金涌的化工人生

本刊記者/陳道隆 龐貝

金涌的化工人生

本刊記者/陳道隆 龐貝

他長期鉆研于化學工程研發領域，在流態化技術、清潔化工工藝等方面成績卓著，獲授權專利40多項，并多次獲得國家級大獎和其他多種獎勵；

他獲得了美國化學工程師協會PSRI講座獎，得到了國際同行的肯定；

他用長達半個世紀的時間，耕耘在三尺講臺之上，一路春風化雨；

他以古稀高齡，倡導循環經濟，為我國經濟的健康有序發展嘔心瀝血……

他是金涌，他的名字與一串頭銜相連，中國工程院院士、清華大學教授、化學工程專家、教育家，然而他最貼切的稱呼應該是——一個化工人。

金涌院士與夫人

一門心思做學問

1953年金涌被選去蘇聯留學，對于一心向學的金涌而言，留學生涯如世外桃源，每天7:30準備去學校，晚上12:00離開圖書館。日復一日，年復一年，除了上課、看書、作業沒有任何分心之事。由于蘇聯學科劃分過細，又是以工程師為培養目標，他感到有些課完全可自學就能考取滿分，且覺得其基礎理論教育難于滿足他的求知欲和好奇心，所以自行安排課表，到其他系蹭課，整日忙碌于各樓之間。由于缺少名師引導，最大收獲也僅是培養了自學能力。最終以全優成績畢業后，被分配到中國科技大學任職。

上世紀50年代末60年代初的中國科大是與眾不同的，聚集了全國最有名的大師如錢學森、郭永懷、楊承宗、王葆仁、錢人元等直接授課，“有教無類、因材施教”。金涌在大師們的耳濡目染之下涉獵廣闊。

金涌當時主要從事化工原理的教學工作，啟蒙老師是丁緒淮教授，這種一對一的耳提面命式的教誨，使金涌受益終身。金涌直接接觸過并得到指導的老先生還有汪家鼎、時鈞、郭慕孫、陳家鏞教授等，這些大家都被他奉為做事的榜樣，由此漸漸對化學工程學有了一些感悟。

1973年大學復課以后，金涌轉到清華大學化工系任教，并參與工廠的技術改造活動。恰逢工廠的一個直徑三米多、高四五十米的化學反應器要淘汰，在當時的特殊條件下，金涌師生遂成為新型反應器設計和指導施工的主力。雖然承受了巨大的風險壓力，但也是絕好的實踐機會，過去所學的理論知識終于可以牛刀小試，最終圓滿完成了任務。就這樣在工廠摸爬滾打了四五年，增長了許多實踐經驗。

瞄準前沿出成果

從70年代后期起，金涌終于得償所學，有機會認認真真從事治學和研究工作。

他所從事的學術領域，當時有一個世界級重要方向，即流態化化學反應工程學，通俗來講就是用流體(參加化學反應的氣/液體原料)把細粉(催化劑或固體原料)懸浮起來，并進行大規模化學反應。這樣做有諸多優點，如設備生產能力大，反應可以在全設備內的溫度、濃度、壓力均勻的條件下進行；設備結構簡單投資低，反應過程中可以大量移出或加入熱量，固體物料可以連續不間斷地引出和引入等等。因此，這一方向受到世界上該領域學者的廣泛重視，后來成為化學工業中最為重要和普遍使用的反應裝置之一。

流態化作為世界范圍化學工程學領域的研究熱點之一持續了半個世紀，不僅因流態化在各種工業中可以有廣泛應用前景，而且它的學術問題有深度、有廣度。但要真正掌握多相湍流的理論規律很難。在它的極盛時期，世界上有上百個大學和工業研究院的研究小組參與其中。上世紀80～90年代，正恰逢流態化研究正向高流速方向延伸和深入發展，金涌所組建和領導的研究室趁著這一絕好時機在流態學領域大展身手。

金涌研究室善于通過實驗測量發現某領域工程科學中新現象，通過系統研究歸納其基本規律和機理的解釋，再上升到數學模型預測，并在認識自然規律的同時改進工程應用，改造客觀世界，較好地實現了把基礎研究和工程應用相結合。

該研究室的主要工程科學貢獻有：

1.鼓泡流態化向湍動流態化轉變判據

在流態化系統中逐步提高氣流的速度，這一兩相流系統和單相流一樣，也會發生流型轉變。單相流系統從滯流流型轉變成湍流流型是以雷諾準數(Re= 2,300 10,000)為判據，在兩相流系統中提速時，從鼓泡流型轉變成湍流流型要復雜得多。化學反應器內的物系變量多，實驗表明化學反應器在湍流下操作，不但產量加大，而且反應收率和選擇性也會提高，所以查明這一流型轉變定量判據，不僅有著學術價值而且也有重要的工程價值。

研究室在對其機理分析和實驗測量的基礎上，找到判別流型以若干無因次數組表示的定量判據，在新反應器設計中作為依據，對已有反應器操作條件進行提升。這一研究成果隨后被美國顆粒科學研究所(PSRI)所推薦使用。而在國內則根據這一判據對各種工藝和大型反應器進行改造，獲得顯著經濟效益，在國際學術界也得到很好評價，獲得國家發明二等獎(第一發明人，1987)和國家科技進步二等獎(第一獲獎人，1996)。

2.氣固并流下行快速兩相流動規律

氣固兩相并流上行快速逆重力場流動的規律的研究，在上世紀80年代獲得長足進步，其后在石油催化裂化反應中得到廣泛應用，金涌研究小組在進行深入研究時，發現它有很多不足之處，對反應結果不利，如軸向氣固相的嚴重返混等。為尋找改進方法，該研究室對氣固并流下行順重力場流動規律堅持進行了系統研究，首先發現下行的流速徑向分布與上行時完全不同，固相含率的徑向分布出現了濃環特征結構，而且氣固兩相間滑落速度分布規律也發生有利的變化等。他們進行流體流動參數規律的計算機數值模擬，有力地支持了反應器工程放大的進行。該室對下行并流流化床反應器的基礎研究，長期保持世界領先地位。

他們在發現下行并行流態化有許多優點之后，也發現了該裝置有催化劑濃度過稀薄，特別不利于反應初期的多相物料混合。為了克服這一缺陷，提出了兩種新的結構和操作方式，即通過床型組合或折疊式床型可完全克服不足，形成了技術訣竅。

上述研究成果在高60米的工業熱態大型工業試驗裝置中得到應用，并取得圓滿效果。隨著時間的推移，氣固兩相并流下行的技術在不同的工業中日益被廣泛認同。

3.對聚團(納米顆粒)流態化研究

國際著名學者認為，在對不同直徑顆粒的流態化行為進行流態化行為的研究中，顆粒群的平均直徑在小到一定尺寸后就不再有良好的可操作性，這一研究成果被廣泛認同。

金涌研究室在考察顆粒直徑對流態化行為影響的系統研究中，指出某一特征粒徑(對催化裂化催化劑為30μm)是不產生嚴重團聚的最小顆粒系統，也是在顆粒群運動中有獨立運行行為的最小顆粒直徑，因而是一種有特殊操作特性臨界粒徑。小于這種粒徑的顆粒群會因有內部范德華力的作用而團聚行為加劇，從而失去可被氣流懸浮的特征，但是在顆粒進一步減小時，特別是納米尺寸顆粒群可以形成穩定團聚體，有穩定的聚團流態化現象，并且具有良好的工業操作特性。采用這種納米聚團流態化特征的反應器，成功地大批量制備出各種特性的納米炭管，并被證明是最佳的大批量制備炭管反應器。這一技術具有原始創新性，在國際上處于領先地位。

4.徑向移動床反應器的研究

我國在石油工業催化重整工藝中，采用了徑向氣流移動床反應器結構，該反應器結構和操機理復雜，一直都在重復購買國外專利使用權。金涌研究室參加了中國石化公司對該項目的自主研發，建立了中型測試平臺，對不同流動方向加以組合，對操作性能的影響和顆粒由于側向氣流曳力的作用在一定流速后產生貼壁效應的規律進行了研究，并且提供了計算機數值模擬軟件，進行了反應器放大規律的研究，建立了一比一的大型冷模實驗論證，結果表明該模型計算軟件對反應器放大結果的預測是可靠的。該軟件被提供給設計院，在多臺反應器改造和新反應器設計中使用，并取得顯著經濟效益。這也是中國在石油煉制工藝自主開發上獲得又一次成功。

化學工藝反應的現象會表達出其物理化學本質特征，也會表達出其固有的優點和不足，化學工程則是通過工程科學手段，使反應工藝過程中優點得到充分的發揮，而使其不足得到避諱和克服，所以化學工程與工藝的綜合開發，可以縮短研發過程，獲得更好的效果。該研究室將化學工程與工藝相結合，如常壓流化床法生產三聚腈胺全流程開發，現已成為該產品的主流技術。三聚腈胺是重要的粘合劑、涂料、減水劑、阻燃和仿瓷塑料的原料，目前國內已發展成為世界產量第一的產業；同時，完成了有機硅生產中流化床法二甲基二氯硅烷的生產放大技術和改造，在吉林化學工業公司實現產業化；完成了氯化法鈦白生產中氧化反應器的實驗剖析和模擬，并在指導工業實踐中獲得成功。

除上述外，金涌研究室在其他許多研究課題上均有驕人成果：在基礎理論探索中，采用數學方法，在對氣固流化床內的參數隨機行為的研究、對氣液固三相流化床行為的研究、對新型結構氣流床干燥節能技術的研究、對大型固體物料靜態摻混技術、對密相氣力輸送粉體技術和超短接觸反應技術的研究、以及浮板塔精餾技術的研究等方面都取得了創新成果，在國內外發表學術論文400余篇，并在工業技術轉化上取得了顯著經濟效益，共申請40多項專利技術，同時獲得國家發明二等獎、國家科技進步二等獎各一項，教育部、石化總公司、石化協會等部級科技進步一等、二等和三等獎十多項，獲專利優秀獎、專利推廣成果獎等多項。

在化工研究中的卓越貢獻為金涌贏得國際聲譽，2007年，他獲得美國化學工程師協會(AICHE)的PSRT流態化講座教授獎。

春風化雨育人才

金涌教授本職工作的成功，首先應是作為一個教育工作者的成功。

金涌教授50多年來一直活躍在教學第一線，長期講授“化學工程”本科專業基礎課；直到2009年仍然與荷蘭工程院士Delft大學Jakob de swaan Arons教授一起針對綠色大學建設，為清華大學一年級學生開設“資源?能源?環境?社會”的全校選修課；25年來先后被國內近20所大學聘為兼職教授，在化工系先后指導了30多名博士生和碩士生；在金涌與年輕教授合作執導的博士生中，有兩名博士的論文被評為全國百篇優秀博士論文，金涌因此也兩度獲得全國百篇優秀博士論文導師獎；凡在金涌研究組工作過的人員，在國內外都有驕人的業績，而且該實驗室的勤奮敬業傳統被學生帶入新崗位而廣受稱道。

只有讓更多年輕人，走進自主研發隊伍，成為項目的中堅力量，才有我國科學技術“跨越式發展”的春天。金涌認為：“年輕人有很多新思想，要把他們的智慧和才能發揮出來，必須給他們機會，讓他們身上有‘擔子’。”為了團隊的活力和后勁，金涌教授到外面聯系科研項目交給年輕人牽頭做：“如果出了問題算我的，做好了算年輕人的。”這種“人梯”精神，使年輕人早日自強自立。

哪一個研究集體的年輕帥才脫穎而出得快，那個集體就會長盛不衰。為了整體的利益，金涌在新世紀之初，推舉新的研究實驗室領導人，離開了自己主持創建和成長的實驗室領導崗位。雖然內心有依依不舍，但是想到實驗室的成績和大家共同創造的大片“家業”能夠青出于藍，內心也就釋然了。

50多年的教師生涯，迎來桃李滿園，也為金涌帶來了一系列榮譽，他先后獲得全國優秀教師獎”、全國五一勞動獎章、北京市教學名師獎等，獲全國優秀博士論文指導教師獎兩次。

老驥伏櫪倡循環

21世紀之初，中國經濟歷經20多年的高速發展，但是人們回過頭來卻發現，這是以巨大物耗、能耗和環境污染為代價取得的。人們已經認識到要使中國社會經濟可持續發展必須轉變發展模式。

世紀之初，金涌在清華大學化工系老領導滕藤教授的動議之下，成立了生態工業經濟和技術專業委員會，并找到其工程實踐的突破口，初步組織了學術隊伍。這樣就有每兩年(或每年)召開一次的學術系列會議活動和學會組織，活動一直持續發展到今天。

金涌還積極參與國內外學術交流活動，2001年和2003年兩次作為中美化工學術大會中方主席，任循環經濟流態化系列國際會議組織顧問，并組織中日學術交流會議，成為該領域國際知名學者，成為中國工業生態化的“宣傳員”。

在宣傳、倡導循環理念的同時，金涌還和清華的同事們一起實干。他們選擇了基礎條件較好的山東魯北集團，分析該集團的能源流、物流、信息流、廢物流，利用最新科技，對它們的優化配置做了進一步的研究。如今，在這個全國最大的磷銨、硫酸、水泥聯產化工企業的廠區內，聞不到異味，看不到廢物排出，因為前一個車間的廢氣、廢水、廢渣、廢熱都已在一個封閉式的環境下，被轉化成了下一個車間的原料和能源。在先驅者的示范作用下，迄今為止，全國已有上百個生態工業園區。

半個世紀以來，金涌始終以化學與化工事業為自己的奮斗使命，或許他的那首誦黃果樹瀑布的《七律》能隱隱道出他畢生的價值追求——“無怨世人識君晚，已投江湖濟蒼生。”

一躍凌空大道成，萬馬踏破雪山崩。

心驚只疑天河泄，狂喜卻緣跨長虹。

沉雷滾落撲面雨，波濤深處龍蛇騰。

無怨世人識君晚，已投江湖濟蒼生。

金涌，中國工程院院士。現任清華大學化學工程系教授、博士生導師，化工科學與技術研究院院長，還擔任工業生態經濟與技術專業委員會主任、中國化工學會常務理事、中國顆粒學會常務理事等職務，為我國化工領域中流態化技術的發展以及循環經濟理論的提出和推廣做出了重要的貢獻。