為過程工業添柴加薪
——多相復雜系統國家重點實驗室

多相復雜系統國家重點實驗室的前身和發展要追溯到半個世紀之前。1956年8月，郭慕孫院士回國后，創建了我國第一個流態化研究室，由他當主任、研究員。研究室經過30多年堅持不懈的探索、實踐、創新，建立了研究隊伍，開拓和發展了流態化這一新興領域，并在郭慕孫院士的親自組織和領導下，于1986年10月成立了“多相反應開放研究實驗室”，郭慕孫院士被任命為首任主任兼學術委員會主任。實驗室以液固和氣固兩個和兩個以上相間的非催化反應的固相加工為主要研究對象，取得了一批高水平的科研成果，培養了人才，成為我國化學工程應用基礎研究方向有利于思想萌生和青年人才成長的場所。

在幾代人長達50年的科研積累、人才培養和學科發展的基礎上，2006年7月，科技部正式批準成立了“多相復雜系統國家重點實驗室”，郭慕孫院士任名譽主任。同時，也形成了以物質轉化復雜系統內部結構的量化與調控為主旨的研究方向。

聚焦“介尺度科學”

物質轉化過程三層次的多尺度特征和介尺度問題

根據國家重點實驗室在國家創新體系中的定位，多相復雜系統國家重點實驗室一直將聚焦科學前沿、引領學科進步、解決重大問題、促進產業發展作為其重要使命。具體講，實驗室把開創化學工程前沿，推動化學工程研發模式變革，解決國家經濟和社會發展中的重大瓶頸問題作為中心任務。近30年來，實驗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，其穩定性條件表述為控制機制之間競爭中的協調；數學上表述為多目標變分問題。以該原理建立的計算方法，突破傳統計算流體力學精度和規模的限制，被國內外廣泛應用于大型工業過程的開發和基礎研究。與此同時，在研究不同問題的過程中，發現了EMMS原理對介尺度問題具有普適性，認識到針對各種類型介尺度問題建立一門交叉學科的可能性。為此，近年來實驗室提出“介尺度科學”的概念，并確定為實驗室的主攻方向。

物質轉化過程涉及材料、反應器和系統3個層次，它們分別對應物質轉化相關產業技術研發的不同階段，即工藝創新、過程放大和系統集成。盡管3個層次研究的內容和對象截然不同，并形成不同的分支學科，但卻具有共同的屬性：

1.多尺度復雜結構：3個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）；反應器層次包括單顆粒（或氣泡、液滴），顆粒聚團和單元設備；而系統層次則由單元設備、工廠和生態環境構成。

2.對邊界尺度認識較為深入：對3個層次涉及的邊界尺度（即分子/原子、顆粒、單元設備和環境），現有認識已較為深入，并逐步形成不同的分支學科，即化學、化學工程和過程系統工程。

3.介尺度結構久未突破：對于3個層次中介于各自邊界尺度之間的介尺度現象及其機理，即介尺度1（材料或表界面結構）、介尺度2（非均勻結構）和介尺度3（系統集成），雖然人們認識到這3個介尺度問題對所在層次的性能影響十分顯著，但對這3個問題本身的認識卻十分有限，分別對應工藝創新、過程放大和系統集成階段的瓶頸問題，成為現代物質科學和工程研發領域的焦點問題。

因此突破3個介尺度瓶頸問題，并實現三者之間的兩個關聯，即材料和反應器層次的關聯以及反應器和系統層次的關聯，是21世紀化學工程科學的前沿，也是實現化學工程研發模式由經驗向量化過渡的關鍵。為此，實驗室在長期積累的基礎上，逐步將“多尺度研究”提升并聚焦到“介尺度科學”，旨在引領這一學科的發展方向，促進化工相關產業的升級和跨越式發展。

注重解決實際問題

多相復雜系統國家重點實驗室緊緊圍繞其自身的特色學術方向和科研布局進行研究團隊建設，不斷優化人才隊伍，形成了一支年齡和專業結構合理的高水平研究隊伍。其中科學院院士3人，國家杰出青年科學基金獲得者6人，國家優秀青年科學基金獲得者3人，國家萬人計劃“領軍人才”入選者1人，原國家“973”項目首席1人，國家重點研發計劃項目首席科學家2人。實驗室現有固定研究人員107人，包括研究員44人，副研究員57人，高級工程師2人，高級實驗師1人。

在發展“多尺度方法”，聚焦“介尺度科學”的過程中，實驗室選擇了工程中的重大需求作為研究對象，一方面從實際問題中歸納介尺度科學的共性規律，另一方面解決國民經濟中的重大瓶頸問題。

1.介尺度科學：在原有研究的基礎上，進一步選擇若干典型的介尺度現象（如復雜流動、反應—傳遞耦合、表界面結構調控等）作為研究對象，研究不同系統中控制機制之間競爭及協調的穩定性條件，歸納不同問題中的共性規律，以促進介尺度科學從概念向新的交叉學科發展，與此同時，爭取在解決這些長期困擾學術界的問題中取得突破。

2.虛擬過程工程：瞄準反應器量化放大這一久未解決的難題，利用EMMS原理在提高計算精度和擴大計算規模方面的獨特優勢，建立多相系統多尺度計算流體力學方法，發展工業過程全系統模擬技術，實現大型反應器全系統模擬。利用針對多尺度模擬建立的超級計算軟硬件系統并與實驗、測量、顯示和控制等系統有機結合形成以實時模擬與在線對比為特征的虛擬過程研究與技術平臺，帶動過程技術研發模式的革命性變化。

3.粉體材料的結構調控與規?；苽洌夯诓牧隙喑叨冉Y構特征和介尺度科學的概念，致力于通過“反應/傳遞過程在競爭協調”的原理調控材料結構，開展材料組成與結構設計和反應過程調控研究；并結合實驗室在過程放大模擬方面長期積累形成的優勢，進行顆粒材料工程化技術與反應器放大研究，實現新型納微結構材料的規?；苽?，滿足國防和民用重大需求。

4.煤炭和礦產資源高效利用：煤炭資源和低品位礦產的高效利用是我國能源資源領域最具挑戰性的問題，也是制約我國經濟發展的難題。開展反應調控和過程強化規律研究，與介尺度科學和虛擬過程相結合，開展模擬放大與集成示范研究，發展成套核心新技術，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/分離介質：隨著化工過程綠色化要求的提高，傳統的反應分離介質（如催化劑、溶劑等）難以滿足要求，開發新的反應介質，提升綠色化水平成為近年來的熱點問題，實驗室選擇離子液體這一與介尺度科學密切相關的領域作為重要研究方向，開展離子液體構效關系及分子設計、離子液體規?；苽?、離子液體強化及反應過程調控研究，為傳統產業技術升級換代提供新途徑。

6.數據信息和超級計算平臺：工程模擬放大能力，不僅取決于物理模型是否反映真實過程，還取決于合理的計算模式和優化的計算系統，實驗室致力于發展基于EMMS原理的新型計算模式，即實現問題、模型、軟件和硬件的結構和邏輯一致性，發展面向虛擬過程工程的高效多尺度超級計算軟硬件系統；在已建立的“化學主題數據庫”基礎上，進一步整合各種化學數據信息資源，形成更為完備的數據信息系統，為工業過程仿真提供支撐，為大數據時代的過程工程研究提供基礎平臺。

這6個方面的研究工作構成了一個相互聯系與支持的有機整體，即以介尺度結構為核心科學問題，構建數據信息和虛擬過程基礎平臺，發展共性的方法和理論，促進介尺度科學和化工過程模擬仿真技術的發展，從而解決化學工程在工藝和過程兩個層次的瓶頸問題，重點聚焦粉體材料的結構調控與規?；苽?，煤炭和礦產資源高效利用，新型反應/分離介質等，與工業界合作實現科研成果產業化，形成“一個核心，四個層次”的布局。

未來，實驗室希望通過不懈的努力和不斷創新，可以為我國過程工業老工藝的升級和新工藝的定量放大提供有自主知識產權的核心技術，全面提升我國過程工業放大與調控水平和國際競爭力，為我國過程工業的可持續發展做出不可替代的貢獻。