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(fā)領(lǐng)域，在流態(tài)化技術(shù)、清潔化工工藝等方面成績卓著，獲授權(quán)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(xié)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(huán)經(jīng)濟，為我國經(jīng)濟的健康有序發(fā)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(yīng)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(lián)留學，對于一心向?qū)W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(yè)沒有任何分心之事。由于蘇聯(lián)學科劃分過細，又是以工程師為培養(yǎng)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(chǔ)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(yǎng)了自學能力。最終以全優(yōu)成績畢業(yè)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(zhuǎn)到清華大學化工系任教，并參與工廠的技術(shù)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(yīng)器要淘汰，在當時的特殊條件下，金涌師生遂成為新型反應(yīng)器設(shè)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(wù)。就這樣在工廠摸爬滾打了四五年，增長了許多實踐經(jīng)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(shù)領(lǐng)域，當時有一個世界級重要方向，即流態(tài)化化學反應(yīng)工程學，通俗來講就是用流體(參加化學反應(yīng)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(guī)?；瘜W反應(yīng)。這樣做有諸多優(yōu)點，如設(shè)備生產(chǎn)能力大，反應(yīng)可以在全設(shè)備內(nèi)的溫度、濃度、壓力均勻的條件下進行；設(shè)備結(jié)構(gòu)簡單投資低，反應(yīng)過程中可以大量移出或加入熱量，固體物料可以連續(xù)不間斷地引出和引入等等。因此，這一方向受到世界上該領(lǐng)域?qū)W者的廣泛重視，后來成為化學工業(yè)中最為重要和普遍使用的反應(yīng)裝置之一。

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

金涌研究室善于通過實驗測量發(fā)現(xiàn)某領(lǐng)域工程科學中新現(xiàn)象，通過系統(tǒng)研究歸納其基本規(guī)律和機理的解釋，再上升到數(shù)學模型預測，并在認識自然規(guī)律的同時改進工程應(yīng)用，改造客觀世界，較好地實現(xiàn)了把基礎(chǔ)研究和工程應(yīng)用相結(jié)合。

該研究室的主要工程科學貢獻有：

1.鼓泡流態(tài)化向湍動流態(tài)化轉(zhuǎn)變判據(jù)

在流態(tài)化系統(tǒng)中逐步提高氣流的速度，這一兩相流系統(tǒng)和單相流一樣，也會發(fā)生流型轉(zhuǎn)變。單相流系統(tǒng)從滯流流型轉(zhuǎn)變成湍流流型是以雷諾準數(shù)(Re= 2,300 10,000)為判據(jù)，在兩相流系統(tǒng)中提速時，從鼓泡流型轉(zhuǎn)變成湍流流型要復雜得多?；瘜W反應(yīng)器內(nèi)的物系變量多，實驗表明化學反應(yīng)器在湍流下操作，不但產(chǎn)量加大，而且反應(yīng)收率和選擇性也會提高，所以查明這一流型轉(zhuǎn)變定量判據(jù)，不僅有著學術(shù)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(chǔ)上，找到判別流型以若干無因次數(shù)組表示的定量判據(jù)，在新反應(yīng)器設(shè)計中作為依據(jù)，對已有反應(yīng)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(nèi)則根據(jù)這一判據(jù)對各種工藝和大型反應(yīng)器進行改造，獲得顯著經(jīng)濟效益，在國際學術(shù)界也得到很好評價，獲得國家發(fā)明二等獎(第一發(fā)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(guī)律

氣固兩相并流上行快速逆重力場流動的規(guī)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(yīng)中得到廣泛應(yīng)用，金涌研究小組在進行深入研究時，發(fā)現(xiàn)它有很多不足之處，對反應(yīng)結(jié)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(guī)律堅持進行了系統(tǒng)研究，首先發(fā)現(xiàn)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(xiàn)了濃環(huán)特征結(jié)構(gòu)，而且氣固兩相間滑落速度分布規(guī)律也發(fā)生有利的變化等。他們進行流體流動參數(shù)規(guī)律的計算機數(shù)值模擬，有力地支持了反應(yīng)器工程放大的進行。該室對下行并流流化床反應(yīng)器的基礎(chǔ)研究，長期保持世界領(lǐng)先地位。

他們在發(fā)現(xiàn)下行并行流態(tài)化有許多優(yōu)點之后，也發(fā)現(xiàn)了該裝置有催化劑濃度過稀薄，特別不利于反應(yīng)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(jié)構(gòu)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(shù)訣竅。

上述研究成果在高60米的工業(yè)熱態(tài)大型工業(yè)試驗裝置中得到應(yīng)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(shù)在不同的工業(yè)中日益被廣泛認同。

3.對聚團(納米顆粒)流態(tài)化研究

國際著名學者認為，在對不同直徑顆粒的流態(tài)化行為進行流態(tài)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(tài)化行為影響的系統(tǒng)研究中，指出某一特征粒徑(對催化裂化催化劑為30μm)是不產(chǎn)生嚴重團聚的最小顆粒系統(tǒng)，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(nèi)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(wěn)定團聚體，有穩(wěn)定的聚團流態(tài)化現(xiàn)象，并且具有良好的工業(yè)操作特性。采用這種納米聚團流態(tài)化特征的反應(yīng)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(yīng)器。這一技術(shù)具有原始創(chuàng)新性，在國際上處于領(lǐng)先地位。

4.徑向移動床反應(yīng)器的研究

我國在石油工業(yè)催化重整工藝中，采用了徑向氣流移動床反應(yīng)器結(jié)構(gòu)，該反應(yīng)器結(jié)構(gòu)和操機理復雜，一直都在重復購買國外專利使用權(quán)。金涌研究室參加了中國石化公司對該項目的自主研發(fā)，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(cè)向氣流曳力的作用在一定流速后產(chǎn)生貼壁效應(yīng)的規(guī)律進行了研究，并且提供了計算機數(shù)值模擬軟件，進行了反應(yīng)器放大規(guī)律的研究，建立了一比一的大型冷模實驗論證，結(jié)果表明該模型計算軟件對反應(yīng)器放大結(jié)果的預測是可靠的。該軟件被提供給設(shè)計院，在多臺反應(yīng)器改造和新反應(yīng)器設(shè)計中使用，并取得顯著經(jīng)濟效益。這也是中國在石油煉制工藝自主開發(fā)上獲得又一次成功。

化學工藝反應(yīng)的現(xiàn)象會表達出其物理化學本質(zhì)特征，也會表達出其固有的優(yōu)點和不足，化學工程則是通過工程科學手段，使反應(yīng)工藝過程中優(yōu)點得到充分的發(fā)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(fā)，可以縮短研發(fā)過程，獲得更好的效果。該研究室將化學工程與工藝相結(jié)合，如常壓流化床法生產(chǎn)三聚腈胺全流程開發(fā)，現(xiàn)已成為該產(chǎn)品的主流技術(shù)。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(nèi)已發(fā)展成為世界產(chǎn)量第一的產(chǎn)業(yè)；同時，完成了有機硅生產(chǎn)中流化床法二甲基二氯硅烷的生產(chǎn)放大技術(shù)和改造，在吉林化學工業(yè)公司實現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化；完成了氯化法鈦白生產(chǎn)中氧化反應(yīng)器的實驗剖析和模擬，并在指導工業(yè)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(chǔ)理論探索中，采用數(shù)學方法，在對氣固流化床內(nèi)的參數(shù)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(jié)構(gòu)氣流床干燥節(jié)能技術(shù)的研究、對大型固體物料靜態(tài)摻混技術(shù)、對密相氣力輸送粉體技術(shù)和超短接觸反應(yīng)技術(shù)的研究、以及浮板塔精餾技術(shù)的研究等方面都取得了創(chuàng)新成果，在國內(nèi)外發(fā)表學術(shù)論文400余篇，并在工業(yè)技術(shù)轉(zhuǎn)化上取得了顯著經(jīng)濟效益，共申請40多項專利技術(shù)，同時獲得國家發(fā)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(xié)會等部級科技進步一等、二等和三等獎十多項，獲專利優(yōu)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(xié)會(AICHE)的PSRT流態(tài)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(yīng)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(yè)基礎(chǔ)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(shè)，為清華大學一年級學生開設(shè)“資源?能源?環(huán)境?社會”的全校選修課；25年來先后被國內(nèi)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(zhí)導的博士生中，有兩名博士的論文被評為全國百篇優(yōu)秀博士論文，金涌因此也兩度獲得全國百篇優(yōu)秀博士論文導師獎；凡在金涌研究組工作過的人員，在國內(nèi)外都有驕人的業(yè)績，而且該實驗室的勤奮敬業(yè)傳統(tǒng)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(fā)隊伍，成為項目的中堅力量，才有我國科學技術(shù)“跨越式發(fā)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(fā)揮出來，必須給他們機會，讓他們身上有‘擔子’?！睘榱藞F隊的活力和后勁，金涌教授到外面聯(lián)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?！边@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(lǐng)導人，離開了自己主持創(chuàng)建和成長的實驗室領(lǐng)導崗位。雖然內(nèi)心有依依不舍，但是想到實驗室的成績和大家共同創(chuàng)造的大片“家業(yè)”能夠青出于藍，內(nèi)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(yōu)秀教師獎”、全國五一勞動獎?wù)?、北京市教學名師獎等，獲全國優(yōu)秀博士論文指導教師獎兩次。

老驥伏櫪倡循環(huán)

21世紀之初，中國經(jīng)濟歷經(jīng)20多年的高速發(fā)展，但是人們回過頭來卻發(fā)現(xiàn)，這是以巨大物耗、能耗和環(huán)境污染為代價取得的。人們已經(jīng)認識到要使中國社會經(jīng)濟可持續(xù)發(fā)展必須轉(zhuǎn)變發(fā)展模式。

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

金涌還積極參與國內(nèi)外學術(shù)交流活動，2001年和2003年兩次作為中美化工學術(shù)大會中方主席，任循環(huán)經(jīng)濟流態(tài)化系列國際會議組織顧問，并組織中日學術(shù)交流會議，成為該領(lǐng)域國際知名學者，成為中國工業(yè)生態(tài)化的“宣傳員”。

在宣傳、倡導循環(huán)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(chǔ)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(yōu)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(lián)產(chǎn)化工企業(yè)的廠區(qū)內(nèi)，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(huán)境下，被轉(zhuǎn)化成了下一個車間的原料和能源。在先驅(qū)者的示范作用下，迄今為止，全國已有上百個生態(tài)工業(yè)園區(qū)。

半個世紀以來，金涌始終以化學與化工事業(yè)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?！?/p>

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?，F(xiàn)任清華大學化學工程系教授、博士生導師，化工科學與技術(shù)研究院院長，還擔任工業(yè)生態(tài)經(jīng)濟與技術(shù)專業(yè)委員會主任、中國化工學會常務(wù)理事、中國顆粒學會常務(wù)理事等職務(wù)，為我國化工領(lǐng)域中流態(tài)化技術(shù)的發(fā)展以及循環(huán)經(jīng)濟理論的提出和推廣做出了重要的貢獻。