化工过程物质与能量高利用的集成优化基础研究.doc

一、关键科学问题及研究内容 对化工过程系统而言，实现安全稳定生产、降低生产过程的能耗和物耗、实现低碳运行和减少废物对环境的影响，是化工生产装置高效运行的重要标志。化工生产从原料到产品要经过多个物理与化学加工过程，这些过程通过物质流、能量流和信息流相互耦合，构成一个有机的多层次、多功能的复杂过程系统。化工过程系统的整体行为包括物质的转化效率和能量的利用效率，系统的柔性、安全性与稳定性，可控性与可操作性等，这些行为直接体现在化工过程的物耗、能耗、资源利用效率以及废物排放。化工生产过程的高效、节能减排是一个多层次、多目标、大规模的非线性复杂系统优化问题，不仅涉及化工过程中反应/传递协同机制、多单元过程组合机制与系统运行效能关系，以及过程的流程拓扑结构、工艺参数对过程稳定性、可控性影响规律的研究，而且化工过程强非线性、大滞后、多变量耦合以及经济、环境与安全等不确定性因素对系统整体行为的调控和优化研究带来很大挑战。 化工过程系统的整体行为受系统内不同尺度物质转化过程和多层次结构的影响，虽然决定系统整体行为的过程与结构通常集中在某一尺度和某一层次，但如何辨识对系统整体行为起决定作用的关键尺度和层次，需要利用系统工程研究方法实现在局部与整体之间、短期与长远之间、效益与环境影响之间多目标的协调。只有在确定对系统整体行为起关键作用的尺度和层次之后，才能利用化学工程和控制工程手段对关键结构和性能进行优化，达到系统整体最优的效果。因此，从原理上，要实现化工过程集成优化，首先需要以物质转化过程机理为基础，从系统的多层次结构出发，预测系统的整体行为；其次是构建对系统整体行为起决定作用的关键流程；最后是调控和优化系统的整体运行行为。而要实现系统整体行为预测、关键流程构造和系统整体运行优化需要解决以下三个关键科学问题： 科学问题一：物质转化过程机理与系统行为特征关系 科学问题二：多过程能/质耦合的流程结构与系统效能关系 科学问题三：系统整体行为的智能调控和集成优化机制 第一个科学问题主要从物质转化过程本质特征出发，揭示物质转化机理、反应/传递过程协同机制、过程稳定性和可控性与系统整体行为之间的共性规律，实现过程行为的预测、单元设备内部结构的优化，选择具有良好系统行为特征的过程拓扑结构以及操作区域，为过程高效能/质转换提供保障。 主要研究内容包括： (1) 反应机理与反应动力学。研究多组分、具有复杂反应网络的热转化和均相催化反应动力学模型化方法；研究非均相催化反应机理和催化剂结焦与失活机理，通过微观反应动力学分析确定反应过程控制步骤；研究催化剂多尺度孔结构特征，建立一维、二维和三维孔结构物理和数学模型；研究多尺度传递问题，建立催化剂颗粒内部反应与传递过程连续模型，预测整个反应过程的转化率和选择性。 (2) 流场结构形成机制与调控。研究流动结构/界面结构的形成机制与特征，利用反应器内构件实现流体流动与相间接触结构化的手段和效应；研究内构件结构及其操作对反应器区域和整体流体力学性能的影响，建立流动和传递模型；研究优化流场结构和调控流体力学性能的方法和手段，强化传递。 (3) 反应/传递过程协同机制与能效分析。研究单元过程设备中的反应-反应、传递-传递、反应-传递等过程的反应/传递速率匹配与热集成的原理和方法；研究反应和烧焦动态操作周期，以及不同机制、速率和时间尺度的失活对反应过程效率与操作性能的影响；通过单元设备结构优化和操作条件优化，提出反应/传递协同增效策略，实现面向节能降耗的不同过程间的合理匹配。 (4) 复杂化工过程的多稳态及其稳定性和可控性分析。针对复杂化工过程，开展过程多稳态解的确定与求解算法研究，提出所有稳态解的稳定性和可控性分析方法，揭示设计/操作参数对稳定性和可控性的影响规律，研究全参数可行域内具有不同稳定性和可控性的操作子区域的构建策略。 (5) 过程系统行为特征的多目标调控。研究评价过程系统动态行为的稳定性和可控性的量化指标，定量分析比较不同设计/操作参数条件下复杂化工过程的稳定性、可控性的影响，并建立综合考虑经济性、稳定性和可控性的多目标优化模型，研究多目标优化问题非凸非劣解集的求解算法，寻求最佳的调控方案。 (6) 复杂化工过程拓扑结构域的稳定性与可控性分析及其调控。研究化工流程的稳定性和可控性判断方法，考察化工过程拓扑结构与流程稳定性和可控性的内在联系，构建优化流程拓扑结构的超结构模型，确定包括稳定性及可控性要求在内的约束条件，研究面向高效能/质转化的既稳定又可控的最优流程拓扑结构及其调控方法。 第二个科学问题主要从系统构效关系出发，揭示多单元过程组合形式、能/质交换网络结构与系统效能之间的有机联系，通过流程重构和能/质的梯级利用，实现物质转化过程的优质、节能、减排。 主要研究内容包括： (1) 多过程组合结构及其效应分析。研究多单