金涌的化工人生

本刊記者/陳道隆 龐貝

金涌的化工人生

本刊記者/陳道隆 龐貝

他長(zhǎng)期鉆研于化學(xué)工程研發(fā)領(lǐng)域，在流態(tài)化技術(shù)、清潔化工工藝等方面成績(jī)卓著，獲授權(quán)專利40多項(xiàng)，并多次獲得國(guó)家級(jí)大獎(jiǎng)和其他多種獎(jiǎng)勵(lì)；

他獲得了美國(guó)化學(xué)工程師協(xié)會(huì)PSRI講座獎(jiǎng)，得到了國(guó)際同行的肯定；

他用長(zhǎng)達(dá)半個(gè)世紀(jì)的時(shí)間，耕耘在三尺講臺(tái)之上，一路春風(fēng)化雨；

他以古稀高齡，倡導(dǎo)循環(huán)經(jīng)濟(jì)，為我國(guó)經(jīng)濟(jì)的健康有序發(fā)展嘔心瀝血……

他是金涌，他的名字與一串頭銜相連，中國(guó)工程院院士、清華大學(xué)教授、化學(xué)工程專家、教育家，然而他最貼切的稱呼應(yīng)該是——一個(gè)化工人。

金涌院士與夫人

一門心思做學(xué)問(wèn)

1953年金涌被選去蘇聯(lián)留學(xué)，對(duì)于一心向?qū)W的金涌而言，留學(xué)生涯如世外桃源，每天7:30準(zhǔn)備去學(xué)校，晚上12:00離開(kāi)圖書(shū)館。日復(fù)一日，年復(fù)一年，除了上課、看書(shū)、作業(yè)沒(méi)有任何分心之事。由于蘇聯(lián)學(xué)科劃分過(guò)細(xì)，又是以工程師為培養(yǎng)目標(biāo)，他感到有些課完全可自學(xué)就能考取滿分，且覺(jué)得其基礎(chǔ)理論教育難于滿足他的求知欲和好奇心，所以自行安排課表，到其他系蹭課，整日忙碌于各樓之間。由于缺少名師引導(dǎo)，最大收獲也僅是培養(yǎng)了自學(xué)能力。最終以全優(yōu)成績(jī)畢業(yè)后，被分配到中國(guó)科技大學(xué)任職。

上世紀(jì)50年代末60年代初的中國(guó)科大是與眾不同的，聚集了全國(guó)最有名的大師如錢學(xué)森、郭永懷、楊承宗、王葆仁、錢人元等直接授課，“有教無(wú)類、因材施教”。金涌在大師們的耳濡目染之下涉獵廣闊。

金涌當(dāng)時(shí)主要從事化工原理的教學(xué)工作，啟蒙老師是丁緒淮教授，這種一對(duì)一的耳提面命式的教誨，使金涌受益終身。金涌直接接觸過(guò)并得到指導(dǎo)的老先生還有汪家鼎、時(shí)鈞、郭慕孫、陳家鏞教授等，這些大家都被他奉為做事的榜樣，由此漸漸對(duì)化學(xué)工程學(xué)有了一些感悟。

1973年大學(xué)復(fù)課以后，金涌轉(zhuǎn)到清華大學(xué)化工系任教，并參與工廠的技術(shù)改造活動(dòng)。恰逢工廠的一個(gè)直徑三米多、高四五十米的化學(xué)反應(yīng)器要淘汰，在當(dāng)時(shí)的特殊條件下，金涌師生遂成為新型反應(yīng)器設(shè)計(jì)和指導(dǎo)施工的主力。雖然承受了巨大的風(fēng)險(xiǎn)壓力，但也是絕好的實(shí)踐機(jī)會(huì)，過(guò)去所學(xué)的理論知識(shí)終于可以牛刀小試，最終圓滿完成了任務(wù)。就這樣在工廠摸爬滾打了四五年，增長(zhǎng)了許多實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)。

瞄準(zhǔn)前沿出成果

從70年代后期起，金涌終于得償所學(xué)，有機(jī)會(huì)認(rèn)認(rèn)真真從事治學(xué)和研究工作。

他所從事的學(xué)術(shù)領(lǐng)域，當(dāng)時(shí)有一個(gè)世界級(jí)重要方向，即流態(tài)化化學(xué)反應(yīng)工程學(xué)，通俗來(lái)講就是用流體(參加化學(xué)反應(yīng)的氣/液體原料)把細(xì)粉(催化劑或固體原料)懸浮起來(lái)，并進(jìn)行大規(guī)?；瘜W(xué)反應(yīng)。這樣做有諸多優(yōu)點(diǎn)，如設(shè)備生產(chǎn)能力大，反應(yīng)可以在全設(shè)備內(nèi)的溫度、濃度、壓力均勻的條件下進(jìn)行；設(shè)備結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單投資低，反應(yīng)過(guò)程中可以大量移出或加入熱量，固體物料可以連續(xù)不間斷地引出和引入等等。因此，這一方向受到世界上該領(lǐng)域?qū)W者的廣泛重視，后來(lái)成為化學(xué)工業(yè)中最為重要和普遍使用的反應(yīng)裝置之一。

流態(tài)化作為世界范圍化學(xué)工程學(xué)領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)之一持續(xù)了半個(gè)世紀(jì)，不僅因流態(tài)化在各種工業(yè)中可以有廣泛應(yīng)用前景，而且它的學(xué)術(shù)問(wèn)題有深度、有廣度。但要真正掌握多相湍流的理論規(guī)律很難。在它的極盛時(shí)期，世界上有上百個(gè)大學(xué)和工業(yè)研究院的研究小組參與其中。上世紀(jì)80～90年代，正恰逢流態(tài)化研究正向高流速方向延伸和深入發(fā)展，金涌所組建和領(lǐng)導(dǎo)的研究室趁著這一絕好時(shí)機(jī)在流態(tài)學(xué)領(lǐng)域大展身手。

金涌研究室善于通過(guò)實(shí)驗(yàn)測(cè)量發(fā)現(xiàn)某領(lǐng)域工程科學(xué)中新現(xiàn)象，通過(guò)系統(tǒng)研究歸納其基本規(guī)律和機(jī)理的解釋，再上升到數(shù)學(xué)模型預(yù)測(cè)，并在認(rèn)識(shí)自然規(guī)律的同時(shí)改進(jìn)工程應(yīng)用，改造客觀世界，較好地實(shí)現(xiàn)了把基礎(chǔ)研究和工程應(yīng)用相結(jié)合。

該研究室的主要工程科學(xué)貢獻(xiàn)有：

1.鼓泡流態(tài)化向湍動(dòng)流態(tài)化轉(zhuǎn)變判據(jù)

在流態(tài)化系統(tǒng)中逐步提高氣流的速度，這一兩相流系統(tǒng)和單相流一樣，也會(huì)發(fā)生流型轉(zhuǎn)變。單相流系統(tǒng)從滯流流型轉(zhuǎn)變成湍流流型是以雷諾準(zhǔn)數(shù)(Re= 2,300 10,000)為判據(jù)，在兩相流系統(tǒng)中提速時(shí)，從鼓泡流型轉(zhuǎn)變成湍流流型要復(fù)雜得多?；瘜W(xué)反應(yīng)器內(nèi)的物系變量多，實(shí)驗(yàn)表明化學(xué)反應(yīng)器在湍流下操作，不但產(chǎn)量加大，而且反應(yīng)收率和選擇性也會(huì)提高，所以查明這一流型轉(zhuǎn)變定量判據(jù)，不僅有著學(xué)術(shù)價(jià)值而且也有重要的工程價(jià)值。

研究室在對(duì)其機(jī)理分析和實(shí)驗(yàn)測(cè)量的基礎(chǔ)上，找到判別流型以若干無(wú)因次數(shù)組表示的定量判據(jù)，在新反應(yīng)器設(shè)計(jì)中作為依據(jù)，對(duì)已有反應(yīng)器操作條件進(jìn)行提升。這一研究成果隨后被美國(guó)顆?？茖W(xué)研究所(PSRI)所推薦使用。而在國(guó)內(nèi)則根據(jù)這一判據(jù)對(duì)各種工藝和大型反應(yīng)器進(jìn)行改造，獲得顯著經(jīng)濟(jì)效益，在國(guó)際學(xué)術(shù)界也得到很好評(píng)價(jià)，獲得國(guó)家發(fā)明二等獎(jiǎng)(第一發(fā)明人，1987)和國(guó)家科技進(jìn)步二等獎(jiǎng)(第一獲獎(jiǎng)人，1996)。

2.氣固并流下行快速兩相流動(dòng)規(guī)律

氣固兩相并流上行快速逆重力場(chǎng)流動(dòng)的規(guī)律的研究，在上世紀(jì)80年代獲得長(zhǎng)足進(jìn)步，其后在石油催化裂化反應(yīng)中得到廣泛應(yīng)用，金涌研究小組在進(jìn)行深入研究時(shí)，發(fā)現(xiàn)它有很多不足之處，對(duì)反應(yīng)結(jié)果不利，如軸向氣固相的嚴(yán)重返混等。為尋找改進(jìn)方法，該研究室對(duì)氣固并流下行順重力場(chǎng)流動(dòng)規(guī)律堅(jiān)持進(jìn)行了系統(tǒng)研究，首先發(fā)現(xiàn)下行的流速?gòu)较蚍植寂c上行時(shí)完全不同，固相含率的徑向分布出現(xiàn)了濃環(huán)特征結(jié)構(gòu)，而且氣固兩相間滑落速度分布規(guī)律也發(fā)生有利的變化等。他們進(jìn)行流體流動(dòng)參數(shù)規(guī)律的計(jì)算機(jī)數(shù)值模擬，有力地支持了反應(yīng)器工程放大的進(jìn)行。該室對(duì)下行并流流化床反應(yīng)器的基礎(chǔ)研究，長(zhǎng)期保持世界領(lǐng)先地位。

他們?cè)诎l(fā)現(xiàn)下行并行流態(tài)化有許多優(yōu)點(diǎn)之后，也發(fā)現(xiàn)了該裝置有催化劑濃度過(guò)稀薄，特別不利于反應(yīng)初期的多相物料混合。為了克服這一缺陷，提出了兩種新的結(jié)構(gòu)和操作方式，即通過(guò)床型組合或折疊式床型可完全克服不足，形成了技術(shù)訣竅。

上述研究成果在高60米的工業(yè)熱態(tài)大型工業(yè)試驗(yàn)裝置中得到應(yīng)用，并取得圓滿效果。隨著時(shí)間的推移，氣固兩相并流下行的技術(shù)在不同的工業(yè)中日益被廣泛認(rèn)同。

3.對(duì)聚團(tuán)(納米顆粒)流態(tài)化研究

國(guó)際著名學(xué)者認(rèn)為，在對(duì)不同直徑顆粒的流態(tài)化行為進(jìn)行流態(tài)化行為的研究中，顆粒群的平均直徑在小到一定尺寸后就不再有良好的可操作性，這一研究成果被廣泛認(rèn)同。

金涌研究室在考察顆粒直徑對(duì)流態(tài)化行為影響的系統(tǒng)研究中，指出某一特征粒徑(對(duì)催化裂化催化劑為30μm)是不產(chǎn)生嚴(yán)重團(tuán)聚的最小顆粒系統(tǒng)，也是在顆粒群運(yùn)動(dòng)中有獨(dú)立運(yùn)行行為的最小顆粒直徑，因而是一種有特殊操作特性臨界粒徑。小于這種粒徑的顆粒群會(huì)因有內(nèi)部范德華力的作用而團(tuán)聚行為加劇，從而失去可被氣流懸浮的特征，但是在顆粒進(jìn)一步減小時(shí)，特別是納米尺寸顆粒群可以形成穩(wěn)定團(tuán)聚體，有穩(wěn)定的聚團(tuán)流態(tài)化現(xiàn)象，并且具有良好的工業(yè)操作特性。采用這種納米聚團(tuán)流態(tài)化特征的反應(yīng)器，成功地大批量制備出各種特性的納米炭管，并被證明是最佳的大批量制備炭管反應(yīng)器。這一技術(shù)具有原始創(chuàng)新性，在國(guó)際上處于領(lǐng)先地位。

4.徑向移動(dòng)床反應(yīng)器的研究

我國(guó)在石油工業(yè)催化重整工藝中，采用了徑向氣流移動(dòng)床反應(yīng)器結(jié)構(gòu)，該反應(yīng)器結(jié)構(gòu)和操機(jī)理復(fù)雜，一直都在重復(fù)購(gòu)買國(guó)外專利使用權(quán)。金涌研究室參加了中國(guó)石化公司對(duì)該項(xiàng)目的自主研發(fā)，建立了中型測(cè)試平臺(tái)，對(duì)不同流動(dòng)方向加以組合，對(duì)操作性能的影響和顆粒由于側(cè)向氣流曳力的作用在一定流速后產(chǎn)生貼壁效應(yīng)的規(guī)律進(jìn)行了研究，并且提供了計(jì)算機(jī)數(shù)值模擬軟件，進(jìn)行了反應(yīng)器放大規(guī)律的研究，建立了一比一的大型冷模實(shí)驗(yàn)論證，結(jié)果表明該模型計(jì)算軟件對(duì)反應(yīng)器放大結(jié)果的預(yù)測(cè)是可靠的。該軟件被提供給設(shè)計(jì)院，在多臺(tái)反應(yīng)器改造和新反應(yīng)器設(shè)計(jì)中使用，并取得顯著經(jīng)濟(jì)效益。這也是中國(guó)在石油煉制工藝自主開(kāi)發(fā)上獲得又一次成功。

化學(xué)工藝反應(yīng)的現(xiàn)象會(huì)表達(dá)出其物理化學(xué)本質(zhì)特征，也會(huì)表達(dá)出其固有的優(yōu)點(diǎn)和不足，化學(xué)工程則是通過(guò)工程科學(xué)手段，使反應(yīng)工藝過(guò)程中優(yōu)點(diǎn)得到充分的發(fā)揮，而使其不足得到避諱和克服，所以化學(xué)工程與工藝的綜合開(kāi)發(fā)，可以縮短研發(fā)過(guò)程，獲得更好的效果。該研究室將化學(xué)工程與工藝相結(jié)合，如常壓流化床法生產(chǎn)三聚腈胺全流程開(kāi)發(fā)，現(xiàn)已成為該產(chǎn)品的主流技術(shù)。三聚腈胺是重要的粘合劑、涂料、減水劑、阻燃和仿瓷塑料的原料，目前國(guó)內(nèi)已發(fā)展成為世界產(chǎn)量第一的產(chǎn)業(yè)；同時(shí)，完成了有機(jī)硅生產(chǎn)中流化床法二甲基二氯硅烷的生產(chǎn)放大技術(shù)和改造，在吉林化學(xué)工業(yè)公司實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化；完成了氯化法鈦白生產(chǎn)中氧化反應(yīng)器的實(shí)驗(yàn)剖析和模擬，并在指導(dǎo)工業(yè)實(shí)踐中獲得成功。

除上述外，金涌研究室在其他許多研究課題上均有驕人成果：在基礎(chǔ)理論探索中，采用數(shù)學(xué)方法，在對(duì)氣固流化床內(nèi)的參數(shù)隨機(jī)行為的研究、對(duì)氣液固三相流化床行為的研究、對(duì)新型結(jié)構(gòu)氣流床干燥節(jié)能技術(shù)的研究、對(duì)大型固體物料靜態(tài)摻混技術(shù)、對(duì)密相氣力輸送粉體技術(shù)和超短接觸反應(yīng)技術(shù)的研究、以及浮板塔精餾技術(shù)的研究等方面都取得了創(chuàng)新成果，在國(guó)內(nèi)外發(fā)表學(xué)術(shù)論文400余篇，并在工業(yè)技術(shù)轉(zhuǎn)化上取得了顯著經(jīng)濟(jì)效益，共申請(qǐng)40多項(xiàng)專利技術(shù)，同時(shí)獲得國(guó)家發(fā)明二等獎(jiǎng)、國(guó)家科技進(jìn)步二等獎(jiǎng)各一項(xiàng)，教育部、石化總公司、石化協(xié)會(huì)等部級(jí)科技進(jìn)步一等、二等和三等獎(jiǎng)十多項(xiàng)，獲專利優(yōu)秀獎(jiǎng)、專利推廣成果獎(jiǎng)等多項(xiàng)。

在化工研究中的卓越貢獻(xiàn)為金涌贏得國(guó)際聲譽(yù)，2007年，他獲得美國(guó)化學(xué)工程師協(xié)會(huì)(AICHE)的PSRT流態(tài)化講座教授獎(jiǎng)。

春風(fēng)化雨育人才

金涌教授本職工作的成功，首先應(yīng)是作為一個(gè)教育工作者的成功。

金涌教授50多年來(lái)一直活躍在教學(xué)第一線，長(zhǎng)期講授“化學(xué)工程”本科專業(yè)基礎(chǔ)課；直到2009年仍然與荷蘭工程院士Delft大學(xué)Jakob de swaan Arons教授一起針對(duì)綠色大學(xué)建設(shè)，為清華大學(xué)一年級(jí)學(xué)生開(kāi)設(shè)“資源?能源?環(huán)境?社會(huì)”的全校選修課；25年來(lái)先后被國(guó)內(nèi)近20所大學(xué)聘為兼職教授，在化工系先后指導(dǎo)了30多名博士生和碩士生；在金涌與年輕教授合作執(zhí)導(dǎo)的博士生中，有兩名博士的論文被評(píng)為全國(guó)百篇優(yōu)秀博士論文，金涌因此也兩度獲得全國(guó)百篇優(yōu)秀博士論文導(dǎo)師獎(jiǎng)；凡在金涌研究組工作過(guò)的人員，在國(guó)內(nèi)外都有驕人的業(yè)績(jī)，而且該實(shí)驗(yàn)室的勤奮敬業(yè)傳統(tǒng)被學(xué)生帶入新崗位而廣受稱道。

只有讓更多年輕人，走進(jìn)自主研發(fā)隊(duì)伍，成為項(xiàng)目的中堅(jiān)力量，才有我國(guó)科學(xué)技術(shù)“跨越式發(fā)展”的春天。金涌認(rèn)為：“年輕人有很多新思想，要把他們的智慧和才能發(fā)揮出來(lái)，必須給他們機(jī)會(huì)，讓他們身上有‘擔(dān)子’?！睘榱藞F(tuán)隊(duì)的活力和后勁，金涌教授到外面聯(lián)系科研項(xiàng)目交給年輕人牽頭做：“如果出了問(wèn)題算我的，做好了算年輕人的?！边@種“人梯”精神，使年輕人早日自強(qiáng)自立。

哪一個(gè)研究集體的年輕帥才脫穎而出得快，那個(gè)集體就會(huì)長(zhǎng)盛不衰。為了整體的利益，金涌在新世紀(jì)之初，推舉新的研究實(shí)驗(yàn)室領(lǐng)導(dǎo)人，離開(kāi)了自己主持創(chuàng)建和成長(zhǎng)的實(shí)驗(yàn)室領(lǐng)導(dǎo)崗位。雖然內(nèi)心有依依不舍，但是想到實(shí)驗(yàn)室的成績(jī)和大家共同創(chuàng)造的大片“家業(yè)”能夠青出于藍(lán)，內(nèi)心也就釋然了。

50多年的教師生涯，迎來(lái)桃李滿園，也為金涌帶來(lái)了一系列榮譽(yù)，他先后獲得全國(guó)優(yōu)秀教師獎(jiǎng)”、全國(guó)五一勞動(dòng)獎(jiǎng)?wù)?、北京市教學(xué)名師獎(jiǎng)等，獲全國(guó)優(yōu)秀博士論文指導(dǎo)教師獎(jiǎng)兩次。

老驥伏櫪倡循環(huán)

21世紀(jì)之初，中國(guó)經(jīng)濟(jì)歷經(jīng)20多年的高速發(fā)展，但是人們回過(guò)頭來(lái)卻發(fā)現(xiàn)，這是以巨大物耗、能耗和環(huán)境污染為代價(jià)取得的。人們已經(jīng)認(rèn)識(shí)到要使中國(guó)社會(huì)經(jīng)濟(jì)可持續(xù)發(fā)展必須轉(zhuǎn)變發(fā)展模式。

世紀(jì)之初，金涌在清華大學(xué)化工系老領(lǐng)導(dǎo)滕藤教授的動(dòng)議之下，成立了生態(tài)工業(yè)經(jīng)濟(jì)和技術(shù)專業(yè)委員會(huì)，并找到其工程實(shí)踐的突破口，初步組織了學(xué)術(shù)隊(duì)伍。這樣就有每?jī)赡?或每年)召開(kāi)一次的學(xué)術(shù)系列會(huì)議活動(dòng)和學(xué)會(huì)組織，活動(dòng)一直持續(xù)發(fā)展到今天。

金涌還積極參與國(guó)內(nèi)外學(xué)術(shù)交流活動(dòng)，2001年和2003年兩次作為中美化工學(xué)術(shù)大會(huì)中方主席，任循環(huán)經(jīng)濟(jì)流態(tài)化系列國(guó)際會(huì)議組織顧問(wèn)，并組織中日學(xué)術(shù)交流會(huì)議，成為該領(lǐng)域國(guó)際知名學(xué)者，成為中國(guó)工業(yè)生態(tài)化的“宣傳員”。

在宣傳、倡導(dǎo)循環(huán)理念的同時(shí)，金涌還和清華的同事們一起實(shí)干。他們選擇了基礎(chǔ)條件較好的山東魯北集團(tuán)，分析該集團(tuán)的能源流、物流、信息流、廢物流，利用最新科技，對(duì)它們的優(yōu)化配置做了進(jìn)一步的研究。如今，在這個(gè)全國(guó)最大的磷銨、硫酸、水泥聯(lián)產(chǎn)化工企業(yè)的廠區(qū)內(nèi)，聞不到異味，看不到廢物排出，因?yàn)榍耙粋€(gè)車間的廢氣、廢水、廢渣、廢熱都已在一個(gè)封閉式的環(huán)境下，被轉(zhuǎn)化成了下一個(gè)車間的原料和能源。在先驅(qū)者的示范作用下，迄今為止，全國(guó)已有上百個(gè)生態(tài)工業(yè)園區(qū)。

半個(gè)世紀(jì)以來(lái)，金涌始終以化學(xué)與化工事業(yè)為自己的奮斗使命，或許他的那首誦黃果樹(shù)瀑布的《七律》能隱隱道出他畢生的價(jià)值追求——“無(wú)怨世人識(shí)君晚，已投江湖濟(jì)蒼生?！?/p>

一躍凌空大道成，萬(wàn)馬踏破雪山崩。

心驚只疑天河泄，狂喜卻緣跨長(zhǎng)虹。

沉雷滾落撲面雨，波濤深處龍蛇騰。

無(wú)怨世人識(shí)君晚，已投江湖濟(jì)蒼生。

金涌，中國(guó)工程院院士。現(xiàn)任清華大學(xué)化學(xué)工程系教授、博士生導(dǎo)師，化工科學(xué)與技術(shù)研究院院長(zhǎng)，還擔(dān)任工業(yè)生態(tài)經(jīng)濟(jì)與技術(shù)專業(yè)委員會(huì)主任、中國(guó)化工學(xué)會(huì)常務(wù)理事、中國(guó)顆粒學(xué)會(huì)常務(wù)理事等職務(wù)，為我國(guó)化工領(lǐng)域中流態(tài)化技術(shù)的發(fā)展以及循環(huán)經(jīng)濟(jì)理論的提出和推廣做出了重要的貢獻(xiàn)。