浏览技术
浏览产品
浏览设备
浏览人才
*如没有找到所需要的信息,
发布信息或者联系我们
 
 
当前位置: 咨询--> 咨询专家
过程工程中的复杂系统
过程工程中的复杂系统

化学工程向过程工程的发展
    中科院过程工程研究所郭慕孙院士首先作了题为“化学工程到过程工程”的主题评述报告。他指出不象其它工程,化学工程从开始至今没有固定的对象。发展初期将工艺操作和化学合成的单元过程归纳为单元操作。之后单元操作中的物理过程被进一步归纳为动量、质量、能量三种传递过程。传递过程的方法逐步与具有化学反应的工艺结合形成了化学工程的分支--化学反应工程。化学工程经过归纳、综合,并且与物理和数学等知识领域的交叉,形成了以传递和反应为主且还在不断发展的、具有普适性的“三传一反+ X ”的学识基础,X包括将来出现的内涵。
    三传一反+X学识基础的应用对象已远超出了化学工程起家时的化学产品,包括关系国计民生的多个方面、并正在延伸到高新技术领域。主要有化学产品、炼油、冶金、建材、生物、农业、药物与医药、食品、环境、燃烧、太空资源的循环利用等。其共同特征是物质的物理和化学加工工艺。因此,将当前显得狭义的化学工程提升至(更名为)为诸多工艺服务的、覆盖面更宽阔的过程工程似更为确切合理。对于这些领域,三传一反+X的学识基础具有知一通百的无穷前途。
    他还强调为了今后的发展,我们必须建立我国自己的化工(过程工程)前沿,要认清当前活跃的生长点,接受新产业的推动,结合我国的资源和经济的特色,并发挥我们已有的科技优势。关于活跃的生长点指出可考虑如软固体和多尺度方法。关于新产业的推动认为:(1)应对超细颗粒充分揭示其功能与成份、结构和加工方法之间的关系;(2)动植物细胞培养可用于制备生物制剂,生产中草药,替代植物的栽培;(3)电子元件中的化学迁移沉积和溶液刻蚀,以及有关反应器的设计和溶液的制备和处理等。关于结合我国资源和经济特色,他列举了三次采油、煤的综合利用、贫铁矿和复杂铁矿的处理、粉煤粉矿钢铁工艺、稀土提取、高硅铝矿开采和盐湖化工产品开发等一系列前沿问题。
    他指出我国已逐步建立了自己在化工学识基础方面的一些优势,特别是溶液萃取、精馏、固定床反应器、聚合反应工程和流态化技术。我们要在保护好已有的优势的基础上继续发展。
    天津大学余国琮院士指出发展过程工程要考虑:(1) 过程工程与可持续发展;(2) 过程工程与相邻学科(新兴工业)结合(占绝大部分),如:生物化工、环境过程工程;(3) 从学科自身发展看,“三传一反”仍是基本原理,但须进一步发展,应分若干层次:向分子-纳米、颗粒、设备、过程、乃至全球多层次发展,其中分子层次涉及分子热力学、分子动力学、分子设计,纳米尺度主要是结构与性能。这些层次的发展都需要大量的计算,建议归纳为“计算过程工程”。过程工程涉及不同的层次和结构,对大系统的模拟非常复杂,需要解决两个关键问题:一个是微分方程求解;另一个是优化。
    清华大学汪家鼎院士特别强调分子模拟和微尺度过程(纳米技术)是今后应发展的重要方向。另外,他指出产品工程只能适用于一些特殊用途的化学品的发展需要。
复杂系统与多尺度方法
    中科院自动化所戴汝为院士以“复杂性科学及其展望”为题作中心议题报告。他指出系统科学(System Science)与“系统复杂性”的研究有着十分密切的关系。从现代科学技术的观点,系统科学这一“科学技术部门”可分为三个层次:基础理论层次包括系统学(systematology);“技术科学”层次包括“工程控制论(engineering cybernetics) ”与运筹学;工程应用层次包括各种系统工程。还有从系统科学通向马克思主义哲学的桥梁,称之为系统论(systematics);系统论可以概括为整体论与还原论的辩证统一。系统论的观点对各个领域中复杂性研究具有重要意义。
    他还指出关于复杂性的研究,其实很早就开始了。但用的“名词”不是“复杂性”罢了。他介绍了司马贺(H.Simon)教授所归纳出较早与近期有关的题目,并对这门被称之为21世纪的科学作了如下的展望:(1)中医、药的现代化:中医、药界的人士大部份人认为,复杂性科学能对中医、药的现代化起到支撑与基础的作用;(2)复杂系统与多尺度方法的研究,目前尚未形成从微观到宏观的理论,也没有从子系统的相互作用构建出来的统计力学;(3)万维网等网络的动力学性质;(4)认知的复杂性研究,系统的发展有2条主线,一是控制与管理系统;二是智能系统(包括人的智能、动物的智能、和机器的智能)。所以认知问题是个重要的问题。
    中科院力学所白以龙院士作了“多尺度过程的表征”的中心议题报告,他指出多尺度过程,既包括多个空间尺度,又包括多个时间尺度。所谓“尺寸效应”是指讨论的对象不再服从几何相似律,从而室内小型实验结果不能简单地推广到工程原型上去。对于分布式损伤所涉及的多尺度问题,存在细观、宏观等空间尺度,以及外加载荷时间和物质内在特征时间等多个时间尺度。但是,跨尺度的空间尺度比一般都很小,比如实验的试样约为厘米或分米,而材料的晶粒约为毫米或微米,所以尺度比约为10-1 ~ 10-5。那么,这个很小的无量纲量是如何会形成数量级为一的影响的呢?人们必须设法阐明在多尺度问题中尺度效应的物理机理是什么?
    他还介绍了他们用统计细观力学的方法, 以损伤演化为例,揭示出除了通常的宏观主控无量纲数外,还存在着表征微损伤动理学的特征时间与宏观外加特征时间关系的Deborah数, 以及相互依存又相互竞争的细观动力学之间构成的其它特征数,被称之为“内禀Deborah数”。 这些Deborah数都是多个空间和速率尺度的组合, 共同控制着这个多尺度的问题及其尺寸效应。处理这类科学问题的关键是要真正将宏观服役工况与微-细观结构的动理学耦合起来,抓住各类时-空尺度耦合的机理和特征,才能揭示多尺度的尺度效应的控制机理。
    中科院过程工程研究所李静海院士在题为“分析复杂系统的多尺度方法”的中心议题报告中指出多数物质转化过程属复杂系统,结构是复杂系统的共同特征,也是实现系统量化的主要困难。由于传统的平均方法无法描述各种结构的特征及其对过程的影响,而结构量化现已成为化学工程由经验科学向量化科学过渡的关键。因此多尺度方法近年来得到广泛关注,成为很多领域的前沿内容,有望成为研究复杂系统的重要方法之一。
    他认为现有的多尺度方法大致可分为三类:(1)描述型:分别考虑不同尺度的行为和变化,但无法揭示各尺度之间的关系,也不涉及结构形成的机制;(2)关联型:通过对小尺度机理的分析,描述大尺度的现象,关联大小尺度的关系,但缺乏对系统的整体考虑;(3)分析型:致力于不同尺度之间的关联、结构形成机理及其与系统整体特性之间的关系,但缺乏对微观细节描述。这三种类型的多尺度方法中,描述型方法可作为后面两种方法的基础,关联型方法实质上属离散化方法;分析型方法关注系统整体行为,与复杂性科学关系密切。三种方法都可望发展成为通用的方法。三者的结合和互补也应引起关注。
微化工系统与纳-微结构
    华东理工大学胡英院士作了题为“结构在化学化工理论研究中的意义”的中心议题报告。他指出化学和化学工程的中心问题是结构、性能和制备的关系,性能和制备都是宏观的。化学的结构是微观的,化学工程的结构则是多层次多尺度的。  
    他指出化学理论研究中的微观结构主要研究分子的结构及其随时间的变化,如波谱、标准态热力学和反应性质等。超分子构成了纳米技术、材料科学和生命科学的重要组成部分,从理论研究超分子的自组装、自组织和自复制,是化学面临的巨大挑战。

    他还指出化学工程理论研究中处理宏观结构的方法是以三传一反为基础,如将每一个相处理为均相或层流,加以相间的双膜模型,微孔结构模型,三传一反理论可有效应用。这时,主要涉及前纳米和近纳米的微观结构,有时也涉及纳米到微米的介观结构。但许多实际系统具有宏观层次的结构如振荡、界面层结构、湍流等,必须研究这种结构,才能得到可靠规律。化学工程也应重视结构,当前更应重视宏观的结构。化学的研究方法可以借鉴。
    中科院大连化学物理研究所袁权院士作了题为“微化工系统”的中心议题报告。他指出微化工系统是基于微化工技术的化工过程。微化工技术是20世纪90年代初顺应可持续发展与高技术发展的需要而兴起的一门新的学科,它着重研究特征尺度在数百微米以下的微型设备和并行分布系统中的过程特征和规律。微型系统高效、灵活、易控制、生产安全,能大幅度提高相应系统的效率,也使分散资源可以充分合理利用。预计21世纪的微化工技术,将为科学技术领域的创新与发展做出重大的贡献。
    他介绍说,微化工系统通常包括了微热系统、微反应系统、微分析系统。微型设备的面积体积比很大,表面作用增强,传递作用比在常规尺度的设备中提高了2-3数量级。特征尺度的微型化,为科学领域带来许多全新的、复杂的问题。同时,化工过程的放大问题在这里转化为大量微型设备构成的模块的集成,系统的复杂性将大大增加。
21世纪的过程工程与学科交叉

    
中科院过程工程研究所陈家镛院士在“过程工程-共性的工程科学”的中心议题报告中首先通过回顾化学工程的发展史强调化学工程是唯一研究化学反应的、非常独特的工程学科,发展前景非常光明。他认为工业应分为过程工业和消费品制造工业,过程工业一般按照原料进行划分,制造业主要使用过程工业的产品作为原料,通过装配线来生产。化学工程将从过去主要针对过程工业,扩展到消费品制造工业。解决化学工程问题的方法将从实验和理论方法相结合转变为实验、理论方法和计算相结合。化学工程未来很可能会发展出化学工程师用化学工程方法研究生物系统的化学工程生物学,同时化学工业的全球化将为发展中国家在系统放大、新过程开发方面的发展提供机遇。
    钢铁研究总院殷瑞钰院士作了题为“钢铁工业与过程工程-冶金过程工程”的中心议题报告。他指出钢铁工业属于流程制造业,其上游是铁-煤化工过程, 下游是凝固-高温塑性变形和金属相变控制过程。钢铁制造过程在科学认识上的层次包括:(1) 基础性科学 — 主要解决分子、原子尺度上的问题;(2) 技术科学 —主要解决工序、装置、场域尺度上的问题; (3)工程科学 — 主要解决制造流程整体尺度和流程中工序/装置之间关系衔接匹配、优化的问题。冶金过程工程的研究方法应采用整体论(包括复杂性科学)与还原论相结合的方法。冶金过程工程的研究将促进钢铁制造流程的功能-结构-效率连锁优化;将促进信息技术在整体层次上进入钢铁制造流程(MIS/CIMS);将引导冶金过程与环境工程的结合, 推动生态工业与循环经济的发展。
    清华大学金涌院士作了题为“生态过程工程”的中心议题报告。他在报告中介绍了生态过程工程。生态工业是近年来兴起的自然系统耦合的循环经济模式,它基于物质可以循环利用,新能源的寻求和能源最有效的工程应用是问题的关键。生态过程工程要帮助人类实现资源的循环利用,就需要遵循低能耗转化技术规则、低物质化运行规则、产品灵巧化设计原则、过程的工程强化规则等,并坚持环境源头治理的理念—要开发清洁生产工艺与绿色化学工程。因此,人类追求生态过程工程的理想将为化学工程开辟广阔的发展空间。
    中科院过程工程研究所张懿院士在报告中指出化学化工的绿色化是学科发展和社会需求的必然趋势,化学工程与绿色化学的衔接综合,与资源环境-冶金材料-生物工程-计算技术的交叉结合,将产生广阔的创新空间,是解决过程工业可持续发展的关键科学与工程问题。同时现代科学/技术的转化周期加快,化学工程应用基础研究应尽快过渡到普适性技术平台与应用工程示范,淡化基础与应用研究阶段的界限。
会议小结
    李静海院士作了会议小结,他指出本次会议讨论了化学工程向过程工程发展的趋势以及过程工程、过程工业、产品工程的内涵,是一次认识复杂系统与复杂性科学的难得的交流机会,明确了过程工程的研究对象具有多尺度特征、研究内容分别向大尺度(宏观巨系统)和小尺度(纳微尺度)扩展,提出了一些重要的研究方向、措施。
    首先化学工程的共性是服务于各种过程工业,它不断地与数、理、化、力学、生物、计算等领域进行交叉,是唯一能够处理化学反应的工程科学。这些都决定了化学工程是一门非常重要、也有巨大发展潜力的工程学科。今后化学工程、过程工程应:(1)面向化学(包括生物)转化为基础的各种过程工业;(2)、面向以化学工程为核心科学的制造业;(3)、面向以人为重点消费者的产品的研究与开发。
    通过本次会议,大家都认识到过程工程的研究对象是复杂系统,具有非线性和非平衡、多种控制因素、结构多尺度的特点。结构是过程工程复杂系统的中心问题,解决的思路是发展简化的方法。
    化学工程向过程工程的发展趋势体现为应用领域和研究内容的扩展,应用领域除传统的领域如化学工业、石化等外,向生物、信息、环境、材料扩展;研究内容则分别向小尺度(分子和纳微尺度)、大尺度(如系统和生态工业)扩展;但是其核心仍可以归结为“三传一反+X”。
    过程工程的研究方法也出现新的变化,如从实验、理论向实验、计算、理论三者相结合的方向发展,学科交叉、复杂系统、多尺度、分子模拟都成为过程工程研究的重要方面。
    通过本次会议的研讨,提出了一些重要的研究方向,它们包括:
    (1)复杂系统: 主要有介观结构(包括结构调控、规模制备)、界面/表面/微分散/乳液、分子自组装、传统工业过程放大;
    (2)微过程和系统:主要有过程强化(包括电渗、等离子体、超临界)、特殊传递过程、智能化结构、生物/医药;
    (3)大系统:主要有生态和绿色过程工程、过程系统工程等;
    (4)计算化学工程:主要有分子模拟、介观结构模拟、CFD、系统集成;
    (5)产品导向的研究:主要包括生物、软固体、材料/膜、纳米、催化、医药、仿生/基因工程;
    (6)资源导向的研究:主要包括生物质、中药现代化、水资源、天然气水合物、太阳能、矿物资源、煤转化。
    与会专家建议应采取一些措施来促进化学工程/过程工程的发展,希望管理部门逐步改革在行业和学科划分方面的不合理性;希望高等院校的化学工程教育能加强学科交叉和领域最新知识的教育;科研管理要重视合理规划,并认真落实。
发表时间:2010-2-21
 
泛球生物网 版权所有
Copyright 2006-2020 All Rights Reserved
京ICP备12031349号
手机:+86-13910029404   电话:+86-10-62981422   SKYPE:FUJVWANGSD@HOTMAIL.COM   EMAIL:info@globalbiologicals.com    QQ:250577824