“綠色”化工為支撐 構建“未來工廠”

0 序言

未來總是讓人憧憬，“納米效應”曾經拓寬人們探索的視野，隨著新技術新手段的不斷涌現，在不同界域間隨機性地出現一些連接點，由此觸動認識更進一步，同時促使人們塑造未來的信心和熱情日益高漲。從納米觀、微觀、中觀、宏觀直到超大規模，一個物質性的焦點是結構與性質的關系問題。

面對市場的全球化趨勢、伙伴關系和創新的加速，以及為抗衡環境破壞乃至當今世界生產的不可持續行為出力，化工和相關產業為了化學工程朝著現代技術工程進化，自覺行動并坦然面對在分子維度、產品規模和加工規模的復雜系統（綠色加工工程）可持續性上可能遭遇的各種新的風險和挑戰。

事實上，現有和未來的技術將逐步適應“綠色化學”的原則，這些原則涉及化學工程的現代方法，既要滿足競爭性綠色可持續所具備特定納米級和微觀終端用途特性目標產品的市場要求，還要滿足可持續性工業規模之中觀和宏觀生產過程的生產單元和場所有關社會和環境限制的要求。這些最新的約束條件，在化工產品供應鏈的不同時間和長度維度標尺上發生復合型多學科、非線性、非穩態過程或是遷移現象，要求有一種系統性的集成手段。這意味著，從分子和活性聚集-規模一直到生產規模，很好地理解在較小尺度上的性質和行為如何在較大尺度的規模上有各種現象的性質和行為。

此種用于過程創新的綜合多重維度方法的成功主要歸功于分析科學技術與圖像處理相耦合的顯著發展，強大的計算工具和功能以及在感興趣的維度上對象穩態和動態行為的描述性模型的開發和應用。

1 簡介

新產品，因此加速產品/技術的可持續發展至關重要。其二，在工業化國家的消費者對具有針對性終端特性產品的需求快速增長，加之由于公眾和媒體對環境和安全問題的關注引起的技術限制，需要結合使用諸如利益相關者分析、指標顯示器和生命周期分析等工具。例如，歐洲的化學品注冊、評估、授權，歐洲技術強化路線圖，創意性能源-能源轉換。

化工及相關產業，包括制藥和健康、農業和食品、無機鹽和化肥、環境、石油和能源、紡織、鋼鐵、瀝青、建筑材料、玻璃、表面活性劑、化妝品和香水，以及電子產品等，當前正處在快速發展的階段，源自公眾對環境和安全問題的關注所帶來的前所未有的需求和自覺。同時，化學知識也在迅速增長，其發現發明的速率與日俱增，將納米技術和微觀技術結合到化學合成中的進步就是當前的一個實例。我們對現代化工和工程技術有何期望，如何確保化工和相關行業的競爭力、就業率和可持續性？

存在兩大主要需求。其一，需要了解哪些產品和流程在當今的全球經濟中具有競爭力，以及如何設計它們。這里的關鍵詞是商業、伙伴關系和流程創新的全球化，主要涉及產品創新速度的加快。由于市場競爭壓力的上升，眼下1年期的產品創新半衰期（面市時間）在一些行業中被認為過長，這意味著越來越難以首先在市場上推出創

2 現代化工創新

從地球中提取的自然資源只有25%轉化為貨物和服務，為抗衡當今世界人類生產中的不可持續出力，響應可持續產品和技術的發展需求，化學和加工行業面臨著技術創新的多重挑戰，涉及在工廠規模、產品規模以及分子尺度上復雜系統技術的強化。

對于專利不涉及的商品和中間產品的生產，不能僅僅根據經濟開發來選擇技術，而應考慮通過提高選擇性和節約人力來獲取補償，焦點是誰能以可能最低的價格、無污染的技術，降低原材料和能源消耗，同時以產品/副產品可回收循環模式來進行大批量生產。對于仍然保有主要經濟權重（占40%市場份額）的大宗化學品，客戶更愿購買一項無污染、控制穩定和安全的技術。這就需要在工廠規模中使用過程系統工程（PSE）和計算機輔助生產工程（CAPE）的方法和工具。如果必須處理化工和相關行業從未見過的產出量，全球規模設施的趨勢可能很快就需要全部或更可能是部分地改變技術，現有技術不能夠再建立“僅大一點的”。事實上，如果假設增長率為4%，全球工廠的產能必須在2050年前增加6倍。因此，我們面臨著對流程創新的需求，需要改變技術，以便將新技術的可靠性從目前的半營運規模擴展到從未有過的大規模。

新的專業技術、活性材料化工和相關行業涉及農業、食品和健康產業的化學/生物學界面。類似地，這些關乎石油原料和中間體的升級和轉化，以及煤衍生化學品或合成氣向燃料、烴或含氧化合物的轉化。這一進展是由今天的市場目標所驅動的，其中銷售和競爭力不僅受產品技術規格的支配，而且受產品的最終用途屬性及其質量特征（如感官特性和功能）的支配，諸如性能和便利性。這種在分子層面對最終用途特性的控制、工藝設計的專業知識、不斷調整以滿足客戶變化的需求、以及對市場條件作出響應的速度將是一些最主要的因素。生產藥品或化妝品的關鍵不是成本，而是它們的上市時間，即發明和生產的速度。此外，對于通過特定納米維度結構添加價值的產品，客戶將為此類功能支付溢價，無論是食品、清潔劑、油料添加劑、油漆還是涂料。更廣泛地說，對于短壽命和高利潤率的產品，客戶購買的產品效率最高、市場上第一，但價格高、并期望獲得大的收益。此外，這些高利潤的產品需要新的工廠，這些工廠不僅僅優化以生產高質量和低成本的產品。在這里，流程創新的需求需要多用途技術和通用設備，這些技術和通用設備不會被優化，但是清理便利并可輕松切換到其他配方（靈活生產、小規模批量模塊化裝配等）。

以上考慮強調了當前技術創新的要求，涉及產品系統工程與過程工廠規模的集成，因為加工條件自然會決定產品的最終屬性。因此，現代可持續化學工程必須考慮到產品設計和配套可持續加工工程中遇到的多重維度現象所關注的工藝創新的需求，實際上在產品設計和工程方面需要關注目標產品的制作。但如何以及采用哪種方法？答案是為綠色產品設計和配套工程引入綠色化學工程的方法，包括規模的組織、復雜程度以及多重維度和多學科計算建模和模擬在現實生活中的應用，涵蓋從分子尺度到經過商業化整合的生產規模。

3 當代化工技術的創新方法

化學工程基礎研究的目的仍然是發展概念、方法和技術，以更好地理解將原材料和能源轉化為有用產品的構思和設計過程。涉及納米結構和微觀結構材料的合成、設計、放大或縮小操作，通過物理-生物-化學分離以及化學、催化、生物化學、電化學、光化學和農業化學等反應來控制和優化工業過程。

但是當今對最終用途性能的強調還需要各種各樣的技術，包括微觀技術的新作用，亦即用微觀結構混合器和催化反應器進行過程強化。此外值得一提的是，目前化工和相關公司銷售的所有產品中有60%為結晶、聚合物或無定形固體，在產品規模上這些材料必須具有明確的形狀，以滿足設計和相應的質量標準，這同樣也適用于糊狀和乳化產品。如前所述，實際的開發還需要不斷增加的專門材料、活性化合物和特效化學品，事實上，其在分子結構層面要比傳統的大批量工業化學品要復雜得多。

現代化學工程還涉及理解、開發化學和相關技術系統的設計及優化操作的系統化程序，涵蓋從用于產品的分析、測試或生產的納米級系統和微觀系統直到工業化規模的連續式和間歇式過程，所有這些均歸屬于化學品供應鏈概念。

這一鏈條始于工業必須在分子水平上進行合成和表征化學品或其他產物，而后分子再聚集成簇、顆粒或薄膜，一些單相或是多相的體系生成固態、糊狀或乳液產物的微觀混合物。自化學/生物學向工程的過渡涉及生產單元的設計和分析，可將其整合到一個過程中，使之成為多重過程工業現場的組成部分。最終，工業現場還將成為受市場考驗和包括產品質量要求所驅動的商業企業的一部分。

在供應鏈中，應再次強調產品質量是在分子的納米級或微觀尺度下決定的，必須注重對具有期望質量的產品進行結構和功能的研究。實際上，成功的關鍵在于通過控制納米結構和（或）微觀結構的形成來獲得所需的最終用途性質，然后控制產品質量。因此，在分子尺度（例如，表面物理和化學）以及微觀尺度（例如，耦合反應機制和流體力學）上關于結構與性質之間的關聯性的充分理解對于能否設計生產過程是至關重要的。這有助于實現從納米級到生產過程的宏觀跨越，從而確保產品生產規模的客戶質量要求。最終目標是將現象學規律和模型（以屬性、過程和使用功能表達）轉化為商業產品技術。這需要理解宏觀性能和微觀性質之間的關系，還需要跨越多個數量級關于長度和時間維度綜合問題的能力。

為了說明，圖1展示了多重維度流化床催化過程的示意圖，其中長度維度是局部的，涉及物理化學、產品設計工程、過程工程、過程系統工程，甚至是大規模生態循環現象之間的聯系。

圖1 催化流化床技術的各種流體動力學的長度維度

此外，大多數化工過程是非線性和非平衡態的，屬于所謂的復雜系統，其中多重維度結構是共同特征。這需要一種涵蓋多學科、關于多維度建模的系統性綜合方法，因在不同尺度上出現同時由動量、熱量和質量傳遞相耦合作用的現象，以及過程動力學。

（1）不同時間維度（10-15～108s）：小至催化劑納米級粒子表面上氫原子振蕩的飛秒和皮秒，或化學反應過程中原子在分子中的運動；分子振動的納秒；工業運行中的數小時流程；以及環境中污染物分解所需的幾個世紀。

（2）在工業實踐中遇到不同的長度維度（10-9～106m）：埃（在電子器件結構中）；納米尺度（用于分子過程、活性位點）；微觀尺度（用于氣泡、液滴、顆粒潤濕、渦流）；單元操作的中觀尺度（反應器、交換器、柱體）；生產單位的宏觀（工廠，石油化工廠，......）；超大規模（大氣、海洋和土壤，例如高達數千公里的排放物分散到大氣中）。

因此，在工程技術中需要理解構造維度和復雜程度，在納米尺度和微觀尺度上描述事件，在過程規模也就是構造的復雜程度上更好地將分子轉換為有用的目標產品。通過將分子過程轉化為現象學上的宏觀規律和模型，用于通過連續式或間歇式生產來創建并控制終端用途的屬性和功能（將分子轉化為貨幣）。

這種方法被定義為“le Génie du triplet Processus-Produit-Procédé（G3P）”或“分子過程-產品-過程工程（3PE）方法”：一種集成系統方法，當在化工供應鏈的不同長度和時間維度上發生的復雜多學科非線性非平衡現象時，便于研究較小長度維度的物理生物化學現象如何在較長的尺度上與屬性和行為相關聯，例如構造的復雜程度（見圖 2）。

圖2 集成的多重維度方法所涵蓋的時間和長度范圍內構造復雜性級別

一般而言，多重維度建模的相關概念是在精細的規模維度上計算某些需要的信息通向較粗糙的尺度，反之亦然，即強調不同尺度之間信息的傳遞。顯然，多重維度建模的方法和集成，以及基于一些實例建立的復合模擬解決方案，均是源自產品設計的動力促成的，其中納米尺度和微米尺度特征被視為重要的“設計人”產物。結合中觀和宏觀兩個尺度，在設備和工廠層面，這是典型的“設計人”技術的重要性所在，對多重維度方法及其代表的重視將不斷推進技術創新。

如此，除了單元操作基本的不可替代的概念以及耦合的熱量、質量和動量傳遞之外，化學工程的傳統工具，加上化學和過程工程基本面（分離工程、催化、熱力學、過程控制、經濟考慮等），這種綜合的多學科和多重維度方法可以被視為化學工程的第三范式。這種多維度建模范式是有益的，對于這些關于工程科學的概念和范例用于產品設計工程以及技術強化對開拓和發展具有顯著的優勢，尤其在針對特定目標產品受市場驅動的情況之下。

需要強調的是，3PE集成方法現在受到越來越多的關注，該歸功于下述發明取得相當大的進展：分析科學儀器和非侵入性的技術儀器與圖像處理技術相耦合；強大的計算工具及其能力（集群，超級計算機，云計算機，圖形處理單元，數字代碼并行化等）；描述對象的穩態和動態行為的模型在這些感興趣維度上的開發和應用，包括分子、催化劑結構、位點和局部流體動力學、表面態和局部流體動力學、固體顆粒、催化劑顆粒、工藝裝置、工廠裝置、供應鏈以及所有控制和運營支持系統等）。

4 將多重維度、多學科計算建模和仿真應用于過程創新的實際情況

復雜的3PE分子過程-產品-過程集成方法，涉及從具有產品終端用途屬性的納米維度結構和微觀結構的尺度到以設備制造產品規模的模擬。然而，化學工程的任務一直是而且將永遠是設計和實施全面的制造系統，直至宏觀和大規模生產單位環境。

完整的系統包括用于生產所需產品的單項工藝和工廠，將單個流程集成到整個生產場所，在材料、能源和物流方面會同時考慮客戶和更大社會的需求。當然這是不現實的期望，而在不久的將來，一個單一的模擬工具將能達到同時委托所有子系統的水平，例如，同時模擬操作單元和生產場所在不同時間和長度維度發生的許多物理-生物-化學、流體力學和動量、質量和熱量傳遞現象（從薛定諤方程出發設計一個精煉油廠或紙張、織物、水泥或磷酸鹽肥料的生產綜合體或場所）。

但對于過程創新而言，化學工程的任務仍然是分析圖2中的子系統和規模水平，這足以代表復雜性的個別問題。然后，基于這些知識的模型可以通過這種方式降低研究結果的復雜性。結果可以集成到圖2所示的解決更高級別問題的描述中。因此，從分子尺度開始，需要使用方法和模擬工具來實現各個工藝步驟的功能集成，以及將單個生產工藝集成到整個生產綜合體或現場。這種集成的多級方法需要計算機模擬，它能夠設計單個步驟、構建整個過程，并將單個過程置于整個生產環境中。

4.1多重維度方法中使用的模型

計算機為不同尺度或級別的建模和模擬開辟了道路。

模型可以呈現遞減的時間和長度維度，可以區分連續體、中觀維度、分子動力學和量子力學模型，并且它們能在多維度框架中互連。像流體力學這樣的連續模型忽略了原子、分子或粒子的離散性質，并依賴于宏觀材料特性。通過這種方式，可以模擬反應器尺寸的長度，并提供反應器的溫度信息、速度或顆粒濃度場和停留時間，作為較小時間和長度維度的輸入。連續體模型還詳細描述了前驅體的化學反應動力學確定最豐富的納米團簇大小。連續體模型還描述了前驅體的詳細反應動力學，以確定限速反應步驟，并開發更嚴格的顆粒形成速率作為種群平衡模型的輸入或確定最豐富的納米團簇尺寸（即在諸如結晶、燒結或氣相納米級顆粒的合成中）。粒子群模型描述了粒度和形態分布的演變，雖然它們需要速率，例如描述由中觀尺度、分子動力學或量子力學模擬的凝結、燒結和顆粒形成的速率，但它們已準備好與流體動力學模型結合。

基于計算流體動力學（CFD）的反應器和單元通過反應器計算和實習幾何、粒子動力學和化學來模擬層流或湍流、溫度和顆粒濃度場。隨著精度和計算需求的增加，湍流需要額外的模型如雷諾平均Navier-Stokes（RANS）模型（標準的可實現的k模型）、大渦流模擬（LES），或以直接數值模擬（DNS）表示的所有湍流尺度的分辨率。直接數值模擬是一種強大的工具，隨著高性能計算的普及，它變得越發有用。通過解析所有長度和時間維度來預測物理化學過程，與描述興趣現象的基本方程一致。然而，工業相關事項通常需要解決太大范圍的問題，因此LES成為降低計算成本的一種更加流行的方法，其需要比DNS明顯更少的網格點，并能明確地解析大規模特征和交互作用，而小規模波動和交互作用就由子網格模型建模以便減少所需的分辨率和計算時間。但是對這些小規模波動進行建模，尤其在湍流、反應、多相流中仍然是一項重大挑戰，其高計算成本往往限制了LES和DNS在局部現象中的應用，如在多相反應器中的湍流渦流內的納米級顆粒濃度梯度或在結構性填料中的復雜湍流中的情形。在多相反應器中仍處于局部尺度，另一種類型的CFD模擬為處理流體體積方法（VOF）。VOF方法包括固定網格上每個相的歐拉描述，兩相之間的界面使用一相局部體積分數的傳輸方程計算。Navier-Stokes方程根據標準單流體配方求解。單流體配方的目的是僅使用在整個計算域中有效的一個方程來描述兩個相的物理參數。結合適當的湍流模型，該方法已用于模擬液膜尺度的氣/液流動，如在填料中。

中觀維度模型表示（氣體、液體、固體）聚集顆粒作為幾何體（例如球體）和使用速率模型來描述它們在表面生長、燒結、凝結、結晶或更一般地任何顆粒破碎期間的運動、尺寸變化和重疊。例如，這樣的模型提供關于分形維數的演變以及凝聚物燒結和凝結速率的重要信息，其可以用作連續粒子群體平衡模擬的輸入，而初級粒子配位數則決定著分子動力學模擬的設置。考慮到流體-粒子相互作用的相關細節（如Lattice-Boltzmann模型）和粒子-粒子相互作用，如離散粒子模型（DPM）或基于歐拉-歐拉模型的基本模型也被用于開發閉合規律以供給連續體。可用于在更大的工業規模上計算流動結構的模型，即強烈影響該過程性能的異構結構的形成和演變。

分子動力學（MD）模型解釋了原子的離散性質，這在連續體和中觀維度模型中被忽略，將MD限制為更短的長度和時間維度。它們已被用于研究反應途徑、過渡態、蒸發、燒結速率和完全聚結的機制或激光燒蝕機制。例如，在氣相納米級粒子合成等操作中，MD模擬提供了燒結速率和機理的詳細見解，作為粒度、組成和結晶相的函數，而且這是產品粒子性能的主要部分（最終用途性質）。它們還用于驅動中觀維度模型或描述粒子群平衡模型中表面積濃度的演變。

量子力學（QM）模擬用于開發分子動力學模型的簡單力場或確定使用連續流體力學模擬反應流所需的熱化學性質和反應機理。量子力學用于計算材料的電子結構，量子力學模型非常精確地描述分子和物質，但由于計算成本高，通常僅限于1～100個原子的非常小的系統。由于改進的功能的發展，密度泛函理論（DFT）在各種QM方法中已經變得非常流行，這不能通過分析得出，而是描述交換和相關相互作用以解決電子-電子多體問題，與其他方法相比它需要相對較低的計算量。通過擬合推導出功能是DFT在許多情況下得出良好結果的主要原因，但缺點是局部近似處理不能正確地計算范德華力。然而，DFT闡明了反應速率和機理、晶體結構或納米團簇結構及其動態行為，或研究分子的熱化學性質的形成，例如氣相反應系統。最終QM計算是最準確的物質模擬，DFT等方法與新的高性能計算工具相結合，將其應用范圍擴展到與納米級材料科學相關的粒子/簇尺寸。同時為了改進某些催化劑，了解化學反應如何在催化劑表面上的原子/分子水平上發生。經驗反應力場ReaxFF，在全量子力學DFT計算的基礎上進行訓練，已被證明是一種有效的方法，可將信息從微觀空間傳遞到介觀空間和時間維度，從而克服計算能力的限制。由于ReaxFF可以管理鍵形成和斷裂的描述，其計算成本比DFT低得多，可以用納秒時間維度的軌跡模擬更大的系統（大約106個原子）。

可以說在納米尺度和微觀尺度上，計算機為反應途徑合成中的技術創新或分子和物理性質的建模開辟了道路，諸如估計體相熱力學和傳輸性質，如擴散系數和黏度。毫無疑問，分子建模、統計分子力學計算技術原理的應用[如分子動力學和各種蒙特卡羅（MC）技術，如動力學MC或晶格MC]以及量子力學在今天具有越來越重要的作用，可用在問題導向方法中關注的技術創新。為了說明，關于催化劑顆粒的納米級維度和催化劑填料單元中觀維度的物理化學性質（即電子結構、電子傳導率、有效分子氣體擴散系數）與材料結構之間的關系可以建立在中觀維度模擬的基礎上（即Monte-Carlo和粗粒分子動力學）。也還為了說明，如果我們設想化工產品設計的情形，分子設計問題將轉化為計算機輔助分子設計（CAMD）問題，分子混合物設計的解決方案涉及各種多重維度方法。

因為溶劑設計涉及相對小的分子，目標性質與宏觀維度相關聯。而藥物設計涉及相對大和非常大的分子，其目標性質與微觀和（或）中觀維度關聯。在最后一種情況下，以及在需要考慮高水平、結構信息非常復雜的分子的情況下，CAMD方法采用基于終端用途性質-分子結構關系問題的特定模型。然而，仍然存在許多挑戰，這些挑戰源于對現實生活系統的分子水平描述（即原子間相互作用），需要滿足的大量自由度，結果計算要求可能變得過度。無論如何，將設計與現實及其復雜性聯系起來，共識似乎是化工產品設計的計算機輔助方法和工具對于初始篩選是有用的，通過解決化工產品設計早期階段的一些問題，從而通過減少解決這些問題的時間和精力來促進化工產品設計。通過分子理論、模擬和實驗測量的相互作用，可以更好地定量理解結構-性質關系，然后與宏觀化學工程科學相結合，可以形成材料和過程設計的基礎。然而，主要挑戰仍然是能夠組合這些不同維度的計算機模型，以便理解較小長度維度的現象如何與較大長度維度的特性和（或）行為相關聯。在這方面，長期的挑戰通常是將局部結構的形成（諸如網絡形成、相分離、凝聚、成核、結晶、燒結等）過程的熱力學和物理學與多相CFD結合起來。

轉向宏觀尺度，人們正在越來越多地進行動態過程系統建模（PSM）和過程整合的開發。為了在目標產品的生產中具有競爭力，及時交付給需求不斷發展的消費者，這需要分析和優化供應鏈以及各個階段和（或）單個設備（交換器、反應器、泵、儲罐等）所花費的時間。這些也必須在成本方面進行模擬和評估。實際上，在化工和相關加工業的生產現場，在指定時間供應鏈中特定組分的位置并不總是很明確，即批次可同時在攪拌罐、過濾器、干燥器、泵、磨機和儲存容器中找到。

事件驅動的仿真工具通過模擬各個設備中的物料流和狀態來幫助解決這些問題，并通過展示某種替代工廠和儲存策略提供最大的成本效益。在某些情況下，已經看到這種動態過程模擬可以在幾秒鐘內看到在數天、數月或數年的進程中是否在工廠中存在瓶頸，這些可以通過使用額外的設備或通過提供額外的資源（如能源或人力）來加以消除。

總之，為響應當前對過程工程中各種更復雜模型的需求，建模和事件驅動仿真環境的集成和開放當前占據了更重要的位置。計算機輔助技術工程歐洲計劃CAPEOPEN“下一代計算機輔助技術工程開放模擬環境”該在此刻提到。CAPE-OPEN是一組標準，定義了接口，以允許來自不同預處理器、解算器和后解算器環境模擬器賣家、歐洲客戶和計算與模擬的學術研究人員的各種過程建模軟件組件間的兼容性和集成。旨在促進在任何時間和長度維度（屬性模型、單元操作、動態靜態和批量模擬的數據利用）模擬系統之間采用標準通信，以模擬流程并允許客戶從任何模擬包向別的模擬包整合信息（參見CAPE-OPEN Laboratories Networ-CO-LaN Consortium，www.colan.org）。

未來，對于流程創新而言，顯然需要更有效的CAPE才能在流程行業中具有競爭力，特別是在擴展和開發接口規范標準方面，以確保CAPE-OPEN軟件組件間的互操作性，從而保持增長和競爭力，尤其是評估流程的可持續性。

4.2 含集成仿真編碼的多重維度建模方法所面臨的挑戰

無論如何，過程系統工程對于幾類化工產品，它們的設計和相應的過程存在挑戰和機遇（關于重要的能源、環境限制和可持續性問題），以及對適合工具的需求。在所有情況下，事實上可通過同時解決單個產品和技術設計的某些方面來實現產品和技術設計問題的集成。

對于流程創新，仍然需要這種分子過程-產品-技術集成的多重維度方法的框架，通過使用計算機輔助方法和工具開發基于系統模型的解決方案方法，可以應用于廣泛的產品及其相應的過程，有助于找到解決方案，尤其是在使產品更快更便宜的市場。

值得注意的是，對于建模和仿真方法的集成，可以基于當前在不同長度和時間維度上應用的三種建模方法的集成來呈現產品制造的多重維度建模概念：PSM、CFD和計算化學（CCH）。圖3示意性地表示了過程工程中各個數值分析方法的長度和時間特征的范圍，其中每組指示對應于第4.1節中給出的不同模型的標度。

圖3 多重維度建模的運算工具

基于市場對目標產品生產的重要需求，需要將CFD的數值工具與CCH的建模和仿真工具以及PSM的工具在高于計算機流體動力學的維度上集成在一起。圖3顯示CCH和CFD的整合存在一個小差距，似乎Lattice-Boltzmann（LB）方法是將CFD與CCH連接的最佳候選。此外，隨著分子工程的進展，出版了納米級數值模擬的新報告和兩種邊界建模方法，即PSM和CCH，提供和使用不同類型的信息，這些信息在不同程度上與CFD模擬中使用的信息互補或由它們產生。此外，PSM和CFD之間存在一種通用的數據交換方案，它作為PSM包或CFD或獨立接口的一部分參與數據交換和管理。這些只是少數鏈接應用程序。

實際上，圖3顯示了使用模擬編碼集成的多維建模方法遇到的挑戰。似乎成功連接3個包裝系統的有效候選項是CAPE-OPEN標準。過程模擬器和各個模塊之間的信息傳遞可以通過軟件工具來執行，以便連接不同操作系統中的應用包。

可以補充的是，供應鏈規模的不斷擴大和處理方法的多樣性日益增加，需要與過程集約化（PI）方法共同努力，該方法旨在更好地利用物質資源并相應地降低技術設備的尺寸和數量。

5 總結

監測分子尺度和納米尺度現象的能力增強，引致對分子和納米級研究的著迷，尤其是應用于反應途徑合成或化工產品設計。毫無疑問，許多重要的發現在這些維度上等待著我們，前面提到的迫切挑戰要求產品類型和細分市場相對于不同類型的行業進行流程創新，需要進一步開發和實施合理的方法，以便將分子和納米級研究和發現轉移到生產規模和商業實踐。

這是通過同時關注過程開發和擴大以及技術開發，用多重維度分析模擬和建模的工具來實現，這將降低放大風險。基于綠色化學原理量身定制技術和工程，只有在正確放大的情況下才會在商業上真正“綠色”，這將導致更清潔的新綠色（可持續）工藝的發展，例如包括過程強化。顯然，流程創新需要第三種化學工程范式的方法論，即綜合的多重維度方法，將導致可持續的產品和過程，這需要對不同維度的有關現象之間的相互作用有一個良好的認知和理解。

如前所述和解釋的，近年來，在催化劑、吸附劑、溶劑、復合原料和多相流的描述中，在實驗和計算上已經在各種水平上取得了重大進展。單獨地，這些努力已經對流程設計和建模以及流程性能產生了影響。

為了說明圖4，關于一種基于在不同維度上使用的差分仿真工具的有效過程開發方法，在給定維度下的一個仿真為另一個雙向耦合方法給出了解釋。

圖4 不同規模氣體處理技術/燃燒后CO2捕集技術的模擬

為了顯著降低氣體處理過程或CO2捕獲過程的成本，可以使用幾種類型的模擬。首先，使用適當的模擬工具進行的快速技術經濟研究可用于全球過程規模，以顯示資本支出和相關的柱設計是如何的重要。其次，過程模擬（基于熱力學、動力學和質量傳遞）可用于識別控制吸收柱設計的最重要的驅動因素。可以執行最后的CFD模擬以確定填充柱中的流動特性。CFD與幾種從小規模到大規模到中維度的方法一起使用。例如，CFD可以小規模用于氣、液流體的體積（VOF）模擬，并且在柱維度上研究入口效應。所有這些模擬的組合，以雙向耦合方法執行，允許確定最佳設計和適當的填充以及分布技術選擇。

因此很明顯，多重維度方法現在正在出現，為創新提供了重要機會。但綜合多重維度方法仍需要在化工供應鏈、分子、進料分子種類、催化劑結構、位點和局部流體動力學、表面狀態和局部流體動力學、催化劑顆粒、工藝裝置、工廠裝置、以及涵蓋所有控制和操作支撐系統之不同維度上的詳細知識、描述、實驗、建模和模擬。

作為研究的第一步，它還需要借助綜合的3PE方法來解讀所涉及的所有維度中僅涉及少數維度的有關現象之間的相互作用，即：分子種類與催化劑活性位和顆粒之間的維度，或催化劑顆粒與接觸流體之間的維度，或多相反應器或接觸器中流體-顆粒和顆粒-顆粒相互作用所遇到的不同維度，等。

此種用于過程創新的綜合多重維度方法（化學工程的第三范式）的成功主要歸功于分析科學技術與圖像處理相結合的長足發展，強大的計算工具和能力（集群、超級計算機、云計算機、圖形處理單元、數字代碼并行化等）以及對興趣范圍內對象的穩態和動態行為描述模型的開發和應用。

現代化的科學多重維度化學工程方法“工程技術之綠色方法”融合了市場拉力和技術推力，強烈地導向于技術強化和成對的綠色產品/綠色工藝“用更少的資源生產更多更好的產品”，并借力于技術創新和可持續技術應對環境和經濟的挑戰，可持續性地生產分子和產品，實現高效的質量和能源利用，提高生活質量。

化學和工程技術的現代綠色方法將關系到生態高效的“未來工廠”。