化學工程學科前沿與展望（簡體書）

《中國化學科學叢書：化學工程學科前沿與展望》為國家自然科學基金委員會組織編寫的《中國化學科學叢書》系列之一，由我國化工領域的一線專家和學科帶頭人合作編撰而成。全書共13章，內容包括緒論、反應工程與分離工程、化工過程中的表（界）面科學與工程、計算化學工程、化工過程放大的科學基礎、化學產品工程、多尺度複雜化工過程、非常規化工過程的科學基礎、生物與食品化工、能源化工、材料化工、資源與環境化工，以及過程系統工程與化工過程安全。以大量進展實例和參考文獻，全面而系統地介紹了各領域的研究背景與意義、研究現狀與趨勢、重要共性科學問題與技術關鍵、近五年重要研究進展和發展方向與思路。 《中國化學科學叢書：化學工程學科前沿與展望》可供化學、化工以及材料、資源、能源、醫藥等交叉學科領域的研究人員、工程技術人員、高年級本科生、研究生和管理人員等參考。．

《化學工程學科前沿與展望》可供化學、化工以及材料、資源、能源、醫藥等交叉學科領域的研究人員、工程技術人員、高年級本科生、研究生和管理人員等參考。

《中國化學科學叢書》序前言第1章 緒論1.1 國內外化工學科發展態勢1.1.1 科學意義1.1.2 社會經濟需求1.1.3 總體發展趨勢1.1.4 小結1.2 我國化工學科的發展狀況1.2.1 學科整體研究水平已步入世界前列1.2.2 化工學科為推動我國化工產業發展作出了重要貢獻1.2.3 化工學科的快速發展得益於國家的資金資助1.2.4 我國化工學科已擁有高水平的研究隊伍1.2.5 小結與展望1.3 化工學科發展的指導思想與戰略目標1.3.1 國家自然科學基金對化工學科發展的作用1.3.2 指導思想1.3.3 總體發展目標與戰略1.3.4 保障措施第2章 反應工程與分離工程若干最新進展2.1 背景與意義2.2 研究現狀與發展趨勢2.3 重要科學問題與技術關鍵2.4 若干重要研究進展2.4.1 多相複雜反應流動的先進測試和模擬技術2.4.2 微尺度流動、傳遞和反應性能2.4.3 大型高效精餾技術2.4.4 天然活性物質高效分離技術2.4.5 低能耗滲透氣化膜分離技術2.5 發展方向與思路參考文獻第3章 化工過程中的表（界）面科學與工程3.1 背景與意義3.2 研究現狀與趨勢3.2.1 表（界）面現象的基礎研究3.2.2 催化劑表（界）面結構的理論研究與實驗表徵研究現狀3.2.3 催化劑表（界）面結構的調控及其應用研究現狀3.2.4 催化劑表（界）面研究的發展趨勢3.3 重要科學問題與技術關鍵3.3.1 固體表面潤濕性的多尺度物理機理3.3.2 氣液、液液界面結構及其對傳遞過程的影響3.3.3 催化劑表（界）面結構與催化機理的多尺度模擬3.3.4 催化劑表（界）面結構在反應過程中的動態變化及實時表徵3.3.5 催化劑表（界）面結構製備以及調控技術3.4 重要研究進展3.4.1 金屬-金屬氧化物界面結構與CO2活化的密度泛函理論研究進展3.4.2 新型低溫氧化納米催化劑的結構表徵與應用進展3.4.3 能量高效轉化催化的基礎研究3.4.4 煤的結構特徵及其與反應性的關係和調變3.4.5 綠色氧化新工藝及產業化3.4.6 列管式反應器原位表面調控防結焦技術及應用3.4.7 基於化學工程原理與方法的納米材料合成與結構調控3.4.8 多相界面流體結構的密度泛函理論及其應用3.5 發展方向與思路參考文獻第4章 計算化學工程4.1 背景與意義4.1.1 電子尺度4.1.2 原子尺度4.1.3 介觀尺度4.1.4 連續尺度4.2 研究現狀與趨勢4.2.1 經典分子動力學模擬與蒙特卡羅模擬在化學工程方向的研究進展4.2.2 流體力學方法在化學工程方向的研究進展4.3 重要科學問題與技術關鍵4.4 重點發展方向4.4.1 受限條件下流體的分子模擬及納/微尺度和表（界）面的量化計算與分子模擬4.4.2 新型分離與反應過程中材料的分子設計、結構篩選與性能計算4.4.3 解決描述化學工程中分離、反應及其大系統過程優化的理論模型化及其求解問題4.4.4 大分子、生化體系及仿生材料的模擬參考文獻第5章 化工過程放大的科學基礎5.1 背景與意義5.2 研究現狀與趨勢5.3 重要科學問題與技術關鍵建議5.3.1 化工反應器的設計、優化和放大5.3.2 用於化工過程放大的實驗、數學模型和數值模擬5.4 重要研究進展5.4.1 多相反應器設計和放大的化學反應工程基礎研究5.4.2 攪拌反應器放大中的科學問題與研究進展5.4.3 工業生物過程放大中的科學問題與研究進展5.4.4 聚合反應與聚合物材料製備過程中的放大5.4.5 精餾與集成過程放大中的科學問題與研究進展5.5 發展方向與思路參考文獻第6章 化學產品工程6.1 背景與意義6.2 研究現狀與趨勢6.3 重要科學問題與技術關鍵6.4 重要研究進展6.4.1 插層組裝與產品工程6.4.2 微球、微囊材料的可控制備及其在生物技術中的應用6.4.3 染料分子功能強化6.4.4 基於活性自由基聚合的高分子可控制造技術6.5 發展方向與思路參考文獻第7章 多尺度複雜化工過程7.1 背景與意義7.1.1 化學工程面臨的挑戰與機遇7.1.2 介尺度結構的量化與調控是複雜化工過程的共性科學問題7.2 國內外研究現狀7.2.1 以多尺度結構和複雜系統研究為契機，化學工程及其相關學科正從分化再度走向融合，孕育著新的發展與突破7.2.2 多尺度研究的核心和難點在於介尺度，而且正在孕育向介尺度研究的深化7.2.3 高性能計算理論與技術、高精度測量方法為介尺度研究提供了有效手段，而其發展瓶頸也在於介尺度結構7.3 重要科學問題與關鍵技術7.4 重要研究進展7.4.1 針對複雜多相系統的多尺度模擬研究與應用7.4.2 複雜物系多尺度結構調控與相關材料性能-結構-製備關係的研究7.4.3 多相聚合反應體系的時空多尺度結構及其實驗表征7.5 發展方向與思路參考文獻第8章 非常規化工過程的科學基礎8.1 超重力強化化工過程的科學基礎8.1.1 超重力技術背景與發展歷史8.1.2 超重力技術的研究進展8.1.3 超重力技術的工業應用8.1.4 重要科學問題與技術關鍵8.1.5 超重力技術展望8.2 等離子體強化化工過程的科學基礎8.2.1 物質第四態——等離子體態8.2.2 等離子體強化化工過程研究進展8.2.3 等離子體強化化工過程擬解決的關鍵科學問題8.2.4 等離子體強化化工過程未來發展展望8.3 新介質強化原理及應用8.3.1 導論8.3.2 在離子液體介質中的化工過程8.3.3 在超臨界介質中的化工過程8.4 微化工技術8.4.1 導論8.4.2 微化工技術的科學基礎8.4.3 微化工技術的工業應用8.4.4 微化工技術的發展前景參考文獻第9章 生物與食品化工9.1 背景與意義9.1.1 工業生物技術9.1.2 食品化工技術9.2 研究現狀與趨勢9.2.1 工業生物技術9.2.2 食品化工技術9.3 重要科學問題與技術關鍵9.3.1 工業生物技術9.3.2 食品化工技術9.4 重要研究進展9.4.1 工業生物技術9.4.2 食品化工技術9.5 發展方向與思路9.5.1 工業生物技術9.5.2 食品化工技術參考文獻第10章 能源化工10.1 背景與意義10.2 研究現狀與趨勢10.2.1 煤化工10.2.2 石油化工10.2.3 天然氣化工10.2.4 生物質能10.2.5 太陽能（光伏發電）10.2.6 氫能（氫燃料電池）10.2.7 微藻10.3 重要科學問題與技術關鍵10.4 重要研究進展10.4.1 煤化工10.4.2 石油化工10.4.3 天然氣化工10.4.4 生物質能及微藻10.4.5 太陽能10.4.6 氫能（燃料電池）10.5 發展方向與思路參考文獻第11章 材料化工11.1 背景與意義11.2 研究現狀與趨勢11.3 重要科學問題與技術關鍵11.4 重要研究進展11.4.1 環境響應型智能膜與控制釋放載體材料的化工基礎研究11.4.2 混合導體透氧膜與膜過程基礎研究11.4.3 活性自由基聚合反應工程基礎研究進展11.4.4 面向應用過程的陶瓷膜設計與製備方法11.4.5 納米材料結構調控及過程放大11.5 發展方向與思路11.5.1 材料結構與性能的構效關係研究11.5.2 材料製備的化學工程方法研究11.5.3 材料的化學工程應用基礎研究參考文獻第12章 資源與環境化工12.1 背景與意義12.1.1 作為化工原料的礦產、海洋和生物質資源狀況及開發意義12.1.2 典型清潔合成方法和環境化工狀況及開發意義12.2 研究現狀與趨勢12.2.1 作為化工原料的礦產、海洋和生物質資源研究現狀與趨勢12.2.2 典型清潔合成方法和環境化工研究現狀與發展趨勢12.3 重要科學問題與技術關鍵12.3.1 作為化工原料的自然資源高效轉化與高值利用的重要科學問題與技術關鍵12.3.2 典型清潔合成方法和環境化工中重要科學問題與技術關鍵12.3.3 環境化工中的重要科學問題與技術關鍵12.4 重要研究進展12.4.1 鎂化合物功能材料的開發和利用12.4.2 海水提鉀技術研究12.4.3 貴金屬納米材料的生物質還原製備技術12.4.4 濕法磷酸淨化與磷化工清潔生產工藝12.4.5 雜環芳烴氟化製備技術和新功能的精細氟化物與應用12.4.6 工業木質素資源化高效利用研究與應用12.4.7 澱粉化學品研究進展12.4.8 離子液體及其清潔化工過程的基礎研究12.4.9 鐵基離子液體中硫化氫酸性脫硫技術12.4.10 水處理高級氧化技術的機理及污染物氧化反應過程12.5 發展方向與思路12.5.1 鎂12.5.2 鉀12.5.3 生物質還原製備貴金屬納米顆粒12.5.4 磷、硫資源12.5.5 氟12.5.6 生物質木質素和澱粉12.5.7 離子液體12.5.8 工業過程氣中硫化氫脫硫資源耦合技術發展方向和思路12.5.9 水處理高級氧化技術發展方向與思路參考文獻第13章 過程系統工程與化工過程安全13.1 背景與意義13.2 研究現狀與趨勢13.2.1 過程系統集成13.2.2 過程系統的建模、優化和控制13.2.3 化工過程安全13.2.4 化工過程的全生命週期評價和可持續性研究13.3 重要科學問題與技術關鍵13.4 重要研究進展13.4.1 過程系統優化和控制13.4.2 過程系統集成13.4.3 化工過程安全13.4.4 生命週期分析的過程可持續性評估與應用13.5 發展方向與思路參考文獻．

1.流程模擬與工藝優化
流程模擬優化技術是提高工廠經濟效益、降低生產成本、消除裝置“瓶頸”的主要手段之一，日益受到國內外科研工作者的關注。流程模擬是基于氣液分離過程的物料平衡方程（M方程）、相平衡方程（E方程）、歸一方程（S方程）和焓衡算方程（H方程）所組成的MESH方程組模型求解。由流程模擬得到全流程工藝數據及各設備內的濃度分布、流量分布、溫度分布等詳盡的設計基礎數據。應用穩態過程模擬軟件，可對全工藝流程進行多方案的對比計算，以提高收率、降低能耗、降低裝置投資、減少對環境的污染為目標，優選生產的工藝流程及各單元之間的中間操作參數（如溫度、壓強、流速、組成等），并對各中間操作參數做敏感性分析，判斷流程中各單元的可操作性及安全性。在通用流程模擬軟件（ASPEN PLUS和PROⅡ等）平臺上開發各裝置專用的流程模擬程序，以得到更準確的工藝系統和設備設計基礎數據。
2.數字化塔器設計
數字化設計是指運用計算機圖形學和圖像處理技術，將科學計算過程中產生的數據及計算結果轉換為圖形或圖像在屏幕上顯示出來，并進行交互處理的理論、方法和技術。數字化設計改變了傳統的設計方法，旨在利用計算流體力學、模擬實現精餾塔及塔內件的參數化、數字化CAD，并將參數模型導入有限元軟件，對精餾塔體和塔內件及支撐結構在外界載荷的作用下，以及不同的操作工況下的強度、剛度、穩定性和可靠性給出精確的校核計算。近年來，為了解決大型化問題，將強度校核與計算流體力學技術應用于塔器的設計過程中，大大提高了塔內件的選型和設計效率。在設計中實現了流形流態可視化、力學性能可視化、結構可視化及其裝配。
在塔器大型化過程中，多個工程技術問題可通過計算流體力學模擬得到解決。
（1）液體分布。在大型塔器內隨塔徑與填料直徑比的增加和填料層的徑向分散系數減小，填料將不良初始分布轉化為自然流分布更困難，因此流體初始分布極為重要。采用計算流體力學計算可以優化分布器的結構形式、幾何尺寸、開孔密度和尺寸等方面，從而實現液體均布。例如，某公司72萬t/a乙烯裝置汽油分餾急冷塔的急冷油回流分布管設計為變孔徑預分布管，采用計算流體力學模擬進行設計計算，獲得不同位置上優化的孔徑。