【大家】

　　 作者：袁希鋼（天津大學化學工程研究所所長）

　　學人小傳(chuan)

　　餘(yu) 國琮，1922年出生，2022年去世，廣東(dong) 廣州人。化學工程專(zhuan) 家，中國科學院院士。1943年本科畢業(ye) 於(yu) 西南聯合大學化工係，1945年碩士畢業(ye) 於(yu) 美國密歇根大學，1947年博士畢業(ye) 於(yu) 美國匹茲(zi) 堡大學，此後在該校任教。1950年回國，任唐山工學院化工係教授、係主任，1952年任天津大學化工係教授。曾任天津大學化學工程研究所所長、化工學院名譽院長。著有《化工計算傳(chuan) 質學》（合作），主編《化學工程辭典》《化學工程手冊(ce) 》等。

　　2022年4月6日，著名化學工程專(zhuan) 家、教育家、中國科學院院士餘(yu) 國琮先生永遠地離開了我們(men) 。作為(wei) 先生生前的助手，這兩(liang) 個(ge) 多月，我反複回顧和思考著與(yu) 先生在一起工作的點點滴滴。

　　跟隨先生從(cong) 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，先生以科學家的思想解決(jue) 工程問題，在工程科學領域不斷引入、開拓多學科方法，為(wei) 讓“工程”逐步從(cong) 經驗走向科學而不懈奮鬥。對於(yu) 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，餘(yu) 先生終身奉獻的化學工程領域可能有些陌生，我願意用盡量通俗的語言分享我的感動。

　　為(wei) 國家爭(zheng) 一口氣

　　20世紀40年代餘(yu) 國琮先生在美國留學時，就已經在化工分離過程領域取得了卓越成績。1950年，他毅然衝(chong) 破封鎖，回到新中國，先在唐山工學院任化工係主任，之後來到天津大學開展精餾技術研究。

　　人們(men) 都知道蒸餾水。精餾就是應用蒸餾原理，通過加熱液體(ti) ，讓液體(ti) 中較容易蒸發的物質首先蒸發，然後再將蒸發後的氣體(ti) 通過冷卻凝結（冷凝）變回液體(ti) ，實現混合物的分離。為(wei) 了讓分離後得到的產(chan) 物更純，一次這樣的蒸發和冷凝是不夠的，可以將冷凝得到的液體(ti) 再次蒸發和冷凝。如果把這樣的蒸發-冷凝重複多次，便可以得到比較純的產(chan) 品。通過多次蒸發-冷凝實現液體(ti) 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(yi) ：通過蒸發的分離。工業(ye) 上將這種多次重複的操作稱為(wei) 多級過程，並通過將多個(ge) 級沿豎直方向排列，通過液體(ti) 向下流動和氣體(ti) 向上流動實現級與(yu) 級之間的連接，這種裝置俗稱精餾塔。精餾利用的蒸發和冷凝物理原理簡單、可靠，是工業(ye) 中使用最為(wei) 普遍的分離技術，高高聳立的精餾塔，也因此成為(wei) 化工廠的重要標誌。

　　 新中國成立之初，精餾技術作為(wei) 重點項目被列入我國當時的十二年科學技術規劃，餘(yu) 國琮先生任負責人。1958年，我國首座核反應堆投入運行，但不久之後，由於(yu) 國際關(guan) 係突變，反應堆所需的重水供應中斷，我國剛剛起步的核工業(ye) 麵臨(lin) 危機。餘(yu) 國琮先生臨(lin) 危受命，開展重水生產(chan) 技術研究，他提出的精餾法路線很快得到肯定。1959年，周恩來總理親(qin) 臨(lin) 餘(yu) 先生的實驗室，握著他的手說：“現在有人要卡我們(men) 的脖子，我們(men) 一定要爭(zheng) 一口氣！”此後，周總理還專(zhuan) 門打電話詢問研究進展。餘(yu) 先生帶領團隊艱苦奮鬥、攻堅克難，終於(yu) 不負重托，攻克了重水生產(chan) 技術難關(guan) 。與(yu) 此同時，他還編寫(xie) 教材，為(wei) 新中國培養(yang) 了第一批重水生產(chan) 技術人才。從(cong) 那時起，為(wei) 國家“爭(zheng) 一口氣”的信念就一直湧動在餘(yu) 國琮先生的心中。

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

　　1982年，經教育部批準，餘(yu) 先生在天津大學創立了化學工程研究所，出任第一任所長，重點開展精餾技術研究，並在此基礎上成立了“化學工程聯合國家重點實驗室天津大學精餾分離實驗室”“精餾技術國家工程研究中心”以及“國家化工填料塔及內(nei) 件新技術推廣中心”。自此，他在天津大學建成了從(cong) 基礎研究、工程研發到技術推廣完整的精餾技術國家級研發基地。同時，他還領導創建了高效精餾設備產(chan) 業(ye) 化基地，為(wei) 企業(ye) 提供研發-設計-製造-安裝-投產(chan) “一條龍”服務，極大促進了產(chan) 學研用結合以及科研成果的快速轉化。餘(yu) 先生研發的“具有新型塔內(nei) 件的高效填料精餾塔”等多項成果在我國20多個(ge) 省份的數千座精餾塔中獲得成功應用，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(ye) 領域占據了絕大部分技術市場份額，完全取代了國外技術，為(wei) 企業(ye) 創造了巨額經濟效益，為(wei) 國家經濟建設作出了重大貢獻，多項成果獲得國家科技進步獎。

　　在成績麵前，餘(yu) 先生沒有止步。他清醒地認識到，進一步發展精餾技術，必須要在基礎理論上取得新的突破。在過去的20多年裏，他將主要精力投入新的基礎研究之中，不但開創了新的理論，使精餾技術上升至新的高度，還引領了化學工程學科的發展，引起國內(nei) 外學術界關(guan) 注。

　　把流體(ti) 力學引入精餾研究

　　人們(men) 通常把橋梁、機場等設施的建設過程叫作“工程”，其實，工程涉及人類所有的生產(chan) 活動，用火把肉烤熟是工程，從(cong) 海水中曬出鹽巴也是工程。工程源於(yu) 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驗，是工程活動的核心要素。然而，隨著社會(hui) 的發展，人們(men) 對於(yu) 工程的需求不斷提升，僅(jin) 憑借經驗已遠遠無法滿足人們(men) 的需求。於(yu) 是，工程師們(men) 引入了科學方法，形成了今天的工程科學。通過提煉石油成分，製成既美觀又能禦寒的布料，這樣的現代生產(chan) 過程就是工程科學的眾(zhong) 多成果之一。

　　 化學工程是一門麵向化學品生產(chan) 的工程科學，迄今已有一百多年曆史。近幾十年來，隨著現代化學工業(ye) 的崛起，化學工程得到了快速發展，其應用已經擴展到環境、能源、新材料、醫藥等行業(ye) 以及芯片製造等諸多高科技領域。其中，分離工程是化學工程的重要分支。它是指將包含多種成分的混合物中的不同成分分離開來，或當作產(chan) 品，或當作進一步加工成不同化學品的原料。因此，分離過程與(yu) 化學反應過程並列為(wei) 化工生產(chan) 中最基本的兩(liang) 大操作。精餾就是一種應用最為(wei) 廣泛的化工分離技術。

　　 在古代，人類就掌握了利用植物造酒的技術，這可以視作精餾技術的雛形。經過漫長的演化，特別是19世紀之後，伴隨著化學工業(ye) 的出現，精餾技術有了快速發展。然而，即便是現代精餾技術，也沒有脫離它的“工程”的屬性，即精餾的設計和操作始終離不開人的經驗。這是因為(wei) ，精餾所涉及的物質和熱量傳(chuan) 遞等問題十分複雜，還沒有較為(wei) 完整的理論體(ti) 係。因此，精餾過程的工業(ye) 設計更像是一門“藝術”。對於(yu) 工程來說，經驗的確重要，但是經驗主要來自於(yu) 實驗，特別是來自於(yu) 接近實際工業(ye) 規模的實驗以及已經成功或失敗的工程實踐。同時，也正是對經驗的過度依賴，導致精餾分離技術開發緩慢、昂貴，基於(yu) 經驗的精餾塔工業(ye) 設計仍然麵臨(lin) 諸多不確定性，一些問題往往在精餾塔投入運行後才暴露出來，嚴(yan) 重製約了工業(ye) 精餾技術的發展。

　　 曆史上，為(wei) 了改進精餾塔的工業(ye) 設計，人們(men) 按照傳(chuan) 統的工程邏輯，針對不同的應用場合提出了各種經驗模型。其結果是，經驗模型如此之多，如何選擇合適的經驗模型也成為(wei) 一種“經驗”。即便如此，卻很少有人考慮如何從(cong) 更加基礎的原理入手、采用更加科學的方法建立具有普適性的模型和方法。餘(yu) 國琮先生決(jue) 心在這方麵有所作為(wei) 。20世紀80年代初，他在精餾過程研究中引入了流體(ti) 力學研究，提出了工藝過程與(yu) 設備相結合的研究方法。

　　 精餾塔內(nei) 的流體(ti) 力學狀況對精餾過程有著根本性影響，然而，傳(chuan) 統的精餾理論主要基於(yu) 比較成熟的熱力學理論，而忽視了流體(ti) 力學。這是因為(wei) 流體(ti) 分布狀況受到設備邊界條件影響，千變萬(wan) 化，過於(yu) 複雜，而這正是為(wei) 什麽(me) 曆史上經驗模型層出不窮而又各不相同的主要原因。為(wei) 此，餘(yu) 先生提出了精餾塔流體(ti) 流動分布的一係列理論和方法，減少了經驗參數的使用，有效提高了精餾理論模型的準確性。例如，他的研究闡明了精餾塔裏麵流體(ti) 分布均勻度的重要影響，形成了上文提到的“具有新型塔內(nei) 件的高效填料塔”技術，引導了多種用於(yu) 液體(ti) 分布的精餾塔內(nei) 部構件（塔內(nei) 件）的發明。

　　 引入科學理論以減少對經驗的依賴，這是餘(yu) 先生開展精餾這一工程科學領域研究的基本思想。這一思想簡單、明了，直指工程科學領域研究的真諦，也是全部的挑戰所在。自20世紀60年代形成的現代化學工程理論，可以概括為(wei) “三傳(chuan) 一反”，“三傳(chuan) ”即質量（物質）、熱量以及流體(ti) 動量的傳(chuan) 遞，“一反”即化學反應過程。實際上，在大部分化工過程（包括精餾過程）的設計中，直接應用這些理論是很困難的，因為(wei) 實際過程過於(yu) 複雜，而上述理論主要是對各種化工過程共性的一種歸納。對此，餘(yu) 先生在20世紀90年代初提出了兩(liang) 個(ge) 重要觀點。第一個(ge) 觀點是，在“三傳(chuan) ”中，質量的傳(chuan) 遞（簡稱“傳(chuan) 質”）是核心，理由是精餾塔裏麵的傳(chuan) 質決(jue) 定著濃度的分布，進而決(jue) 定了精餾的效率，而濃度又是流體(ti) 流動以及溫度的函數，因此熱量傳(chuan) 遞和動量傳(chuan) 遞模型最終應該為(wei) 傳(chuan) 質模型服務。餘(yu) 先生的第二個(ge) 觀點認為(wei) ，邊界層之外的流體(ti) 中的傳(chuan) 質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(wei) 是化學工程領域傳(chuan) 質理論的核心。這個(ge) 理論是說，傳(chuan) 質的阻力主要集中在不同的相（氣體(ti) 和液體(ti) 、流體(ti) 和固體(ti) ）之間界麵附近較薄的流體(ti) 滯留層內(nei) （邊界層理論所考慮的是流體(ti) 中一種分子相對於(yu) 另一種分子的遷移現象，即分子擴散現象），那麽(me) 流體(ti) 流動中的動量傳(chuan) 遞以及熱量傳(chuan) 遞如何影響邊界層則是重要的切入點。

　　 對於(yu) 第一個(ge) 問題，餘(yu) 先生將研究集中於(yu) 相際界麵這樣的微小尺度，將現代光學技術應用於(yu) 界麵傳(chuan) 質現象測量，組建激光全息幹涉測量裝置，目的是精確測量在各種條件下近界麵區域內(nei) 的濃度分布，引入激光紋影儀(yi) 、激光粒子測速儀(yi) ，解決(jue) 了界麵湍動現象的定性和定量測量問題，發現了臨(lin) 近相界麵非常近的距離內(nei) 的濃度仍然遠離邊界層理論所假設的熱力學平衡濃度，並且在很多情況下存在界麵湍動現象。餘(yu) 先生指導研究生在原有邊界層理論的基礎上提出了新的界麵傳(chuan) 質理論。這讓精餾中的傳(chuan) 質速率預測精度有了新的提高。

　　對於(yu) 第二個(ge) 問題，餘(yu) 先生提出，需要突破傳(chuan) 統的邊界層理論，解決(jue) 邊界層之外的傳(chuan) 質模型問題。如果說前麵提及的第一個(ge) 問題與(yu) 傳(chuan) 統的邊界層理論有關(guan) ，而第二個(ge) 問題已經超出了現有化學工程理論的範疇，迄今還沒有現成的理論模型。這也是對傳(chuan) 統化學工程理論的真正挑戰。針對邊界層之外流體(ti) 中的傳(chuan) 質，餘(yu) 先生引入湍流擴散理論，為(wei) 解決(jue) 複雜的湍流模型的求解問題，他又引入了科學計算方法，進而開辟了“計算傳(chuan) 質學”這一新的研究領域。

　　提出計算傳(chuan) 質學

　　進入21世紀，隨著計算化學、計算流體(ti) 力學、計算傳(chuan) 熱學等新興(xing) 學科分支的發展，特別是計算機與(yu) 信息技術的高速發展，用大規模數值計算的方法解決(jue) 複雜的工程問題已經成為(wei) 一種趨勢。經過20多年的發展，餘(yu) 國琮先生提出的“計算傳(chuan) 質學”如今已經形成了較為(wei) 完整的理論框架，獲得了初步應用，出版了專(zhuan) 著，發表了諸多論文，受到國內(nei) 外學者的關(guan) 注，成為(wei) 化工傳(chuan) 質研究乃至化學工程方法的重要成果和進展。自20世紀90年代後期開始，我協助餘(yu) 國琮先生從(cong) 事科研工作，有幸親(qin) 曆了餘(yu) 先生領導的關(guan) 於(yu) 計算傳(chuan) 質學的部分研究。

　　 餘(yu) 國琮先生提出的計算傳(chuan) 質學研究，就是希望將化工傳(chuan) 質這一複雜的工程問題通過科學計算的方法加以解決(jue) 。一些商用微分方程求解器的不斷完善也為(wei) 計算傳(chuan) 質學研究提供了有利條件。

　　 包括精餾在內(nei) 的幾乎所有化工過程中的質量傳(chuan) 遞都是在湍流條件下進行的。對於(yu) 湍流條件下的流體(ti) 流動和傳(chuan) 熱，學界已經有了較為(wei) 有效的方法，餘(yu) 國琮先生之前領導的精餾塔流體(ti) 力學研究也為(wei) 精餾塔複雜的兩(liang) 相湍流模擬建立了有效的方法，因此計算傳(chuan) 質學的核心問題就是對湍流條件下傳(chuan) 質過程的模擬。

　　 如上文所述，計算傳(chuan) 質學的一項理論工作就是建立邊界層之外的傳(chuan) 質模型，這需要處理有關(guan) 湍流的問題。大約是1995年，我和一位博士後在餘(yu) 先生的指導下考慮如何將計算流體(ti) 力學（CFD）引入精餾的計算，建立了因流體(ti) 流動導致質量輸運的模型。我們(men) 將結果拿給餘(yu) 先生，他指出，隻考慮流體(ti) 流動對質量的輸運還不夠，還要考慮流體(ti) 湍動的影響，在湍流條件下，流體(ti) 的湍動還會(hui) 導致質量在流體(ti) 中的擴散（這裏的“擴散”是專(zhuan) 業(ye) 術語，指流體(ti) 中的一種成分從(cong) 濃度高的區域向濃度低的區域遷移）。餘(yu) 先生所描述的這種現象，在物理學（流體(ti) 力學）中被稱為(wei) 湍流擴散。這種現象普遍存在於(yu) 化工設備之中，傳(chuan) 統化學工程理論雖然沒有回避這一複雜問題，但是采用了較為(wei) 粗略的經驗參數矯正的方法。例如，在很多場合采用“返混”的概念，將包括湍流擴散、流體(ti) 的輸運以及分子擴散等所有複雜因素加以總包考慮，通過實驗獲得返混係數，並將其用於(yu) 各種模型。將複雜問題簡單化處理是解決(jue) 複雜工程問題的有效方法，也是工程科學的精髓，但同時也是可以實現理論突破之所在。餘(yu) 先生的指導讓我們(men) 找到了正確的努力方向，此後又先後經過三個(ge) 博士生的努力，我們(men) 終於(yu) 提出了同時包含邊界層內(nei) 和邊界層外的傳(chuan) 質模型。

　　 這一工作的難點還在於(yu) ，湍流擴散模型是偏微分方程，還要和原有描述流體(ti) 流動、質量輸運的Navier-Stokes方程同時求解，於(yu) 是計算成為(wei) 必須解決(jue) 的問題。

　　 計算實際上是工程科學的核心問題之一。工程之所以高度依賴於(yu) 經驗，是因為(wei) 理論模型過於(yu) 複雜，以至於(yu) 求解過於(yu) 困難。這導致傳(chuan) 統工程師對理論模型並不抱希望，轉而采用大量經驗關(guan) 聯式。因此，模型和計算是相互依存、相互促進的關(guan) 係：有了精確的理論模型，還必須解決(jue) 求解計算問題，而隻有解決(jue) 了計算問題，才有可能開展精確的理論模型研究。這正是餘(yu) 先生為(wei) 什麽(me) 要求我們(men) 回到電腦桌前安心解決(jue) 計算問題的原因。

　　 餘(yu) 先生堅持自主開發求解軟件和借助商業(ye) 求解器軟件兩(liang) 條腿走路。采用商業(ye) 軟件，保證了計算工作高效推進，通過自主編寫(xie) 算法計算程序，學生始終能從(cong) 本專(zhuan) 業(ye) 角度保持對模型的理解。

　　 經過近20年的努力，餘(yu) 先生已經指導研究生提出了適用於(yu) “各向同性”場合的計算傳(chuan) 質學“兩(liang) 方程模型”，以及適用於(yu) 各向異性場合的一種雷諾質流模型。目前，計算傳(chuan) 質學方法不僅(jin) 用於(yu) 精餾和吸收過程的嚴(yan) 格模擬，還有效地應用於(yu) 吸附、固定床反應、鼓泡塔生物反應以及流化床反應等多種分離和反應過程。計算傳(chuan) 質學之所以能夠得到較為(wei) 廣泛的應用，是因為(wei) 化工過程中普遍存在湍流條件下的質量傳(chuan) 遞，而計算傳(chuan) 質學為(wei) 這種基本的傳(chuan) 遞過程提供了一種有效模型。同時，計算傳(chuan) 質學方法是基於(yu) 最基礎的守恒、熱力學、動力學關(guan) 係，從(cong) 基本的物性、操作和設備結構參數出發，建立了較嚴(yan) 格的數理方程並采用數值計算技術加以求解，用科學計算取代了傳(chuan) 統傳(chuan) 質計算中的經驗關(guan) 聯，使得化工過程裝置的設計有可能擺脫對經驗的過度依賴。

　　餘(yu) 先生提出的計算傳(chuan) 質學模型和求解方法，將精餾過程模擬從(cong) 工程計算水平提升到科學計算層次，不但涉及傳(chuan) 統的化學工程理論，同時考慮到了湍流條件下物質擴散、相界麵複雜的物理現象及其數理模型、微分方程的求解以及相關(guan) 的數值計算問題，研究範疇已跨越傳(chuan) 統化學工程理論邊界，形成了化學工程學科新的分支。

　　工程科學何為(wei)

　　美國化學工程教育最高獎路易斯獎獲得者拉斐爾教授曾說：“化學工程在曆史上是一門成功學科，這主要得益於(yu) 實驗與(yu) 數學模型的集合。”數學模型的背後是理論，理論的背後便是科學。回望餘(yu) 國琮先生七十年科教生涯，從(cong) 科研角度看，他的成功正是因為(wei) 能夠在解決(jue) 複雜的工程問題過程中不斷努力引入科學。科學是解決(jue) 複雜工程問題的鑰匙，正是因為(wei) 有了眾(zhong) 多像餘(yu) 先生這樣的工程科學家的努力，今天的世界才取得了如此之多的工程成就，我們(men) 才能夠享用高質且廉價(jia) 的商品、方便的通信、快捷的交通。

　　工程科學的“科學”，並非通常意義(yi) 上的自然科學。自然科學源自人類對自然世界（這裏的“自然世界”是指我們(men) 所處的物理空間以至一切事物及其運作方式）的好奇心，科學家可以在頭腦中天馬行空，不受約束地尋找答案，自然科學對人類的意義(yi) 在於(yu) 探索自然世界，獲得更多知識。而工程科學主要有兩(liang) 層含義(yi) ：一是應用自然科學知識解決(jue) 工程問題；二是在生產(chan) 活動中發現一種叫作“工程規律”的知識，例如一種材料中哪些成分的哪些性質會(hui) 影響到這種材料的哪些性能，一個(ge) 發酵罐或其他任何加工過程中存在著哪些物理的、化學的或生物的基本過程，產(chan) 品質量和產(chan) 量的變化會(hui) 對生產(chan) 成本產(chan) 生什麽(me) 影響。從(cong) 研究的角度看，工程科學也生產(chan) 知識，因此具有科學的基本屬性，但又與(yu) 自然科學有重要區別：任何一項工程科學研究都是在時間、經濟、環境、社會(hui) 以及倫(lun) 理等種種約束條件下進行的，尤其是一些實際工程項目，給科學家、工程師的研發時間往往非常有限，不管涉及任何科學問題，都需要在給定時間內(nei) 提出解決(jue) 方案，而這種解決(jue) 方案還需要滿足事先設定的經濟技術指標，並符合生態環境、生產(chan) 安全等規定要求。因此，工程科學需要了解多學科的知識，並綜合多學科知識解決(jue) 問題，這是工程學科發展的基本方式。

　　近百年來，隨著科學技術的加速發展，人類正在麵臨(lin) 前所未有的挑戰。在應對種種挑戰的過程中，工程科學將發揮十分重要的作用。餘(yu) 國琮等老一輩工程科學家的經曆和思想，可以讓我們(men) 得到很多啟發。