科学委员会化学科学部,北京100085)摘　要　综述了化学反应工程中复杂时空多尺度结构及特征,指出研究时空多尺度结构特征及其各尺度之间相互作用规律等是认识物质传递、反应、分离及对产品结构和性能影响的关键科学,可对化工生产中设计、放大及调控和优化起到重要的指导作用,并对21世纪化学工程的发展产生深远的影响。
　　近十几年来,在近代科学与技术的快速发展的推动下,化学工程的传统领域在学术内涵和研究目标上正发生着深刻的变化,继单元操作、传递原理和反应工程之后,化学工程将逐步进入新的发展阶段,化学工程在21世纪正孕育着新的突破与挑战。
　　化学反应工程中的物质转化多数属复杂系统,物质转化过程向产业化的过渡十分艰难,是制约我国化学工程乃至经济发展的瓶颈问题之一。对物质转化过程的深入认识,特别是对其中时空多尺度结构的形成和变化规律的认识,是解决这一"瓶颈"的关键。
　　以前对问题的认识多属于对宏观现象的认识,而对其动态的随时空变化的多尺度结构的特征的认识是不深入的,具体的科学问题主要有:微尺度的构象和界面现象,颗粒尺度的形状效应,聚团尺度不同物相的自组织,设备尺度物料、温度、压力和流速分布,以及这些不同尺度结构之间的相互作用规律和耦合等,由于目前对上述科学问题的认识与研究尚未达到深入的程度,因而,人们仍难以解决化工生产中如定量设计、放大以及调控和优化等实际问题。
　　传统的化学工程理论和方法难以从深层次解决这些问题。必须摆脱传统的只从宏观现象认识问题的研究思路,从复杂体系的不同层次上深入研究这种时空多尺度的结构特征,进而研究其对物质传递、反应、分离及其对产品结构与性能的影响,并从中归纳时空多尺度结构形成的机制、稳定性和突变等共性规律,建立分析、计算和测量时空多尺度结构及不同尺度结构之间相互作用规律的方法和理论。
　　重点突破相邻尺度现象之间和跨尺度作用的关联,各种多尺度结构的定量预测以及这些方法在实际过程如过程强化、微化工系统、过程耦合和过程放大中的验证和应用。
　　时空多尺度结构是21世纪很多学科研究的焦点。过程量化、设计、放大和强化是21世纪化学工程科学主攻的目标。因而对化学工程中的时空多尺度结构特征的认识和研究很可能对化学工程在21世纪的发展产生深远的影响。
　　实验室成果产业化的关键化学和化学工程研究物质转化及其过程,是国民经济的一个重要基础,物质转化必须经过工艺、过程和工程才能实现产业化。对物质转化过程的深刻认识是使实验室成果顺利产业化的关键。
　　整个工业体系主要由过程工业和产品制造工业构成[1],过程工业的核心是物质的化学、物理和生物转化过程,而产品制造工业也涉及很多物质转化过程的内容,并多数以过程工业的产品为原料。
　　过程工业不仅包括化工、冶金、能源、材料、石油、食品、水泥、化肥等传统产业,而且涉及生物技术、微电子、纳米材料、医药和环境等领域,在国民经济总产值中占有很大的比重,因此,物质转化是国民经济的基础。
　　化学研究物质发生化学反应的规律,发现新的反应,创造新的工艺;化工则通过对过程的调控,使已有的工艺在工程上得以实现,确保在整个反应系统中反应条件和环境能够满足工艺的要求。化学化工共同创造了当前相关的各种过程工业。
　　针对新的需求和可持续发展的要求,化学家仍在不断创造各种新的物质和相应的工艺。但与之相比,化学工程对物质转化过程及相应的工程科学问题的认识却远远不能满足需求,已有的很多工艺在工程中仍很难实现。过程工业中实验室成果向产业化的过渡成为工程界和学术界久未解决的问题之一。
　　这里既有基础理论问题,也有应用基础理论问题。我国过程工业中的主要工艺、流程和设备多数依赖进口,现有技术又存在能耗高、污染严重、浪费资源、产品质量低等问题。另一方面,工业生产环境、条件越来越严格,竞争越来越严峻。因此,深刻认识各种物质转化过程,并实现各种工艺和过程的定量、设计和放大,是缩短开发周期,提升传统产业,实现我国经济跨越式发展的关键。从而,化学工程才能在国民经济的发展中起重要的战略作用。
　　研究时空多尺度结构特征是认识化工复杂过程的一个关键科学问题通过计算和预测化工过程中时空多尺度结构,以及研究相邻尺之间的内在联系及基本规律,定量设计和放大才能顺利进行,才能加快使实验室成果实现产业化的进程。
　　时空多尺度结构是指物质转化过程中浓度、压力、温度、流速等的非均匀分布,表现在时间上动态变化,空间上各点均存在差异,由此产生的效应是指这种结构的变化对过程反应、传递,进而对产品结构及性能产生的影响,其对转化过程起着主要的控制作用。
　　为保证系统内部物质转化条件满足工艺的要求,对化工过程的控制只能在系统或设备尺度进行,这些调控措施,通过对各种尺度的现象发生作用,最终对微观尺度的化学反应条件发生影响。因此,认识各种尺度的时空结构及其变化规律成为21世纪过程工程科学研究的焦点之一,也是过程工业发展的关键。图1显示了物质转化过程中从大到小5种尺度的不同时空结构及其对过程的影响。
　　系统尺度的结构(图1a)　这一尺度的结构不仅包括物态结构,更重要的是各种物料、温度、压力和流速的分布。在这个尺度上,通过改变物质流、能量流和动量流的分布和组合,使系统内各点尽可能达到最佳的工艺条件,确保产品质量和图1　物质转化过程中各种尺度的结构减少污染排放。
　　设备尺度的结构(图1b)　表现为各种物料、温度、压力和流速的轴向和径向分布。这种分布对物质转化过程影响显著,如在燃烧过程中径向不均匀分布可有效促进混合,有利温度分布均匀;而在石油催化裂化过程中,径向分布则会导致返混,严重降低转化率和选择性。化学工程中的放大效应多数是由于这种结构无法或难以预测而产生的。
　　聚团尺度的结构(图1c)　在各种各样的多相反应系统中,不同的"相"会分别聚集,形成非常复杂的自组织结构。这种结构对反应和传递性能影响很大,如分散状态和聚集状态相比,在所有条件相同的情况下,传递和反应性能差别很大。
　　微尺度的结构(图1e)　随着纳米技术和微化工系统的兴起,人们认识到这一尺度上的结构更加复杂。如小尺度通道中由于表面张力作用形成的各种微结构,在微小空间中物态和热力学性质的改变,材料的构象和表面改性对性质的影响等。
　　此时,传统的理论和知识已不再完全适用,这一方面为一些高技术产业的发展提供了机遇(如微电子、功能材料等),如微换热系统中的换热系数是常规系统中的几个数量级;因此,研究纳、微尺度结构及其变化规律是认识在该尺度可能产生奇异现象的关键,也是化学、化工界共同感兴趣的科学问题,解决了这样一个关键的科学问题,有可能使纳米技术及微化工技术实现重大突破及加快产业化的进程,另一方面,也为化学工程提出了新的挑战,毫无疑问,化学工程在纳、微技术产业化过程中将发挥重要作用。

论文格式没有一个固定或都官方的样式，但是约定俗成，多看看不同的期刊的要求，结合自己的的需要再进行修改创作吧！