化学工程发展战略：高端化、绿色化、智能化

本书较系统地介绍了国内外化工领域近年来的新概念、新方法和新成果，具有较高的学术水平和应用价值，为我国化工技术发展提供了新思路、新方向，也将为科研工作者及管理决策者提供重要参考。本书的出版将有效引导科研人员面向国计民生的重大需求，开展高水平基础和应用研究，推动我国化工学科基础研究水平和重大技术创新能力，为我国化学工业的高端化、绿色化和智能化发展提供战略性的指导。 

《化学工程发展战略：高端化、绿色化、智能化》围绕化学工程高端化、绿色化、智能化三个主题，由国家自然科学基金委员会化学科学部五处组织，邀请全国化工领域专家学者编写而成。全书共7章，包括绪论、分子设计与产品高端化、化工过程绿色化、重要资源的高效绿色转化利用、安全智能系统与循环经济、跨尺度关联——介科学与智能过程、未来发展趋势与展望。全书聚焦国际视野和前沿，面向国家重大需求，在深入洞悉各学科方向的国内外研究现状的基础上，凝练出关键科学问题及技术难题，展示了我国化工领域最新的科研成果、进展和技术水平，提出重点发展方向与趋势，为我国化工学科基础研究和技术创新提供重要指导。本书适合化工、材料、能源、环境等相关领域的高等院校师生、研究机构研究人员阅读，对他们明确科研方向、瞄准学术前沿，起到引领和指导作用。本书也是科技管理部门重要的决策参考资料，还适合社会大众认识和了解化工学科发展现状和趋势。

张锁江，中国科学院院士，中科院过程工程研究所所长，研究员。主要从事离子液体、绿色过程、系统集成等方向的研究。揭示了离子液体氢键特殊性、网络结构及构效关系，形成了功能化离子液体的设计方法；建立了离子液体传递/反应原位研究方法，阐明了其结构对工程放大的影响规律；研发了系列反应/分离新体系，发展了绿色过程系统集成方法，实现了离子液体的规模制备和多项绿色新技术的工业应用。主持973计划项目、863项目、国家自然科学基金重点项目、杰出青年科学基金项目、国际合作项目等科研项目，获国家自然科学二等奖、中科院科技促进发展奖、侯德榜化工科技成就奖、“何梁何利基金科学与技术进步奖”等多项奖励。出版著作有《离子液体纳微结构与过程强化》《绿色过程系统集成》《绿色介质与过程节能》等。彭孝军，中国科学院院士，大连理工大学化工学院院长，教授。主要从事精细化工领域功能分子结构设计、清洁制造工艺的研究。提出了近红外比率荧光菁染料的设计原理，发展出大Stokes位移的氨基菁染料平台母体分子；通过染料分子识别和传感性能研究，开发出多种荧光染料探针；攻克了相关染料的耐受性和清洁制造工艺等工程难题，形成了信息打印染料和血液细胞分析用染料等系列专利技术，得到产业化应用，推动了染料在信息、生命领域的应用拓展。曾获国家自然科学奖二等奖、国家技术发明奖二等奖。

1绪论1.1　化学工业的战略地位及挑战 0021.2　化工学科的现状及态势 0031.2.1　化工学科的战略地位及学科内涵 0031.2.2　化工学科的现状及问题 0031.3　化学工程的发展趋势 0051.3.1　化工高端化 0051.3.2　化工绿色化 0071.3.3　化工智能化 0081.4　化工学科发展任务及目标 009参考文献 0112分子设计与产品高端化2.1　分子热力学与分子设计 0142.1.1　发展现状与挑战 0142.1.2　关键科学问题 0172.1.3　主要研究进展及成果 0182.1.4　未来发展方向与展望 0242.2　典型化学反应的催化材料与反应机制 0252.2.1　发展现状与挑战 0252.2.2　关键科学问题 0272.2.3　主要研究进展及成果 0282.2.4　未来发展方向与展望 0422.3　高效分离材料及传递机制 0432.3.1　发展现状与挑战 0432.3.2　关键科学问题 0452.3.3　主要研究进展及成果 0462.3.4　未来发展方向与展望 0552.4　高端专用化学品功能调控机制 0572.4.1　生物分子荧光探针及功能染料 0572.4.2　有机光致变色材料及有机太阳电池敏化染料 0612.4.3　有机发光二极管（OLED）关键化学品 0652.4.4　纺织染整助剂 0682.4.5　绿色农药的研究进展及展望 0712.4.6　高端绿色表面活性剂 0772.4.7　香料香精 0812.4.8　新一代氯氟烃替代物 0862.4.9　高端含能化学品 0902.4.10　重要小分子药物的先进制备 0942.4.11　疫苗用工程纳米佐剂 0992.4.12　单原子催化剂 1032.4.13　可降解绿色高端专用化学品 1062.4.14　胶黏剂 1092.4.15　电子化学品 1172.4.16　高端化电池材料 1202.5　合成生物学及生物医药产品 1242.5.1　发展现状与挑战 1252.5.2　关键科学问题 1282.5.3　主要研究进展及成果 1292.5.4　未来发展方向与展望 1512.6　聚合物产品工程及高端聚合物 1532.6.1　聚烯烃 1542.6.2　工程塑料 1572.6.3　热固性高分子 1592.6.4　热塑性弹性体 160参考文献 1623化工过程绿色化3.1　绿色介质设计与绿色工程 2063.1.1　发展现状与挑战 2063.1.2　关键科学问题 2073.1.3　主要研究进展及成果 2083.1.4　未来发展方向与展望 2253.2　过程强化新原理新机制 2253.2.1　超重力过程强化 2263.2.2　纳微化工过程与装备 2293.2.3　微加工与智能过程 2343.2.4　反应-分离耦合强化过程 2383.2.5　纳微界面传质强化 2433.3　绿色高效反应工程 2483.3.1　发展现状与挑战 2483.3.2　关键科学问题 2493.3.3　主要研究进展及成果 2503.3.4　未来发展方向与展望 2613.4　绿色高效分离工程 2633.4.1　发展现状与挑战 2633.4.2　关键科学问题 2663.4.3　主要研究进展及成果 2663.4.4　未来发展方向与展望 2723.5　聚合与聚合物加工过程 2733.5.1　聚合过程的强化与绿色化 2743.5.2　聚合物加工过程的强化与绿色化 2773.5.3　聚合过程在线监测与智能化 2793.6　食品绿色加工与安全控制 2833.6.1　发展现状与挑战 2833.6.2　关键科学问题 2853.6.3　主要研究进展及成果 2853.6.4　未来发展方向与展望 290参考文献 2914重要资源的高效绿色转化利用4.1　煤炭资源利用绿色过程 3204.1.1　煤热解过程 3204.1.2　煤气化过程 3244.1.3　煤制烯烃过程 3294.1.4　煤制油新过程 3324.1.5　煤制芳烃过程 3354.1.6　煤制含氧化学品 3374.2　石油资源高效利用绿色过程 3404.2.1　重油高效清洁利用 3404.2.2　原油多产化学品 3484.2.3　炼化副产资源高值化利用 3574.3　天然气资源转化利用 3614.3.1　发展现状与挑战 3624.3.2　关键科学问题 3644.3.3　甲烷转化利用技术及研究进展 3654.3.4　未来发展方向与展望 3754.4　低品位矿产资源的高效利用化工过程 3764.4.1　发展现状与挑战 3774.4.2　关键科学问题 3794.4.3　主要研究进展及成果 3804.4.4　未来发展方向与展望 3924.5　生物资源绿色转化过程 3924.5.1　生物基化学品的绿色生物制造 3934.5.2　智能抗逆微生物细胞工厂的设计 3984.5.3　生物体的生理特性和调控机制 4054.5.4　现代发酵工业菌种的系统改造 4104.5.5　生物过程智能装备与过程控制 4164.6　新能源化工与储能工程 4234.6.1　新能源材料化工热力学 4234.6.2　新能源转换与化学利用过程 4274.6.3　化学储能器件与系统制造过程 4314.6.4　物理储能中的化工问题 4354.7　农用化学品绿色化 4384.7.1　发展现状与挑战 4384.7.2　关键科学问题 4414.7.3　主要研究进展及成果 4424.7.4　未来发展方向与展望 4484.8　农作物提取物加工利用技术 4504.8.1　发展现状与挑战 4504.8.2　关键科学问题 4524.8.3　主要研究进展及成果 4534.8.4　未来发展方向与展望 4554.9　海洋化工 4564.9.1　海洋生物质提取与高效利用 4564.9.2　海洋腐蚀过程模拟、优化与控制 4604.9.3　海洋涂层功能设计与工艺 4624.9.4　深海常规与非常规能源开采与流动安全 4664.9.5　海洋化工装备服役大数据和全寿命期管理 470参考文献 4745安全智能系统与循环经济5.1　面向可持续发展的过程系统工程 5095.1.1　发展现状与挑战 5095.1.2　关键科学问题 5125.1.3　主要研究进展及成果 5135.1.4　未来发展方向与展望 5285.2　人工智能前沿在过程系统工程中的应用 5305.2.1　发展现状与挑战 5305.2.2　关键科学问题 5385.2.3　主要研究进展及成果 5405.2.4　未来发展方向与展望 5525.3　绿色碳科学与碳循环 5555.3.1　发展现状与挑战 5555.3.2　关键科学问题 5575.3.3　主要研究进展及成果 5585.3.4　未来发展方向与展望 5685.4　化工污染多介质系统控制与资源循环利用 5695.4.1　发展现状与挑战 5695.4.2　关键科学问题 5715.4.3　主要研究进展及成果 5725.4.4　未来发展方向与展望 585参考文献 5866跨尺度关联——介科学与智能过程6.1　介科学基本原理及其在化工复杂体系中的应用 6086.1.1　发展现状与挑战 6096.1.2　关键科学问题 6106.1.3　主要研究进展及成果 6116.1.4　未来发展方向与展望 6196.2　功能纳米材料介尺度结构形成机制与性能调控 6196.2.1　纳米材料介尺度结构特征 6196.2.2　功能纳米材料介尺度形成和控制机制 6206.2.3　纳米材料介尺度结构与性能关系预测 6226.2.4　未来发展方向与展望 6236.3　装备/过程层次的介科学研究与应用 6236.3.1　发展现状与挑战 6236.3.2　关键科学问题 6266.3.3　主要研究进展及成果 6276.3.4　未来发展方向与展望 6336.4　层次界面与跨层次耦合的介科学研究与应用 6346.4.1　发展现状与挑战 6356.4.2　关键科学问题 6376.4.3　主要研究进展及成果 6386.4.4　未来发展方向与展望 6466.5　从虚拟过程到无人工厂——介科学驱动的过程工业智能化 6486.5.1　发展现状与挑战 6496.5.2　关键科学问题 6526.5.3　主要研究进展与成果 6526.5.4　未来发展方向与展望 662参考文献 6647未来发展趋势与展望7.1　化工高端化 6807.1.1　加强创新提升技术含量 6807.1.2　功能强化提高附加值 6817.2　化工绿色化 6817.2.1　原料和介质绿色化 6827.2.2　过程绿色化 6827.2.3　能源绿色化 6837.2.4　资源循环及高效利用 6837.3　化工智能化 6847.3.1　系统智能化 6847.3.2　过程智能化 6847.3.3　产品智能化 6857.4　多学科交叉 685参考文献 686索引

化学工业是我国国民经济的支柱产业，具有重要的战略地位。目前，我国已经形成了较为完善的化学工业体系，化学工业规模居世界首位，但是国际竞争压力大、高端产品发展受限、化学工业能耗物耗高等瓶颈问题仍然突出，特别是在“双碳”目标下，面临的挑战更加不可忽视。化工学科是研究化学工业及其他相关过程工业中的一门工程技术学科，集成了物质化学转化中高值化与规模化所包含的科学与技术问题。随着学科交叉的不断深入，逐渐形成了现代化工学科发展的新范式，推动了化工学科的不断融合创新。“十三五”期间，我国化工学科研究水平不断提高，在介科学、煤制烯烃、绿色介质、分子辨识、合成生物学等基础研究方面取得了突出成就，对我国化学工业发展起到重要的支撑作用。国家自然科学基金委员会近年来也不断提升了对化工学科的资助力度，新设立了一批重大项目，支撑着化工领域人才的培养，极大促进了化工学科的发展。国家自然科学基金委员会化学科学部五处组织专家开展了化工学科“十四五”战略研究，围绕介尺度科学核心内涵和化工过程高端化、绿色化、智能化的发展趋势，聚焦与化工学科交叉融合等优先发展及国际合作优先领域，在分子、过程和系统三个层次依次布局，凝练了化工学科发展存在的关键科学问题，提出要加大对重大源头创新、基础科学引领和人才的支持力度。进一步强调化工学科要面向国家重大需求，通过科学基金引导和政策的支持，推动化工学科理论的源头创新，提高成果转化能力，为解决化学工业中的“卡脖子”技术和实现“双碳”目标提供重要手段。本书在国家自然科学基金委员会化工学科中长期及“十四五”战略研究的基础上，由化学科学部五处组织，汇集了百余位国内化工领域的学者参与编撰。紧密围绕化学工程高端化、绿色化、智能化的发展趋势，重点突出和体现了四个面向，即着眼于化工学科及与其他学科交叉融合的基础科学前沿，凝练化工学科多个方向的关键科学问题，通过典型实例展示重大研究进展及成果，并对未来重要发展方向进行展望。自2020年5月确定本书编写大纲，经过线上和线下多次研讨、审稿及专家咨询，逐步明确撰写定位和思路，不断提升书稿水平，最终完成了《化学工程发展战略：高端化、绿色化、智能化》。本书共分为7章。第1章为绪论，系统分析了化学工业的战略地位、作用、贡献及目前面临的挑战，重点介绍了化工学科发展的现状、态势及未来的发展方向；第2章～第6章分别介绍了分子设计与产品高端化、化工过程绿色化、重要资源的高效绿色转化利用、安全智能系统与循环经济、跨尺度关联—介科学与智能过程等领域的主要研究进展及成果；第7章为未来发展趋势与展望，重点论述了化工高端化、绿色化、智能化、学科交叉及前沿等方向今后的发展趋势。最后，诚挚感谢国家自然科学基金委员会对本书的大力支持，感谢顾问组、编写人员、统稿人及秘书组对本书的贡献，还要感谢化学工业出版社在编辑出版工作中的辛勤付出。限于编写人员的时间与精力，本书难免存在疏漏，敬请读者批评指正！编者