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【大家风采】化学工程领域的璀璨星辰余国琮院士

学人小传

余国琮，这位出生于1922年，于2022年逝去的化学工程专家、中国科学院院士，他的生平事迹令人敬仰。毕业于西南联合大学化工系的他，后续赴美国深造，获得密歇根大学硕士学位和匹兹堡大学博士学位。他的学术成就卓越，在化学工程领域拥有深厚的造诣。

余国琮先生的生活与事业紧密相连，他对国家的深情和对科学的执着追求，彰显在他的每一个决定和行动中。作为先生生前的助手，我深深地被他的精神所感动。他胸中有大略，洞察国家重大需求，爱国奉献，淡泊名利，一生持之以恒。他用科学家的思想解决工程问题，在工程科学领域不断引入、开拓多学科方法，让“工程”逐步从经验走向科学。

为国家争一口气

余国琮先生在美国留学时，已经在化工分离过程领域取得了卓越的成绩。他深知自己的根在中国，于是毅然决定回到祖国。他参与了新中国的建设，致力于精馏技术的研究。精馏技术是我国工业中最为普遍的分离技术，高高耸立的精馏塔，也成为化工厂的重要标志。

在新中国成立之初，精馏技术被视为国家重点项目。当我国首座核反应堆投入运行时，由于国际关系的突变，重水供应中断，刚刚起步的核工业面临危机。余国琮先生挺身而出，开展重水生产技术研究，并成功攻克了重水生产技术难关。他还编写教材，为新中国培养了第一批重水生产技术人才。从那时起，为国家“争一口气”的信念就一直涌动在他的心中。

随着改革开放的浪潮，余国琮先生敏锐地意识到石化工业的飞速发展对精馏技术提出了更高的要求。他带领团队率先开展工业大型精馏塔技术研究，其成果在我国多套大型乙烯装置中得到应用，开启了我国通过突破精馏技术提升化工、石化工业技术水平的进程。

余国琮先生在天津大学创立了化学工程研究所，并出任第一任所长，重点开展精馏技术研究。他在天津大学建成了从基础研究、工程研发到技术推广完整的精馏技术国家级研发基地。他还领导创建了高效精馏设备产业化基地，为企业提供研发-设计-制造-安装-投产的“一条龙”服务，极大促进了产学研用结合以及科研成果的快速转化。

余国琮先生的一生，是对祖国的深情告白，是对科学的执着追求。他的精神风貌和卓越成就将永远激励着我们。他的离世是我们国家的巨大损失，但他的精神和事业将永载史册，永远激励着我们为国家的科学事业奋斗。余先生所研发的高效填料精馏塔技术成果，已经在我国众多省份的数千座精馏塔中成功应用。这项技术的单位降耗达到了惊人的30%至50%，对于石化、炼油和空气分离等关键工业领域，它占据了绝对的技术市场份额，完全取代了国外技术。这一成就不仅为企业创造了巨大的经济效益，也为国家的经济建设做出了杰出贡献。多项成果更是荣获国家科技进步奖。

余先生并未因这些成就而止步。他深刻地意识到，要想进一步发展精馏技术，必须在基础理论方面取得新的突破。过去的二十多年里，他将主要精力投入到新基础研究之中，不仅开创了新的理论，使精馏技术达到了前所未有的高度，还引领了化学工程学科的发展，受到了国内外学术界的广泛关注。

在化学工程中，分离工程是重要分支之一。精馏是应用最广泛的化工分离技术。尽管现代精馏技术已经发展得相当成熟，但它仍然属于“工程”，设计和操作都离不开人的经验。这是因为精馏过程中涉及的物质和热量传递等问题非常复杂，还没有较为完整的理论体系。精馏过程的工业设计更像是一门“艺术”。

为了改进精馏塔的工业设计，历史上人们按照传统工程逻辑提出了各种经验模型。这些模型如此之多，选择合适的模型也成为了一种“经验”。余国琮先生则决定从更加基础的原理入手，采用更加科学的方法建立具有普适性的模型和方法。他在精馏过程研究中引入了流体力学，提出了工艺过程与设备相结合的研究方法。这是余先生开展精馏工程科学领域研究的基本思想。这一思想简单明了，直指工程科学领域研究的真谛和全部挑战所在。自上世纪形成的现代化学工程理论可以概括为“三传一反”，而余先生认为质量的传递是核心。他提出的新观点不仅将精馏过程的理论研究推向了新的高度，也推动了化学工程学科的发展。

在精馏塔内流体力学状况对精馏过程有着根本性影响方面，传统的精馏理论主要基于热力学理论而忽视了流体力学的重要性。这是因为流体分布状况受到设备边界条件的影响而千变万化、过于复杂。为此，余先生致力于研究精馏塔流体流动分布的理论和方法，有效减少了经验参数的使用并提高了精馏理论模型的准确性。他的研究不仅阐明了精馏塔内流体分布均匀度的重要性，还引领了多种用于液体分布的精馏塔内部构件（塔内件）的发明和创新。这些成就标志着我国在精馏技术领域取得了重大突破，也为相关工业的发展提供了强有力的技术支持。在化学工程领域，长久以来存在一个核心观点：“边界层理论”是传质理论的核心。这一理论主张，传质的阻力主要存在于不同相之间的界面附近，那是一个较薄的流体滞留层。在这个层次上，分子扩散现象显著，即一种流体中的分子相对于另一种流体的迁移现象。当我们深入流体流动中的动量传递和热量传递如何影响这一边界层时，我们发现这是一个重要的切入点。

对于这一问题，余先生倾注了大量心血。他将研究焦点对准了相际界面这一微小尺度，借助现代光学技术，尤其是激光全息干涉测量装置，精确地测量了近界面区域内的浓度分布。通过引入激光纹影仪和激光粒子测速仪，他成功解决了界面湍动现象的定性和定量测量问题。余先生的研究发现，在接近相界面的极近距离内，浓度分布并不接近边界层理论所假设的热力学平衡浓度，相反，在许多情况下都存在界面湍动现象。基于这些发现，余先生指导研究生在传统边界层理论的基础上提出了新的界面传质理论，显著提高了精馏中的传质速率预测精度。

余先生并未止步于此。他意识到，要想全面理解传质现象，还需要突破传统的边界层理论，解决边界层之外的传质模型问题。如果说第一个问题是关于传统边界层的深化研究，那么第二个问题则是对现有化学工程理论的一次真正挑战。为了解决这个问题，余先生引入了湍流扩散理论，并借助科学计算方法解决了复杂的湍流模型的求解问题。他的这一创新性的研究开创了“计算传质学”这一新的研究领域。

进入21世纪，随着计算化学、计算流体力学、计算传热学等学科的快速发展，特别是计算机与信息技术的不断进步，用大规模数值计算的方法解决复杂的工程问题已经成为一种趋势。余国琮先生敏锐地捕捉到了这一机遇，提出了计算传质学的研究理念。经过余先生及其团队的多年努力，计算传质学已经形成了较为完整的理论框架，并获得了初步应用。这一成果受到了国内外学者的广泛关注，成为化工传质研究乃至化学工程方法的重要进展。

余先生的计算传质学研究旨在将化工传质这一复杂的工程问题通过科学计算的方法加以解决。他坚持自主开发求解软件和借助商业求解器软件相结合的策略，既保证了计算工作的高效推进，又确保了学生能从专业角度对模型保持深刻的理解。这一研究的核心问题是模拟湍流条件下的传质过程，特别是建立边界层之外的传质模型。这一过程涉及湍流问题的处理，是计算传质学的一项关键理论工作。

余先生的研究不仅深化了我们对边界层理论的理解，而且开辟了新的研究领域，为化工传质研究注入了新的活力。他的工作将复杂的工程问题转化为科学计算问题，为我们提供了一种全新的视角和方法来理解和解决化工过程中的传质问题。经过近二十载的辛勤耕耘，余先生指导研究生在“计算传质学”领域取得了令人瞩目的成果。他提出的适用于“各向同性”场合的两方程模型和针对各向异性场合的雷诺质流模型，为精馏和吸收过程的严格模拟提供了有力工具。这些模型不仅广泛应用于精馏过程，还在吸附、固定床反应、鼓泡塔生物反应以及流化床反应等过程中展示了其有效性。为何计算传质学能够得到广泛应用？原因在于化工过程中普遍存在的湍流条件下的质量传递现象。计算传质学为这一过程提供了一个有效的数学模型，其方法基于最基础的守恒、热力学和动力学关系，结合数值计算技术，用科学计算取代了传统传质计算中的经验关联。这使得化工过程装置的设计不再过度依赖经验，而是基于严格的数学理论。

余先生的计算传质学模型和求解方法，不仅涉及传统的化学工程理论，还考虑了湍流条件下物质扩散、相界面复杂的物理现象。其研究范畴已经超越了传统化学工程理论的边界，形成化学工程学科新的分支。这一成就不仅体现了余先生在工程科学领域的卓越贡献，也展示了计算传质学在解决实际问题中的实用价值。

工程科学，一门融合了实验与数学模型的学科，正如拉斐尔教授所言，是成功的关键。余国琮先生的科教生涯，就是不断在解决复杂的工程问题过程中引入科学理论的典范。他的成功告诉我们，科学是解决复杂工程问题的钥匙。正因为有了众多像余先生这样的工程科学家的努力，人类社会才能取得诸多工程成就，享受到高质廉价的商品、方便的通信和快捷的交通。

那么，什么是工程科学中的“科学”呢？它并非我们通常理解的自然科学的简单应用，而是指在生产活动中发现工程规律的过程。工程科学具有科学的基本属性，即生产知识并通过研究解决问题。但与自然科学不同的是，工程科学研究是在各种约束条件下进行的，如时间、经济、环境等。工程师需要在有限的时间内，满足经济技术指标和生态环境、生产安全等规定要求，提出解决方案。这需要跨学科的知识和多学科的综合应用。

随着科技的加速发展，人类正面临前所未有的挑战。在这个过程中，工程科学将发挥至关重要的作用。余国琮等老一辈工程科学家的经历和思想，为我们提供了宝贵的启示。他们的成功经验和创新精神，将激励新一代的工程科学家在应对挑战的过程中发挥更大的作用，为人类社会的进步和发展做出更大的贡献。

（作者袁希钢，系天津大学化学工程研究所所长）

本文旨在分享工程科学的重要性和价值，同时向读者介绍了余先生在计算传质学领域的卓越成就。希望通过本文，读者能够对工程科学有更深入的了解和认识，对余先生的贡献表示敬意。流产网祝愿读者在阅读本文后能够有所收获和帮助。（完）