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多相反应过程中的介尺度机制及调控重大研究计划 2013年度项目指南

日期 2013-03-12   来源:   作者:  【 】   【打印】   【关闭

  过程工业涵盖能源和资源转化利用等重要基础产业,但其效率低、污染重、资源浪费严重以及技术开发周期长、费用高等问题已成为该行业和全球可持续发展的瓶颈。而多相反应过程是其中最普遍与核心的过程,探索其介尺度行为的形成机理、实现其科学定量描述与定向调控已成为过程工业发展和复杂系统研究共同的前沿。

  所谓介尺度行为,是由大量单元组成的系统在全局与个体之间的尺度上形成的复杂时空结构。在多相反应过程中,它主要表现在分子到颗粒(包括气泡、液滴等)间的材料表界面时空尺度、以及颗粒到反应器整体间的颗粒聚团时空尺度。其中发生的化学反应(原子分子水平)受传质扩散(分子群水平)和流动(宏观统计水平)的影响而呈现复杂行为。本重大研究计划将探索该行为中不同尺度控制机制的关联与耦合,建立其物理数学表述,推动跨领域、跨学科的介尺度科学的形成与发展,并服务于相关工艺过程的开发。

  为此,本重大研究计划将瞄准国际科学前沿、面向国家节能减排与可持续发展的重大战略需求,服务于煤炭和重质油的高效清洁综合利用等关键技术,通过实验、理论分析和计算机模拟等手段,聚焦反应介质与催化材料的表界面和反应器内的动态颗粒聚团两个介尺度及其在颗粒尺度的结合,重点揭示介尺度结构对反应-传递-流动行为的影响及其耦合规律,建立多相反应过程定量、优化设计和调控的方法,并形成以介尺度科学为基础的过程工程学科新方向。

  一、科学目标

  本重大研究计划拟通过化工、化学、力学、材料、数理和信息等多学科的交叉,在介尺度科学及其工程应用上取得重大成果。在理论上,建立和发展以介尺度科学为基础的过程工程学科新体系;在技术上,针对能源与资源的高效清洁利用,形成国际领先的多相反应过程介尺度结构测量、模拟放大和调控能力;在应用上,突破煤炭高效洁净利用、重劣质油加工等过程放大的科学难题。同时培养和凝聚一支国际一流的介尺度科学研究团队,引领世界介尺度科学的前沿。

  二、核心科学问题

  本重大研究计划将重点针对多相反应过程中介尺度行为和效应显著的气固、气液、气液固和复杂流体等系统,瞄准煤转化和重油裂解等重大工艺开发的共性基础问题,在深入剖析现有典型工艺的基础上,对材料表界面和颗粒聚团两个介尺度以及它们之间的颗粒尺度进行流动-传递-反应耦合的研究,解决以下三个关键科学问题:

  (一)反应器微元及微反应系统中介质及催化材料表界面介尺度结构的形成机理与反应的定向调控。重点是揭示反应与扩散过程的机制及其耦合,由此量化反应路径、反应产物的成分和结构间的相互影响。

  (二)多相反应器中介尺度流动-传递过程的多机制耦合与调控。重点是在多种宏观约束下,建立反应器中宏观基本单元(颗粒)的真实模型,明确各相的控制机制及其相互关系,从而阐释其介尺度行为-非均匀结构的形成机理及其对传递过程的影响。

  (三)在研究以上两个问题的基础上,建立颗粒尺度上反应-传递-流动跨尺度关联的理论与调控方法。重点是不同尺度机理模型的统一,在颗粒尺度形成对反应和催化等过程的各种现象的综合描述,实现反应与流动和传递耦合的数学建模与优化分析。

  这三个问题的解决,将奠定多相反应过程介尺度研究的基础,并为相关过程的开发提供强大的理论与技术手段,实现在反应介质、催化剂、反应器和集成技术等方面的系统原始创新,并为形成普遍的介尺度理论与方法体系、最终形成介尺度科学奠定坚实基础。

  三、2013年度重点资助领域和研究方向

  本着从个性到共性,从现象到机理,从认识到调控的原则,本重大研究计划拟分年度发布指南。前两年集中分析一批典型关键工艺,抽提其中的多尺度时空结构,并逐步聚焦于介尺度结构的研究,以及对介尺度行为的测试分析和模拟手段的建立;中间三年重点揭示介尺度行为的机理以及调控方法,建立有效的数学模型;后三年重点支持对形成介尺度科学具有普遍性和基础性的项目成果的集成、深化与应用。

  为此,2013年度拟重点支持介尺度及跨尺度耦合的基础研究、实验和模拟方法的建立。

  (一)表界面介尺度结构与反应-扩散过程的相互关系及其调控规律。

  研究反应器微元或微反应系统中颗粒、非常规流体等介质或催化材料的表界面反应-扩散耦合过程,甄别其中的多种控制机制及其相互关系,阐明其对表界面介尺度结构形成的影响。研究反应介质或催化剂的不同表界面介尺度结构对扩散过程、反应历程和产物成分等的影响;研究相关过程的调控手段与方法;鼓励对重油裂解、甲醇制烯烃、合成气直接制甲烷和烯烃等既有典型催化反应过程,以及煤转化等复杂反应过程的研究;鼓励提出相关反应过程及催化材料设计的新概念、新理论、新方法和新体系。

  (二)多相反应器中介尺度流动结构与传递过程的相互影响与调控。

  研究典型流动介尺度结构的几何、力学和传递性质的定量表征,及其内在关系的形成机理;重点针对煤、油转化利用和大宗化工材料等重要工艺中典型的气固、气液、液液和复杂湍流与散体系统等,研究其中流动-传递过程各自的控制机制及其在介尺度上的耦合,并由此建立其性能调控方法。支持在深入分析既有工艺的基础上,利用介尺度理论探索反应器新形式,建立介尺度科学的应用范例。

  (三)典型系统中颗粒尺度反应-传递-流动过程的量化表征与相互影响机理分析。

  选择对煤、石油和材料等领域具有重大意义的体系,在颗粒尺度分析其两侧的不同介尺度行为的耦合作用的机制,确定不同介尺度结构对该尺度行为的影响机理,发展相应的调控方法,揭示多个介尺度的共性规律和介尺度科学的本质。研究反应、传递与流动过程在颗粒尺度的参数传递方式与依赖关系。鼓励构建考虑介尺度结构影响的有效反应动力学模型,并获得介尺度行为的基础数据;鼓励对催化剂表界面与反应器流动结构的匹配机理研究、催化剂或反应介质与反应器结构的耦合设计与调控。

  (四)针对介尺度动态过程的高精度在线无损测量方法及其分析处理手段的建立。

  集成现有单元技术,提出适应介尺度研究需求的动态过程精确测量和量化表征的方法,特别是非接触手段对反应-传递-流动耦合过程的测量;鼓励发展针对表界面和反应器内聚团两个介尺度行为的原位、在线和多尺度、多过程耦合测量的方法与手段;鼓励发展实验、测量、数据图像处理和分析的实时耦合系统;鼓励与数学、物理、力学及信息领域的合作。

  (五)针对具体体系的多尺度关联和介尺度建模的方法和理论及相应的模拟方法与手段。

  针对复杂反应介质和催化材料、乳液、胶体、散体及复杂颗粒等体系,定量分析和表征特定复杂系统中介尺度结构的特征、性质和形成机理;针对多相复杂系统的时空多尺度特性,开发适用于不同层次的介尺度模型;研究并发展适应于介尺度模型的高效精确模拟手段。鼓励发展针对共性机理及关联机制的数学模型与数值计算方法的研究,鼓励在本方向上与数理、力学、系统科学及信息领域的合作,形成跨领域、跨学科的介尺度科学共性基础理论;鼓励跨尺度的理论、模拟、实验与数据分析研究的有效结合,服务典型工艺过程开发。

  四、2013年度资助计划

  本重大研究计划2013年拟对探索性强、开拓新方向的申请按“培育项目”予以3年80万元左右的资助,数量约30项;对有一定工作积累、有望在介尺度科学方面取得重要突破的申请将按“重点支持项目”予以4年300-400万元的资助,数量约5项。鼓励不同学科研究队伍的共同参与。

  五、遴选项目的基本原则

  为确保形成介尺度科学的总体目标,本重大研究计划要求申请应针对介尺度行为的本质机理,提出深入的工作。具体要求如下:

  (一)项目选择原则。

  1.对象:面向过程工程领域涉及能源与资源高效转化利用的多相反应过程,开展多尺度机制与调控的基础研究。要求研究真正的介尺度问题,即:需要明确研究对象中的“小”尺度、“大”尺度和介于之间的“介尺度”的具体内涵。

  2.内容:必须明确所研究问题的介尺度特征,并提出认识介尺度行为机理的思路,认识和揭示介尺度行为形成的机制,演化规律和稳定性条件。研究手段可包括实验、计算和理论分析。

  3.目标:对多相反应过程的介尺度研究提出原创的基本理论与方法,显著推进理论的集成升华和应用,为介尺度科学的形成作出实质性贡献,并将所认识的规律应用于实际能源与资源高效转化利用过程。

  4.形式:鼓励多学科的实质性合作研究,特别是与数理、化学、信息等学科间的交叉;注重理论与实验的有机结合;鼓励国际合作。

  (二)优先资助方向。

  1.对介尺度科学具有原创性的理论和方法,能深刻揭示研究行为中不同机制相互作用的规律,提出严密的理论模型和可行方法;

  2.针对多相反应过程中材料表界面和颗粒聚团两个介尺度在颗粒尺度关联的研究;

  3.上述两方面在能源与资源高效转化利用等领域应用基础研究,特别是对低劣质煤和劣质重油的高效综合利用。特别鼓励对介尺度科学共性数学和物理问题的研究。

  (三)不宜资助情形。

  1.虽针对介尺度问题,但非机理性和基础性研究,不涉及介尺度行为形成的机制;

  2.不能明确介尺度问题,只是对多尺度问题的笼统描述;

  3.超出指南界定的三个核心科学问题,即两个介尺度问题及其在颗粒尺度的耦合。

  六、申请书撰写特殊注意事项

  为保证上述遴选原则的实施,请在申请书正文起始处专列“申请概要”一节,明确叙述以下内容:

  1.指南所列的三个关键科学问题中,本申请重点针对哪个?(根据有限目标的原则,建议探索项目仅研究一个问题、重点项目不同时研究三个问题。)

  2.所研究的介尺度现象是什么?其中涉及的大、小尺度是什么?

  3.哪些因素导致该介尺度结构?这些因素如何相互作用?对该结构的稳定性的研究有何见解?

  4.拟采用的主要研究方法(包括实验、理论、计算)是什么?

  5.申请人在本项目研究方向上有何基础?并请列举不超过3篇已发表的代表性论著。

  本节内容限2000字和两个印刷页以内,将作为评估申请是否符合指南的重要依据。

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