介科学研究部

　　介科学研究部以介科学为核心解决过程工程的共性基础与前沿问题，建立气固、气液、湍流、颗粒等复杂系统和材料与生化等领域的多尺度理论、高效准确的模拟方法和实验手段。

　　2022年度研究部承担了中科院国际大科学计划培育专项和院战略性先导科技专项等70余课题，在化工主流期刊发表论文70余篇，组织了第五届国际介科学组织筹备专家组会议(线上)。在怀柔科学城建设的介科学与虚拟过程平台已达到竣工验收条件，完成了部分设备采购。

　　重点进展一：介科学研究的综述论文

　　介科学研究的综述论文发表在国际著名期刊Annual Review of Chemical and Biomolecular Engineering (2022, 13:431-455)。讨论了各种化工和生物系统中的复杂行为，以阐明它们的共性、应用介科学方法解决更广泛的复杂问题。这可能为不同学科建立新的科学范式，并提供有效的工具解决各领域的重大挑战，从而为科学范式变革铺平道路。论文强调了复杂性问题是多层次、多尺度的，复杂性往往出现在介区域和介尺度上，根据实例研究总结了理论认识和数学工具的相关进展，强调了物理和数学之间的融合以及介区域的重要性。

图1 介区域中的多层次介尺度复杂性

　　重点进展二：MIP虚拟工厂落地

　　建立耦合EMMS的离散模拟粗粒化模型，耦合气固两相流介尺度结构曳力、反应动力学和传热模型，在多相系统多尺度离散模拟软件DEMms平台上，实现了工业最大化异构烷烃（MIP）反应器的虚拟运行，准确预测了120万吨/年MIP反应器的催化剂和产物分布等运行数据 (Chemical Engineering Journal, 2023, 454: 139979)。以此实现了中石化金陵石化350万吨/年MIP反应器的多条件及非稳态虚拟运行和虚拟监控等功能，为设备的员工培训、故障预警、操作优化和日常运维优化等多方面提供支撑。

图2 中石化金陵石化350万吨/年MIP工艺流程虚拟工厂

　　重点进展三：探索多尺度曳力建模流动-反应的关键耦合量及亚网格变量

　　实际工业反应器中，反应、物性、操作条件和变径等几何因素，导致变量剧增，介尺度效应更强。在反应模拟时，变量的增多不仅给相间传递的数学表达带来困难，且大幅增加了反应模拟的计算量。针对上述问题，本工作以催化裂化变径反应器为例，耦合机器学习，确定一系列变量组合，依次确定各变量对反应模拟的影响权重，结合反应模拟和理论分析证明了空隙率和滑移速度是流动-反应耦合的关键变量。上述工作发表在Industrial & Engineering Chemistry Research (2022, 61: 8566)。

图3 流动和反应耦合的关键变量确定过程