中國流態化學科研究的開拓者
——記化學工程學家、工程院院士郭慕孫

文/柴玉田

中國流態化學科研究的開拓者
——記化學工程學家、工程院院士郭慕孫

文/柴玉田

郭慕孫

“研究工作不是知識的傳播，而是知識的創造，不要跟在別人后面走，要有所創新、有所發現、有所發明”。這句簡潔精煉富有人生哲理、而又具有文學色彩的經典語句，既是化學工程學家、中國流態化學科研究的開拓者郭慕孫院士的口頭禪，又是他的座右銘。

郭慕孫，長期從事化學工程特別是流態化方面的科學研究,早期首先發現和區分“散式”和“聚式”流態化,之后將流態化技術應用于我國不同礦產資源的綜合利用,并建立了“散式流態化”、“廣義流態化”、“無氣泡氣固接觸”的理論體系,為我國流態化技術的發展奠定了基礎。?

“破天荒”提出新概念

郭慕孫1920年生于湖北漢陽，父親郭承恩曾留學英國，回國后受聘滬杭甬鐵路工程師，母親周石南是小學教師。在父母的培養教育下，自幼好奇心很強的郭慕孫喜歡做造型各異的風箏，還常到弄堂口的小作坊向工人師傅學習車床技術。1937年，父親與朋友在上海合作開辦了中國第一家工業煉氣公司，打破了法國企業在華氣體工業的壟斷地位，上海的報紙進行了報道，認為這是一件非常了不起的事。當時正在圣約翰大學附屬中學讀書的郭慕孫對父親的壯舉深感自豪，從小就立志做像父親一樣的“工程師”。1939年他考入上海滬江大學（現上海理工大學）化學系。在學期間，他的各科成績始終名列前茅，同時擔任?？渡虾Ｓ^察者》的編輯。

1943年大學畢業后，郭慕孫在上海漢堡化工廠和生化藥廠工作了一段時間，便只身前往重慶等待留學機會。1945年，他憑借自己優異的學習成績和突出的英文水平，如愿以償獲得了美國普林斯頓大學化工系的獎學金。

郭慕孫的導師威爾漢姆教授很欣賞這名中國學生勤奮嚴謹的學習精神。導師告訴他，跟顆粒有關的流動問題只有兩類工作，一是顆粒在液體中的沉降，二是通過松散顆粒介質的流體流動。如何把二者結合，尋找規律就是需要研究的問題。那時，他除了吃飯、睡覺，基本上都在實驗室工作。當時沒有測流量的現成裝置，他就用一些管子反復計算設計制作，與導師一起在液固體系上作了系統且有成效的試驗研究。1946年10月，他完成了碩士學位論文《固體顆粒的流態化》，1948年發表在美國《化工進展》雜志上。他們首次觀測到液固和氣固流態化的差異，提出了“散式”和“聚式”流態化的概念，建立了顆粒與流體相互作用的流動參數統一關聯式，豐富了流態化的基礎理論，是國際學術界公認的流態化經典之作，至今仍被廣泛引用。郭慕孫后來回憶說：“當時流態化還是一個新名詞，那篇論文首次區分了流態化的不同類型，并列出了大量的實驗數據，那是破天荒的?！?/p>

在1946年美國化學工程師學會年會上，威爾漢姆教授所作的流態化研究報告讓學術界和產業界的與會代表印象深刻，美國碳氫研究公司請威爾漢姆教授推薦一位精通流態化的畢業生，郭慕孫自然是最佳人選。為了心中“工程師”的夢想，郭慕孫放棄了繼續攻讀博士學位的機會，在該公司擔任實習工程師，次年便加入了美國化學工程師學會。郭慕孫在那里做了很多流態化的實驗和計算等開拓性的工作。

雖然工作穩定，但郭慕孫仍然心系祖國，他在美國化工期刊登了尋求回國工作的啟事，可口可樂公司選中了這位華人工程師，派他到中國拓展業務。1948年7月，他被派往香港解決技術問題，完工返回上海才得知公司為避免戰爭風險，已決定年底從中國撤離。于是可口可樂公司又將他派往印度新德里，他與同事們歷經五個月，硬是在一座破舊廠房里建成了印度第一家可口可樂工廠?；氐矫绹?，他被安排到紐約實驗室工作，在此期間撰寫的《差壓法測定汽水中含二氧化碳》的論文，獲得美國汽水行業的契斯特曼獎。

1950年12月9日，郭慕孫與大學同學、波士頓大學社會學碩士桂慧君步入婚姻殿堂。1952年5月，他再次回到碳氫研究公司，繼續從事煤的氣化、氣體煉鐵和低壓空氣分離等研究。在美國期間，他發表論文8篇，獲低溫氣體吸收、含碳固體物料氣化工藝、含碳固體的氣化3項專利。郭慕孫在接受采訪時曾說：“我回國的目的就是希望將這些研究和專利繼續做下去，并且要在自己的國家產生經濟效益。”1956年8月，郭慕孫終于等來了回國良機，為了發展祖國的科技事業,他毅然偕同妻子和子女乘船輾轉香港回到新中國的懷抱。

“流態化”大顯身手

1956年，正在籌建中國科學院化工冶金研究所（以下簡稱“化工冶金所”，現中國科學院過程工程研究所）的著名冶金學家葉渚沛得知郭慕孫剛剛回國，便發出工作邀請，因為曾看到過他發表的碩士學位論文，所以建議他將化工中的流態化技術運用到冶金領域，即利用流態化焙燒的方法，處理回收湖北大冶鐵礦中的銅。郭慕孫了解了前輩對自己的學術規劃后，欣然加入化工冶金所，后被任命為流態化研究室主任。

郭慕孫深知基礎研究是科學技術和工程科學創新的源泉，他將自己在美國的研究成果進一步延伸，擴展到顆粒有進有出的流態化體系，提出了“廣義流態化”理論，成功預測了八種流態化類型，計算了不同顆粒和流體系統的流態化行為，分析了許多工程技術問題，并且將該理論和計算方法應用到科研項目中，如低品位鐵礦的富集和有色金屬分離等。這在流態化領域是首次提出，它構建了適用于整個顆粒—流體系統和流態化的理論框架，取得了獨樹一幟的理論突破。但由于當時中國環境封閉，國際同行對此鮮有耳聞。

回國頭幾年，科研條件和生活環境還相當艱苦，為了將實驗室成果盡快應用于工業生產，郭慕孫總是奔波于全國各地，一邊開展實驗，一邊研究設計，一邊指導工業應用。他經常在一二十米高的流態化中試設備上爬上爬下觀測實驗結果；在沒有計算機的年代，他靠拉計算尺一點一點地計算參數、設計方案；在實驗現場他與同事們同吃同住，夜以繼日地工作。湖北大冶、四川攀枝花、遼寧鞍山、貴州萬山、內蒙古包頭等廠礦企業都留下了他們辛勤工作的汗水與足跡。

郭慕孫在實驗室

為進一步推廣流態化技術，郭慕孫在1958年首次發表了《流態化技術在冶金中之應用》，1963年又發表了《流態化垂直系統中均勻球體和流體的運動》，并撰寫了《廣義流態化》等論著，由此帶動了一系列的工業研究。他將“廣義流態化”的研究成果成功應用于冶金過程，使流態化技術逐步為我國工業界所重視，為此他被授予全國先進工作者。

“文化大革命”中,郭慕孫遭受了不公正的待遇，被莫須有的罪名隔離審查1年半,不能搞實驗。但他仍在艱難困苦中堅持科研工作。1969年9月，他被安排到大西北甘肅金川886廠，參加鎳鈷礦氯化焙燒擴大試驗。那里的生活和工作條件十分艱苦，沒有辦公桌椅，吃粗糧，缺蔬菜，上班要戴防毒面具做試驗，每人發一大瓶咳嗽糖漿治嚴重的氣喘。在繁重的勞動之余，他擠時間進行了大量的金屬氧、氯化物的熱力學數據分析計算，設計出全新的氣相化學遷移工藝流程，解決了有色金屬氯化物與鐵氧化物的分離，在小板凳上寫出了“用氣相遷移法從含有色金屬復雜鐵礦中提取有色金屬”的手稿。對我國最大的鎳鈷礦資源的綜合利用，他提出的氯化遷移的構思，時至今日仍值得探索和借鑒。

二十世紀七八十年代，當國際上很多流態化研究的同行熱衷建立氣泡模型時，郭慕孫并未跟風而上。他針對氣固流化床中氣泡對相際接觸和傳遞的不良影響，獨辟蹊徑開創了稀相流態化、快速流態化等無氣泡氣固接觸新領域。經過10余年的刻苦攻關，他所創立的“廣義流態化”理論和“無氣泡氣固接觸”理論，已逐步成為流態化研究領域一個獨立的、完整的理論與技術體系。

1973年，郭慕孫率先提出了“快速流化床”的一維模型，預測并通過實驗證明了快速流化床中顆粒聚團的存在。然而當時化工界對是否存在聚團仍存爭議，甚至關于聚團假設的投稿也被拒之門外。郭慕孫始終堅持以聚團為核心建立模型研究，至今近40年的艱難研究歷程證明，顆粒聚團是一種介尺度現象，而介尺度問題又是很多復雜現象的共同瓶頸，由此更加體會到當時郭慕孫選題的前瞻性和重要性。

然而，散式流態化與聚式流態化之間存在的巨大差別，一直未能從理論上給予合理的解釋。1984年郭慕孫又提出了快速流態化的流域劃分，針對無氣泡氣固接觸的特殊流型特點，從多尺度概念入手，指導他的博士生進行能量最小多尺度（EMMS）方法的研究。

1992年到1997年是EMMS模型發展最艱難的階段，一是模型受到質疑，二是EMMS的應用尚未開展。在這個關鍵時期，郭慕孫帶領大家積極開展工作，經過持之以恒的不懈努力，終于計算出了結果。他們首次建立了流態化系統中非均勻結構的穩定性條件，突破了對兩相流系統進行量化模擬計算的瓶頸，將顆?！黧w系統計算廣泛應用，并被延伸至其他系統，在國際上逐步確立了多尺度方法這一領域。通過發展離散模擬，又擴展到其他系統建立普適方法，并與離散方法結合，形成以問題、模型、軟件和硬件結構相似為特征的高性能并行計算模式。此發展的極值多尺度方法，推動了化工過程實時模擬的實現，得到國際同行的高度贊揚，被廣為應用，這其中凝聚了郭慕孫大量的心血。

2000年，已是80歲高齡的郭慕孫開始籌劃主編一部巨著《流態化手冊》，他親自編寫詳細的寫作提綱，組織國內外64位知名學者參與撰寫，這部316萬字的 《流態化手冊》于2008年由化學工業出版社出版，在化學工程領域具有里程碑式的意義。

“小顆粒”發揮大作用

在半個多世紀研究金屬復雜礦和貧礦的過程中，郭慕孫總能提出物質基本現象的科學本質，通過不斷地持續實驗研究，舉一反三，不斷擴展，從中探究其共性，凝練出更高層次的科學問題。他開拓的流態化技術延伸到許多顆粒的物理加工和化學反應工藝，進一步從更小的尺度——顆粒上著手，探索化學工程中有關顆粒的作用和反應過程中的變化，覆蓋了更多學科。

郭慕孫與顆粒有著不解之緣，一輩子的科研工作基本都與顆粒息息相關，為推動我國顆粒學的學科發展傾注了極大心血。1978年，他在中國科學院學科規劃中就提出化工的四個科研方向，即傳遞過程、化學反應工程、生物化工和顆粒學。1984年，他在化工冶金所籌備建立了顆粒學實驗室，在國內率先開展了顆粒形態表征等科研工作，并派出科研骨干到國外學習，培養了許多從事此項科研工作的人才，帶動了我國這一交叉學科的迅速成長。1986年9月，他組織成立了中國顆粒學會，親自擔任理事長至2002年。至今該學會已成立了顆粒測試、顆粒制備與處理、流態化、氣溶膠、超微顆粒、生物顆粒、能源顆粒材料七個專業委員會。

科研所要面向國民經濟為生產服務

1978年郭慕孫榮任化工冶金所負責人,1980年任所長。 上任伊始，他為該所的發展確立了明確指導思想:一要面向國民經濟,為生產服務;二要發揮科學院的特長,突出基礎,提高開拓性;三要自力更生,獨立自主,創造出適合我國資源、社會、經濟特點的工藝技術。他提倡科學上要造成不斷創新的局面,認為“研究工作不是知識的傳播,而是知識的創造”，在郭慕孫的學術詞典中，是沒有跟蹤這一詞匯的，他強調的是‘獨到’和‘特色’，他為實驗室的題詞‘注重積累、追求卓越、瞄準前沿、服務需求’體現了他一貫的學術思想?！?/p>

因此要求管理部門,一要抓智力開發,二要抓新思想的產生,三要抓課題更新。在上述指導思想指引下,化工冶金所在人才成長和研究工作方面都出現了新生機,結束了“文化大革命”帶給化工冶金所方向任務動蕩不定的局面。他從化工冶金所原有的高溫冶金、濕法冶金、流態化3種技術中提煉出冶金物理化學和冶金反應工程兩個學科方向,并贏得了聯合國開發署對后一學科的資助。他同時拓展了生物化工、多相化學反應和顆粒學等邊緣學科的研究,并于1985、1986年分別成立了相應的研究室,給化工冶金所增添了新的活力。

郭慕孫創造性地將流態化技術應用于我國不同礦產資源的綜合利用過程，他與企業合作，將實驗室成果擴大至中間試驗，對我國低品位與復雜礦的資源綜合利用做了大量工作。如貴州萬山汞礦尾礦的焙燒生產汞和該省低品位硫鐵礦的焙燒制硫酸，湖北大冶含銅、鈷難選氧化鐵礦的硫酸化焙燒提取銅、鈷和鐵精礦，鞍山赤鐵礦、南京鳳凰山赤鐵礦、酒泉菱鐵礦、鏡鐵礦、河北宣化鮞狀鐵礦、包頭白云鄂博礦等難選鐵礦磁化焙燒生產鐵精礦，攀枝花釩鈦磁鐵礦直接還原等。特別是1960年在馬鞍山完成了100噸/日規模的低品位鐵礦兩相流態化磁化焙燒貧鐵礦的中試，該裝置后來搬遷到上海冶煉廠，又進行了阿爾巴尼亞紅土礦的流態化還原焙燒，繼以氨水浸取提鎳。此中試成果“兩相流態化磁化焙燒貧鐵礦”1978年獲全國科學大會獎，并獲中國科學院重大科技成果獎。

為了在化工冶金所開展應用基礎研究,郭慕孫于1981年爭取到聯合國對“金屬提取過程中化學反應工程”研究的贊助,組織了一大批科研人員開展了高溫冶金、濕法冶金、流態化和計算機應用方面的研究,完成了60余篇論文;還派出22人次到國外學習,為該所應用基礎研究培訓了骨干。1986年10月,在郭慕孫親自組織和領導下,多相化學反應開放實驗室成立。該室以氣固、液固和氣固等2個以上相間的非催化反應的固相加工為主要對象,幾年中根據中國科學院開放、流動、聯合、高水平的要求,取得科研成果11項,發表論文185篇,出版專著5部,批準專利1項,培養博士、碩士38人,成為我國化學工程應用基礎研究方面一個有利于新思想萌生和青年人成長的場所。

為經濟建設創造新的工藝和設備

科學研究的目的全在于應用，郭慕孫認為工程師應不滿足于翻版現有工藝和傳統設備,而要用自己的思維,為經濟建設創造更好的方法。早在美國工作時期,他提出了添加惰性物料氧化粉煤,用低溫丙酮吸收二氧化碳,用三周期蓄冷器低溫空分,用有規條狀床內構件進行流態化氣體煉鐵等方法。后者幾經改進,現已用于吉林化工公司的硝基苯氫氣還原制苯胺的反應器上?；貒?他提出了一系列稀相換熱工藝,大多進入了中間試驗,有的已用于生產,例如,貴州萬山貧汞礦的焙燒生產汞和該省低品位硫鐵礦的焙燒制硫酸。他所開發的設備還包括用于農村半手工操作的谷物烘干器和不需造氣、不需團礦的粉煤加粉礦還原鐵礦的跳汰反應器等。他所提出的工藝和設備,有的被采用,有的得了獎,也有的成果被擱置了,但他并不灰心。他總認為新方法的采用,基于社會條件和人的素質,而創造性勞動的價值,是永恒的,遲早會得到重視。

國內外學術交流的促進者

郭慕孫十分重視國內外的學術交流，在北京主辦了國際流態化會議、國際循環流化床會議、中日美顆粒技術會議、中日顆粒技術會議及中美化工會議，發起并參與主持召開了九次中日流態化會議、六次全國流態化會議，培養帶領他的學生和同事們走出國門、步入國際，通過積極的卓有成效的學術交流合作，推動了流態化技術和顆粒學等相關學科的發展。

為促進中國顆粒學研究的發展，更好地開展國際學術交流，郭慕孫于2003年創辦了《顆粒學報》并親任主編。他對所有入載文章都一字一句認真修改，嚴把質量關。他在化工著名期刊Chemical Engineering Science 編委的崗位上辛勤耕耘了十余載，為中國學者的文章走向世界發揮了重要作用，經他修改的論文，有的達十幾稿之多，國際同行為之贊嘆。

郭慕孫在進行學術交流

科普教育的普及者

郭慕孫對廣大青少年寄予了無限希望。他認為，科技事業只有一代一代傳承下去，才能使中華民族永遠自立于世界民族之林。為此，他十分重視廣大青少年的科普教育，積極為國家科技隊伍建設和人才培養教育等建言獻策，直至去世當天還在為青年人講科普、改稿子。他還經常將自己的獎金、稿費用于幫助自閉癥和癡呆癥兒童等社會福利事業。汶川地震后，他第一時間將捐款交到所里，并積極交納特殊黨費，后來又匯款給中華慈善總會，支援災區學校重建。他熱愛生活、興趣廣泛，親自設計計算、動手制作幾何動藝，實現了科學與藝術的完美融合。他常為青少年作科普報告，并在北京二中建立了“郭慕孫幾何動藝實驗室”，對于啟迪、激發青少年科學探索精神具有特殊意義。2010年5月30日上午，90高齡的郭老高興地出席了由中國少年兒童新聞出版總社低幼讀物出版中心和海淀區教委主辦、國務院機關事務管理局幼兒園承辦的“勞動的快樂，創新的快樂——巴布團隊快樂會”，和小朋友們歡聚一堂。對《巴布工程師》被孩子們熱捧的原因做了初步探索，并借此良機進行科學理想的教育。

郭慕孫以卓越的學術貢獻和成就贏得國內外廣泛贊譽，1959年應邀參加了全國群英會,被授予全國先進工作者稱號。1989年獲“國際流態化成就獎”，1994年獲“何梁何利基金科學與技術進步獎”，1997年獲“美國化工學會流態化獎”，同年當選瑞士工程科學院外籍院士，2008年入選美國化學工程師學會“化學工程百年開創時代”50位杰出化工科學家，成為唯一獲此殊榮的中國學者。由于郭慕孫對流態化學科和流體顆粒系統技術的突出貢獻,1989年5月在加拿大召開的第六屆國際流態化會議上,榮獲“國際流態化成就獎”。到目前為止,世界上僅有4位科學家獲此殊榮。

郭慕孫出席國務院機構事務管理局幼兒園舉辦的“勞動快樂”聯歡

他把自己的一生毫無保留地獻給了祖國的科技事業，對流態化學科和顆粒學的發展作出了卓越貢獻，提供了大量寶貴的知識財富。他的科學精神和學術風骨將永遠激勵后人勇攀科學高峰。