“绿色”化工为支撑 构建“未来工厂”

0 序言

未来总是让人憧憬，“纳米效应”曾经拓宽人们探索的视野，随着新技术新手段的不断涌现，在不同界域间随机性地出现一些连接点，由此触动认识更进一步，同时促使人们塑造未来的信心和热情日益高涨。从纳米观、微观、中观、宏观直到超大规模，一个物质性的焦点是结构与性质的关系问题。

面对市场的全球化趋势、伙伴关系和创新的加速，以及为抗衡环境破坏乃至当今世界生产的不可持续行为出力，化工和相关产业为了化学工程朝着现代技术工程进化，自觉行动并坦然面对在分子维度、产品规模和加工规模的复杂系统（绿色加工工程）可持续性上可能遭遇的各种新的风险和挑战。

事实上，现有和未来的技术将逐步适应“绿色化学”的原则，这些原则涉及化学工程的现代方法，既要满足竞争性绿色可持续所具备特定纳米级和微观终端用途特性目标产品的市场要求，还要满足可持续性工业规模之中观和宏观生产过程的生产单元和场所有关社会和环境限制的要求。这些最新的约束条件，在化工产品供应链的不同时间和长度维度标尺上发生复合型多学科、非线性、非稳态过程或是迁移现象，要求有一种系统性的集成手段。这意味着，从分子和活性聚集-规模一直到生产规模，很好地理解在较小尺度上的性质和行为如何在较大尺度的规模上有各种现象的性质和行为。

此种用于过程创新的综合多重维度方法的成功主要归功于分析科学技术与图像处理相耦合的显著发展，强大的计算工具和功能以及在感兴趣的维度上对象稳态和动态行为的描述性模型的开发和应用。

1 简介

新产品，因此加速产品/技术的可持续发展至关重要。其二，在工业化国家的消费者对具有针对性终端特性产品的需求快速增长，加之由于公众和媒体对环境和安全问题的关注引起的技术限制，需要结合使用诸如利益相关者分析、指标显示器和生命周期分析等工具。例如，欧洲的化学品注册、评估、授权，欧洲技术强化路线图，创意性能源-能源转换。

化工及相关产业，包括制药和健康、农业和食品、无机盐和化肥、环境、石油和能源、纺织、钢铁、沥青、建筑材料、玻璃、表面活性剂、化妆品和香水，以及电子产品等，当前正处在快速发展的阶段，源自公众对环境和安全问题的关注所带来的前所未有的需求和自觉。同时，化学知识也在迅速增长，其发现发明的速率与日俱增，将纳米技术和微观技术结合到化学合成中的进步就是当前的一个实例。我们对现代化工和工程技术有何期望，如何确保化工和相关行业的竞争力、就业率和可持续性？

存在两大主要需求。其一，需要了解哪些产品和流程在当今的全球经济中具有竞争力，以及如何设计它们。这里的关键词是商业、伙伴关系和流程创新的全球化，主要涉及产品创新速度的加快。由于市场竞争压力的上升，眼下1年期的产品创新半衰期（面市时间）在一些行业中被认为过长，这意味着越来越难以首先在市场上推出创

2 现代化工创新

从地球中提取的自然资源只有25%转化为货物和服务，为抗衡当今世界人类生产中的不可持续出力，响应可持续产品和技术的发展需求，化学和加工行业面临着技术创新的多重挑战，涉及在工厂规模、产品规模以及分子尺度上复杂系统技术的强化。

对于专利不涉及的商品和中间产品的生产，不能仅仅根据经济开发来选择技术，而应考虑通过提高选择性和节约人力来获取补偿，焦点是谁能以可能最低的价格、无污染的技术，降低原材料和能源消耗，同时以产品/副产品可回收循环模式来进行大批量生产。对于仍然保有主要经济权重（占40%市场份额）的大宗化学品，客户更愿购买一项无污染、控制稳定和安全的技术。这就需要在工厂规模中使用过程系统工程（PSE）和计算机辅助生产工程（CAPE）的方法和工具。如果必须处理化工和相关行业从未见过的产出量，全球规模设施的趋势可能很快就需要全部或更可能是部分地改变技术，现有技术不能够再建立“仅大一点的”。事实上，如果假设增长率为4%，全球工厂的产能必须在2050年前增加6倍。因此，我们面临着对流程创新的需求，需要改变技术，以便将新技术的可靠性从目前的半营运规模扩展到从未有过的大规模。

新的专业技术、活性材料化工和相关行业涉及农业、食品和健康产业的化学/生物学界面。类似地，这些关乎石油原料和中间体的升级和转化，以及煤衍生化学品或合成气向燃料、烃或含氧化合物的转化。这一进展是由今天的市场目标所驱动的，其中销售和竞争力不仅受产品技术规格的支配，而且受产品的最终用途属性及其质量特征（如感官特性和功能）的支配，诸如性能和便利性。这种在分子层面对最终用途特性的控制、工艺设计的专业知识、不断调整以满足客户变化的需求、以及对市场条件作出响应的速度将是一些最主要的因素。生产药品或化妆品的关键不是成本，而是它们的上市时间，即发明和生产的速度。此外，对于通过特定纳米维度结构添加价值的产品，客户将为此类功能支付溢价，无论是食品、清洁剂、油料添加剂、油漆还是涂料。更广泛地说，对于短寿命和高利润率的产品，客户购买的产品效率最高、市场上第一，但价格高、并期望获得大的收益。此外，这些高利润的产品需要新的工厂，这些工厂不仅仅优化以生产高质量和低成本的产品。在这里，流程创新的需求需要多用途技术和通用设备，这些技术和通用设备不会被优化，但是清理便利并可轻松切换到其他配方（灵活生产、小规模批量模块化装配等）。

以上考虑强调了当前技术创新的要求，涉及产品系统工程与过程工厂规模的集成，因为加工条件自然会决定产品的最终属性。因此，现代可持续化学工程必须考虑到产品设计和配套可持续加工工程中遇到的多重维度现象所关注的工艺创新的需求，实际上在产品设计和工程方面需要关注目标产品的制作。但如何以及采用哪种方法？答案是为绿色产品设计和配套工程引入绿色化学工程的方法，包括规模的组织、复杂程度以及多重维度和多学科计算建模和模拟在现实生活中的应用，涵盖从分子尺度到经过商业化整合的生产规模。

3 当代化工技术的创新方法

化学工程基础研究的目的仍然是发展概念、方法和技术，以更好地理解将原材料和能源转化为有用产品的构思和设计过程。涉及纳米结构和微观结构材料的合成、设计、放大或缩小操作，通过物理-生物-化学分离以及化学、催化、生物化学、电化学、光化学和农业化学等反应来控制和优化工业过程。

但是当今对最终用途性能的强调还需要各种各样的技术，包括微观技术的新作用，亦即用微观结构混合器和催化反应器进行过程强化。此外值得一提的是，目前化工和相关公司销售的所有产品中有60%为结晶、聚合物或无定形固体，在产品规模上这些材料必须具有明确的形状，以满足设计和相应的质量标准，这同样也适用于糊状和乳化产品。如前所述，实际的开发还需要不断增加的专门材料、活性化合物和特效化学品，事实上，其在分子结构层面要比传统的大批量工业化学品要复杂得多。

现代化学工程还涉及理解、开发化学和相关技术系统的设计及优化操作的系统化程序，涵盖从用于产品的分析、测试或生产的纳米级系统和微观系统直到工业化规模的连续式和间歇式过程，所有这些均归属于化学品供应链概念。

这一链条始于工业必须在分子水平上进行合成和表征化学品或其他产物，而后分子再聚集成簇、颗粒或薄膜，一些单相或是多相的体系生成固态、糊状或乳液产物的微观混合物。自化学/生物学向工程的过渡涉及生产单元的设计和分析，可将其整合到一个过程中，使之成为多重过程工业现场的组成部分。最终，工业现场还将成为受市场考验和包括产品质量要求所驱动的商业企业的一部分。

在供应链中，应再次强调产品质量是在分子的纳米级或微观尺度下决定的，必须注重对具有期望质量的产品进行结构和功能的研究。实际上，成功的关键在于通过控制纳米结构和（或）微观结构的形成来获得所需的最终用途性质，然后控制产品质量。因此，在分子尺度（例如，表面物理和化学）以及微观尺度（例如，耦合反应机制和流体力学）上关于结构与性质之间的关联性的充分理解对于能否设计生产过程是至关重要的。这有助于实现从纳米级到生产过程的宏观跨越，从而确保产品生产规模的客户质量要求。最终目标是将现象学规律和模型（以属性、过程和使用功能表达）转化为商业产品技术。这需要理解宏观性能和微观性质之间的关系，还需要跨越多个数量级关于长度和时间维度综合问题的能力。

为了说明，图1展示了多重维度流化床催化过程的示意图，其中长度维度是局部的，涉及物理化学、产品设计工程、过程工程、过程系统工程，甚至是大规模生态循环现象之间的联系。

图1 催化流化床技术的各种流体动力学的长度维度

此外，大多数化工过程是非线性和非平衡态的，属于所谓的复杂系统，其中多重维度结构是共同特征。这需要一种涵盖多学科、关于多维度建模的系统性综合方法，因在不同尺度上出现同时由动量、热量和质量传递相耦合作用的现象，以及过程动力学。

（1）不同时间维度（10-15～108s）：小至催化剂纳米级粒子表面上氢原子振荡的飞秒和皮秒，或化学反应过程中原子在分子中的运动；分子振动的纳秒；工业运行中的数小时流程；以及环境中污染物分解所需的几个世纪。

（2）在工业实践中遇到不同的长度维度（10-9～106m）：埃（在电子器件结构中）；纳米尺度（用于分子过程、活性位点）；微观尺度（用于气泡、液滴、颗粒润湿、涡流）；单元操作的中观尺度（反应器、交换器、柱体）；生产单位的宏观（工厂，石油化工厂，......）；超大规模（大气、海洋和土壤，例如高达数千公里的排放物分散到大气中）。

因此，在工程技术中需要理解构造维度和复杂程度，在纳米尺度和微观尺度上描述事件，在过程规模也就是构造的复杂程度上更好地将分子转换为有用的目标产品。通过将分子过程转化为现象学上的宏观规律和模型，用于通过连续式或间歇式生产来创建并控制终端用途的属性和功能（将分子转化为货币）。

这种方法被定义为“le Génie du triplet Processus-Produit-Procédé（G3P）”或“分子过程-产品-过程工程（3PE）方法”：一种集成系统方法，当在化工供应链的不同长度和时间维度上发生的复杂多学科非线性非平衡现象时，便于研究较小长度维度的物理生物化学现象如何在较长的尺度上与属性和行为相关联，例如构造的复杂程度（见图 2）。

图2 集成的多重维度方法所涵盖的时间和长度范围内构造复杂性级别

一般而言，多重维度建模的相关概念是在精细的规模维度上计算某些需要的信息通向较粗糙的尺度，反之亦然，即强调不同尺度之间信息的传递。显然，多重维度建模的方法和集成，以及基于一些实例建立的复合模拟解决方案，均是源自产品设计的动力促成的，其中纳米尺度和微米尺度特征被视为重要的“设计人”产物。结合中观和宏观两个尺度，在设备和工厂层面，这是典型的“设计人”技术的重要性所在，对多重维度方法及其代表的重视将不断推进技术创新。

如此，除了单元操作基本的不可替代的概念以及耦合的热量、质量和动量传递之外，化学工程的传统工具，加上化学和过程工程基本面（分离工程、催化、热力学、过程控制、经济考虑等），这种综合的多学科和多重维度方法可以被视为化学工程的第三范式。这种多维度建模范式是有益的，对于这些关于工程科学的概念和范例用于产品设计工程以及技术强化对开拓和发展具有显着的优势，尤其在针对特定目标产品受市场驱动的情况之下。

需要强调的是，3PE集成方法现在受到越来越多的关注，该归功于下述发明取得相当大的进展：分析科学仪器和非侵入性的技术仪器与图像处理技术相耦合；强大的计算工具及其能力（集群，超级计算机，云计算机，图形处理单元，数字代码并行化等）；描述对象的稳态和动态行为的模型在这些感兴趣维度上的开发和应用，包括分子、催化剂结构、位点和局部流体动力学、表面态和局部流体动力学、固体颗粒、催化剂颗粒、工艺装置、工厂装置、供应链以及所有控制和运营支持系统等）。

4 将多重维度、多学科计算建模和仿真应用于过程创新的实际情况

复杂的3PE分子过程-产品-过程集成方法，涉及从具有产品终端用途属性的纳米维度结构和微观结构的尺度到以设备制造产品规模的模拟。然而，化学工程的任务一直是而且将永远是设计和实施全面的制造系统，直至宏观和大规模生产单位环境。

完整的系统包括用于生产所需产品的单项工艺和工厂，将单个流程集成到整个生产场所，在材料、能源和物流方面会同时考虑客户和更大社会的需求。当然这是不现实的期望，而在不久的将来，一个单一的模拟工具将能达到同时委托所有子系统的水平，例如，同时模拟操作单元和生产场所在不同时间和长度维度发生的许多物理-生物-化学、流体力学和动量、质量和热量传递现象（从薛定谔方程出发设计一个精炼油厂或纸张、织物、水泥或磷酸盐肥料的生产综合体或场所）。

但对于过程创新而言，化学工程的任务仍然是分析图2中的子系统和规模水平，这足以代表复杂性的个别问题。然后，基于这些知识的模型可以通过这种方式降低研究结果的复杂性。结果可以集成到图2所示的解决更高级别问题的描述中。因此，从分子尺度开始，需要使用方法和模拟工具来实现各个工艺步骤的功能集成，以及将单个生产工艺集成到整个生产综合体或现场。这种集成的多级方法需要计算机模拟，它能够设计单个步骤、构建整个过程，并将单个过程置于整个生产环境中。

4.1多重维度方法中使用的模型

计算机为不同尺度或级别的建模和模拟开辟了道路。

模型可以呈现递减的时间和长度维度，可以区分连续体、中观维度、分子动力学和量子力学模型，并且它们能在多维度框架中互连。像流体力学这样的连续模型忽略了原子、分子或粒子的离散性质，并依赖于宏观材料特性。通过这种方式，可以模拟反应器尺寸的长度，并提供反应器的温度信息、速度或颗粒浓度场和停留时间，作为较小时间和长度维度的输入。连续体模型还详细描述了前驱体的化学反应动力学确定最丰富的纳米团簇大小。连续体模型还描述了前驱体的详细反应动力学，以确定限速反应步骤，并开发更严格的颗粒形成速率作为种群平衡模型的输入或确定最丰富的纳米团簇尺寸（即在诸如结晶、烧结或气相纳米级颗粒的合成中）。粒子群模型描述了粒度和形态分布的演变，虽然它们需要速率，例如描述由中观尺度、分子动力学或量子力学模拟的凝结、烧结和颗粒形成的速率，但它们已准备好与流体动力学模型结合。

基于计算流体动力学（CFD）的反应器和单元通过反应器计算和实习几何、粒子动力学和化学来模拟层流或湍流、温度和颗粒浓度场。随着精度和计算需求的增加，湍流需要额外的模型如雷诺平均Navier-Stokes（RANS）模型（标准的可实现的k模型）、大涡流模拟（LES），或以直接数值模拟（DNS）表示的所有湍流尺度的分辨率。直接数值模拟是一种强大的工具，随着高性能计算的普及，它变得越发有用。通过解析所有长度和时间维度来预测物理化学过程，与描述兴趣现象的基本方程一致。然而，工业相关事项通常需要解决太大范围的问题，因此LES成为降低计算成本的一种更加流行的方法，其需要比DNS明显更少的网格点，并能明确地解析大规模特征和交互作用，而小规模波动和交互作用就由子网格模型建模以便减少所需的分辨率和计算时间。但是对这些小规模波动进行建模，尤其在湍流、反应、多相流中仍然是一项重大挑战，其高计算成本往往限制了LES和DNS在局部现象中的应用，如在多相反应器中的湍流涡流内的纳米级颗粒浓度梯度或在结构性填料中的复杂湍流中的情形。在多相反应器中仍处于局部尺度，另一种类型的CFD模拟为处理流体体积方法（VOF）。VOF方法包括固定网格上每个相的欧拉描述，两相之间的界面使用一相局部体积分数的传输方程计算。Navier-Stokes方程根据标准单流体配方求解。单流体配方的目的是仅使用在整个计算域中有效的一个方程来描述两个相的物理参数。结合适当的湍流模型，该方法已用于模拟液膜尺度的气/液流动，如在填料中。

中观维度模型表示（气体、液体、固体）聚集颗粒作为几何体（例如球体）和使用速率模型来描述它们在表面生长、烧结、凝结、结晶或更一般地任何颗粒破碎期间的运动、尺寸变化和重叠。例如，这样的模型提供关于分形维数的演变以及凝聚物烧结和凝结速率的重要信息，其可以用作连续粒子群体平衡模拟的输入，而初级粒子配位数则决定着分子动力学模拟的设置。考虑到流体-粒子相互作用的相关细节（如Lattice-Boltzmann模型）和粒子-粒子相互作用，如离散粒子模型（DPM）或基于欧拉-欧拉模型的基本模型也被用于开发闭合规律以供给连续体。可用于在更大的工业规模上计算流动结构的模型，即强烈影响该过程性能的异构结构的形成和演变。

分子动力学（MD）模型解释了原子的离散性质，这在连续体和中观维度模型中被忽略，将MD限制为更短的长度和时间维度。它们已被用于研究反应途径、过渡态、蒸发、烧结速率和完全聚结的机制或激光烧蚀机制。例如，在气相纳米级粒子合成等操作中，MD模拟提供了烧结速率和机理的详细见解，作为粒度、组成和结晶相的函数，而且这是产品粒子性能的主要部分（最终用途性质）。它们还用于驱动中观维度模型或描述粒子群平衡模型中表面积浓度的演变。

量子力学（QM）模拟用于开发分子动力学模型的简单力场或确定使用连续流体力学模拟反应流所需的热化学性质和反应机理。量子力学用于计算材料的电子结构，量子力学模型非常精确地描述分子和物质，但由于计算成本高，通常仅限于1～100个原子的非常小的系统。由于改进的功能的发展，密度泛函理论（DFT）在各种QM方法中已经变得非常流行，这不能通过分析得出，而是描述交换和相关相互作用以解决电子-电子多体问题，与其他方法相比它需要相对较低的计算量。通过拟合推导出功能是DFT在许多情况下得出良好结果的主要原因，但缺点是局部近似处理不能正确地计算范德华力。然而，DFT阐明了反应速率和机理、晶体结构或纳米团簇结构及其动态行为，或研究分子的热化学性质的形成，例如气相反应系统。最终QM计算是最准确的物质模拟，DFT等方法与新的高性能计算工具相结合，将其应用范围扩展到与纳米级材料科学相关的粒子/簇尺寸。同时为了改进某些催化剂，了解化学反应如何在催化剂表面上的原子/分子水平上发生。经验反应力场ReaxFF，在全量子力学DFT计算的基础上进行训练，已被证明是一种有效的方法，可将信息从微观空间传递到介观空间和时间维度，从而克服计算能力的限制。由于ReaxFF可以管理键形成和断裂的描述，其计算成本比DFT低得多，可以用纳秒时间维度的轨迹模拟更大的系统（大约106个原子）。

可以说在纳米尺度和微观尺度上，计算机为反应途径合成中的技术创新或分子和物理性质的建模开辟了道路，诸如估计体相热力学和传输性质，如扩散系数和黏度。毫无疑问，分子建模、统计分子力学计算技术原理的应用[如分子动力学和各种蒙特卡罗（MC）技术，如动力学MC或晶格MC]以及量子力学在今天具有越来越重要的作用，可用在问题导向方法中关注的技术创新。为了说明，关于催化剂颗粒的纳米级维度和催化剂填料单元中观维度的物理化学性质（即电子结构、电子传导率、有效分子气体扩散系数）与材料结构之间的关系可以建立在中观维度模拟的基础上（即Monte-Carlo和粗粒分子动力学）。也还为了说明，如果我们设想化工产品设计的情形，分子设计问题将转化为计算机辅助分子设计（CAMD）问题，分子混合物设计的解决方案涉及各种多重维度方法。

因为溶剂设计涉及相对小的分子，目标性质与宏观维度相关联。而药物设计涉及相对大和非常大的分子，其目标性质与微观和（或）中观维度关联。在最后一种情况下，以及在需要考虑高水平、结构信息非常复杂的分子的情况下，CAMD方法采用基于终端用途性质-分子结构关系问题的特定模型。然而，仍然存在许多挑战，这些挑战源于对现实生活系统的分子水平描述（即原子间相互作用），需要满足的大量自由度，结果计算要求可能变得过度。无论如何，将设计与现实及其复杂性联系起来，共识似乎是化工产品设计的计算机辅助方法和工具对于初始筛选是有用的，通过解决化工产品设计早期阶段的一些问题，从而通过减少解决这些问题的时间和精力来促进化工产品设计。通过分子理论、模拟和实验测量的相互作用，可以更好地定量理解结构-性质关系，然后与宏观化学工程科学相结合，可以形成材料和过程设计的基础。然而，主要挑战仍然是能够组合这些不同维度的计算机模型，以便理解较小长度维度的现象如何与较大长度维度的特性和（或）行为相关联。在这方面，长期的挑战通常是将局部结构的形成（诸如网络形成、相分离、凝聚、成核、结晶、烧结等）过程的热力学和物理学与多相CFD结合起来。

转向宏观尺度，人们正在越来越多地进行动态过程系统建模（PSM）和过程整合的开发。为了在目标产品的生产中具有竞争力，及时交付给需求不断发展的消费者，这需要分析和优化供应链以及各个阶段和（或）单个设备（交换器、反应器、泵、储罐等）所花费的时间。这些也必须在成本方面进行模拟和评估。实际上，在化工和相关加工业的生产现场，在指定时间供应链中特定组分的位置并不总是很明确，即批次可同时在搅拌罐、过滤器、干燥器、泵、磨机和储存容器中找到。

事件驱动的仿真工具通过模拟各个设备中的物料流和状态来帮助解决这些问题，并通过展示某种替代工厂和储存策略提供最大的成本效益。在某些情况下，已经看到这种动态过程模拟可以在几秒钟内看到在数天、数月或数年的进程中是否在工厂中存在瓶颈，这些可以通过使用额外的设备或通过提供额外的资源（如能源或人力）来加以消除。

总之，为响应当前对过程工程中各种更复杂模型的需求，建模和事件驱动仿真环境的集成和开放当前占据了更重要的位置。计算机辅助技术工程欧洲计划CAPEOPEN“下一代计算机辅助技术工程开放模拟环境”该在此刻提到。CAPE-OPEN是一组标准，定义了接口，以允许来自不同预处理器、解算器和后解算器环境模拟器卖家、欧洲客户和计算与模拟的学术研究人员的各种过程建模软件组件间的兼容性和集成。旨在促进在任何时间和长度维度（属性模型、单元操作、动态静态和批量模拟的数据利用）模拟系统之间采用标准通信，以模拟流程并允许客户从任何模拟包向别的模拟包整合信息（参见CAPE-OPEN Laboratories Networ-CO-LaN Consortium，www.colan.org）。

未来，对于流程创新而言，显然需要更有效的CAPE才能在流程行业中具有竞争力，特别是在扩展和开发接口规范标准方面，以确保CAPE-OPEN软件组件间的互操作性，从而保持增长和竞争力，尤其是评估流程的可持续性。

4.2 含集成仿真编码的多重维度建模方法所面临的挑战

无论如何，过程系统工程对于几类化工产品，它们的设计和相应的过程存在挑战和机遇（关于重要的能源、环境限制和可持续性问题），以及对适合工具的需求。在所有情况下，事实上可通过同时解决单个产品和技术设计的某些方面来实现产品和技术设计问题的集成。

对于流程创新，仍然需要这种分子过程-产品-技术集成的多重维度方法的框架，通过使用计算机辅助方法和工具开发基于系统模型的解决方案方法，可以应用于广泛的产品及其相应的过程，有助于找到解决方案，尤其是在使产品更快更便宜的市场。

值得注意的是，对于建模和仿真方法的集成，可以基于当前在不同长度和时间维度上应用的三种建模方法的集成来呈现产品制造的多重维度建模概念：PSM、CFD和计算化学（CCH）。图3示意性地表示了过程工程中各个数值分析方法的长度和时间特征的范围，其中每组指示对应于第4.1节中给出的不同模型的标度。

图3 多重维度建模的运算工具

基于市场对目标产品生产的重要需求，需要将CFD的数值工具与CCH的建模和仿真工具以及PSM的工具在高于计算机流体动力学的维度上集成在一起。图3显示CCH和CFD的整合存在一个小差距，似乎Lattice-Boltzmann（LB）方法是将CFD与CCH连接的最佳候选。此外，随着分子工程的进展，出版了纳米级数值模拟的新报告和两种边界建模方法，即PSM和CCH，提供和使用不同类型的信息，这些信息在不同程度上与CFD模拟中使用的信息互补或由它们产生。此外，PSM和CFD之间存在一种通用的数据交换方案，它作为PSM包或CFD或独立接口的一部分参与数据交换和管理。这些只是少数链接应用程序。

实际上，图3显示了使用模拟编码集成的多维建模方法遇到的挑战。似乎成功连接3个包装系统的有效候选项是CAPE-OPEN标准。过程模拟器和各个模块之间的信息传递可以通过软件工具来执行，以便连接不同操作系统中的应用包。

可以补充的是，供应链规模的不断扩大和处理方法的多样性日益增加，需要与过程集约化（PI）方法共同努力，该方法旨在更好地利用物质资源并相应地降低技术设备的尺寸和数量。

5 总结

监测分子尺度和纳米尺度现象的能力增强，引致对分子和纳米级研究的着迷，尤其是应用于反应途径合成或化工产品设计。毫无疑问，许多重要的发现在这些维度上等待着我们，前面提到的迫切挑战要求产品类型和细分市场相对于不同类型的行业进行流程创新，需要进一步开发和实施合理的方法，以便将分子和纳米级研究和发现转移到生产规模和商业实践。

这是通过同时关注过程开发和扩大以及技术开发，用多重维度分析模拟和建模的工具来实现，这将降低放大风险。基于绿色化学原理量身定制技术和工程，只有在正确放大的情况下才会在商业上真正“绿色”，这将导致更清洁的新绿色（可持续）工艺的发展，例如包括过程强化。显然，流程创新需要第三种化学工程范式的方法论，即综合的多重维度方法，将导致可持续的产品和过程，这需要对不同维度的有关现象之间的相互作用有一个良好的认知和理解。

如前所述和解释的，近年来，在催化剂、吸附剂、溶剂、复合原料和多相流的描述中，在实验和计算上已经在各种水平上取得了重大进展。单独地，这些努力已经对流程设计和建模以及流程性能产生了影响。

为了说明图4，关于一种基于在不同维度上使用的差分仿真工具的有效过程开发方法，在给定维度下的一个仿真为另一个双向耦合方法给出了解释。

图4 不同规模气体处理技术/燃烧后CO2捕集技术的模拟

为了显著降低气体处理过程或CO2捕获过程的成本，可以使用几种类型的模拟。首先，使用适当的模拟工具进行的快速技术经济研究可用于全球过程规模，以显示资本支出和相关的柱设计是如何的重要。其次，过程模拟（基于热力学、动力学和质量传递）可用于识别控制吸收柱设计的最重要的驱动因素。可以执行最后的CFD模拟以确定填充柱中的流动特性。CFD与几种从小规模到大规模到中维度的方法一起使用。例如，CFD可以小规模用于气、液流体的体积（VOF）模拟，并且在柱维度上研究入口效应。所有这些模拟的组合，以双向耦合方法执行，允许确定最佳设计和适当的填充以及分布技术选择。

因此很明显，多重维度方法现在正在出现，为创新提供了重要机会。但综合多重维度方法仍需要在化工供应链、分子、进料分子种类、催化剂结构、位点和局部流体动力学、表面状态和局部流体动力学、催化剂颗粒、工艺装置、工厂装置、以及涵盖所有控制和操作支撑系统之不同维度上的详细知识、描述、实验、建模和模拟。

作为研究的第一步，它还需要借助综合的3PE方法来解读所涉及的所有维度中仅涉及少数维度的有关现象之间的相互作用，即：分子种类与催化剂活性位和颗粒之间的维度，或催化剂颗粒与接触流体之间的维度，或多相反应器或接触器中流体-颗粒和颗粒-颗粒相互作用所遇到的不同维度，等。

此种用于过程创新的综合多重维度方法（化学工程的第三范式）的成功主要归功于分析科学技术与图像处理相结合的长足发展，强大的计算工具和能力（集群、超级计算机、云计算机、图形处理单元、数字代码并行化等）以及对兴趣范围内对象的稳态和动态行为描述模型的开发和应用。

现代化的科学多重维度化学工程方法“工程技术之绿色方法”融合了市场拉力和技术推力，强烈地导向于技术强化和成对的绿色产品/绿色工艺“用更少的资源生产更多更好的产品”，并借力于技术创新和可持续技术应对环境和经济的挑战，可持续性地生产分子和产品，实现高效的质量和能源利用，提高生活质量。

化学和工程技术的现代绿色方法将关系到生态高效的“未来工厂”。