清 华 大 学
学科前沿讲座课程报告
题目：
系 别：环境科学与工程系
专 业：环境工程
姓 名：某某某
2008 年 月 日
中文摘要
以全球变暖为标志的气候变化引起世界范围内的广泛关注，气候变化对粮食生产的影响是关系粮食安全的重大问题。开展气候变化对冬小麦产量影响的数值模拟研究对科学制定农业政策以应对气候变化具有重要意义。
在采用1999年～20##年北京市永乐店冬小麦田间试验资料进行ThuSPAC-Wheat和CERES-Wheat模型参数率定的基础上，模拟和分析了1951～20##年气候变化条件对冬小麦产量的影响。进一步设置7种气候变化情景，应用CERES-Wheat模型进行产量模拟，分析不同气候变化情景下产量的变化。
关键词：气候变化 产量 冬小麦 ThuSPAC-Wheat CERES-Wheat
ABSTRACT
Climate change has raised attention worldwide, whose impact on crop yield is closely concerning to food security. So it is vital to assess its impact by numerical simulation.
Based on the calibration of ThuSPAC-Wheat and CERES-Wheat models, using the field experiment data of Yongledian Winter Wheat Station from 1999 to 2001, and the meteorological data from Beijing Weather Station from 1951 to 2006, the climate change impact on the potential wheat yield is studied. In addition, yields in different climate change scenarios are simulated.
Model simulation using genetic parameters of Jingdong No. 8 shows that in ThuSPAC-Wheat Model, the wheat yield, the top weight and the LAI are well simulated, and in CERES-Wheat Model, the growth period and yield are well simulated.
Keywords：Climate change yield winter wheat ThuSPAC-Wheat CERES-Wheat
题目
1.1 研究背景
20##年初，政府间气候变化专门委员会（IPCC）第一工作组发布第四次主报告，《气候变化2007：自然科学基础》，提出全球气候变暖并引发全球范围内气候要素变化已经成为不容置疑的事实。全球温室气体浓度已远超出工业化前几千年来的浓度值，其中CO2浓度值从工业化前的约280ppm增加到20##年的379ppm；全球气候呈现以变暖为主要特征的显著变化，最近12年中有11年位于1850年以来最暖的12个年份之列，最近50年的线性增温速率为每10年0.13℃，几乎是近100年的2倍；至少从1980年以来，陆地和海洋上空以及对流层上层的平均大气水汽含量已有所增加；已在许多大的地区观测到降水量在1901~20##年间存在显著增加或减少的长期趋势。中国是全球气候变暖特征最为显著的国家之一，近100年来，中国年平均气温升高0.65±0.15℃，略高于全球平均增温幅度，尤其是华北、内蒙古东部及东北地区升温显著。
1.2 研究现状
1.2.1 作物模型发展概述
作物模型从定性的概念模型发展为定量的模拟模型，已成为农业生产与研究领域最有力的工具之一。20世纪60年代中后期，美国和荷兰率先开始研究作物生长模拟模型。荷兰的作物模型研究主要强调作物的机理性、研究性、数学性，从生理生化的角度深入研究基本生理过程，适用于不同种类的作物，较为深入地进行了评价农业生态系统生产力和农场决策方面的研究工作（某某某等，2003）。1965年，de Wit 发表“叶冠层的光合作用”，奠定了作物生长动态模拟模型的基础。1970年，在光合作用模型的基础上引入呼吸作用，提出了早期完整的作物模拟模型ELCROS，1978年在其基础上做出碳平衡和蒸腾方面的机理性阐述，提出BACROS模型，后来进一步建立了PHOTO模型。由于这些综合模型将许多过程描述过细，需要大量数据，不适合1980年~1990年阶段的农业生态规划、定量土地评价和产量预报等研究。实际生产的需要促进了面向应用的SUCROS概要模型的出现。值得一提的是，模拟潜在生产情形的SUCROS1与土壤水平衡模块SAHEL联结而成的SUCROS2可用于模拟水分限制生产情形。此后SUCROS成为面向特定目标模型进一步简化和发展的前导模型，导出了WOFOST，之后又开发出MACROS。（某某某等，2003；某某某等，2003）
1.3 气象资料
在对气候变化下过去55年冬小麦生长趋势进行分析时，采用的气象数据取自北京气象站（No.54511）（表2.1）。
表1.1 北京气象站基本信息
气象资料包括：日期、气压、日平均气温、日最高气温、日最低气温、相对湿度、降水、日平均风速、日照时数。
因缺少辐射监测资料，由纬度、儒略日、日照时数，依世界粮农组织FAO（Food and Agriculture Organization）提供的方法，进行日平均净辐射和净短波辐射的推算。
1. 太阳的磁偏角
（2?1）
其中，J—在年内的天数。
2. 日落时角度
（2?2）
在该模型的研究中，依据CERES模型与WheatGrow模型的基本原理，分别建立了生理发育时间与干物质积累的模拟模型，并根据田间观测资料建立了冬小麦各部分干物质分配的子模型。
模型的基本框架如图2.1所示：
图1.1 冬小麦生长发育模型基本结构
1.4 原料结构变化趋势[①]
随着我国工业化程度提高、社会经济高速稳定发展，我国对纸及纸制品的消费量近年来呈现增速上升趋势。纸制品消费大幅增加，推动我国制浆造纸业产能快速扩张。[②]
1995年至20##年间，纸浆消费总量平均年增长4.9%，20##年为2980万吨；此后纸浆消费增速大幅提高（实际反映的是全社会作为最终产品的纸及纸板消费量剧增），20##年至20##年间，年均增幅高达14.3%，20##年总消费量为4455万吨。造纸工业加速发展势头明显。
参考文献
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[①] 本节各类纸浆及纸制品产量、进口数量数据如无特殊说明均来源与《中国造纸年鉴2002》及《中国造纸年鉴2006》
[②] 本节各类纸浆及纸制品产量、进口数量数据
第二篇：化工前沿讲座报告
微化工技术前沿讲座报告
院系
专 业
年 级
学生姓名
学 号
完成时间化工学院 化学工程 2013 秦杰 130xxxxxxxx 20xx年11月
摘要
20世纪90年代以来，在多学科交叉以及高新技术发展迅猛的势头下，微化工技术应运而生并顺势兴起，引起了国内外广大研究人员的极大关注。随着微尺度下“三传一反”研究的进展。微尺度流体的性能得到了深入揭示，微反应器技术也被广泛应用于科学研究和工业生产领域。本文对微反应器按概念特点，构造，性能以及在各个领域的应用情况对各种新型微反应器作了简要介绍，阐述了微反应器所具有的一系列超越传统反应器的优越性。相信在不久的未来，微化工技术将会以其高效、快速、灵活、轻便、易装卸等特点给整个化工领域带来革命性的影响。
关键词：微反应器；微型化；微反应技术
Abstract
Since the 1990s, as in the high-tech multi-disciplinary rapid development momentum, micro-chemical technology come into being and the rise of homeopathy, researchers at home and abroad has aroused great concerning. With the microscale study of "three pass an anti-" progress,microscale fluid performance has been further revealed that the micro-reactor technology has been widely used in scientific research and industrial production. In this paper, according to the concept of micro-reactor characteristics, structure, performance, and applications in various fields on a variety of new micro-reactors are briefly introduced, elaborated micro-reactors with a series of advantages over traditional reactors. I believe that the micro-chemical technology will be its efficient, fast, flexible, lightweight, easy handling and other features to the entire revolutionary impact on the chemical industry in the near future.
Keywords: micro-reactor; miniaturization; micro-reaction technology
引言
20世纪是化学工程学从诞生到发展壮大的时期，历经了“单元操作”和“三传一反”两大历史性的发展阶段。随着科学技术的进步，化学工程学的研究范围正逐渐向时空多尺度领域拓展。20世纪50年代末，著名的物理学家Richard Feynman曾预言微型化是未来科学技术发展方向。 半个多世纪以来，计算机的更新换代已将微型化所带来的方便引入了人类生活和工作的各个领域，并对人类文明进程产生了重大的影响【1】。微化工技术是20世纪90年代初顺应可持续发展与高技术发展的需要而兴起的多学科交叉的科技前沿领域，它是集微机电系统设计思想和化学化工基本原理于一体并移植集成电路和微传感器制造技术的一种高新技术，涉及化学、材料、物理、化工、机械、电子、控制学等各种工程技术和学科。常规尺度的化工过程通常依靠大型化来达到降低产品成本的目的；微化工过程则注重于高效、快速、灵活、轻便、易装卸、易控制、易直接放大及高度集成。 微化工系统呈模块结构、并行分布式进行，可实现就地、按需生产与供货，免除储运并且更加安全，同时也使分散资源得到充分合理的利用，这对人类生命、环境安全及资源综合利用具有十分重要的意义。此外，国家安全所涉及的化学化工方面，应用微化工技术能大幅度提高相应系统的效率并减少其体积和质量，也是这个新学科的重要应用领域之一。微化工技术也将经历与微电子技术同样的历程，它的发展也将会对整个化工领域产生革命性影响。由于特征尺度的微型化，微化工技术的发展不仅在技术领域中构成了重大挑战，也为科学领域带来许多全新的问题。在微尺度的化工系统中，传统的“三传一反”理论需要修正、补充和创新，系统的表面和界面性质将会起重要作用，从宏观向微观世界过渡时存在的许多科学问题有待于发现、探索和开拓。通常而言，微化工技术包括微热、微反应、微分离、微分析等系统，其中微热、微反应系统是核心部分【2】。 1 微反应技术与微反应器的基本概念及特点
微反应器是一个比较广泛的概念，并有很多种形式，既包括传统的微量反应器，也包括聚合微反应器、反相胶束条纹反应器、微聚合反应器和固体模板微反应器等。这些微反应器的对化学反应的共同特点是将其控制在极其微小的空间内，反应通道的平均尺寸一般为微米甚至纳米。在尺度上按机械习惯划分为：1 ~ 10mm 为微小型（mini），1μm ~ 1mm 为微型（micro），1nm~ 1μm 为纳米型（nano）。 微化工技术着重研究时空特征尺度在数百微米和数百毫秒范围内的微型设备和并行分布系统中的过程特征和规律，其目标是能大幅度减小过程系统的体积或大幅度提高单位体积的生产能力。微化工系统的基本技术包括材料选择、微细加
工、微系统控制（温度、压力、流向）和集成、微装配（如键合和封装）以及催化剂制备等关键技术. 按其用途划分，包括微换热器、微反应器、微分离器、微混合器、定量输液输气系统、微传感器（速度、压力、流量、温度、湿度、pH值和化学组成等）、微执行器（微阀、微泵、微开关和微电机）等关键组件。微加工技术主要有精密机械加工、湿法刻蚀、干法刻蚀、电化学刻蚀、表面硅工 艺技术、LIGA 技术、电火花加工（EDM）、表面活化键合技术、激光加工等。微加工技术是微型技术领域的一个重要而又非常活跃的技术领域，其发展可带动微化工技术的发展。
自20世纪90年代中期微反应技术兴起以来，由于其独特的特色和优势得以迅
速发展并成为科研院校和企业界共同的研究热点；不但取得了很多令人瞩目的研究成果，而且在医药、农药、特种材料以及精细化工产品及中间体的合成中得到了越来越多的应用。尤其进入本世纪以后，各大跨国公司也开始关注这一新兴技术，纷纷成立专门的微反应技术部门开展在其相关工业领域的应用研究；同时开发微反应技术的公司之间也强强联合，以期进一步拓展微反应技术在工业生产中的应用【3】。
2微反应器的特点及优越性
由于微反应器的结构特征完全不同于常规反应器，这就决定了微反应器具有独特的优势而适应于某些化学反应。
2．1 有利于化学反应的精确控制
(1)反应时间可精确控制
微反应技术采取的是微管道中的连续流动反应，可以精确控制物料在反应条件下的停留时间，同时微型化使得反应物所需用量成数量级减少，反应时间大大加快，精度大为提高，能够有效消除因反应时间长而产生的副产物。微组合化学合成与分析系统使检测时问由原来的2～3h下降到50s，而精度可提高到仄摩尔(10-21mo1)。
(2)反应温度可精确控制
极大的比表面积决定了微反应器有极大的换热效率，即使反应中瞬时释放出大量热量，也可以及时吸收以维持反应温度不超出设定值。对于强放热反应，在常规反应器中由于混合速率及换热效率不够高，常常会出现局部过热现象，而局部过热往往导致副产物生成，以及收率和选择性下降。
(3)物料可以精确比例瞬时混合
对反应物料配比要求很精确的快速反应，如果搅拌不好，就会在局部出现配比过量而产生副产物。这一现象在常规反应器中几乎无法避免，但微反应器系统的反应通道一般只有数十微米，可以精确按配比混合，避免副产物的形成。
2．2 安全可靠
由于特征尺寸小于火焰传播临界直径及微通道极强的传热能力，能有效地进行链式反应，从而可以有效地抑制自由基爆炸反应；由于换热效率极高，且系统内物料滞留量很小，即使发生爆炸，也不会造成严重后果，这就使过去常规设备条件下一些危险的化学反应得以实现。
2．3 小试工艺不需中试可以直接放大
利用微反应技术进行生产时，工艺放大不是通过增大微通道的特征尺寸，而是通过增加微通道的数量来实现的，可以跳过耗时费力的中间试验放大阶段。所以小试最佳反应条件不需要做任何改变就可以直接进入生产，不存在常规反应器的放大难题。从而大幅度缩短了产品由实验室到市场的时间。
2．4 实现分布式生产的可能性
微反应系统是模块结构的平行分布式系统，具有便携性好的特点，可实现在产品使用地分散加工并就地供应，真正实现将化工厂便携化，并可根据市场情况增加通道数和更换模块来调节生产，具有很高的操作弹性，这不仅消除危险品运输的潜在危险，而且可以使分散的资源得到合理的利用。同时反应产生三废远低于传统工艺，废弃物的处理系统也可以模块化、微型化，并同生产模块集成在一起。
2．5 可以探索新的化学反应路径
利用微通道壁面和流体的相互作用，可以使反应器中的“热点”受到压抑，又可以消除传质限制因素，从而使一些高放热反应可以在较温和条件下实现，这
【4】也为探索新的、环境友好工艺路线开辟新途径。
3适合于微反应器的反应类型
根据以上有关微反应器优点的分析可知，在制药、精细化学品和中间体的合成反应中，适于微反应器内进行的反应过程应包含下面的三类。
第一类：瞬间反应
反应半衰期小于1s，这类反应主要受微观混合效果控制，即受传质过程控制，如氯化、硝化、溴化、磺化、氟化、金属有机反应和生成微-纳米颗粒的反应等；由于传质效果较差，故在传统尺度反应器内进行时，过程难以控制，且产品质量较差。
第二类：快反应
反应半衰期介于1s~10min之间，处于传质过程和本征动力学共同控制区域，混合效果对这类反应的影响较小、甚至可忽略不计；但当这类反应的生成焓较大时，采用常规尺度反应器一般不能及时把热量移出，易造成局部温度过高，最终导致反应过程失控和副反应的发生，使反应选择性和产率降低；而利用微反应器的高效传热性能则可以使反应在较低温度梯度下平稳进行，反应过程易控，可提高目的产物的选择性和产率。
第三类：慢反应
反应半衰期大于10 min，处于本征动力学控制区域，此类反应理应更适合于间歇或半间歇釜式反应器；但对于仅在苛刻反应条件下才能发生的反应，如：反应在高温、高压条件下，反应物、产物均为剧毒物质或反应放热剧烈的反应等，若从生产过程安全角度考虑，则适于在微反应器内进行，可极大地提高过程安全
【5】性能。
4应用领域及工业化进程
微反应器具有比常规反应设备更为突出的性能，因此微反应器也被广泛应用于化学、化工、生物、材料等诸多领域。
4．1高性能的基础研究平台
作为一种具有良好性能的反应设备，微反应器在化学、生物等基础科学研究中成为良好的研究工具。首先，微反应器内反应体积小，混合迅速且具有快速稳定的特点，因此利用微反应器可以减少反应物或催化剂的消耗，特别是对于需要昂贵药品的实验，利用微反应器可以有效降低实验成本，提高实验效率。例如，可以在微反应器内快速进行大量的组合化学实验；而对于具有一定危险性的实验来说，利用微反应器又可以减少危险药品的使用，提高实验过程的安全性。其次，利用微反应器内混合迅速和反应对间易于控制的特点，在微反应器内可以方便地进行动力学测量实验。例如，Ismagilov的课题组在微反应器内研究了酶反应的反应动力学，他们利用荧光技术对不同反应时间下的反应产物进行浓度标定，在一个微通道内获得了不同反应时间下的浓度信息，从而方便地测量反应的动力学。再次，借助微反应器温度易于控制的特点，利用微反应器可以方便地调控反应温度，甚至于在短时间内完成反应体系的升温降温过程，因此微反应器已被成功开发为一种高效的PCR设备，用于DNA的分析。
4．2提高产品质量和过程效率的有效手段
在化工、材料、制药等重要的应用研究领域，微反应器则是提高反应产物质量和提高过程效率的重要手段。借助微反应器良好的混合和传热性能，微反应器可以有效地控制反应物的混合状态和反应温度，从而提高化学反应的选择性。研究结果表明，对于很多有机合成反应，利用微反应器可以有效地提高反应的选择性和收率。Nagaki的课题组利用多股并流式微反应器，强化了Friedel—Crafts反应的混合过程，并将反应产物的收率从37％提高到了92％。笔者所在实验室也使用了T型微反应器成功强化了SINA预混合反应的混合性能并有效控制了反应的停留时间，将反应选择性由93％提高到了99％。对于聚合反应，利用微反应器还可以有效控制聚合过程的温度以及引发剂在反应单体中的分布。Iwasaki等利用毛细管微反应器良好的换热性能，有效缩小了一种自由基聚合反应产物的分子质量分布。微反应器还被广泛应用于有机、无机材料的制备领域，借助微反应器流动和分散的可控性，在微反应器内可以制备出单分散性的聚合物微球、微胶囊和无机氧化物微球，这些材料良好的宏观形态对于发挥材料的性能是十分重要的。此外，利用微反应器良好的均相、非均相混合性能，在微反应内可以快速混合沉淀反应的物料，从而在反应器内实现高的过饱和度，这对于纳米颗粒制备反应十分重要。目前笔者所在实验室使用T型微反应器，已经成功实现了纳米硫酸钡、二氧化钛、碳酸钙、氧化锆等颗粒的可控制备。
在工业生产领域，微反应器的应用还处于起步阶段，将微反应器推向工业化面临着反应器的放大问题。微反应器的放大采用的是数目放大的思路，这一点不同于常规的放大过程，但这种集成式的放大可能会带来化学工程领域的一场革命。常规的放大过程容易造成反应器的性能下降，这主要是由反应器尺寸变大带来的反应器内流动、混合尺度分布变宽造成的，采用数目放大的方法可以保持微反应器的优势。在数目放大过程中最为关键的就是要如何保证每个微反应单元内流动和混合情况一致。目前在国内工业微反应器的设计上已经做了一定的尝试，例如，中国科学院大连化学物理研究所已经成功研制出10万t／a的液氨稀释和氨气吸收微系统，并进行了工业生产规模试运行【6】。
5展望
从化学工程学中的许多基础问题研究到过程工业中的许多实际产品开发, 微反应技术的潜在应用前景已得到学术和企业界的广泛认同, 而且它们对化学工业可能具有重大的经济意义。微反应技术和微化学单元目前还不太可能取代所有的传统生产工艺和单元设备。然而, 微反应技术提供了一种新的研究开发概念和技术选择。它们已不再是学术界的“微小玩具”而变成了可应用的产品。它们对石油化学下游产品, 特别对精细化学品和制药以及生物技术等有着越来越大的影响。但在其自身的研究和开发中仍有许多工作要做。其中关键的问题有催化剂设计、系统综合和放大。随着微反应技术的不断发展完善, 它在学术和工业界的应用必将不断扩展[7]。
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