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

多相復(fù)雜系統(tǒng)國家重點(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，郭慕孫院士回國后，創(chuàng)建了我國第一個(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的場(chǎng)所。

在幾代人長達(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)化過程三層次的多尺度特征和介尺度問題

根據(jù)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室在國家創(chuàng)新體系中的定位，多相復(fù)雜系統(tǒng)國家重點(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，解決國家經(jīng)濟(jì)和社會(huì)發(fā)展中的重大瓶頸問題作為中心任務(wù)。近30年來，實(shí)驗(yàn)室一直長期聚焦化工過程中多尺度問題的研究，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，被國內(nèi)外廣泛應(yīng)用于大型工業(yè)過程的開發(fā)和基礎(chǔ)研究。與此同時(shí)，在研究不同問題的過程中，發(fā)現(xiàn)了EMMS原理對(duì)介尺度問題具有普適性，認(rèn)識(shí)到針對(duì)各種類型介尺度問題建立一門交叉學(xué)科的可能性。為此，近年來實(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)介尺度問題對(duì)所在層次的性能影響十分顯著，但對(duì)這3個(gè)問題本身的認(rèn)識(shí)卻十分有限，分別對(duì)應(yīng)工藝創(chuàng)新、過程放大和系統(tǒng)集成階段的瓶頸問題，成為現(xiàn)代物質(zhì)科學(xué)和工程研發(fā)領(lǐng)域的焦點(diǎn)問題。

因此突破3個(gè)介尺度瓶頸問題，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)向量化過渡的關(guān)鍵。為此，實(shí)驗(yàn)室在長期積累的基礎(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)際問題

多相復(fù)雜系統(tǒng)國家重點(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，國家杰出青年科學(xué)基金獲得者6人，國家優(yōu)秀青年科學(xué)基金獲得者3人，國家萬人計(jì)劃“領(lǐng)軍人才”入選者1人，原國家“973”項(xiàng)目首席1人，國家重點(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)際問題中歸納介尺度科學(xué)的共性規(guī)律，另一方面解決國民經(jīng)濟(jì)中的重大瓶頸問題。

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)取在解決這些長期困擾學(xué)術(shù)界的問題中取得突破。

2.虛擬過程工程：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)比為特征的虛擬過程研究與技術(shù)平臺(tái)，帶動(dòng)過程技術(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“反應(yīng)/傳遞過程在競(jìng)爭(zhēng)協(xié)調(diào)”的原理調(diào)控材料結(jié)構(gòu)，開展材料組成與結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和反應(yīng)過程調(diào)控研究；并結(jié)合實(shí)驗(yàn)室在過程放大模擬方面長期積累形成的優(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)?；苽洌瑵M足國防和民用重大需求。

4.煤炭和礦產(chǎn)資源高效利用：煤炭資源和低品位礦產(chǎn)的高效利用是我國能源資源領(lǐng)域最具挑戰(zhàn)性的問題，也是制約我國經(jīng)濟(jì)發(fā)展的難題。開展反應(yīng)調(diào)控和過程強(qiáng)化規(guī)律研究，與介尺度科學(xué)和虛擬過程相結(jié)合，開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，開發(fā)新的反應(yīng)介質(zhì)，提升綠色化水平成為近年來的熱點(diǎn)問題，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”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)過程仿真提供支撐，為大數(shù)據(jù)時(shí)代的過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)問題，構(gòu)建數(shù)據(jù)信息和虛擬過程基礎(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)工程在工藝和過程兩個(gè)層次的瓶頸問題，重點(diǎn)聚焦粉體材料的結(jié)構(gòu)調(diào)控與規(guī)?；苽?，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，實(shí)驗(yàn)室希望通過不懈的努力和不斷創(chuàng)新，可以為我國過程工業(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)，全面提升我國過程工業(yè)放大與調(diào)控水平和國際競(jìng)爭(zhēng)力，為我國過程工業(yè)的可持續(xù)發(fā)展做出不可替代的貢獻(xiàn)。