué)的共性規(guī)律,另一方面解決國(guó)民經(jīng)濟(jì)中的重大瓶頸問(wèn)題。

        1.介尺度科學(xué):在原有研究的基礎(chǔ)上,進(jìn)一步選擇若干典型的介尺度現(xiàn)象(如復(fù)雜流動(dòng)、反應(yīng)—傳遞耦合、表界面結(jié)構(gòu)調(diào)控等)作為研究對(duì)象,研究不同系統(tǒng)中控制機(jī)制之間競(jìng)爭(zhēng)及協(xié)調(diào)的穩(wěn)定性條件,歸納不同問(wèn)題中的共性規(guī)律,以促進(jìn)介尺度科學(xué)從概念向新的交叉學(xué)科發(fā)展,與此同時(shí),爭(zhēng)取在解決這些長(zhǎng)期困擾學(xué)術(shù)界的問(wèn)題中取得突破。

        2.虛擬過(guò)程工程:瞄準(zhǔn)反應(yīng)器量化放大這一久未解決的難題,利用EMMS原理在提高計(jì)算精度和擴(kuò)大計(jì)算規(guī)模方面的獨(dú)特優(yōu)勢(shì),建立多相系統(tǒng)多尺度計(jì)算流體力學(xué)方法,發(fā)展工業(yè)過(guò)程全系統(tǒng)模擬技術(shù),實(shí)現(xiàn)大型反應(yīng)器全系統(tǒng)模擬。利用針對(duì)多尺度模擬建立的超級(jí)計(jì)算軟硬件系統(tǒng)并與實(shí)驗(yàn)、測(cè)量、顯示和控制等系統(tǒng)有機(jī)結(jié)合形成以實(shí)時(shí)模擬與在線對(duì)比為特征的虛擬過(guò)程研究與技術(shù)平臺(tái),帶動(dòng)過(guò)程技術(shù)研發(fā)模式的革命性變化。

        3.粉體材料的結(jié)構(gòu)調(diào)控與規(guī)?;苽洌夯诓牧隙喑叨冉Y(jié)構(gòu)特征和介尺度科學(xué)的概念,致力于通過(guò)“反應(yīng)/傳遞過(guò)程在競(jìng)爭(zhēng)協(xié)調(diào)”的原理調(diào)控材料結(jié)構(gòu),開(kāi)展材料組成與結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和反應(yīng)過(guò)程調(diào)控研究;并結(jié)合實(shí)驗(yàn)室在過(guò)程放大模擬方面長(zhǎng)期積累形成的優(yōu)勢(shì),進(jìn)行顆粒材料工程化技術(shù)與反應(yīng)器放大研究,實(shí)現(xiàn)新型納微結(jié)構(gòu)材料的規(guī)?;苽?,滿足國(guó)防和民用重大需求。

        4.煤炭和礦產(chǎn)資源高效利用:煤炭資源和低品位礦產(chǎn)的高效利用是我國(guó)能源資源領(lǐng)域最具挑戰(zhàn)性的問(wèn)題,也是制約我國(guó)經(jīng)濟(jì)發(fā)展的難題。開(kāi)展反應(yīng)調(diào)控和過(guò)程強(qiáng)化規(guī)律研究,與介尺度科學(xué)和虛擬過(guò)程相結(jié)合,開(kāi)展模擬放大與集成示范研究,發(fā)展成套核心新技術(shù),滿足我國(guó)低階煤和低品位礦高效利用的重大需求。

        5.新型反應(yīng)/分離介質(zhì):隨著化工過(guò)程綠色化要求的提高,傳統(tǒng)的反應(yīng)分離介質(zhì)(如催化劑、溶劑等)難以滿足要求,開(kāi)發(fā)新的反應(yīng)介質(zhì),提升綠色化水平成為近年來(lái)的熱點(diǎn)問(wèn)題,實(shí)驗(yàn)室選擇離子液體這一與介尺度科學(xué)密切相關(guān)的領(lǐng)域作為重要研究方向,開(kāi)展離子液體構(gòu)效關(guān)系及分子設(shè)計(jì)、離子液體規(guī)?;苽?、離子液體強(qiáng)化及反應(yīng)過(guò)程調(diào)控研究,為傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)技術(shù)升級(jí)換代提供新途徑。

        6.數(shù)據(jù)信息和超級(jí)計(jì)算平臺(tái):工程模擬放大能力,不僅取決于物理模型是否反映真實(shí)過(guò)程,還取決于合理的計(jì)算模式和優(yōu)化的計(jì)算系統(tǒng),實(shí)驗(yàn)室致力于發(fā)展基于EMMS原理的新型計(jì)算模式,即實(shí)現(xiàn)問(wèn)題、模型、軟件和硬件的結(jié)構(gòu)和邏輯一致性,發(fā)展面向虛擬過(guò)程工程的高效多尺度超級(jí)計(jì)算軟硬件系統(tǒng);在已建立的“化學(xué)主題數(shù)據(jù)庫(kù)”基礎(chǔ)上,進(jìn)一步整合各種化學(xué)數(shù)據(jù)信息資源,形成更為完備的數(shù)據(jù)信息系統(tǒng),為工業(yè)過(guò)程仿真提供支撐,為大數(shù)據(jù)時(shí)代的過(guò)程工程研究提供基礎(chǔ)平臺(tái)。

        這6個(gè)方面的研究工作構(gòu)成了一個(gè)相互聯(lián)系與支持的有機(jī)整體,即以介尺度結(jié)構(gòu)為核心科學(xué)問(wèn)題,構(gòu)建數(shù)據(jù)信息和虛擬過(guò)程基礎(chǔ)平臺(tái),發(fā)展共性的方法和理論,促進(jìn)介尺度科學(xué)和化工過(guò)程模擬仿真技術(shù)的發(fā)展,從而解決化學(xué)工程在工藝和過(guò)程兩個(gè)層次的瓶頸問(wèn)題,重點(diǎn)聚焦粉體材料的結(jié)構(gòu)調(diào)控與規(guī)模化制備,煤炭和礦產(chǎn)資源高效利用,新型反應(yīng)/分離介質(zhì)等,與工業(yè)界合作實(shí)現(xiàn)科研成果產(chǎn)業(yè)化,形成“一個(gè)核心,四個(gè)層次”的布局。

        未來(lái),實(shí)驗(yàn)室希望通過(guò)不懈的努力和不斷創(chuàng)新,可以為我國(guó)過(guò)程工業(yè)老工藝的升級(jí)和新工藝的定量放大提供有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的核心技術(shù),全面提升我國(guó)過(guò)程工業(yè)放大與調(diào)控水平和國(guó)際競(jìng)爭(zhēng)力,為我國(guó)過(guò)程工業(yè)的可持續(xù)發(fā)展做出不可替代的貢獻(xiàn)。

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