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【全國重點實驗室】介科學與工程全國重點實驗室

來源:化學加公眾號      2025-01-20
導讀:自2022年以來,全國已經完成醫(yī)藥、能源、工程等多個領域全國重點實驗室,化學領域國家重點實驗室也在重組過程中,化學加特別整理匯總化學相關領域全國重點實驗室,供大家參考。

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一、實驗室簡介

“介科學與工程全國重點實驗室”的前身和發(fā)展要追溯到半個世紀之前。1986年在聯(lián)合國項目的資助下,化工冶金所流態(tài)化實驗室升級為中科院多相反應開放實驗室,首屆主任為郭慕孫院士。2001年更名為中科院多相反應重點實驗室。經科技部批準,2006年開始籌建并于2009年正式升級為多相復雜系統(tǒng)國家重點實驗室,首屆主任為李靜海院士。2022年經中科院批準重組為介科學與工程重點實驗室,2023年獲批建設全國重點實驗室。實驗室現(xiàn)任學委會主任劉中民院士,學委會副主任韓布興院士和謝在庫院士,主任楊寧研究員,副主任楊亞鋒研究員、劉艷榮研究員和姚明水研究員。

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圖1. 實驗室發(fā)展歷程

實驗室聚焦國家“雙碳”目標,發(fā)展介科學理論與方法,突破能源、資源等領域的低碳智能重大變革性技術,支撐過程工業(yè)低碳再造,引領過程工程學科創(chuàng)新發(fā)展。結合依托單位的研究基礎、特色與優(yōu)勢。
實驗室科研布局包括:介科學理論與方法、低碳過程關鍵技術群和過程耦合與系統(tǒng)集成,這三方面向既聚焦各自的研究方向,又相互協(xié)作實現(xiàn)從理論、技術到創(chuàng)新的貫通式發(fā)展。重點部署的研究方向及其理論方法和技術路線分述如下: 

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圖2. 實驗室的科研布局

1.發(fā)展介科學理論與方法,支撐低碳重大應用:在介科學理論研究的成果基礎上,探索機理性可解釋人工智能、變分多尺度和粗粒化等前沿模擬分析方法及其有機結合,建立突破性的高效高精度計算模型與算法,發(fā)布大型系列軟件,建立相應的物性、裝備和生產運行數(shù)據(jù)庫。基于介科學方法與自主模擬軟件體系建立虛擬過程工程技術平臺,鑄就低碳過程和過程工業(yè)再造的智能內核,推動其研發(fā)和生產模式變革。

2.建立低碳關鍵技術群:過程工業(yè)流程長且產品門類極為復雜,CO2排放總量高且去除難度大。比如:過程工業(yè)的原油、煤炭、礦物年消耗量分別為6億、3億和20億噸,CO2年排放分別為13.6億、5.4億和24億噸,急需發(fā)展變革性低碳技術。為此,結合實驗室的研發(fā)基礎和相關的介科學研究進展,將重點突破碳基能源制化學品變革性技術、鐵礦提質與低碳冶煉變革性技術、近零碳電爐高效冶煉技術、基于CO2原位捕集的水泥生產新工藝,從工藝源頭實現(xiàn)低碳過程的流程再造。

3.發(fā)展過程耦合與系統(tǒng)集成方法,實現(xiàn)碳排放-質量-成本-效率綜合最優(yōu):發(fā)展全過程綠色度、碳排放和碳足跡的定量評價方法。針對典型工業(yè)過程的耦合及生態(tài)工業(yè)園區(qū),如新能源發(fā)電(熱)-電解水制氫-煉油-化工-CCUS-廢棄物循環(huán)等,考慮能效、資源利用率、綠色度、經濟性、碳排放等多個目標,發(fā)展基于智能算法的多目標優(yōu)化方法,獲得最優(yōu)解,指導低碳技術的開發(fā)和實際工業(yè)應用。

實驗室有3個研究平臺:中關村實驗平臺、懷柔超算平臺和廊坊中試平臺。其中:中關村實驗平臺為集中于低碳關鍵技術群的核心研發(fā)實驗中心;懷柔超算平臺為面向介科學前沿理論的模擬計算和仿真中心,也是科教融合中心;廊坊中試平臺為原創(chuàng)工藝和流程再造的工程試驗中心。3個中心的“三位一體”研究體系,提升了對重點方向、重大任務的支撐保障能力。

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圖3. 實驗室的研究平臺

二、現(xiàn)任領導

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三、學術委員會

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四、優(yōu)秀人才

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五、課題組

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六、什么是介科學?

“介科學”是中國科學家率先提出的新領域,它是描述介尺度時空非均勻結構的形成和演化規(guī)律及其背后的驅動機制,即多種機制“競爭中的協(xié)調” 的科學理論及方法;旨在突破傳統(tǒng)統(tǒng)計平均方法和還原論方法的局限性,破解工程科學的復雜性,開創(chuàng)過程工程新紀元。

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圖1. 介科學是探索介尺度上復雜現(xiàn)象、演化過程和控制機制共同原理的科學(來源:李靜海院士在2023年第7屆全國化學工程與生物化工年會中《科學的時代特征:科研范式變革與應對全球挑戰(zhàn)》,文章參考:Chao Dong, Jinghai Li, Daya Reddy, Science for This Age: Paradigm Shifts and Global Challenges,Engineering, 2022, 19, 22-23. DOI:10.1016/j.eng.2022.05.002
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圖2. 介科學多種機制“競爭中的協(xié)調”示意圖(來源:Jinghai Li, Wenlai Huang, Wei Ge. Multilevel and multiscale PSE: Challenges and opportunities at mesoscales. Computer Aided Chemical Engineering. 2018, 44, 11-19. DOI: 10.1016/B978-0-444-64241-7.50002-1

為進一步闡述介科學的內涵和前景,中國科學院過程工程研究所聯(lián)合英國牛津大學,對介科學產生的背景、面臨的挑戰(zhàn)和機遇進行了深刻而簡要的介紹。介尺度是指介于微觀(元素)尺度和宏觀(系統(tǒng))尺度之間的尺度范圍,在這個尺度范圍內,存在一種特征結構,即介觀結構,具有空間和時間的動態(tài)異質性,這對系統(tǒng)的性能至關重要。需要介尺度的參數(shù)來將元素尺度的機制與系統(tǒng)的行為聯(lián)系起來。介科學的目標是發(fā)展一種盡可能普遍的原理,為不同層次的學科建立這樣的橋梁, 如圖3所示。詳細見《國家科學評論》(National Science Review)中“Mesoscience: Exploring the common principle at mesoscales”

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圖3. 介科學理論中涵蓋的介尺度(來源:Wenlai Huang, Jinghai Li, and Peter P. Edwards, Mesoscience: exploring the common principle at mesoscales. National Science Review. 2018, 5: 321-326. DOI:10.1093/nsr/nwx083

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