为过程工业添柴加薪——多相复杂系统国家重点实验室

多相复杂系统国家重点实验室的前身和发展要追溯到半个世纪之前。1956年8月，郭慕孙院士回国后，创建了我国第一个流态化研究室，由他当主任、研究员。研究室经过30多年坚持不懈的探索、实践、创新，建立了研究队伍，开拓和发展了流态化这一新兴领域，并在郭慕孙院士的亲自组织和领导下，于1986年10月成立了“多相反应开放研究实验室”，郭慕孙院士被任命为首任主任兼学术委员会主任。实验室以液固和气固两个和两个以上相间的非催化反应的固相加工为主要研究对象，取得了一批高水平的科研成果，培养了人才，成为我国化学工程应用基础研究方向有利于思想萌生和青年人才成长的场所。

在几代人长达50年的科研积累、人才培养和学科发展的基础上，2006年7月，科技部正式批准成立了“多相复杂系统国家重点实验室”，郭慕孙院士任名誉主任。同时，也形成了以物质转化复杂系统内部结构的量化与调控为主旨的研究方向。

聚焦“介尺度科学”

物质转化过程三层次的多尺度特征和介尺度问题

根据国家重点实验室在国家创新体系中的定位，多相复杂系统国家重点实验室一直将聚焦科学前沿、引领学科进步、解决重大问题、促进产业发展作为其重要使命。具体讲，实验室把开创化学工程前沿，推动化学工程研发模式变革，解决国家经济和社会发展中的重大瓶颈问题作为中心任务。近30年来，实验室一直长期聚焦化工过程中多尺度问题的研究，形成了以“能量最小多尺度（EMMS）”原理为核心的理论体系：物理上，其稳定性条件表述为控制机制之间竞争中的协调；数学上表述为多目标变分问题。以该原理建立的计算方法，突破传统计算流体力学精度和规模的限制，被国内外广泛应用于大型工业过程的开发和基础研究。与此同时，在研究不同问题的过程中，发现了EMMS原理对介尺度问题具有普适性，认识到针对各种类型介尺度问题建立一门交叉学科的可能性。为此，近年来实验室提出“介尺度科学”的概念，并确定为实验室的主攻方向。

物质转化过程涉及材料、反应器和系统3个层次，它们分别对应物质转化相关产业技术研发的不同阶段，即工艺创新、过程放大和系统集成。尽管3个层次研究的内容和对象截然不同，并形成不同的分支学科，但却具有共同的属性：

1.多尺度复杂结构：3个层次分别均具有多尺度特征，即材料层次包括分子/原子，分子/原子聚集体和宏观材料（如颗粒、薄膜等）；反应器层次包括单颗粒（或气泡、液滴），颗粒聚团和单元设备；而系统层次则由单元设备、工厂和生态环境构成。

2.对边界尺度认识较为深入：对3个层次涉及的边界尺度（即分子/原子、颗粒、单元设备和环境），现有认识已较为深入，并逐步形成不同的分支学科，即化学、化学工程和过程系统工程。

3.介尺度结构久未突破：对于3个层次中介于各自边界尺度之间的介尺度现象及其机理，即介尺度1（材料或表界面结构）、介尺度2（非均匀结构）和介尺度3（系统集成），虽然人们认识到这3个介尺度问题对所在层次的性能影响十分显著，但对这3个问题本身的认识却十分有限，分别对应工艺创新、过程放大和系统集成阶段的瓶颈问题，成为现代物质科学和工程研发领域的焦点问题。

因此突破3个介尺度瓶颈问题，并实现三者之间的两个关联，即材料和反应器层次的关联以及反应器和系统层次的关联，是21世纪化学工程科学的前沿，也是实现化学工程研发模式由经验向量化过渡的关键。为此，实验室在长期积累的基础上，逐步将“多尺度研究”提升并聚焦到“介尺度科学”，旨在引领这一学科的发展方向，促进化工相关产业的升级和跨越式发展。

注重解决实际问题

多相复杂系统国家重点实验室紧紧围绕其自身的特色学术方向和科研布局进行研究团队建设，不断优化人才队伍，形成了一支年龄和专业结构合理的高水平研究队伍。其中科学院院士3人，国家杰出青年科学基金获得者6人，国家优秀青年科学基金获得者3人，国家万人计划“领军人才”入选者1人，原国家“973”项目首席1人，国家重点研发计划项目首席科学家2人。实验室现有固定研究人员107人，包括研究员44人，副研究员57人，高级工程师2人，高级实验师1人。

在发展“多尺度方法”，聚焦“介尺度科学”的过程中，实验室选择了工程中的重大需求作为研究对象，一方面从实际问题中归纳介尺度科学的共性规律，另一方面解决国民经济中的重大瓶颈问题。

1.介尺度科学：在原有研究的基础上，进一步选择若干典型的介尺度现象（如复杂流动、反应—传递耦合、表界面结构调控等）作为研究对象，研究不同系统中控制机制之间竞争及协调的稳定性条件，归纳不同问题中的共性规律，以促进介尺度科学从概念向新的交叉学科发展，与此同时，争取在解决这些长期困扰学术界的问题中取得突破。

2.虚拟过程工程：瞄准反应器量化放大这一久未解决的难题，利用EMMS原理在提高计算精度和扩大计算规模方面的独特优势，建立多相系统多尺度计算流体力学方法，发展工业过程全系统模拟技术，实现大型反应器全系统模拟。利用针对多尺度模拟建立的超级计算软硬件系统并与实验、测量、显示和控制等系统有机结合形成以实时模拟与在线对比为特征的虚拟过程研究与技术平台，带动过程技术研发模式的革命性变化。

3.粉体材料的结构调控与规模化制备：基于材料多尺度结构特征和介尺度科学的概念，致力于通过“反应/传递过程在竞争协调”的原理调控材料结构，开展材料组成与结构设计和反应过程调控研究；并结合实验室在过程放大模拟方面长期积累形成的优势，进行颗粒材料工程化技术与反应器放大研究，实现新型纳微结构材料的规模化制备，满足国防和民用重大需求。

4.煤炭和矿产资源高效利用：煤炭资源和低品位矿产的高效利用是我国能源资源领域最具挑战性的问题，也是制约我国经济发展的难题。开展反应调控和过程强化规律研究，与介尺度科学和虚拟过程相结合，开展模拟放大与集成示范研究，发展成套核心新技术，满足我国低阶煤和低品位矿高效利用的重大需求。

5.新型反应/分离介质：随着化工过程绿色化要求的提高，传统的反应分离介质（如催化剂、溶剂等）难以满足要求，开发新的反应介质，提升绿色化水平成为近年来的热点问题，实验室选择离子液体这一与介尺度科学密切相关的领域作为重要研究方向，开展离子液体构效关系及分子设计、离子液体规模化制备、离子液体强化及反应过程调控研究，为传统产业技术升级换代提供新途径。

6.数据信息和超级计算平台：工程模拟放大能力，不仅取决于物理模型是否反映真实过程，还取决于合理的计算模式和优化的计算系统，实验室致力于发展基于EMMS原理的新型计算模式，即实现问题、模型、软件和硬件的结构和逻辑一致性，发展面向虚拟过程工程的高效多尺度超级计算软硬件系统；在已建立的“化学主题数据库”基础上，进一步整合各种化学数据信息资源，形成更为完备的数据信息系统，为工业过程仿真提供支撑，为大数据时代的过程工程研究提供基础平台。

这6个方面的研究工作构成了一个相互联系与支持的有机整体，即以介尺度结构为核心科学问题，构建数据信息和虚拟过程基础平台，发展共性的方法和理论，促进介尺度科学和化工过程模拟仿真技术的发展，从而解决化学工程在工艺和过程两个层次的瓶颈问题，重点聚焦粉体材料的结构调控与规模化制备，煤炭和矿产资源高效利用，新型反应/分离介质等，与工业界合作实现科研成果产业化，形成“一个核心，四个层次”的布局。

未来，实验室希望通过不懈的努力和不断创新，可以为我国过程工业老工艺的升级和新工艺的定量放大提供有自主知识产权的核心技术，全面提升我国过程工业放大与调控水平和国际竞争力，为我国过程工业的可持续发展做出不可替代的贡献。