“多相反应过程中的介尺度机制及调控”重大研究计划2015年度项目指南

导读:过程工业涵盖能源和资源转化利用等重要基础产业,而多相反应过程是其中最普遍与核心的过程,探索这些过程中介尺度行为的形成机理、实现其科学定量描述与定向调控已成为过程工业发,所谓介尺度行为,是指由大量单元组成的系统在个体单元与全局系统之间的尺度范围内形成的复杂时空结构,在多相反应过程中,它主要表现在分子尺度到颗粒(包括气泡、液滴等离散单元,下同)尺度间的材料结构或表界面时空尺度、以及颗粒尺度到反应器

“多相反应过程中的介尺度机制及调控”重大研究计划2015年度项目指南

过程工业涵盖能源和资源转化利用等重要基础产业,但效率低、污染重、资源浪费严重以及技术开发周期长、费用高等问题已成为该行业和全球可持续发展的瓶颈。而多相反应过程是其中最普遍与核心的过程,探索这些过程中介尺度行为的形成机理、实现其科学定量描述与定向调控已成为过程工业发展和复杂性科学研究共同的前沿。

所谓介尺度行为,是指由大量单元组成的系统在个体单元与全局系统之间的尺度范围内形成的复杂时空结构。在多相反应过程中,它主要表现在分子尺度到颗粒(包括气泡、液滴等离散单元,下同)尺度间的材料结构或表界面时空尺度、以及颗粒尺度到反应器尺度间形成的非均匀结构的时空尺度。其中发生的化学反应(原子分子水平)受传质扩散(分子群水平)和流动(宏观统计水平)的影响而呈现复杂行为。本计划将建立其测量和计算方法,阐明其机理,进而建立相关模型与理论,推动跨领域、跨学科的介尺度科学的形成与发展,服务于相关工艺和过程的开发。

为此,本计划将瞄准国际科学前沿、面向国家节能减排与可持续发展的重大战略需求,服务于化石燃料和矿产资源的高效清洁综合利用等关键技术,通过实验、理论分析和计算机模拟等手段,聚焦反应介质与催化材料的表界面和反应器内的动态非均匀结构两个层次的介尺度问题及其在颗粒尺度的结合,重点揭示介尺度结构对流动-传递-反应行为的影响及其耦合规律,建立多相反应过程定量设计、优化和调控的方法,并形成以介尺度科学为基础的过程工程学科新方向。 一、科学目标

针对化工和过程工程中的介质、材料、催化和反应器四个方面普遍存在的介尺度问题,明确不同系统中介尺度结构的定义和特征,阐明多尺度过程的介尺度作用机制,寻找量化规律,建立共性理论,发展针对介尺度结构的动态测量技术,发展基于介尺度模型的科学计算方法;在此基础上,鼓励学科交叉,突破传统过程开发方法的局限性,解决重大工程应用中的关键问题。鼓励凝练介尺度关键科学问题、整合相关力量、开展更加有针对性的重点联合攻关研究。 二、核心科学问题

本计划将重点针对多相反应过程中介尺度行为和效应显著的气固、气液、气液固和复杂流体等系统,瞄准煤转化和油气加工等重大工艺开发的共性基础问题,在深入剖析现有典型工艺的基础上,对材料表界面和颗粒聚团两个介尺度问题以及它们在颗粒尺度进行流动-传递-反应耦合的规律进行研究,解决以下三个关键科学问题:

(一)反应器微元及微反应系统中介质、材料及表界面介尺度结构的形成机理与反应的定向调控。

重点是揭示反应与扩散过程的机制及其耦合,建立模型,由此量化反应路径、反应产物的成分和结构间的相互影响。

(二)多相反应器中介尺度流动-传递过程的多机制耦合与调控。 重点是在多种宏观约束下,建立反应器中非均匀结构的物理模型,明确各种控制机制及其相互关系,从而阐释其介尺度行为-非均匀结构的形成机理及其对传递过程的影响。

(三)在研究以上两个问题的基础上,建立颗粒尺度上流动-传递-反应跨尺度关联的理论与调控方法。

重点是不同尺度机理模型的统一,在颗粒尺度形成对反应过程的各种现象的综合描述,实现反应与流动和传递耦合的数学建模与优化分析。

这三个问题的解决,将奠定多相反应过程介尺度研究的基础,并为相关过程的开发提供量化的理论与技术手段,实现在反应介质、催化材料、反应器和集成技术等方面的系统原始创新,并为形成普遍的介尺度理论与方法体系,最终为形成介尺度科学奠定基础。

三、2015年度重点资助领域和研究方向 (一)反应介质及体系中的介尺度问题。

探明气、液、固反应介质中基本单元(原子、分子及其带电基团)的聚集行为及其对介质性能或合成物结构的影响规律。通过计算模拟与实验研究,聚焦基

本单元的聚集规律及其稳定性条件,研究其中的介尺度结构及其对反应过程的影响规律,进而设计新介质和新工艺。 (二)材料制备过程中的介尺度问题。

采用实验与模拟相结合的方法,揭示材料制备过程中介尺度结构的形成、演化和控制机制,阐明反应和传质的协同作用对材料结构和功能的调控规律,探索稳定性条件与热力学原理的相关关系,为材料的理性设计、大规模合成和制备提出新的科学依据。

(三)催化过程中的介尺度问题。

在现有理论计算和实验研究基础上,明确电子、电荷群体的介尺度行为及稳定性条件,研究界面结构、微环境及外场等不同调控手段对电子结构及传递的控制机理及影响规律,从而实现产物结构的可控性,理解转化率、选择性与电子、电荷群体介尺度结构的关系,提高化学反应的效率,进而开发新型催化过程和工艺。

(四)基于介尺度模型的反应器流动、传递、反应的耦合计算。

针对重大应用过程中的大型反应器开发、设计和优化(如煤转化、石油化工等化石能源清洁利用及矿物加工过程),研究与颗粒、气泡、液滴等相关的介尺度结构对反应器和设备内流动、传递、反应过程的影响规律,发展基于介尺度模型的计算流体力学方法,实现传递和反应的多尺度耦合模拟,突破传统化学反应工程研发模式的局限性,探索虚拟过程工程的实现途径。

(五)介尺度问题的共性稳定性原理和通用数学框架、基于介尺度理论的粗粒化模拟和跨尺度连接方法。

在分析不同系统介尺度稳定性条件的基础上,探索介尺度问题可能满足的共性稳定性原理,研究其与热力学、统计力学等一般性原理之间的关系。根据介尺度问题的模型及其稳定性条件所反映的不同尺度参数之间的逻辑关系和结构,提出共性的高效计算模型、数值算法及计算体系结构等。发展考虑亚网格介尺度结构的连续介质计算方法及考虑介尺度结构的粗粒化离散模拟方法。探索复杂系统中多目标变分等介尺度问题可能的通用数学表达框架,研究不同尺度参数之间的

关系、解的方法和解的性质。通过以上研究,建立基于介尺度理论的、针对多相复杂系统多尺度问题的跨尺度连接体系。

(六)基于介尺度问题的学科交叉及重大应用。

众多复杂系统均呈现多层次、多尺度的特征(如生命和生物、化学和环境、流体和气候变化等),认识每一层次的介尺度过程和机理应是这些学科领域的核心内容。当前主流模型很少考虑介尺度结构及其对各种参数的影响。为促进学科交叉,鼓励从介尺度科学的角度认识和分析交叉领域复杂系统中的介尺度问题。鼓励发展认识不同系统中介尺度结构的实验和测量手段?以及相关的基于介科学的数据处理、分析和挖掘的方法,建立介尺度结构的识别和表征方法,揭示不同体系中介尺度结构的动态行为及控制机制。鼓励应用介科学原理分析、解决基础研究和工业应用中的实际问题。 四、2015年度资助计划

本重大研究计划鼓励不同学科研究队伍的共同参与。2015年度计划资助“直接费用”约4200万元,拟对探索性强、开拓新方向的申请按“培育项目”予以资助,数量约30项,直接费用的资助强度为80万元左右,资助期限为3年,申请书中研究期限应填写“2016年1月1日-2018年12月31日”;对有一定工作积累、有望在介尺度科学方面取得重要突破的申请将按“重点支持项目”予以资助,数量约6项,直接费用的资助强度为300万元-400万元,资助期限为4年,申请书中研究期限应填写“2016年1月1日-2019年12月31日”。申请人只填写“直接费用”预算,“间接费用”及总经费由系统自动生成。 五、遴选项目的基本原则

为确保形成介尺度科学的总体目标,本重大研究计划要求所有申请应针对介尺度行为的本质机理,旨在揭示规律、建立物理模型和预测方法,并实现工业应用。具体要求如下: (一)项目选择原则。

1.对象:面向过程工程领域涉及能源与资源高效转化利用的多相反应过程,开展多尺度机制与调控的基础研究。要求研究真正的介尺度问题,即:需要明确

研究对象中的单元(或“小”)尺度、系统(或“大”)尺度和介于之间的“介尺度”的具体内涵。

2.内容:必须明确所研究问题的介尺度特征,并提出认识介尺度行为机理的思路,认识和揭示介尺度行为形成的机制,演化规律和稳定性条件。以建立物理和数学模型为目的,研究手段可包括实验、计算和理论分析。

3.目标:对多相反应过程的介尺度研究提出原创的基本理论与方法,显著推进理论的集成升华和应用,为介尺度科学的形成作出实质性贡献,并将所认识的规律应用于实际能源与资源高效转化利用过程。

4.形式:(1)鼓励凝练介尺度关键科学问题、整合相关力量、开展更加有针对性的联合攻关研究的重点项目申报。(2)鼓励多学科的实质性合作研究,特别是与数理、化学、信息等学科间的交叉。注重理论与实验的有机结合。鼓励国际合作。

(二)优先资助方向。

1.对介尺度科学具有原创性的理论和方法,能深刻揭示介尺度过程中不同机制相互作用的规律,提出严密的理论模型和可行方法;

2.针对多相反应过程中材料表界面和颗粒聚团两个介尺度在颗粒尺度关联的研究;

3.上述两方面在能源与资源高效转化利用等领域的应用基础研究,特别是对化石燃料的高效综合利用;

4.特别鼓励对介尺度科学共性数学和物理问题的研究。

5.特别鼓励凝练介尺度关键科学问题、整合相关力量、开展更加有针对性的联合攻关研究的重点项目。 (三)不宜资助情形。

1.虽针对介尺度问题,但非机理性和基础性研究,不涉及介尺度行为形成的机制和稳定性分析,无法形成物理模型;

2.不能明确介尺度问题,只是对多尺度问题的笼统描述;

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