【大家】

　　 作者：袁希鋼（天津大學化學工程研究所所長）

　　學人小傳

　　余國琮，1922年出生，2022年去世，廣東廣州人。化學工程專家，中國科學院院士。1943年本科畢業于西南聯合大學化工系，1945年碩士畢業于美國密歇根大學，1947年博士畢業于美國匹茲堡大學，此后在該校任教。1950年回國，任唐山工學院化工系教授、系主任，1952年任天津大學化工系教授。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《化工計算傳質學》（合作），主編《化學工程辭典》《化學工程手冊》等。

　　2022年4月6日，著名化學工程專家、教育家、中國科學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，先生以科學家的思想解決工程問題，在工程科學領域不斷引入、開拓多學科方法，為讓“工程”逐步從經驗走向科學而不懈奮斗。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工程領域可能有些陌生，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40年代余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，他毅然沖破封鎖，回到新中國，先在唐山工學院任化工系主任，之后來到天津大學開展精餾技術研究。

　　人們都知道蒸餾水。精餾就是應用蒸餾原理，通過加熱液體，讓液體中較容易蒸發的物質首先蒸發，然后再將蒸發后的氣體通過冷卻凝結（冷凝）變回液體，實現混合物的分離。為了讓分離后得到的產物更純，一次這樣的蒸發和冷凝是不夠的，可以將冷凝得到的液體再次蒸發和冷凝。如果把這樣的蒸發-冷凝重復多次，便可以得到比較純的產品。通過多次蒸發-冷凝實現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：通過蒸發的分離。工業上將這種多次重復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級與級之間的連接，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，是工業中使用最為普遍的分離技術，高高聳立的精餾塔，也因此成為化工廠的重要標志。

　　 新中國成立之初，精餾技術作為重點項目被列入我國當時的十二年科學技術規劃，余國琮先生任負責人。1958年，我國首座核反應堆投入運行，但不久之后，由于國際關系突變，反應堆所需的重水供應中斷，我國剛剛起步的核工業面臨危機。余國琮先生臨危受命，開展重水生產技術研究，他提出的精餾法路線很快得到肯定。1959年，周恩來總理親臨余先生的實驗室，握著他的手說：“現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。余先生帶領團隊艱苦奮斗、攻堅克難，終于不負重托，攻克了重水生產技術難關。與此同時，他還編寫教材，為新中國培養了第一批重水生產技術人才。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，石化工業的飛速發展必然對精餾技術有更高的需求，于是帶領團隊率先開展工業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、石化工業技術水平的進程。

　　1982年，經教育部批準，余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，并在此基礎上成立了“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件新技術推廣中心”。自此，他在天津大學建成了從基礎研究、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業化基地，為企業提供研發-設計-制造-安裝-投產“一條龍”服務，極大促進了產學研用結合以及科研成果的快速轉化。余先生研發的“具有新型塔內件的高效填料精餾塔”等多項成果在我國20多個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，為企業創造了巨額經濟效益，為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。

　　在成績面前，余先生沒有止步。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多年里，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，引起國內外學術界關注。

　　把流體力學引入精餾研究

　　人們通常把橋梁、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驗，是工程活動的核心要素。然而，隨著社會的發展，人們對于工程的需求不斷提升，僅憑借經驗已遠遠無法滿足人們的需求。于是，工程師們引入了科學方法，形成了今天的工程科學。通過提煉石油成分，制成既美觀又能御寒的布料，這樣的現代生產過程就是工程科學的眾多成果之一。

　　 化學工程是一門面向化學品生產的工程科學，迄今已有一百多年歷史。近幾十年來，隨著現代化學工業的崛起，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、醫藥等行業以及芯片制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，分離過程與化學反應過程并列為化工生產中最基本的兩大操作。精餾就是一種應用最為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世紀之后，伴隨著化學工業的出現，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，精餾所涉及的物質和熱量傳遞等問題十分復雜，還沒有較為完整的理論體系。因此，精餾過程的工業設計更像是一門“藝術”。對于工程來說，經驗的確重要，但是經驗主要來自于實驗，特別是來自于接近實際工業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，基于經驗的精餾塔工業設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，嚴重制約了工業精餾技術的發展。

　　 歷史上，為了改進精餾塔的工業設計，人們按照傳統的工程邏輯，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一種“經驗”。即便如此，卻很少有人考慮如何從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。余國琮先生決心在這方面有所作為。20世紀80年代初，他在精餾過程研究中引入了流體力學研究，提出了工藝過程與設備相結合的研究方法。

　　 精餾塔內的流體力學狀況對精餾過程有著根本性影響，然而，傳統的精餾理論主要基于比較成熟的熱力學理論，而忽視了流體力學。這是因為流體分布狀況受到設備邊界條件影響，千變萬化，過于復雜，而這正是為什么歷史上經驗模型層出不窮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“具有新型塔內件的高效填料塔”技術，引導了多種用于液體分布的精餾塔內部構件（塔內件）的發明。

　　 引入科學理論以減少對經驗的依賴，這是余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“三傳一反”，“三傳”即質量（物質）、熱量以及流體動量的傳遞，“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，因為實際過程過于復雜，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90年代初提出了兩個重要觀點。第一個觀點是，在“三傳”中，質量的傳遞（簡稱“傳質”）是核心，理由是精餾塔里面的傳質決定著濃度的分布，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，因此熱量傳遞和動量傳遞模型最終應該為傳質模型服務。余先生的第二個觀點認為，邊界層之外的流體中的傳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”被認為是化學工程領域傳質理論的核心。這個理論是說，傳質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（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象，即分子擴散現象），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，將現代光學技術應用于界面傳質現象測量，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域內的濃度分布，引入激光紋影儀、激光粒子測速儀，解決了界面湍動現象的定性和定量測量問題，發現了臨近相界面非常近的距離內的濃度仍然遠離邊界層理論所假設的熱力學平衡濃度，并且在很多情況下存在界面湍動現象。余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面傳質理論。這讓精餾中的傳質速率預測精度有了新的提高。

　　對于第二個問題，余先生提出，需要突破傳統的邊界層理論，解決邊界層之外的傳質模型問題。如果說前面提及的第一個問題與傳統的邊界層理論有關，而第二個問題已經超出了現有化學工程理論的范疇，迄今還沒有現成的理論模型。這也是對傳統化學工程理論的真正挑戰。針對邊界層之外流體中的傳質，余先生引入湍流擴散理論，為解決復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“計算傳質學”這一新的研究領域。

　　提出計算傳質學

　　進入21世紀，隨著計算化學、計算流體力學、計算傳熱學等新興學科分支的發展，特別是計算機與信息技術的高速發展，用大規模數值計算的方法解決復雜的工程問題已經成為一種趨勢。經過20多年的發展，余國琮先生提出的“計算傳質學”如今已經形成了較為完整的理論框架，獲得了初步應用，出版了專著，發表了諸多論文，受到國內外學者的關注，成為化工傳質研究乃至化學工程方法的重要成果和進展。自20世紀90年代后期開始，我協助余國琮先生從事科研工作，有幸親歷了余先生領導的關于計算傳質學的部分研究。

　　 余國琮先生提出的計算傳質學研究，就是希望將化工傳質這一復雜的工程問題通過科學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學研究提供了有利條件。

　　 包括精餾在內的幾乎所有化工過程中的質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，學界已經有了較為有效的方法，余國琮先生之前領導的精餾塔流體力學研究也為精餾塔復雜的兩相湍流模擬建立了有效的方法，因此計算傳質學的核心問題就是對湍流條件下傳質過程的模擬。

　　 如上文所述，計算傳質學的一項理論工作就是建立邊界層之外的傳質模型，這需要處理有關湍流的問題。大約是1995年，我和一位博士后在余先生的指導下考慮如何將計算流體力學（CFD）引入精餾的計算，建立了因流體流動導致質量輸運的模型。我們將結果拿給余先生，他指出，只考慮流體流動對質量的輸運還不夠，還要考慮流體湍動的影響，在湍流條件下，流體的湍動還會導致質量在流體中的擴散（這里的“擴散”是專業術語，指流體中的一種成分從濃度高的區域向濃度低的區域遷移）。余先生所描述的這種現象，在物理學（流體力學）中被稱為湍流擴散。這種現象普遍存在于化工設備之中，傳統化學工程理論雖然沒有回避這一復雜問題，但是采用了較為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、流體的輸運以及分子擴散等所有復雜因素加以總包考慮，通過實驗獲得返混系數，并將其用于各種模型。將復雜問題簡單化處理是解決復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。余先生的指導讓我們找到了正確的努力方向，此后又先后經過三個博士生的努力，我們終于提出了同時包含邊界層內和邊界層外的傳質模型。

　　 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的核心問題之一。工程之所以高度依賴于經驗，是因為理論模型過于復雜，以至于求解過于困難。這導致傳統工程師對理論模型并不抱希望，轉而采用大量經驗關聯式。因此，模型和計算是相互依存、相互促進的關系：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求解軟件和借助商業求解器軟件兩條腿走路。采用商業軟件，保證了計算工作高效推進，通過自主編寫算法計算程序，學生始終能從本專業角度保持對模型的理解。

　　 經過近20年的努力，余先生已經指導研究生提出了適用于“各向同性”場合的計算傳質學“兩方程模型”，以及適用于各向異性場合的一種雷諾質流模型。目前，計算傳質學方法不僅用于精餾和吸收過程的嚴格模擬，還有效地應用于吸附、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。計算傳質學之所以能夠得到較為廣泛的應用，是因為化工過程中普遍存在湍流條件下的質量傳遞，而計算傳質學為這種基本的傳遞過程提供了一種有效模型。同時，計算傳質學方法是基于最基礎的守恒、熱力學、動力學關系，從基本的物性、操作和設備結構參數出發，建立了較嚴格的數理方程并采用數值計算技術加以求解，用科學計算取代了傳統傳質計算中的經驗關聯，使得化工過程裝置的設計有可能擺脫對經驗的過度依賴。

　　余先生提出的計算傳質學模型和求解方法，將精餾過程模擬從工程計算水平提升到科學計算層次，不但涉及傳統的化學工程理論，同時考慮到了湍流條件下物質擴散、相界面復雜的物理現象及其數理模型、微分方程的求解以及相關的數值計算問題，研究范疇已跨越傳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

　　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：“化學工程在歷史上是一門成功學科，這主要得益于實驗與數學模型的集合。”數學模型的背后是理論，理論的背后便是科學。回望余國琮先生七十年科教生涯，從科研角度看，他的成功正是因為能夠在解決復雜的工程問題過程中不斷努力引入科學。科學是解決復雜工程問題的鑰匙，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且廉價的商品、方便的通信、快捷的交通。

　　工程科學的“科學”，并非通常意義上的自然科學。自然科學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在于探索自然世界，獲得更多知識。而工程科學主要有兩層含義：一是應用自然科學知識解決工程問題；二是在生產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影響到這種材料的哪些性能，一個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，產品質量和產量的變化會對生產成本產生什么影響。從研究的角度看，工程科學也生產知識，因此具有科學的基本屬性，但又與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提出解決方案，而這種解決方案還需要滿足事先設定的經濟技術指標，并符合生態環境、生產安全等規定要求。因此，工程科學需要了解多學科的知識，并綜合多學科知識解決問題，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，人類正在面臨前所未有的挑戰。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。余國琮等老一輩工程科學家的經歷和思想，可以讓我們得到很多啟發。