百年清华

多用点科学,少用点经验——余国琮院士与工程科学

2022-08-12 | 袁希钢(天津大学化学工程研究所所长) | 来源 《光明日报》2022年06月27日 |

学人小传

余国琮,1922年出生,2022年去世,广东广州人。化学工程专家,中国科学院院士。1943年本科毕业于西南联合大学化工系,1945年硕士毕业于美国密歇根大学,1947年博士毕业于美国匹兹堡大学,此后在该校任教。1950年回国,任唐山工学院化工系教授、系主任,1952年任天津大学化工系教授。曾任天津大学化学工程研究所所长、化工学院名誉院长。著有《化工计算传质学》(合作),主编《化学工程辞典》《化学工程手册》等。

余国琮在办公室。 余武隆摄

202246日,著名化学工程专家、教育家、中国科学院院士余国琮先生永远地离开了我们。作为先生生前的助手,这两个多月,我反复回顾和思考着与先生在一起工作的点点滴滴。

跟随先生从事研究工作多年,我深切感受到,先生胸中有大略,洞察国家重大需求,爱国奉献,淡泊名利,一生持之以恒。同时,我也感受到,先生以科学家的思想解决工程问题,在工程科学领域不断引入、开拓多学科方法,为让“工程”逐步从经验走向科学而不懈奋斗。对于先生的这种人格和追求,我自始至终都抱有崇敬和感动。对很多人而言,余先生终身奉献的化学工程领域可能有些陌生,我愿意用尽量通俗的语言分享我的感动。

为国家争一口气

20世纪40年代余国琮先生在美国留学时,就已经在化工分离过程领域取得了卓越成绩。1950年,他毅然冲破封锁,回到新中国,先在唐山工学院任化工系主任,之后来到天津大学开展精馏技术研究。

人们都知道蒸馏水。精馏就是应用蒸馏原理,通过加热液体,让液体中较容易蒸发的物质首先蒸发,然后再将蒸发后的气体通过冷却凝结(冷凝)变回液体,实现混合物的分离。为了让分离后得到的产物更纯,一次这样的蒸发和冷凝是不够的,可以将冷凝得到的液体再次蒸发和冷凝。如果把这样的蒸发-冷凝重复多次,便可以得到比较纯的产品。通过多次蒸发-冷凝实现液体混合物的分离过程就叫作精馏过程,有时也叫作蒸馏过程,顾名思义:通过蒸发的分离。工业上将这种多次重复的操作称为多级过程,并通过将多个级沿竖直方向排列,通过液体向下流动和气体向上流动实现级与级之间的连接,这种装置俗称精馏塔。精馏利用的蒸发和冷凝物理原理简单、可靠,是工业中使用最为普遍的分离技术,高高耸立的精馏塔,也因此成为化工厂的重要标志。

新中国成立之初,精馏技术作为重点项目被列入我国当时的十二年科学技术规划,余国琮先生任负责人。1958年,我国首座核反应堆投入运行,但不久之后,由于国际关系突变,反应堆所需的重水供应中断,我国刚刚起步的核工业面临危机。余国琮先生临危受命,开展重水生产技术研究,他提出的精馏法路线很快得到肯定。1959年,周恩来总理亲临余先生的实验室,握着他的手说:现在有人要卡我们的脖子,我们一定要争一口气!此后,周总理还专门打电话询问研究进展。余先生带领团队艰苦奋斗、攻坚克难,终于不负重托,攻克了重水生产技术难关。与此同时,他还编写教材,为新中国培养了第一批重水生产技术人才。从那时起,为国家“争一口气”的信念就一直涌动在余国琮先生的心中。

改革开放初期,余国琮先生敏锐地意识到,石化工业的飞速发展必然对精馏技术有更高的需求,于是带领团队率先开展工业大型精馏塔技术研究,其成果在我国多套大型乙烯装置中得到应用,开启了我国通过突破精馏技术提升化工、石化工业技术水平的进程。

20世纪90年代,余国琮(左)指导博士研究生开展精馏塔流体力学实验研究。资料图片

1982年,经教育部批准,余先生在天津大学创立了化学工程研究所,出任第一任所长,重点开展精馏技术研究,并在此基础上成立了化学工程联合国家重点实验室天津大学精馏分离实验室”“精馏技术国家工程研究中心以及国家化工填料塔及内件新技术推广中心。自此,他在天津大学建成了从基础研究、工程研发到技术推广完整的精馏技术国家级研发基地。同时,他还领导创建了高效精馏设备产业化基地,为企业提供研发-设计-制造-安装-投产一条龙服务,极大促进了产学研用结合以及科研成果的快速转化。余先生研发的具有新型塔内件的高效填料精馏塔”等多项成果在我国20多个省份的数千座精馏塔中获得成功应用,单位降耗达30%50%,在大型石化、炼油和空气分离等重要工业领域占据了绝大部分技术市场份额,完全取代了国外技术,为企业创造了巨额经济效益,为国家经济建设作出了重大贡献,多项成果获得国家科技进步奖。

在成绩面前,余先生没有止步。他清醒地认识到,进一步发展精馏技术,必须要在基础理论上取得新的突破。在过去的20多年里,他将主要精力投入新的基础研究之中,不但开创了新的理论,使精馏技术上升至新的高度,还引领了化学工程学科的发展,引起国内外学术界关注。

把流体力学引入精馏研究

人们通常把桥梁、机场等设施的建设过程叫作“工程”,其实,工程涉及人类所有的生产活动,用火把肉烤熟是工程,从海水中晒出盐巴也是工程。工程源于人类生存的基本需求,可以说,自打有人类活动,就有了工程。人类在工程实践中逐渐积累起来的经验,是工程活动的核心要素。然而,随着社会的发展,人们对于工程的需求不断提升,仅凭借经验已远远无法满足人们的需求。于是,工程师们引入了科学方法,形成了今天的工程科学。通过提炼石油成分,制成既美观又能御寒的布料,这样的现代生产过程就是工程科学的众多成果之一。

化学工程是一门面向化学品生产的工程科学,迄今已有一百多年历史。近几十年来,随着现代化学工业的崛起,化学工程得到了快速发展,其应用已经扩展到环境、能源、新材料、医药等行业以及芯片制造等诸多高科技领域。其中,分离工程是化学工程的重要分支。它是指将包含多种成分的混合物中的不同成分分离开来,或当作产品,或当作进一步加工成不同化学品的原料。因此,分离过程与化学反应过程并列为化工生产中最基本的两大操作。精馏就是一种应用最为广泛的化工分离技术。

在古代,人类就掌握了利用植物造酒的技术,这可以视作精馏技术的雏形。经过漫长的演化,特别是19世纪之后,伴随着化学工业的出现,精馏技术有了快速发展。然而,即便是现代精馏技术,也没有脱离它的工程的属性,即精馏的设计和操作始终离不开人的经验。这是因为,精馏所涉及的物质和热量传递等问题十分复杂,还没有较为完整的理论体系。因此,精馏过程的工业设计更像是一门艺术。对于工程来说,经验的确重要,但是经验主要来自于实验,特别是来自于接近实际工业规模的实验以及已经成功或失败的工程实践。同时,也正是对经验的过度依赖,导致精馏分离技术开发缓慢、昂贵,基于经验的精馏塔工业设计仍然面临诸多不确定性,一些问题往往在精馏塔投入运行后才暴露出来,严重制约了工业精馏技术的发展。

历史上,为了改进精馏塔的工业设计,人们按照传统的工程逻辑,针对不同的应用场合提出了各种经验模型。其结果是,经验模型如此之多,如何选择合适的经验模型也成为一种经验。即便如此,却很少有人考虑如何从更加基础的原理入手、采用更加科学的方法建立具有普适性的模型和方法。余国琮先生决心在这方面有所作为。20世纪80年代初,他在精馏过程研究中引入了流体力学研究,提出了工艺过程与设备相结合的研究方法。

精馏塔内的流体力学状况对精馏过程有着根本性影响,然而,传统的精馏理论主要基于比较成熟的热力学理论,而忽视了流体力学。这是因为流体分布状况受到设备边界条件影响,千变万化,过于复杂,而这正是为什么历史上经验模型层出不穷而又各不相同的主要原因。为此,余先生提出了精馏塔流体流动分布的一系列理论和方法,减少了经验参数的使用,有效提高了精馏理论模型的准确性。例如,他的研究阐明了精馏塔里面流体分布均匀度的重要影响,形成了上文提到的具有新型塔内件的高效填料塔技术,引导了多种用于液体分布的精馏塔内部构件(塔内件)的发明。

引入科学理论以减少对经验的依赖,这是余先生开展精馏这一工程科学领域研究的基本思想。这一思想简单、明了,直指工程科学领域研究的真谛,也是全部的挑战所在。自20世纪60年代形成的现代化学工程理论,可以概括为三传一反三传即质量(物质)、热量以及流体动量的传递,一反即化学反应过程。实际上,在大部分化工过程(包括精馏过程)的设计中,直接应用这些理论是很困难的,因为实际过程过于复杂,而上述理论主要是对各种化工过程共性的一种归纳。对此,余先生在20世纪90年代初提出了两个重要观点。第一个观点是,在三传”中,质量的传递(简称“传质”)是核心,理由是精馏塔里面的传质决定着浓度的分布,进而决定了精馏的效率,而浓度又是流体流动以及温度的函数,因此热量传递和动量传递模型最终应该为传质模型服务。余先生的第二个观点认为,边界层之外的流体中的传质对精馏分离效率有直接影响,因而也需要理论模型加以描述。过去,“边界层理论”被认为是化学工程领域传质理论的核心。这个理论是说,传质的阻力主要集中在不同的相(气体和液体、流体和固体)之间界面附近较薄的流体滞留层内(边界层理论所考虑的是流体中一种分子相对于另一种分子的迁移现象,即分子扩散现象),那么流体流动中的动量传递以及热量传递如何影响边界层则是重要的切入点。

对于第一个问题,余先生将研究集中于相际界面这样的微小尺度,将现代光学技术应用于界面传质现象测量,组建激光全息干涉测量装置,目的是精确测量在各种条件下近界面区域内的浓度分布,引入激光纹影仪、激光粒子测速仪,解决了界面湍动现象的定性和定量测量问题,发现了临近相界面非常近的距离内的浓度仍然远离边界层理论所假设的热力学平衡浓度,并且在很多情况下存在界面湍动现象。余先生指导研究生在原有边界层理论的基础上提出了新的界面传质理论。这让精馏中的传质速率预测精度有了新的提高。

对于第二个问题,余先生提出,需要突破传统的边界层理论,解决边界层之外的传质模型问题。如果说前面提及的第一个问题与传统的边界层理论有关,而第二个问题已经超出了现有化学工程理论的范畴,迄今还没有现成的理论模型。这也是对传统化学工程理论的真正挑战。针对边界层之外流体中的传质,余先生引入湍流扩散理论,为解决复杂的湍流模型的求解问题,他又引入了科学计算方法,进而开辟了“计算传质学”这一新的研究领域。

提出计算传质学

进入21世纪,随着计算化学、计算流体力学、计算传热学等新兴学科分支的发展,特别是计算机与信息技术的高速发展,用大规模数值计算的方法解决复杂的工程问题已经成为一种趋势。经过20多年的发展,余国琮先生提出的计算传质学如今已经形成了较为完整的理论框架,获得了初步应用,出版了专著,发表了诸多论文,受到国内外学者的关注,成为化工传质研究乃至化学工程方法的重要成果和进展。自20世纪90年代后期开始,我协助余国琮先生从事科研工作,有幸亲历了余先生领导的关于计算传质学的部分研究。

余国琮先生提出的计算传质学研究,就是希望将化工传质这一复杂的工程问题通过科学计算的方法加以解决。一些商用微分方程求解器的不断完善也为计算传质学研究提供了有利条件。

包括精馏在内的几乎所有化工过程中的质量传递都是在湍流条件下进行的。对于湍流条件下的流体流动和传热,学界已经有了较为有效的方法,余国琮先生之前领导的精馏塔流体力学研究也为精馏塔复杂的两相湍流模拟建立了有效的方法,因此计算传质学的核心问题就是对湍流条件下传质过程的模拟。

如上文所述,计算传质学的一项理论工作就是建立边界层之外的传质模型,这需要处理有关湍流的问题。大约是1995年,我和一位博士后在余先生的指导下考虑如何将计算流体力学(CFD)引入精馏的计算,建立了因流体流动导致质量输运的模型。我们将结果拿给余先生,他指出,只考虑流体流动对质量的输运还不够,还要考虑流体湍动的影响,在湍流条件下,流体的湍动还会导致质量在流体中的扩散(这里的扩散是专业术语,指流体中的一种成分从浓度高的区域向浓度低的区域迁移)。余先生所描述的这种现象,在物理学(流体力学)中被称为湍流扩散。这种现象普遍存在于化工设备之中,传统化学工程理论虽然没有回避这一复杂问题,但是采用了较为粗略的经验参数矫正的方法。例如,在很多场合采用“返混”的概念,将包括湍流扩散、流体的输运以及分子扩散等所有复杂因素加以总包考虑,通过实验获得返混系数,并将其用于各种模型。将复杂问题简单化处理是解决复杂工程问题的有效方法,也是工程科学的精髓,但同时也是可以实现理论突破之所在。余先生的指导让我们找到了正确的努力方向,此后又先后经过三个博士生的努力,我们终于提出了同时包含边界层内和边界层外的传质模型。

这一工作的难点还在于,湍流扩散模型是偏微分方程,还要和原有描述流体流动、质量输运的Navier-Stokes方程同时求解,于是计算成为必须解决的问题。

计算实际上是工程科学的核心问题之一。工程之所以高度依赖于经验,是因为理论模型过于复杂,以至于求解过于困难。这导致传统工程师对理论模型并不抱希望,转而采用大量经验关联式。因此,模型和计算是相互依存、相互促进的关系:有了精确的理论模型,还必须解决求解计算问题,而只有解决了计算问题,才有可能开展精确的理论模型研究。这正是余先生为什么要求我们回到电脑桌前安心解决计算问题的原因。

余先生坚持自主开发求解软件和借助商业求解器软件两条腿走路。采用商业软件,保证了计算工作高效推进,通过自主编写算法计算程序,学生始终能从本专业角度保持对模型的理解。

余国琮、袁希钢著《化工计算传质学》

经过近20年的努力,余先生已经指导研究生提出了适用于各向同性场合的计算传质学两方程模型,以及适用于各向异性场合的一种雷诺质流模型。目前,计算传质学方法不仅用于精馏和吸收过程的严格模拟,还有效地应用于吸附、固定床反应、鼓泡塔生物反应以及流化床反应等多种分离和反应过程。计算传质学之所以能够得到较为广泛的应用,是因为化工过程中普遍存在湍流条件下的质量传递,而计算传质学为这种基本的传递过程提供了一种有效模型。同时,计算传质学方法是基于最基础的守恒、热力学、动力学关系,从基本的物性、操作和设备结构参数出发,建立了较严格的数理方程并采用数值计算技术加以求解,用科学计算取代了传统传质计算中的经验关联,使得化工过程装置的设计有可能摆脱对经验的过度依赖。

余先生提出的计算传质学模型和求解方法,将精馏过程模拟从工程计算水平提升到科学计算层次,不但涉及传统的化学工程理论,同时考虑到了湍流条件下物质扩散、相界面复杂的物理现象及其数理模型、微分方程的求解以及相关的数值计算问题,研究范畴已跨越传统化学工程理论边界,形成了化学工程学科新的分支。

工程科学何为

美国化学工程教育最高奖路易斯奖获得者拉斐尔教授曾说:“化学工程在历史上是一门成功学科,这主要得益于实验与数学模型的集合。”数学模型的背后是理论,理论的背后便是科学。回望余国琮先生七十年科教生涯,从科研角度看,他的成功正是因为能够在解决复杂的工程问题过程中不断努力引入科学。科学是解决复杂工程问题的钥匙,正是因为有了众多像余先生这样的工程科学家的努力,今天的世界才取得了如此之多的工程成就,我们才能够享用高质且廉价的商品、方便的通信、快捷的交通。

余国琮在80岁庆祝活动上致辞。资料图片

工程科学的“科学”,并非通常意义上的自然科学。自然科学源自人类对自然世界(这里的“自然世界”是指我们所处的物理空间以至一切事物及其运作方式)的好奇心,科学家可以在头脑中天马行空,不受约束地寻找答案,自然科学对人类的意义在于探索自然世界,获得更多知识。而工程科学主要有两层含义:一是应用自然科学知识解决工程问题;二是在生产活动中发现一种叫作“工程规律”的知识,例如一种材料中哪些成分的哪些性质会影响到这种材料的哪些性能,一个发酵罐或其他任何加工过程中存在着哪些物理的、化学的或生物的基本过程,产品质量和产量的变化会对生产成本产生什么影响。从研究的角度看,工程科学也生产知识,因此具有科学的基本属性,但又与自然科学有重要区别:任何一项工程科学研究都是在时间、经济、环境、社会以及伦理等种种约束条件下进行的,尤其是一些实际工程项目,给科学家、工程师的研发时间往往非常有限,不管涉及任何科学问题,都需要在给定时间内提出解决方案,而这种解决方案还需要满足事先设定的经济技术指标,并符合生态环境、生产安全等规定要求。因此,工程科学需要了解多学科的知识,并综合多学科知识解决问题,这是工程学科发展的基本方式。

近百年来,随着科学技术的加速发展,人类正在面临前所未有的挑战。在应对种种挑战的过程中,工程科学将发挥十分重要的作用。余国琮等老一辈工程科学家的经历和思想,可以让我们得到很多启发。



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