学h传
余国琮，1922q出生，2022q去世，q东q州人。化学工E专Ӟ中国U学院院士?span lang="EN-US">1943q本U毕业于西南联合大学化工p，1945q硕士毕业于国密歇根大学，1947q博士毕业于国匹兹堡大学，此后在该校Q教?span lang="EN-US">1950q回国，d山工学院化工pL授、系MQQ?span lang="EN-US">1952qQ天|大学化工pL授。曾dz大学化学工E研I所所ѝ化工学院名誉院ѝ著有《化工计传质学》（合作Q，ȝ《化学工E辞典》《化学工E手册》等?/span>
余国琮在办公室?余武隆摄
2022q?span lang="EN-US">4?span lang="EN-US">6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q地d?jin)我们。作为先生生前的助手Q这两个多月Q我反复回顾和思考着与先生在一起工作的点点滴滴?/span>
跟随先生从事研究工作多年Q我深切感受刎ͼ先生怸有大略，z察国家重大需求，爱国奉献QE泊名利，一生持之以恒。同Ӟ我也感受刎ͼ先生以科学家的思想解决工程问题Q在工程U学领域不断引入、开拓多学科Ҏ(gu)Qؓ(f)让“工E”逐步从经验走向科学而不懈奋斗。对于先生的q种人格和追求，我自始至l都抱有崇敬和感动。对很多言Q余先生ln奉献的化学工E领域可能有些陌生，我愿意用量通俗的语a分n我的感动?/span>
为国家争一口气
20世纪40q代余国琮先生在国留学Ӟ已l在化工分离q程领域取得?jin)卓成l?span lang="EN-US">1950q_(d)他毅然冲破封锁，回到C国，先在唐山工学院Q化工pM任，之后来到天|大学开展精馏技术研I?/span>
Z都知道蒸馏水。精馏就是应用蒸馏原理，通过加热液体Q让液体中较Ҏ(gu)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Q冷凝）(j)变回液体Q实现合物的分Rؓ(f)?jin)让分离后得到的产物更纯Q一ơ这L(fng)蒸发和冷凝是不够的，可以冷凝得到的液体再次蒸发和冷凝。如果把q样的蒸?span lang="EN-US">-冷凝重复多次Q便可以得到比较U的产品。通过多次蒸发-冷凝实现液体混合物的分离q程叫作精馏过E，有时也叫?span lang="EN-US">?/span>蒔R?/span>q程Q顾名思义Q通过蒸发的分R工业上这U多ơ重复的操作UCؓ(f)多q程Qƈ通过多个沿竖直方向排列，通过液体向下动和气体向上流动实现与之间的连接，q种装置俗称_N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Q也因此成ؓ(f)化工厂的重要标志?/span>
C国成立之初，_N技术作为重炚w目被列入我国当时的十二年U学技术规划，余国琮先生Q负责人?span lang="EN-US">1958q_(d)我国首核反应堆投入q行Q但不久之后Q由于国际关pȝ变，反应堆所需的重水供应中断，我国刚刚h的核工业面(f)危机。余国琮先生临危受命Q开展重水生产技术研IӞ他提出的_N法\U很快得到肯定?span lang="EN-US">1959q_(d)周恩来ȝ亲(f)余先生的实验室，握着他的手说Q?span lang="EN-US">?/span>现在有h要卡我们的脖子，我们一定要争一口气Q?span lang="EN-US">?/span>此后Q周ȝq专门打?sh)话询问研究q展。余先生带领团队艰苦奋斗、攻坚克难，l于不负重托Q攻克了(jin)重水生技术难兟뀂与此同Ӟ他还~写教材Qؓ(f)C国培M(jin)W一扚w水生产技术h才。从那时P为国家“争一口气”的信念׃直涌动在余国琮先生的?j)中?/span>
攚w开攑ֈ期，余国琮先生敏锐地意识刎ͼ矛_工业的飞速发展必然对_N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IӞ其成果在我国多套大型乙烯装置中得到应用，开启了(jin)我国通过H破_N技术提升化工、石化工业技术水q的q程?/span>
20世纪90q代Q余国琮Q左Q指导博士研I生开展精馏塔体力学实验研究。资料图?/span>
1982q_(d)l教育部批准Q余先生在天z大学创立了(jin)化学工程研究所Q出ȝ一L长，重点开展精馏技术研IӞq在此基上成立了(jin)?/span>化学工程联合国家重点实验室天z大学精馏分d验室”?/span>_N技术国家工E研I中?span lang="EN-US">?/span>以及(qing)?/span>国家化工填料塔及(qing)内g新技术推q中?span lang="EN-US">?/span>。自此，他在天|大学建成?jin)从基础研究、工E研发到技术推q完整的_N技术国家研发基地。同Ӟ他还领导创徏?jin)高效精馏设备业化基地Qؓ(f)企业提供研发-设计-刉?span lang="EN-US">-安装-投?/span>一条龙?/span>服务Q极大促(j)q了(jin)产学研用l合以及(qing)U研成果的快速{化。余先生研发?span lang="EN-US">?/span>h新型塔内件的高效填料_N塔”等多项成果在我?span lang="EN-US">20多个省䆾的数千_N塔中获得成功应用Q单位降耗达30%?span lang="EN-US">50%Q在大型矛_、炼油和I气分离{重要工业领域占据了(jin)l大部分技术市(jng)Z额，完全取代?jin)国外技术，Z业创造了(jin)巨额l济效益Qؓ(f)国家l济作出?jin)重大A(ch)献，多项成果获得国家U技q步奖?/span>
在成l面前，余先生没有止步。他清醒地认识到Q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q去?span lang="EN-US">20多年里，他将主要_֊投入新的基础研究之中Q不但开创了(jin)新的理论Qɾ_N技术上升至新的高度Q还引领?jin)化学工E学U的发展Q引起国内外学术界关注?/span>
把流体力学引入精馏研I?/span>
Z通常把桥梁、机场等设施的徏设过E叫作“工E”，其实Q工E涉?qing)hcL有的生zdQ用火把肉烤熟是工程Q从h中晒出盐巴也是工E。工E源于hcȝ存的基本需求，可以_(d)自打有hcL动，有?jin)工E。hcd工程实践中逐渐U篏h的经验，是工E活动的核心(j)要素。然而，随着C会(x)的发展，Z对于工程的需求不断提升，仅凭借经验已q远无法满Z的需求。于是，工程师们引入?jin)科学方法，形成了(jin)今天的工程U学。通过提炼xa(b)成分Q制成既观又能御寒的布料，q样的现代生产过E就是工E科学的众多成果之一?/span>
化学工程是一门面向化学品生的工E科学，q今已有一癑֤q历双Ӏ近几十q来Q随着C化学工业的崛P化学工程得到?jin)快速发展，其应用已l扩展到环境、能源、新材料、医药等行业以及(qing)芯片刉等诸多高科技领域。其中，分离工程是化学工E的重要分支。它是指包含多U成分的混合物中的不同成分分d来，或当作品，或当作进一步加工成不同化学品的原料。因此，分离q程与化学反应过Eƈ列ؓ(f)化工生中最基本的两大操作。精馏就是一U应用最为广泛的化工分离技术?/span>
在古代，人类掌握了(jin)利用植物造酒的技术，q可以视作精馏技术的雏Ş。经qO长的演化Q特别是19世纪之后Q伴随着化学工业的出玎ͼ_N技术有?jin)快速发展。然而，即便是现代精馏技术，也没有脱d?span lang="EN-US">?/span>工程?/span>的属性，即精馏的设计和操作始l离不开人的l验。这是因为，_N所涉及(qing)的物质和热量传递等问题十分复杂Q还没有较ؓ(f)完整的理ZpR因此，_Nq程的工业设计更像是一?span lang="EN-US">?/span>艺术?/span>。对于工E来_(d)l验的确重要Q但是经验主要来自于实验Q特别是来自于接q实际工业规模的实验以及(qing)已经成功或失败的工程实践。同Ӟ也正是对l验的过度依赖，D_N分离技术开发缓慢、昂贵，Zl验的精馏塔工业设计仍然面(f)诸多不确定性，一些问题往往在精馏塔投入q行后才暴露出来Q严重制U了(jin)工业_N技术的发展?/span>
历史上，Z(jin)改进_N塔的工业设计Qh们按照传l的工程逻辑Q针对不同的应用场合提出?jin)各U经验模型。其l果是，l验模型如此之多Q如何选择合适的l验模型也成ZU?span lang="EN-US">?/span>l验?/span>。即便如此，却很有虑如何从更加基的原理入手、采用更加科学的Ҏ(gu)建立h普适性的模型和方法。余国琮先生军_(j)在这斚w有所作ؓ(f)?span lang="EN-US">20世纪80q代初，他在_Nq程研究中引入了(jin)体力学研究Q提Z(jin)工艺q程与设备相l合的研I方法?/span>
_N塔内的流体力学状况对_Nq程有着Ҏ(gu)性媄(jing)响，然而，传统的精馏理Z要基于比较成熟的热力学理论，而忽视了(jin)体力学。这是因为流体分布状况受到设备边界条件媄(jing)响，千变万化Q过于复杂，而这正是Z么历史上l验模型层出不穷而又各不相同的主要原因。ؓ(f)此，余先生提Z(jin)_N塔流体流动分布的一pd理论和方法，减少?jin)经验参数的使用Q有效提高了(jin)_N理论模型的准性。例如，他的研究阐明?jin)精馏塔里面体分布均匀度的重要影响QŞ成了(jin)上文提到?span lang="EN-US">?/span>h新型塔内件的高效填料?span lang="EN-US">?/span>技术，引导?jin)多U用于液体分布的_N塔内部构Ӟ塔内Ӟ(j)的发明?/span>
引入U学理论以减对l验的依赖，q是余先生开展精馏这一工程U学领域研究的基本思想。这一思想单、明?jin)，直指工程U学领域研究的真谛，也是全部的挑战所在。自20世纪60q代形成的现代化学工E理论，可以概括?span lang="EN-US">?/span>三传一?span lang="EN-US">?/span>Q?span lang="EN-US">?/span>三传?/span>卌量（物质Q、热量以?qing)流体动量的传递，?/span>一?span lang="EN-US">?/span>卛_学反应过E。实际上Q在大部分化工过E（包括_Nq程Q的设计中，直接应用q些理论是很困难的，因ؓ(f)实际q程q于复杂Q而上q理Z要是对各U化工过E共性的一U归U뀂对此，余先生在20世纪90q代初提Z(jin)两个重要观点。第一个观Ҏ(gu)Q在?/span>三传”中Q质量的传递（U“传质”）(j)是核?j)，理由是精馏塔里面的传质决定着度的分布，q而决定了(jin)_N的效率，而浓度又是流体流动以?qing)温度的函数Q因此热量传递和动量传递模型最l应该ؓ(f)传质模型服务。余先生的第二个观点认ؓ(f)Q边界层之外的流体中的传质对_N分离效率有直接媄(jing)响，因而也需要理论模型加以描q。过去，“边界层理论”被认ؓ(f)是化学工E领域传质理论的核心(j)。这个理论是_(d)传质的阻力主要集中在不同的相Q气体和液体、流体和ZQ之间界面附q较薄的体滞留层内Q边界层理论所考虑的是体中一U分子相对于另一U分子的q移现象Q即分子扩散现象Q，那么体动中的动量传递以?qing)热量传递如何媄(jing)响边界层则是重要的切入点?/span>
对于W一个问题，余先生将研究集中于相际界面这L(fng)微小度Q将C光学技术应用于界面传质现象量Q组建激光全息干涉测量装|，目的是精测量在各种条g下近界面区域内的度分布Q引入激光纹׃?ni)A、激光粒子测速AQ解决了(jin)界面湍动现象的定性和定量量问题Q发C(jin)临近相界面非常近的距d的浓度仍然远边界层理论所假设的热力学q度Qƈ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Z(jin)新的界面传质理论。这让精馏中的传质速率预测_ֺ有了(jin)新的提高?/span>
对于W二个问题，余先生提出，需要突破传l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(qing)的第一个问题与传统的边界层理论有关Q而第二个问题已经出?jin)现有化学工E理论的范畴Q迄今还没有现成的理论模型。这也是对传l化学工E理论的真正挑战。针对边界层之外体中的传质Q余先生引入湍流扩散理论Qؓ(f)解决复杂的湍模型的求解问题Q他又引入了(jin)U学计算Ҏ(gu)Q进而开辟了(jin)“计传质学”这一新的研究领域?/span>
提出计算传质?/span>
q入21世纪Q随着计算化学、计流体力学、计传热学{新兴学U分支的发展Q特别是计算Z信息技术的高速发展，用大规模数D的Ҏ(gu)解决复杂的工E问题已l成ZU趋ѝ经q?span lang="EN-US">20多年的发展，余国琮先生提出的?/span>计算传质?span lang="EN-US">?/span>如今已经形成?jin)较为完整的理论框架Q获得了(jin)初步应用Q出版了(jin)专著Q发表了(jin)诸多论文Q受到国内外学者的xQ成为化工传质研I乃臛_学工E方法的重要成果和进展。自20世纪90q代后期开始，我协助余国琮先生从事U研工作Q有q怺历了(jin)余先生领导的关于计算传质学的部分研究?/span>
余国琮先生提出的计算传质学研IӞ是希望化工传质这一复杂的工E问题通过U学计算的方法加以解冟뀂一些商用微分方E求解器的不断完善也传质学研究提供?jin)有利条件?/span>
包括_N在内的几乎所有化工过E中的质量传递都是在湍流条g下进行的。对于湍条件下的流体流动和传热Q学界已l有?jin)较为有效的?gu)Q余国琮先生之前领导的精馏塔体力学研究也ؓ(f)_N塔复杂的两相湍流模拟建立?jin)有效的?gu)Q因此计传质学的核?j)问题就是对湍流条g下传质过E的模拟?/span>
如上文所qͼ计算传质学的一理论工作就是徏立边界层之外的传质模型，q需要处理有x的问题。大U是1995q_(d)我和一位博士后在余先生的指g考虑如何计流体力学（CFDQ引入精馏的计算Q徏立了(jin)因流体流动导致质量输q的模型。我们将l果拿给余先生，他指出，只考虑体动对质量的输运q不够，q要考虑体湍动的媄(jing)响，在湍条件下Q流体的湍动q会(x)D质量在流体中的扩散（q里?span lang="EN-US">?/span>扩散?/span>是专业术语，指流体中的一U成分从度高的区域向浓度低的区域迁U）(j)。余先生所描述的这U现象，在物理学Q流体力学）(j)中被UCؓ(f)湍流扩散。这U现象普遍存在于化工讑֤之中Q传l化学工E理然没有回避这一复杂问题Q但是采用了(jin)较ؓ(f)_略的经验参数矫正的Ҏ(gu)。例如，在很多场合采用“返混”的概念Q将包括湍流扩散、流体的输运以及(qing)分子扩散{所有复杂因素加以d考虑Q通过实验获得qpLQƈ其用于各种模型。将复杂问题单化处理是解军_杂工E问题的有效Ҏ(gu)Q也是工E科学的_NQ但同时也是可以实现理论H破之所在。余先生的指D我们扑ֈ?jin)正的努力方向Q此后又先后l过三个博士生的努力Q我们终于提Z(jin)同时包含边界层内和边界层外的传质模型?/span>
q一工作的难点还在于Q湍扩散模型是偏微分方E，q要和原有描q流体流动、质量输q的Navier-Stokes方程同时求解Q于是计成为必解决的问题?/span>
计算实际上是工程U学的核?j)问题之一。工E之所以高度依赖于l验Q是因ؓ(f)理论模型q于复杂Q以至于求解q于困难。这D传统工程师对理论模型q不抱希望，转而采用大量经验关联式。因此，模型和计是怺依存、相互促(j)q的关系Q有?jin)精的理论模型Q还必须解决求解计算问题Q而只有解决了(jin)计算问题Q才有可能开展精的理论模型研究。这正是余先生ؓ(f)什么要求我们回到电(sh)脑桌前安?j)解册问题的原因?/span>
余先生坚持自d发求解Y件和借助商业求解器Y件两条腿走\。采用商业YӞ保证?jin)计工作高效推q，通过自主~写法计算E序Q学生始l能从本专业角度保持Ҏ(gu)型的理解?/span>
余国琮、袁希钢著《化工计传质学?/span>
l过q?span lang="EN-US">20q的努力Q余先生已经指导研究生提Z(jin)适用?span lang="EN-US">?/span>各向同?span lang="EN-US">?/span>场合的计传质学?/span>两方E模?span lang="EN-US">?/span>Q以?qing)适用于各向异性场合的一U雷模型。目前，计算传质学方法不仅用于精馏和吸收q程的严格模拟，q有效地应用于吸附、固定床反应、鼓泡塔生物反应以及(qing)化床反应等多种分离和反应过E。计传质学之所以能够得到较为广泛的应用Q是因ؓ(f)化工q程中普遍存在湍条件下的质量传递，而计传质学U基本的传递过E提供了(jin)一U有效模型。同Ӟ计算传质学方法是Z最基础的守恒、热力学、动力学关系Q从基本的物性、操作和讑֤l构参数出发Q徏立了(jin)较严格的数理方程q用数D技术加以求解，用科学计取代了(jin)传统传质计算中的l验兌Q得化工过E装|的设计有可能摆脱对l验的过度依赖?/span>
余先生提出的计算传质学模型和求解Ҏ(gu)Q将_Nq程模拟从工E计水qx升到U学计算层次Q不但涉?qing)传l的化学工程理论Q同时考虑C(jin)湍流条g下物质扩散、相界面复杂的物理现象及(qing)其数理模型、微分方E的求解以及(qing)相关的数D问题，研究范畴已跨传l化学工E理界，形成?jin)化学工E学U新的分支?/span>
工程U学何ؓ(f)
国化学工程教育最高奖路易斯奖获得者拉斐尔教授曾说Q“化学工E在历史上是一门成功学U，q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q科教生涯，从科研角度看Q他的成功正是因够在解决复杂的工E问题过E中不断努力引入U学。科学是解决复杂工程问题的钥匙，正是因ؓ(f)有了(jin)众多像余先生q样的工E科学家的努力，今天的世界才取得?jin)如此之多的工程成就Q我们才能够享用高质且廉L(fng)商品、方便的通信、快L(fng)交通?/span>
余国琮在80岁庆(jin)活动上致辞。资料图?/span>
工程U学的“科学”，q通常意义上的自然U学。自然科学源自hcd自然世界Q这里的“自然世界”是指我们所处的物理I间以至一切事物及(qing)其运作方式）(j)的好奇心(j)Q科学家可以在头脑中天马行空Q不受约束地L{案Q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E科学主要有两层含义Q一是应用自然科学知识解军_E问题；二是在生产活动中发现一U叫作“工E规律”的知识Q例如一U材料中哪些成分的哪些性质?x)?jing)响到q种材料的哪些性能Q一个发늽或其他Q何加工过E中存在着哪些物理的、化学的或生物的基本q程Q品质量和产量的变化会(x)对生产成本生什么媄(jing)响。从研究的角度看Q工E科学也生知识Q因此具有科学的基本属性，但又与自然科学有重要区别QQ何一工E科学研I是在旉、经、环境、社?x)以及(qing)u理等U种U束条g下进行的Q尤其是一些实际工E项目，l科学家、工E师的研发时间往往非常有限Q不涉?qing)Q何科学问题，都需要在l定旉内提x案，而这U解x案还需要满事先设定的l济技术指标，q符合生态环境、生产安全等规定要求。因此，工程U学需要了(jin)解多学科的知识，q综合多学科知识解决问题Q这是工E学U发展的基本方式?/span>
q百q来Q随着U学技术的加速发展，人类正在面(f)前所未有的挑战。在应对U种挑战的过E中Q工E科学将发挥十分重要的作用。余国琮{老一辈工E科学家的经历和思想Q可以让我们得到很多启发?/span>
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