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| 內容簡介： |
《化学工程学科前沿与展望》为国家自然科学基金委员会组织编写的《中国化学科学丛书》系列之一，由我国化工领域的一线专家和学科带头人合作编撰而成。全书共13章，内容包括绪论、反应工程与分离工程、化工过程中的表（界）面科学与工程、计算化学工程、化工过程放大的科学基础、化学产品工程、多尺度复杂化工过程、非常规化工过程的科学基础、生物与食品化工、能源化工、材料化工、资源与环境化工，以及过程系统工程与化工过程安全。以大量进展实例和参考文献，全面而系统地介绍了各领域的研究背景与意义、研究现状与趋势、重要共性科学问题与技术关键、近五年重要研究进展和发展方向与思路。
《化学工程学科前沿与展望》可供化学、化工以及材料、资源、能源、医药等交叉学科领域的研究人员、工程技术人员、高年级本科生、研究生和管理人员等参考。
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| 關於作者： |
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国家自然科学基金委员会化学科学部、孙宏伟、段雪
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| 目錄：
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《中国化学科学丛书》序
前言
第1章 绪论
1.1 国内外化工学科发展态势
1.1.1 科学意义
1.1.2 社会经济需求
1.1.3 总体发展趋势
1.1.4 小结
1.2 我国化工学科的发展状况
1.2.1 学科整体研究水平已步入世界前列
1.2.2 化工学科为推动我国化工产业发展作出了重要贡献
1.2.3 化工学科的快速发展得益于国家的资金资助
1.2.4 我国化工学科已拥有高水平的研究队伍
1.2.5 小结与展望
1.3 化工学科发展的指导思想与战略目标
1.3.1 国家自然科学基金对化工学科发展的作用
1.3.2 指导思想
1.3.3 总体发展目标与战略
1.3.4 保障措施
第2章 反应工程与分离工程若干最新进展
2.1 背景与意义
2.2 研究现状与发展趋势
2.3 重要科学问题与技术关键
2.4 若干重要研究进展
2.4.1 多相复杂反应流动的先进测试和模拟技术
2.4.2 微尺度流动、传递和反应性能
2.4.3 大型高效精馏技术
2.4.4 天然活性物质高效分离技术
2.4.5 低能耗渗透气化膜分离技术
2.5 发展方向与思路
参考文献
第3章 化工过程中的表界面科学与工程
3.1 背景与意义
3.2 研究现状与趋势
3.2.1 表界面现象的基础研究
3.2.2 催化剂表界面结构的理论研究与实验表征研究现状
3.2.3 催化剂表界面结构的调控及其应用研究现状
3.2.4 催化剂表界面研究的发展趋势
3.3 重要科学问题与技术关键
3.3.1 固体表面润湿性的多尺度物理机理
3.3.2 气液、液液界面结构及其对传递过程的影响
3.3.3 催化剂表界面结构与催化机理的多尺度模拟
3.3.4 催化剂表界面结构在反应过程中的动态变化及实时表征
3.3.5 催化剂表界面结构制备以及调控技术
3.4 重要研究进展
3.4.1 金属-金属氧化物界面结构与CO2活化的密度泛函理论研究进展
3.4.2 新型低温氧化纳米催化剂的结构表征与应用进展
3.4.3 能量高效转化催化的基础研究
3.4.4 煤的结构特征及其与反应性的关系和调变
3.4.5 绿色氧化新工艺及产业化
3.4.6 列管式反应器原位表面调控防结焦技术及应用
3.4.7 基于化学工程原理与方法的纳米材料合成与结构调控
3.4.8 多相界面流体结构的密度泛函理论及其应用
3.5 发展方向与思路
参考文献
第4章 计算化学工程
4.1 背景与意义
4.1.1 电子尺度
4.1.2 原子尺度
4.1.3 介观尺度
4.1.4 连续尺度
4.2 研究现状与趋势
4.2.1 经典分子动力学模拟与蒙特卡罗模拟在化学工程方向的研究进展
4.2.2 流体力学方法在化学工程方向的研究进展
4.3 重要科学问题与技术关键
4.4 重点发展方向
4.4.1 受限条件下流体的分子模拟及纳微尺度和表界面的量化计算与分子模拟
4.4.2 新型分离与反应过程中材料的分子设计、结构筛选与性能计算
4.4.3 解决描述化学工程中分离、反应及其大系统过程优化的理论模型化及其求解问题
4.4.4 大分子、生化体系及仿生材料的模拟
参考文献
第5章 化工过程放大的科学基础
5.1 背景与意义
5.2 研究现状与趋势
5.3 重要科学问题与技术关键建议
5.3.1 化工反应器的设计、优化和放大
5.3.2 用于化工过程放大的实验、数学模型和数值模拟
5.4 重要研究进展
5.4.1 多相反应器设计和放大的化学反应工程基础研究
5.4.2 搅拌反应器放大中的科学问题与研究进展
5.4.3 工业生物过程放大中的科学问题与研究进展
5.4.4 聚合反应与聚合物材料制备过程中的放大
5.4.5 精馏与集成过程放大中的科学问题与研究进展
5.5 发展方向与思路
参考文献
第6章 化学产品工程
6.1 背景与意义
6.2 研究现状与趋势
6.3 重要科学问题与技术关键
6.4 重要研究进展
6.4.1 插层组装与产品工程
6.4.2 微球、微囊材料的可控制备及其在生物技术中的应用
6.4.3 染料分子功能强化
6.4.4 基于活性自由基聚合的高分子可控制造技术
6.5 发展方向与思路
参考文献
第7章 多尺度复杂化工过程
7.1 背景与意义
7.1.1 化学工程面临的挑战与机遇
7.1.2 介尺度结构的量化与调控是复杂化工过程的共性科学问题
7.2 国内外研究现状
7.2.1 以多尺度结构和复杂系统研究为契机,化学工程及其相关学科正从分化再度走向融合,孕育着新的发展与突破
7.2.2 多尺度研究的核心和难点在于介尺度,而且正在孕育向介尺度研究的深化
7.2.3 高性能计算理论与技术、高精度测量方法为介尺度研究提供了有效手段,而其发展瓶颈也在于介尺度结构
7.3 重要科学问题与关键技术
7.4 重要研究进展
7.4.1 针对复杂多相系统的多尺度模拟研究与应用
7.4.2 复杂物系多尺度结构调控与相关材料性能-结构-制备关系的研究
7.4.3 多相聚合反应体系的时空多尺度结构及其实验表征
7.5 发展方向与思路
参考文献
第8章 非常规化工过程的科学基础
8.1 超重力强化化工过程的科学基础
8.1.1 超重力技术背景与发展历史
8.1.2 超重力技术的研究进展
8.1.3 超重力技术的工业应用
8.1.4 重要科学问题与技术关键
8.1.5 超重力技术展望
8.2 等离子体强化化工过程的科学基础
8.2.1 物质第四态——等离子体态
8.2.2 等离子体强化化工过程研究进展
8.2.3 等离子体强化化工过程拟解决的关键科学问题
8.2.4 等离子体强化化工过程未来发展展望
8.3 新介质强化原理及应用
8.3.1 导论
8.3.2 在离子液体介质中的化工过程
8.3.3 在超临界介质中的化工过程
8.4 微化工技术
8.4.1 导论
8.4.2 微化工技术的科学基础
8.4.3 微化工技术的工业应用
8.4.4 微化工技术的发展前景
参考文献
第9章 生物与食品化工
9.1 背景与意义
9.1.1 工业生物技术
9.1.2 食品化工技术
9.2 研究现状与趋势
9.2.1 工业生物技术
9.2.2 食品化工技术
9.3 重要科学问题与技术关键
9.3.1 工业生物技术
9.3.2 食品化工技术
9.4 重要研究进展
9.4.1 工业生物技术
9.4.2 食品化工技术
9.5 发展方向与思路
9.5.1 工业生物技术
9.5.2 食品化工技术
参考文献
第10章 能源化工
10.1 背景与意义
10.2 研究现状与趋势
10.2.1 煤化工
10.2.2 石油化工
10.2.3 天然气化工
10.2.4 生物质能
10.2.5 太阳能光伏发电
10.2.6 氢能氢燃料电池
10.2.7 微藻
10.3 重要科学问题与技术关键
10.4 重要研究进展
10.4.1 煤化工
10.4.2 石油化工
10.4.3 天然气化工
10.4.4 生物质能及微藻
10.4.5 太阳能
10.4.6 氢能燃料电池
10.5 发展方向与思路
参考文献
第11章 材料化工
11.1 背景与意义
11.2 研究现状与趋势
11.3 重要科学问题与技术关键
11.4 重要研究进展
11.4.1 环境响应型智能膜与控制释放载体材料的化工基础研究
11.4.2 混合导体透氧膜与膜过程基础研究
11.4.3 活性自由基聚合反应工程基础研究进展
11.4.4 面向应用过程的陶瓷膜设计与制备方法
11.4.5 纳米材料结构调控及过程放大
11.5 发展方向与思路
11.5.1 材料结构与性能的构效关系研究
11.5.2 材料制备的化学工程方法研究
11.5.3 材料的化学工程应用基础研究
参考文献
第12章 资源与环境化工
12.1 背景与意义
12.1.1 作为化工原料的矿产、海洋和生物质资源状况及开发意义
12.1.2 典型清洁合成方法和环境化工状况及开发意义
12.2 研究现状与趋势
12.2.1 作为化工原料的矿产、海洋和生物质资源研究现状与趋势
12.2.2 典型清洁合成方法和环境化工研究现状与发展趋势
12.3 重要科学问题与技术关键
12.3.1 作为化工原料的自然资源高效转化与高值利用的重要科学问题与技术关键
12.3.2 典型清洁合成方法和环境化工中重要科学问题与技术关键
12.3.3 环境化工中的重要科学问题与技术关键
12.4 重要研究进展
12.4.1 镁化合物功能材料的开发和利用
12.4.2 海水提钾技术研究
12.4.3 贵金属纳米材料的生物质还原制备技术
12.4.4 湿法磷酸净化与磷化工清洁生产工艺
12.4.5 杂环芳烃氟化制备技术和新功能的精细氟化物与应用
12.4.6 工业木质素资源化高效利用研究与应用
12.4.7 淀粉化学品研究进展
12.4.8 离子液体及其清洁化工过程的基础研究
12.4.9 铁基离子液体中硫化氢酸性脱硫技术
12.4.10 水处理高级氧化技术的机理及污染物氧化反应过程
12.5 发展方向与思路
12.5.1 镁
12.5.2 钾
12.5.3 生物质还原制备贵金属纳米颗粒
12.5.4 磷、硫资源
12.5.5 氟
12.5.6 生物质木质素和淀粉
12.5.7 离子液体
12.5.8 工业过程气中硫化氢脱硫资源耦合技术发展方向和思路
12.5.9 水处理高级氧化技术发展方向与思路
参考文献
第13章 过程系统工程与化工过程安全
13.1 背景与意义
13.2 研究现状与趋势
13.2.1 过程系统集成
13.2.2 过程系统的建模、优化和控制
13.2.3 化工过程安全
13.2.4 化工过程的全生命周期评价和可持续性研究
13.3 重要科学问题与技术关键
13.4 重要研究进展
13.4.1 过程系统优化和控制
13.4.2 过程系统集成
13.4.3 化工过程安全
13.4.4 生命周期分析的过程可持续性评估与应用
13.5 发展方向与思路
参考文献
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| 內容試閱：
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第1 章 绪论
1.1 国内外化工学科发展态势
1.1.1 科学意义
化学工程科学是多学科交叉结合形成的应用于物质转化过程的工程科学的分支之
一，是与资源、能源、化工、冶金、环境、电子、生物、制药、化肥、食品等过程工业紧密相关的
应用基础科学，其任务是通过在基础科学层面上深入揭示物质转化过程中物质传递和反
应之间的关系及其对物质组成-结构-性质的影响，创建高效、清洁、节能、安全、经济并且
符合可持续发展要求的物质转化工艺和相关系统，解决实验室成果产业化中的关键科学
问题，生产具备各种功能的产品以满足相关技术产业发展和人类生活质量提高的需求。
由于是工程学科，化学工程学科发展必须满足国家需求，同时又符合科学前沿要求。
1.1.2 社会经济需求
改革开放以来，经过30 多年的持续高速发展，我国过程工业取得了很大成绩，其产值
比重已经达到工业总产值的50 % ，在很多重要产品生产方面成绩尤其突出，如化肥产量
现在居世界第一、钢产量居世界第一、石油化工产业生产能力居世界第二、石油产量居世
界第四。我国化学工程基础研究、学科建设和产业化也取得了举世瞩目的成绩。我国在
化学工程领域发表的论文，无论在质量和数量上都有了很大提高。我国学者在化学工程
领域一流期刊如Chemical Engineering Science ， Industrial Engineering Chemical Re-
search 及A IChE Journal 发表的论文数已经进入世界前列。不仅如此，我国化学工程领
域学者在化学与材料类一流期刊如德国应用化学、美国化学会志、先进材料、Chemical
Review 等发表的论文数也有了很大提高。我国化学工程科学工作者在许多相关领域或
方向，已经取得国际领先的成果，国际影响力和论文引用率已经有了很大提高，一大批中
青年学者已经大量参与国际学术期刊编辑、国际学术会议组织等国际学术服务活动，为今
后取得更大进展打下了坚实基础。
尽管取得了上述成绩，我们仍要清醒地认识到我们在能产生重大影响的原创研究方
面还很不足。另外，我国过程工业技术和生产装备总体上也相对落后，且存在资源不足、
能源紧缺、资源和能源利用率偏低、污染严重、原料和技术对外依存度高（如钾肥对外依存
度高达70 % ，铁矿石对外依存度高达60 % ，石油对外依存度高达50 % ） 、企业创新意识有
待于加强、产学研脱节等问题，严重制约了我国过程工业的发展。特别在能耗方面，化工、
冶金和建材三大行业能耗持续走高。根据2007 年的统计数据，三大行业能耗占全国总能
耗的41.83 % ，占工业总能耗的比例达到58.41 % 。环境排放形势不容乐观，其中，三大行
业二氧化硫排放占工业排放的29.4 % ；废水排放占工业排放的34.3 % ；烟粉尘排放占工
业排放的62.8 % ；二氧化碳排放占化石燃料引起排放的工业比例为56.46 % 。发展新能
源技术、高效利用可再生资源和非常规资源、减少我国资源对外依存度、提高自主创新能
力是我国过程工业所面临的重大任务。此外，我国还是一个快速发展中的人口大国，面临
极为复杂的地区和全球安全形势等诸多问题，农业生产、人口健康、生物技术、国防、信息
技术、纳米技术、空间技术等方面急迫而重大的需求对我国化学工程科学工作者提出了新
任务、新要求。我国化学工程学科的发展离国家提出的建设国际一流学科的要求还存在
很大差距。我国化学工程科学工作者还应该在创新人才培养、源头创新、成果产业化等方
面继续努力，力争在不远的将来，使我国化学工程学科全面达到国际一流水平。
当前社会经济发展对化学工程学科的需求主要体现在以下几个方面。
1） 能源
化石能源的过度消耗对人类社会可持续发展必需的能源供应提出了严峻挑战。能源
问题是当前世界各国面临的最为紧迫的重大问题。日本地震引发的核危机使世界各国重
新思考核能的安全可靠性。提高能量利用效率、发展以可再生资源为基础的能源供应系
统是今后人类应对挑战的必由之路。
2） 资源
目前我国一方面资源紧缺，另一方面很多化工生产过程又大量存在能耗高、物质与能
源利用率低、污染严重等问题。对于传统的基于不可再生资源的化工生产过程，需要加强
传统工艺的升级换代，提高原子经济性，达到大幅度节能减排的目标。发展基于可再生资
源、高效而且绿色的化工生产过程是人类社会可持续发展面临的一个巨大挑战。
3） 环境
与前述资源问题一起，严重的环境污染也已经成为我国经济和社会可持续发展的一
大制约因素。由温室气体过度排放造成的温室效应问题，将对我国经济社会产生重大影
响。在提高资源利用效率、利用可再生资源的同时，消除污染、减少排放、实现二氧化碳资
源化、保护和改善环境、发展绿色过程和循环经济、实现可持续发展是当前我国面临的重
大课题。
4） 材料
材料对于化工生产尤其重要。上述能源与环境问题的解决主要依赖于材料（如催化
剂）领域的突破。在这方面，高效分离材料和能源材料等已经被列入《国家中长期科学和
技术发展规划纲要（2006 ― 2020 年）》中“重点领域及其优先主题”或重点规划的“前沿技
术” 。高性能的生物材料和能源转化与储存材料的制备和应用已成为重要的前沿研究，有
毒有害材料的替代和纳米材料制备也已成为材料化工的热点研究方向。此外，材料表征
技术对于新材料制备与应用至关重要，新的化学工程研究手段在材料制备与表征方面可
望发挥更大作用。
5） 产品
通过创新研究，形成新的产品和过程设计原则，实现产品功能和制造过程的强化，是
化工产品原始创新的主要内涵。生命科学、电子信息、航空航天等新型学科和产业为化工
产品功能强化提供了新的学科发展空间；农业、能源、建筑、机械制造、轻工、纺织、制药等
传统产业的现代化和可持续发展，给化工产品功能强化提供了新的机遇和挑战。
6） 医药
采用煤焦油和石油化工重芳烃中的萘、酐、蒽醌、菲、咔唑、芘、芴、苊等重要组分，可以
衍生合成出性能优异、机制独特的各类药物。开展相关药物合成化学与工艺的研究具有
十分重要的意义。中药现代化、新医药和新农药研制、现有药物及其中间体的绿色高效合
成技术开发具有巨大的经济效益，社会效益也十分显著。
7） 农业
我国人口众多，且人口继续保持强劲增长，同时工业发展与高速城市化均造成耕地面
积快速减少。改变传统耕作方式、发展高效农业等离不开化学工程技术的发展。改进合
成氨催化剂、实现合成氨工业及其他化肥生产的节能减排、提高相关生产资源利用率都是
化学工程研究面临的重大课题。
1.1.3 总体发展趋势
化学工程学科肩负着解决能源、资源、农业生产、环境、材料等方面重大发展问题的重
任，同时受生物技术、纳米科学、空间技术、信息技术等新兴学科飞速发展的影响，化学工
程学科范畴、内涵和学科方法论正处在快速更新和发展中，其发展趋势可以简述为以下几
个方面。
1.基础研究
1） 分子化学工程
分子化学工程的兴起受益于现代高性能计算技术、先进分析测试与模拟技术，其目标
是从分子、原子尺度进行材料的分子设计，从分子水平揭示、调控不同尺度的化学反应、分
离和传递过程的规律，以更有效地指导工业生产。可以预计，今后将有更多新产品、新工
艺基于分子化学工程的研究成果。分子化学工程研究也将对纳米材料和技术的应用可能
产生的负面效应作出必要评价。
2） 化石资源能源的高效清洁利用
化石资源能源如煤炭、石油、天然气、矿物等是支撑国民经济发展的基础工业。我国
以煤为主的能源资源结构短时期内不会改变，开发化石资源能源的高效清洁化工利用技
术是当前一个极为重要的研究方向；化石资源能源加工与消费产生的二氧化碳的捕集、
封存和化学转化利用已经成为研究与发展的热点。此外，重质油、劣质油的加工利用也是
当前研究的重要课题。
3） 新能源相关的化学工程基础
发展新能源技术如太阳能、生物质能、风能和地热能等已成为实现经济、社会可持续
发展的关键。与之相关的化学工程基础研究还很不足，制约了相关技术的发展。在此方
面，非常规技术的应用将受到越来越多的重视，这些非常规技术包括超临界、离子液体、超
重力、微波、等离子体等。
4） 催化剂
化石资源的高效清洁利用、新能源技术开发、二氧化碳转化利用、气体污染物治理等
都离不开高效催化剂的研发。催化剂在未来过程工业发展中将发挥越来越重要的作用。
各种新型的原位技术和时间、空间分辨技术的发展和普及，将为研究真实反应条件下催化
剂的微观结构及构效关系提供有力的手段。此外，计算化学在确定催化剂表面的活性结
构、阐明催化化学反应机制等方面也发挥着越来越重要的作用。
5） 新型反应介质
以绿色新型反应介质代替传统有毒有害介质是绿色化学工艺发展的重要趋势。在此
方面，超临界、水、离子液体作为新型绿色介质，已成为国际科技前沿和热点，在化学反应、
催化与分离、电化学、材料制备等众多领域中有广阔的应用前景。此外亚熔盐在提高传统
化工、冶金过程资源利用率和降低能耗方面已经显示出了重要的作用。新型反应介质领
域受到密切关注的热点课题包括：不同尺度离子液体的构效关系、分子设计方法；离子液
体规模化制备、分离、纯化及循环利用技术；新型离子液体设计、新结构离子液体开发；高
效利用离子液体的新工艺过程；基于新型介质的过程强化；基于新型介质的过程放大规
律等。
6） 小尺度传递过程
微化工系统是20 世纪90 年代初兴起的多学科交叉前沿领域。在微化工系统中，由
于特征尺度在微米和亚毫米量级，系统的表面和界面性质起重要作用，传统的“三传一反”
理论需要修正和创新，从宏观向微观世界过渡时存在的许多科学问题有待发现、探索和
开拓。
微尺度（小尺度）传递过程研究的难点和重点在于：小时空尺度下准确定量的方法和
理论；界表面动态特性变化规律；传递过程的模拟和模型化理论与方法。重点研究课题包
括：微尺度流体力学；微尺度相际传质、传热理论和方法；微尺度设备放大及过程调控；高
分辨率的流型可视化技术、流场检测技术、非接触式的局部温度浓度场在线检测技术；建
立微流体力学模拟方法；建立微尺度传递过程的理论体系。
7） 多尺度耦合与关联
化工生产过程往往在米级以上的反应器和千米级的工厂区域中进行，但其产品的结
构和性能往往在纳米尺度上体现，其间包含了团簇、颗粒、聚团等多个尺度上的动态结构。
因此，对几乎所有化工过程的描述，不管在哪个尺度上，都难以绕过多尺度耦合与关联的
问题。多尺度问题和方法已成为多个学科共同关注的现代科学的重要前沿之一，其核心
是结构间多尺度关联的机理和模型。目前大致有三种类型的研究思路：描述型，即在同一
模拟的不同时空区域采用不同尺度的描述；关联型，即由小尺度模拟为上一尺度的模拟提
供本构关系；变分型，即不同尺度上的模型通过稳定性条件相关联给出系统的总体描述。
按上述顺序，它们的侧重点也从数值方法转向系统机理的理论阐述。其中关联型方法的
历史相对较长，通过分子动力学模拟测量流体物性作为纳维-斯托克斯（ Navier-Stokes ，N-
S）方程数值求解的参量来预测多孔介质的深透率已体现了它的基本思想。大涡模拟和
雷诺应力模型也是这方面的典型实例。但近来尝试最多的还是描述型方法，如MD 模拟
与有限元计算相结合描述材料裂纹的发展。利用变分型方法对气固和气液等体系提出了
一些具体模型，但该方法还很不成熟，不过我们相信它对复杂多尺度耦合问题的研究意义
深远。这几方面的研究已开始交叉融合，并在反应器放大和微反应器设计等领域已经获
得实际应用，今后还将有更大发展。
8） 表（界）面纳微结构
纳微结构表（界）面现象是化工未来发展的焦点问题之一。表（界）面的传递常是多相
化工过程的控制步骤；界面现象具有高度的复杂性和动态变化特性，常呈非平衡、非线性
行为；界面的形成及其复杂多变的特性与系统中包含的表（界）面活性物质在界面区的富
集并形成特殊的纳微结构有关。研究的难点在于原位实验观测手段（特别是微观或介观
手段）的缺乏或不够精密。未来表（界）面科学的研究重点包括：表（界）面性质估算的分子
热力学模型；表（界）面复杂结构及其形成过程的实验观测、密度泛函理论、分子和介观模
拟；界面传递过程的实验观测、分子模拟和分子传递理论；复杂材料的表（界）面改性及其
应用；界面传递与反应过程的耦合现象及其调控。
9） 新体系热力学数据
对于高温（低温）高压等极端条件下组成的非常复杂的流体混合物和固相体系，相平
衡实验数据稀少，预测计算模型远不能满足过程开发和优化模拟的实际需要。应重点研
究的主题包括：极端条件下的取样分析技术；测试极端条件下、复杂体系相平衡数据和表
（界）性质；研究分子设计理论、建立复杂物系在极端条件下相行为的分子模型和计算机模
拟方法。
10） 介尺度结构的量化与调控
在上述各方面研究中，有一些共性问题值得特别关注。比较突出的是介尺度结构的
量化与调控。复杂系统大多表现出不同的层次，而每个层次中又有多尺度的结构。尽管
不同层次的多尺度结构不同，但都有一个共同属性，即每个层次的边界尺度上系统的行为
相对简单，易于表征、分析；而在它们之间的尺度上，系统行为大多非常复杂，还缺乏成熟
的理论描述，这些尺度称为介尺度。
化学、化工、材料、生物、物理和系统科学等领域都逐步认识到各自的介尺度问题及其
共同特性。例如，我们能够测定很多材料的宏观性能（如应力应变关系）以及微观的分子
结构，但很难为特定的性能设计相应的材料组成和制备工艺，因为这些分子和原子会在不
同条件下形成复杂而多变的多尺度结构，从而产生截然不同的性能。又如，我们一般能描
述工业设备的总体操作特性，也清楚其工作原理和微元过程，但很难从理论上优化这些设
备的性能，因为设备中的工质或构件的运动、传递和反应过程也会具有多尺度的复杂行
为。再如，我们能精确测定蛋白质的三维晶体结构和氨基酸序列，却难以描述其折叠
过程。
化工过程介尺度结构量化调控的难点有三个：相关反应机理的复杂性；传质及传质
反应耦合过程的复杂性；微观现象和介观现象的接口问题。需要重点研究的问题包括：反
应和传质复杂耦合过程机理；低能耗催化材料、高效分离材料、吸附材料的分子设计；人工
智能和计算化学进行计算机辅助机理分析和优化的算法和手段；将微观或分子设计与介
观模拟、宏观流体动力学模拟等相结合的数据一体化处理方法。
值得注意的是，介尺度并非一个具体的时空尺度，而是一个相对的概念，在不同问题
中对应于不同的特征尺度。但不同问题中的介尺度行为却有共性的本质，并且往往是解
决该问题的瓶颈所在。以化工过程为例，介尺度问题既出现在介于原子分子和整个催化
剂颗粒之间的表界面和内孔尺度，也出现在介于单颗粒和反应器整体间的聚团和气泡尺
度，还出现在介于设备和生态园区间的工厂尺度，而这些尺度上都呈现了典型的复杂性。
正是这种相对性使此项研究具有深刻而普遍的科学意义。
2.产品与工艺
1） 设备强化新方法
前已述及，目前很多基于化石资源的化工过程具有高能耗的特点。如何从根本上显
著提高分离和反应过程设备的能源效率是化学工程领域目前及未来面临的重要挑战。需
要研究的问题包括：反应和分离设备内部复杂的多相湍流传递现象；多相流的流速分布、
浓度分布以及界面传递现象的实验测量方法，多相流传递现象数学模拟方法；预测特定设
备约束条件下，流体流速、温度特别是浓度的分布，进而预测传递效率的科学方法；通过调
控设备结构实现调控传递效率，实现过程强化；过程的复合、集成与耦合及其传递现象预
测和结构优化；利用外场强化反应与分离过程，这些外场包括电场、等离子体、磁场、微波、
超声和超重力场等。
2） 极端条件下的反应分离
化工学科在纳米技术、信息技术等的发展推动下，正在向微纳米直至分子层次的微纳
世界规律认知和过程模拟与工程应用方向快速发展，工艺过程正在向非常规极端条件下
的反应与分离工艺方向拓展。
需要重点研究的课题包括：极端条件下的微流体的流动、混合、传递、分离与反应的相
互作用规律与协调性机制；外场、等离子体、微波、超声波、超临界等非常规条件下的新工
艺，建立极端条件下的反应与分离过程的科学理论体系。
3） 温和条件下的反应与分离过程
研究温和条件下适合物质转化的新型介质、转化原理和工艺为化工、冶金等行业中一
些传统工艺过程的节能降耗提供了新途径。未来值得重点研究的课题包括：温和转化过
程节能的新型路线、新原理和新方法；温和转化过程新型催化剂的分子设计及合成；新型
溶剂介质的设计及与催化剂匹配规律；微观介观结构优化调控和强化传递的新方法；新
型微结构反应器的设计和结构优化；温和转化过程的系统集成与优化。
4） 膜过程
膜技术被广泛用于高效分离、浓缩、提纯、净化及反应等方面。主要研究难点包括：膜
及膜材料微结构的形成机理的理解，新膜材料和新膜过程的工程化；膜与膜材料微结构的
设计理论依据。需要重点研究的课题包括：氧分离混合导体无机膜材料；膜催化反应过程
的传质与传热；在苛刻条件下使用的膜材料；环境响应型智能仿生膜材料；面向水处理的
新型膜材料；渗透汽化、气体分离、燃料电池隔膜等新型高性能膜材料；反应与膜分离耦合
过程。
5） 产品功能强化设计
化工产品功能强化的研究非常活跃，需要深入研究的关键问题包括：新的特定结构功
能分子、凝聚态和聚集态分子功能体系的设计、可控合成、制备和转化；功能化产品合成过
程的催化体系；绿色流程技术、放大技术。
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