问题描述

如何实现多相反应器从实验室到工业规模的一步放大，避免逐步试错的中试环节，从而缩短研发周期、降低成本，是化工产业升级的关键挑战。一步放大的科学难题在于对从原子到生态环境的多尺度结构，特别是对各单元与系统尺度间复杂的介尺度动态结构，缺乏深入理解和有效的量化分析方法，这在广泛应用的气固、气液、液固和气液固等多相反应器中尤为显著。因此，建议从科学根源出发，深入理解介尺度复杂性的影响，准确预测和调控过程工业中的多尺度结构；基于自主知识产权软件，构建自主生态系统。提供准确、高效、经济的全新研发手段和模式，建立主要工艺反应器一步放大的模拟优化和减排示范，推动低碳产业的跨越式发展。

问题背景

过程工业，涵盖化工、冶金、能源、材料、资源和环境等行业，是国民经济的支柱产业，贡献了约20%的GDP。然而，这些行业也是能源资源消耗和碳排放的主要来源，占总碳排放的近40%。传统的研发模式依赖于经验试凑和逐级放大，这种方法耗时长、成本高、优化不足且风险大。例如，壳牌煤气化技术的研发耗时21年，清洁汽油技术20年，无焦炼铁技术更是长达27年。面对碳达峰、碳中和目标的紧迫性，现有研发模式亟需变革。

为了应对这一挑战，必须转变研发模式，发展原料替代技术等创新策略，解决高能耗和高碳排放的瓶颈问题。通过多学科交叉融合和集成先进智能化信息技术，可以实现过程工业的低碳化和去碳化再造，支撑国家碳达峰目标的实现。

气固、气液、液固和气液固等多相反应器在这些行业中广泛应用，但由于其内部复杂的多尺度结构，中试放大尤为困难。科学本质上，这些结构的形成机理和调控方法具有共性基础，因此，以这些共性问题为突破口，变革过程技术研发模式，不仅意义重大，而且具有很强的可行性。

最新进展（截止问题发布年度）

解决这一问题需从介科学和虚拟过程两方面着手。首先，科学根源在于过程工业中的多尺度和多层次结构，其中介尺度是难点和瓶颈，目前对其认识有限。复杂系统中的时空动态结构的量化与调控是当代科学最具挑战性的难题之一，对应现有知识体系的缺失环节。深入理解介尺度复杂性对于研究材料的构效关系、反应器内的反应与传递过程、系统集成等具有重要意义。只有实现了流动、传递和反应在介尺度的耦合，才能够准确理解、预测和调控多相反应器中的多尺度结构。

近十多年来，我国化工界原创提出的介科学，专注于研究介尺度结构的动态演变规律，这一新兴交叉学科针对复杂性和控制机理展开研究。在自然科学基金委等持续支持下，已牵头成立了国际介科学组织，相关研究在国内外广泛兴起，为实现材料精准可控设计、反应器一步放大、系统高度集成及过程强化提供了有力的理论支持。

其次，基于介科学的虚拟过程将成为一种全新的过程研发模式，不仅可以大幅度缩短过程放大周期，也使产品精细化成为可能。虚拟过程是连接介科学与新技术新工艺开发的桥梁，它是一种实体化、功能化的开发和分析工具及知识库，将实验室成果快速应用于过程开发，将大幅提升我国过程工业对核心技术的研发能力。介科学在提升准确性和效率上，为虚拟过程提供基础。

我国科研人员基于介科学原理提出超级计算新范式，并以此研发多尺度工业仿真软硬件系统，有望驱动研发模式的数字化、智能化变革。传统的工业仿真软件尚未系统引入介科学研究的成果，因此对很多化工问题的模拟精度、规模和效率上，仍有显著的欠缺，难以满足过程工业研发模式变革的需求。

我国原创的介科学理论及虚拟过程工程技术，初步验证了各种化工系统中共存的介尺度结构，皆服从“竞争中协调”的共性机理。基于介科学方法开发的工业仿真软件，可在模拟精度、效率上有大的飞跃，助力实现过程一步放大，解决过程工业可持续发展的瓶颈问题。

重要意义

多相反应器的一步放大将强力支撑化工行业的低碳化、智能化、高端化转型升级。介科学理论的发展将使化学工程的学科基础从反应、传递和流动的单元过程描述，以及宏尺度近似理论与经验关联的层面，发展到多尺度耦合定量描述的层面，成为更加完备的工程学科。基于介科学理论形成反应器从实验室到工业规模一步放大的成套核心技术，包括自主的模拟与测试方法、软件、专利、仪器、实验与计算装备及其集成平台，有望变革化工过程的研发模式。同时, 形成一支产研结合的跨学科研发队伍，并以此建立数字中试企业服务与持续研发体系，在化工和过程工业中广泛应用，全面支撑其升级转型。