【大家】

　　 作者：袁希鋼（天津大學(xué)化學(xué)工程研究所所長）

　　學(xué)人小傳

　　余國琮，1922年出生，2022年去世，廣東廣州人?；瘜W(xué)工程專家，中國科學(xué)院院士。1943年本科畢業(yè)于西南聯(lián)合大學(xué)化工系，1945年碩士畢業(yè)于美國密歇根大學(xué)，1947年博士畢業(yè)于美國匹茲堡大學(xué)，此后在該校任教。1950年回國，任唐山工學(xué)院化工系教授、系主任，1952年任天津大學(xué)化工系教授。曾任天津大學(xué)化學(xué)工程研究所所長、化工學(xué)院名譽院長。著有《化工計算傳質(zhì)學(xué)》（合作），主編《化學(xué)工程辭典》《化學(xué)工程手冊》等。

　　2022年4月6日，著名化學(xué)工程專家、教育家、中國科學(xué)院院士余國琮先生永遠地離開了我們。作為先生生前的助手，這兩個多月，我反復(fù)回顧和思考著與先生在一起工作的點點滴滴。

　　跟隨先生從事研究工作多年，我深切感受到，先生胸中有大略，洞察國家重大需求，愛國奉獻，淡泊名利，一生持之以恒。同時，我也感受到，先生以科學(xué)家的思想解決工程問題，在工程科學(xué)領(lǐng)域不斷引入、開拓多學(xué)科方法，為讓“工程”逐步從經(jīng)驗走向科學(xué)而不懈奮斗。對于先生的這種人格和追求，我自始至終都抱有崇敬和感動。對很多人而言，余先生終身奉獻的化學(xué)工程領(lǐng)域可能有些陌生，我愿意用盡量通俗的語言分享我的感動。

　　為國家爭一口氣

　　20世紀(jì)40年代余國琮先生在美國留學(xué)時，就已經(jīng)在化工分離過程領(lǐng)域取得了卓越成績。1950年，他毅然沖破封鎖，回到新中國，先在唐山工學(xué)院任化工系主任，之后來到天津大學(xué)開展精餾技術(shù)研究。

　　人們都知道蒸餾水。精餾就是應(yīng)用蒸餾原理，通過加熱液體，讓液體中較容易蒸發(fā)的物質(zhì)首先蒸發(fā)，然后再將蒸發(fā)后的氣體通過冷卻凝結(jié)（冷凝）變回液體，實現(xiàn)混合物的分離。為了讓分離后得到的產(chǎn)物更純，一次這樣的蒸發(fā)和冷凝是不夠的，可以將冷凝得到的液體再次蒸發(fā)和冷凝。如果把這樣的蒸發(fā)-冷凝重復(fù)多次，便可以得到比較純的產(chǎn)品。通過多次蒸發(fā)-冷凝實現(xiàn)液體混合物的分離過程就叫作精餾過程，有時也叫作“蒸餾”過程，顧名思義：通過蒸發(fā)的分離。工業(yè)上將這種多次重復(fù)的操作稱為多級過程，并通過將多個級沿豎直方向排列，通過液體向下流動和氣體向上流動實現(xiàn)級與級之間的連接，這種裝置俗稱精餾塔。精餾利用的蒸發(fā)和冷凝物理原理簡單、可靠，是工業(yè)中使用最為普遍的分離技術(shù)，高高聳立的精餾塔，也因此成為化工廠的重要標(biāo)志。

　　 新中國成立之初，精餾技術(shù)作為重點項目被列入我國當(dāng)時的十二年科學(xué)技術(shù)規(guī)劃，余國琮先生任負責(zé)人。1958年，我國首座核反應(yīng)堆投入運行，但不久之后，由于國際關(guān)系突變，反應(yīng)堆所需的重水供應(yīng)中斷，我國剛剛起步的核工業(yè)面臨危機。余國琮先生臨危受命，開展重水生產(chǎn)技術(shù)研究，他提出的精餾法路線很快得到肯定。1959年，周恩來總理親臨余先生的實驗室，握著他的手說：“現(xiàn)在有人要卡我們的脖子，我們一定要爭一口氣！”此后，周總理還專門打電話詢問研究進展。余先生帶領(lǐng)團隊艱苦奮斗、攻堅克難，終于不負重托，攻克了重水生產(chǎn)技術(shù)難關(guān)。與此同時，他還編寫教材，為新中國培養(yǎng)了第一批重水生產(chǎn)技術(shù)人才。從那時起，為國家“爭一口氣”的信念就一直涌動在余國琮先生的心中。

　　 改革開放初期，余國琮先生敏銳地意識到，石化工業(yè)的飛速發(fā)展必然對精餾技術(shù)有更高的需求，于是帶領(lǐng)團隊率先開展工業(yè)大型精餾塔技術(shù)研究，其成果在我國多套大型乙烯裝置中得到應(yīng)用，開啟了我國通過突破精餾技術(shù)提升化工、石化工業(yè)技術(shù)水平的進程。

　　1982年，經(jīng)教育部批準(zhǔn)，余先生在天津大學(xué)創(chuàng)立了化學(xué)工程研究所，出任第一任所長，重點開展精餾技術(shù)研究，并在此基礎(chǔ)上成立了“化學(xué)工程聯(lián)合國家重點實驗室天津大學(xué)精餾分離實驗室”“精餾技術(shù)國家工程研究中心”以及“國家化工填料塔及內(nèi)件新技術(shù)推廣中心”。自此，他在天津大學(xué)建成了從基礎(chǔ)研究、工程研發(fā)到技術(shù)推廣完整的精餾技術(shù)國家級研發(fā)基地。同時，他還領(lǐng)導(dǎo)創(chuàng)建了高效精餾設(shè)備產(chǎn)業(yè)化基地，為企業(yè)提供研發(fā)-設(shè)計-制造-安裝-投產(chǎn)“一條龍”服務(wù)，極大促進了產(chǎn)學(xué)研用結(jié)合以及科研成果的快速轉(zhuǎn)化。余先生研發(fā)的“具有新型塔內(nèi)件的高效填料精餾塔”等多項成果在我國20多個省份的數(shù)千座精餾塔中獲得成功應(yīng)用，單位降耗達30%至50%，在大型石化、煉油和空氣分離等重要工業(yè)領(lǐng)域占據(jù)了絕大部分技術(shù)市場份額，完全取代了國外技術(shù)，為企業(yè)創(chuàng)造了巨額經(jīng)濟效益，為國家經(jīng)濟建設(shè)作出了重大貢獻，多項成果獲得國家科技進步獎。

　　在成績面前，余先生沒有止步。他清醒地認識到，進一步發(fā)展精餾技術(shù)，必須要在基礎(chǔ)理論上取得新的突破。在過去的20多年里，他將主要精力投入新的基礎(chǔ)研究之中，不但開創(chuàng)了新的理論，使精餾技術(shù)上升至新的高度，還引領(lǐng)了化學(xué)工程學(xué)科的發(fā)展，引起國內(nèi)外學(xué)術(shù)界關(guān)注。

　　把流體力學(xué)引入精餾研究

　　人們通常把橋梁、機場等設(shè)施的建設(shè)過程叫作“工程”，其實，工程涉及人類所有的生產(chǎn)活動，用火把肉烤熟是工程，從海水中曬出鹽巴也是工程。工程源于人類生存的基本需求，可以說，自打有人類活動，就有了工程。人類在工程實踐中逐漸積累起來的經(jīng)驗，是工程活動的核心要素。然而，隨著社會的發(fā)展，人們對于工程的需求不斷提升，僅憑借經(jīng)驗已遠遠無法滿足人們的需求。于是，工程師們引入了科學(xué)方法，形成了今天的工程科學(xué)。通過提煉石油成分，制成既美觀又能御寒的布料，這樣的現(xiàn)代生產(chǎn)過程就是工程科學(xué)的眾多成果之一。

　　 化學(xué)工程是一門面向化學(xué)品生產(chǎn)的工程科學(xué)，迄今已有一百多年歷史。近幾十年來，隨著現(xiàn)代化學(xué)工業(yè)的崛起，化學(xué)工程得到了快速發(fā)展，其應(yīng)用已經(jīng)擴展到環(huán)境、能源、新材料、醫(yī)藥等行業(yè)以及芯片制造等諸多高科技領(lǐng)域。其中，分離工程是化學(xué)工程的重要分支。它是指將包含多種成分的混合物中的不同成分分離開來，或當(dāng)作產(chǎn)品，或當(dāng)作進一步加工成不同化學(xué)品的原料。因此，分離過程與化學(xué)反應(yīng)過程并列為化工生產(chǎn)中最基本的兩大操作。精餾就是一種應(yīng)用最為廣泛的化工分離技術(shù)。

　　 在古代，人類就掌握了利用植物造酒的技術(shù)，這可以視作精餾技術(shù)的雛形。經(jīng)過漫長的演化，特別是19世紀(jì)之后，伴隨著化學(xué)工業(yè)的出現(xiàn)，精餾技術(shù)有了快速發(fā)展。然而，即便是現(xiàn)代精餾技術(shù)，也沒有脫離它的“工程”的屬性，即精餾的設(shè)計和操作始終離不開人的經(jīng)驗。這是因為，精餾所涉及的物質(zhì)和熱量傳遞等問題十分復(fù)雜，還沒有較為完整的理論體系。因此，精餾過程的工業(yè)設(shè)計更像是一門“藝術(shù)”。對于工程來說，經(jīng)驗的確重要，但是經(jīng)驗主要來自于實驗，特別是來自于接近實際工業(yè)規(guī)模的實驗以及已經(jīng)成功或失敗的工程實踐。同時，也正是對經(jīng)驗的過度依賴，導(dǎo)致精餾分離技術(shù)開發(fā)緩慢、昂貴，基于經(jīng)驗的精餾塔工業(yè)設(shè)計仍然面臨諸多不確定性，一些問題往往在精餾塔投入運行后才暴露出來，嚴(yán)重制約了工業(yè)精餾技術(shù)的發(fā)展。

　　 歷史上，為了改進精餾塔的工業(yè)設(shè)計，人們按照傳統(tǒng)的工程邏輯，針對不同的應(yīng)用場合提出了各種經(jīng)驗?zāi)Ｐ?。其結(jié)果是，經(jīng)驗?zāi)Ｐ腿绱酥?，如何選擇合適的經(jīng)驗?zāi)Ｐ鸵渤蔀橐环N“經(jīng)驗”。即便如此，卻很少有人考慮如何從更加基礎(chǔ)的原理入手、采用更加科學(xué)的方法建立具有普適性的模型和方法。余國琮先生決心在這方面有所作為。20世紀(jì)80年代初，他在精餾過程研究中引入了流體力學(xué)研究，提出了工藝過程與設(shè)備相結(jié)合的研究方法。

　　 精餾塔內(nèi)的流體力學(xué)狀況對精餾過程有著根本性影響，然而，傳統(tǒng)的精餾理論主要基于比較成熟的熱力學(xué)理論，而忽視了流體力學(xué)。這是因為流體分布狀況受到設(shè)備邊界條件影響，千變?nèi)f化，過于復(fù)雜，而這正是為什么歷史上經(jīng)驗?zāi)Ｐ蛯映霾桓F而又各不相同的主要原因。為此，余先生提出了精餾塔流體流動分布的一系列理論和方法，減少了經(jīng)驗參數(shù)的使用，有效提高了精餾理論模型的準(zhǔn)確性。例如，他的研究闡明了精餾塔里面流體分布均勻度的重要影響，形成了上文提到的“具有新型塔內(nèi)件的高效填料塔”技術(shù)，引導(dǎo)了多種用于液體分布的精餾塔內(nèi)部構(gòu)件（塔內(nèi)件）的發(fā)明。

　　 引入科學(xué)理論以減少對經(jīng)驗的依賴，這是余先生開展精餾這一工程科學(xué)領(lǐng)域研究的基本思想。這一思想簡單、明了，直指工程科學(xué)領(lǐng)域研究的真諦，也是全部的挑戰(zhàn)所在。自20世紀(jì)60年代形成的現(xiàn)代化學(xué)工程理論，可以概括為“三傳一反”，“三傳”即質(zhì)量（物質(zhì)）、熱量以及流體動量的傳遞，“一反”即化學(xué)反應(yīng)過程。實際上，在大部分化工過程（包括精餾過程）的設(shè)計中，直接應(yīng)用這些理論是很困難的，因為實際過程過于復(fù)雜，而上述理論主要是對各種化工過程共性的一種歸納。對此，余先生在20世紀(jì)90年代初提出了兩個重要觀點。第一個觀點是，在“三傳”中，質(zhì)量的傳遞（簡稱“傳質(zhì)”）是核心，理由是精餾塔里面的傳質(zhì)決定著濃度的分布，進而決定了精餾的效率，而濃度又是流體流動以及溫度的函數(shù)，因此熱量傳遞和動量傳遞模型最終應(yīng)該為傳質(zhì)模型服務(wù)。余先生的第二個觀點認為，邊界層之外的流體中的傳質(zhì)對精餾分離效率有直接影響，因而也需要理論模型加以描述。過去，“邊界層理論”被認為是化學(xué)工程領(lǐng)域傳質(zhì)理論的核心。這個理論是說，傳質(zhì)的阻力主要集中在不同的相（氣體和液體、流體和固體）之間界面附近較薄的流體滯留層內(nèi)（邊界層理論所考慮的是流體中一種分子相對于另一種分子的遷移現(xiàn)象，即分子擴散現(xiàn)象），那么流體流動中的動量傳遞以及熱量傳遞如何影響邊界層則是重要的切入點。

　　 對于第一個問題，余先生將研究集中于相際界面這樣的微小尺度，將現(xiàn)代光學(xué)技術(shù)應(yīng)用于界面?zhèn)髻|(zhì)現(xiàn)象測量，組建激光全息干涉測量裝置，目的是精確測量在各種條件下近界面區(qū)域內(nèi)的濃度分布，引入激光紋影儀、激光粒子測速儀，解決了界面湍動現(xiàn)象的定性和定量測量問題，發(fā)現(xiàn)了臨近相界面非常近的距離內(nèi)的濃度仍然遠離邊界層理論所假設(shè)的熱力學(xué)平衡濃度，并且在很多情況下存在界面湍動現(xiàn)象。余先生指導(dǎo)研究生在原有邊界層理論的基礎(chǔ)上提出了新的界面?zhèn)髻|(zhì)理論。這讓精餾中的傳質(zhì)速率預(yù)測精度有了新的提高。

　　對于第二個問題，余先生提出，需要突破傳統(tǒng)的邊界層理論，解決邊界層之外的傳質(zhì)模型問題。如果說前面提及的第一個問題與傳統(tǒng)的邊界層理論有關(guān)，而第二個問題已經(jīng)超出了現(xiàn)有化學(xué)工程理論的范疇，迄今還沒有現(xiàn)成的理論模型。這也是對傳統(tǒng)化學(xué)工程理論的真正挑戰(zhàn)。針對邊界層之外流體中的傳質(zhì)，余先生引入湍流擴散理論，為解決復(fù)雜的湍流模型的求解問題，他又引入了科學(xué)計算方法，進而開辟了“計算傳質(zhì)學(xué)”這一新的研究領(lǐng)域。

　　提出計算傳質(zhì)學(xué)

　　進入21世紀(jì)，隨著計算化學(xué)、計算流體力學(xué)、計算傳熱學(xué)等新興學(xué)科分支的發(fā)展，特別是計算機與信息技術(shù)的高速發(fā)展，用大規(guī)模數(shù)值計算的方法解決復(fù)雜的工程問題已經(jīng)成為一種趨勢。經(jīng)過20多年的發(fā)展，余國琮先生提出的“計算傳質(zhì)學(xué)”如今已經(jīng)形成了較為完整的理論框架，獲得了初步應(yīng)用，出版了專著，發(fā)表了諸多論文，受到國內(nèi)外學(xué)者的關(guān)注，成為化工傳質(zhì)研究乃至化學(xué)工程方法的重要成果和進展。自20世紀(jì)90年代后期開始，我協(xié)助余國琮先生從事科研工作，有幸親歷了余先生領(lǐng)導(dǎo)的關(guān)于計算傳質(zhì)學(xué)的部分研究。

　　 余國琮先生提出的計算傳質(zhì)學(xué)研究，就是希望將化工傳質(zhì)這一復(fù)雜的工程問題通過科學(xué)計算的方法加以解決。一些商用微分方程求解器的不斷完善也為計算傳質(zhì)學(xué)研究提供了有利條件。

　　 包括精餾在內(nèi)的幾乎所有化工過程中的質(zhì)量傳遞都是在湍流條件下進行的。對于湍流條件下的流體流動和傳熱，學(xué)界已經(jīng)有了較為有效的方法，余國琮先生之前領(lǐng)導(dǎo)的精餾塔流體力學(xué)研究也為精餾塔復(fù)雜的兩相湍流模擬建立了有效的方法，因此計算傳質(zhì)學(xué)的核心問題就是對湍流條件下傳質(zhì)過程的模擬。

　　 如上文所述，計算傳質(zhì)學(xué)的一項理論工作就是建立邊界層之外的傳質(zhì)模型，這需要處理有關(guān)湍流的問題。大約是1995年，我和一位博士后在余先生的指導(dǎo)下考慮如何將計算流體力學(xué)（CFD）引入精餾的計算，建立了因流體流動導(dǎo)致質(zhì)量輸運的模型。我們將結(jié)果拿給余先生，他指出，只考慮流體流動對質(zhì)量的輸運還不夠，還要考慮流體湍動的影響，在湍流條件下，流體的湍動還會導(dǎo)致質(zhì)量在流體中的擴散（這里的“擴散”是專業(yè)術(shù)語，指流體中的一種成分從濃度高的區(qū)域向濃度低的區(qū)域遷移）。余先生所描述的這種現(xiàn)象，在物理學(xué)（流體力學(xué)）中被稱為湍流擴散。這種現(xiàn)象普遍存在于化工設(shè)備之中，傳統(tǒng)化學(xué)工程理論雖然沒有回避這一復(fù)雜問題，但是采用了較為粗略的經(jīng)驗參數(shù)矯正的方法。例如，在很多場合采用“返混”的概念，將包括湍流擴散、流體的輸運以及分子擴散等所有復(fù)雜因素加以總包考慮，通過實驗獲得返混系數(shù)，并將其用于各種模型。將復(fù)雜問題簡單化處理是解決復(fù)雜工程問題的有效方法，也是工程科學(xué)的精髓，但同時也是可以實現(xiàn)理論突破之所在。余先生的指導(dǎo)讓我們找到了正確的努力方向，此后又先后經(jīng)過三個博士生的努力，我們終于提出了同時包含邊界層內(nèi)和邊界層外的傳質(zhì)模型。

　　 這一工作的難點還在于，湍流擴散模型是偏微分方程，還要和原有描述流體流動、質(zhì)量輸運的Navier-Stokes方程同時求解，于是計算成為必須解決的問題。

　　 計算實際上是工程科學(xué)的核心問題之一。工程之所以高度依賴于經(jīng)驗，是因為理論模型過于復(fù)雜，以至于求解過于困難。這導(dǎo)致傳統(tǒng)工程師對理論模型并不抱希望，轉(zhuǎn)而采用大量經(jīng)驗關(guān)聯(lián)式。因此，模型和計算是相互依存、相互促進的關(guān)系：有了精確的理論模型，還必須解決求解計算問題，而只有解決了計算問題，才有可能開展精確的理論模型研究。這正是余先生為什么要求我們回到電腦桌前安心解決計算問題的原因。

　　 余先生堅持自主開發(fā)求解軟件和借助商業(yè)求解器軟件兩條腿走路。采用商業(yè)軟件，保證了計算工作高效推進，通過自主編寫算法計算程序，學(xué)生始終能從本專業(yè)角度保持對模型的理解。

　　 經(jīng)過近20年的努力，余先生已經(jīng)指導(dǎo)研究生提出了適用于“各向同性”場合的計算傳質(zhì)學(xué)“兩方程模型”，以及適用于各向異性場合的一種雷諾質(zhì)流模型。目前，計算傳質(zhì)學(xué)方法不僅用于精餾和吸收過程的嚴(yán)格模擬，還有效地應(yīng)用于吸附、固定床反應(yīng)、鼓泡塔生物反應(yīng)以及流化床反應(yīng)等多種分離和反應(yīng)過程。計算傳質(zhì)學(xué)之所以能夠得到較為廣泛的應(yīng)用，是因為化工過程中普遍存在湍流條件下的質(zhì)量傳遞，而計算傳質(zhì)學(xué)為這種基本的傳遞過程提供了一種有效模型。同時，計算傳質(zhì)學(xué)方法是基于最基礎(chǔ)的守恒、熱力學(xué)、動力學(xué)關(guān)系，從基本的物性、操作和設(shè)備結(jié)構(gòu)參數(shù)出發(fā)，建立了較嚴(yán)格的數(shù)理方程并采用數(shù)值計算技術(shù)加以求解，用科學(xué)計算取代了傳統(tǒng)傳質(zhì)計算中的經(jīng)驗關(guān)聯(lián)，使得化工過程裝置的設(shè)計有可能擺脫對經(jīng)驗的過度依賴。

　　余先生提出的計算傳質(zhì)學(xué)模型和求解方法，將精餾過程模擬從工程計算水平提升到科學(xué)計算層次，不但涉及傳統(tǒng)的化學(xué)工程理論，同時考慮到了湍流條件下物質(zhì)擴散、相界面復(fù)雜的物理現(xiàn)象及其數(shù)理模型、微分方程的求解以及相關(guān)的數(shù)值計算問題，研究范疇已跨越傳統(tǒng)化學(xué)工程理論邊界，形成了化學(xué)工程學(xué)科新的分支。

　　工程科學(xué)何為

　　美國化學(xué)工程教育最高獎路易斯獎獲得者拉斐爾教授曾說：“化學(xué)工程在歷史上是一門成功學(xué)科，這主要得益于實驗與數(shù)學(xué)模型的集合?！睌?shù)學(xué)模型的背后是理論，理論的背后便是科學(xué)?；赝鄧壬呤昕平躺?，從科研角度看，他的成功正是因為能夠在解決復(fù)雜的工程問題過程中不斷努力引入科學(xué)?？茖W(xué)是解決復(fù)雜工程問題的鑰匙，正是因為有了眾多像余先生這樣的工程科學(xué)家的努力，今天的世界才取得了如此之多的工程成就，我們才能夠享用高質(zhì)且廉價的商品、方便的通信、快捷的交通。

　　工程科學(xué)的“科學(xué)”，并非通常意義上的自然科學(xué)。自然科學(xué)源自人類對自然世界（這里的“自然世界”是指我們所處的物理空間以至一切事物及其運作方式）的好奇心，科學(xué)家可以在頭腦中天馬行空，不受約束地尋找答案，自然科學(xué)對人類的意義在于探索自然世界，獲得更多知識。而工程科學(xué)主要有兩層含義：一是應(yīng)用自然科學(xué)知識解決工程問題；二是在生產(chǎn)活動中發(fā)現(xiàn)一種叫作“工程規(guī)律”的知識，例如一種材料中哪些成分的哪些性質(zhì)會影響到這種材料的哪些性能，一個發(fā)酵罐或其他任何加工過程中存在著哪些物理的、化學(xué)的或生物的基本過程，產(chǎn)品質(zhì)量和產(chǎn)量的變化會對生產(chǎn)成本產(chǎn)生什么影響。從研究的角度看，工程科學(xué)也生產(chǎn)知識，因此具有科學(xué)的基本屬性，但又與自然科學(xué)有重要區(qū)別：任何一項工程科學(xué)研究都是在時間、經(jīng)濟、環(huán)境、社會以及倫理等種種約束條件下進行的，尤其是一些實際工程項目，給科學(xué)家、工程師的研發(fā)時間往往非常有限，不管涉及任何科學(xué)問題，都需要在給定時間內(nèi)提出解決方案，而這種解決方案還需要滿足事先設(shè)定的經(jīng)濟技術(shù)指標(biāo)，并符合生態(tài)環(huán)境、生產(chǎn)安全等規(guī)定要求。因此，工程科學(xué)需要了解多學(xué)科的知識，并綜合多學(xué)科知識解決問題，這是工程學(xué)科發(fā)展的基本方式。

　　近百年來，隨著科學(xué)技術(shù)的加速發(fā)展，人類正在面臨前所未有的挑戰(zhàn)。在應(yīng)對種種挑戰(zhàn)的過程中，工程科學(xué)將發(fā)揮十分重要的作用。余國琮等老一輩工程科學(xué)家的經(jīng)歷和思想，可以讓我們得到很多啟發(fā)。