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首页 > 化工论文 > > 金涌的化工人生
金涌的化工人生
>2024-04-19 09:00:00

他长期钻研于化学工程研发领域,在流态化技术、清洁化工工艺等方面成绩卓著,获授权专利40多项,并多次获得国家级大奖和其他多种奖励;

他获得了美国化学工程师协会PSRI讲座奖,得到了国际同行的肯定;
他用长达半个世纪的时间,耕耘在三尺讲台之上,一路春风化雨;
他以古稀高龄,倡导循环经济,为我国经济的健康有序发展呕心沥血……
他是金涌,他的名字与一串头衔相连,中国工程院院士、清华大学教授、化学工程专家、教育家,然而他最贴切的称呼应该是―一个化工人。


金涌,中国工程院院士。现任清华大学化学工程系教授、博士生导师,化工科学与技术研究院院长,还担任工业生态经济与技术专业委员会主任、中国化工学会常务理事、中国颗粒学会常务理事等职务,为我国化工领域中流态化技术的发展以及循环经济理论的提出和推广做出了重要的贡献。
一门心思做学问
1953年金涌被选去苏联留学,对于一心向学的金涌而言,留学生涯如世外桃源,每天7:30准备去学校,晚上12:00离开图书馆。日复一日,年复一年,除了上课、看书、作业没有任何分心之事。由于苏联学科划分过细,又是以工程师为培养目标,他感到有些课完全可自学就能考取满分,且觉得其基础理论教育难于满足他的求知欲和好奇心,所以自行安排课表,到其他系蹭课,整日忙碌于各楼之间。由于缺少名师引导,最大收获也仅是培养了自学能力。最终以全优成绩毕业后,被分配到中国科技大学任职。
上世纪50年代末60年代初的中国科大是与众不同的,聚集了全国最有名的大师如钱学森、郭永怀、杨承宗、王葆仁、钱人元等直接授课,“有教无类、因材施教”。金涌在大师们的耳濡目染之下涉猎广阔。
金涌当时主要从事化工原理的教学工作,启蒙老师是丁绪淮教授,这种一对一的耳提面命式的教诲,使金涌受益终身。金涌直接接触过并得到指导的老先生还有汪家鼎、时钧、郭慕孙、陈家镛教授等,这些大家都被他奉为做事的榜样,由此渐渐对化学工程学有了一些感悟。
1973年大学复课以后,金涌转到清华大学化工系任教,并参与工厂的技术改造活动。恰逢工厂的一个直径三米多、高四五十米的化学反应器要淘汰,在当时的特殊条件下,金涌师生遂成为新型反应器设计和指导施工的主力。虽然承受了巨大的风险压力,但也是绝好的实践机会,过去所学的理论知识终于可以牛刀小试,最终圆满完成了任务。就这样在工厂摸爬滚打了四五年,增长了许多实践经验。
瞄准前沿出成果
从70年代后期起,金涌终于得偿所学,有机会认认真真从事治学和研究工作。
他所从事的学术领域,当时有一个世界级重要方向,即流态化化学反应工程学,通俗来讲就是用流体(参加化学反应的气/液体原料)把细粉(催化剂或固体原料)悬浮起来,并进行大规模化学反应。这样做有诸多优点,如设备生产能力大,反应可以在全设备内的温度、浓度、压力均匀的条件下进行;设备结构简单投资低,反应过程中可以大量移出或加入热量,固体物料可以连续不间断地引出和引入等等。因此,这一方向受到世界上该领域学者的广泛重视,后来成为化学工业中最为重要和普遍使用的反应装置之一。

流态化作为世界范围化学工程学领域的研究热点之一持续了半个世纪,不仅因流态化在各种工业中可以有广泛应用前景,而且它的学术问题有深度、有广度。但要真正掌握多相湍流的理论规律很难。在它的极盛时期,世界上有上百个大学和工业研究院的研究小组参与其中。上世纪80~90年代,正恰逢流态化研究正向高流速方向延伸和深入发展,金涌所组建和领导的研究室趁着这一绝好时机在流态学领域大展身手。
金涌研究室善于通过实验测量发现某领域工程科学中新现象,通过系统研究归纳其基本规律和机理的解释,再上升到数学模型预测,并在认识自然规律的同时改进工程应用,改造客观世界,较好地实现了把基础研究和工程应用相结合。
该研究室的主要工程科学贡献有:
1. 鼓泡流态化向湍动流态化转变判据
在流态化系统中逐步提高气流的速度,这一两相流系统和单相流一样,也会发生流型转变。单相流系统从滞流流型转变成湍流流型是以雷诺准数(Re = 2,300 10,000)为判据,在两相流系统中提速时,从鼓泡流型转变成湍流流型要复杂得多。化学反应器内的物系变量多,实验表明化学反应器在湍流下操作,不但产量加大,而且反应收率和选择性也会提高,所以查明这一流型转变定量判据,不仅有着学术价值而且也有重要的工程价值。
研究室在对其机理分析和实验测量的基础上,找到判别流型以若干无因次数组表示的定量判据,在新反应器设计中作为依据,对已有反应器操作条件进行提升。这一研究成果随后被美国颗粒科学研究所(PSRI)所推荐使用。而在国内则根据这一判据对各种工艺和大型反应器进行改造,获得显著经济效益,在国际学术界也得到很好评价,获得国家发明二等奖(第一发明人,1987)和国家科技进步二等奖(第一获奖人,1996)。
2. 气固并流下行快速两相流动规律
气固两相并流上行快速逆重力场流动的规律的研究,在上世纪80年代获得长足进步,其后在石油催化裂化反应中得到广泛应用,金涌研究小组在进行深入研究时,发现它有很多不足之处,对反应结果不利,如轴向气固相的严重返混等。为寻找改进方法,该研究室对气固并流下行顺重力场流动规律坚持进行了系统研究,首先发现下行的流速径向分布与上行时完全不同,固相含率的径向分布出现了浓环特征结构,而且气固两相间滑落速度分布规律也发生有利的变化等。他们进行流体流动参数规律的计算机数值模拟,有力地支持了反应器工程放大的进行。该室对下行并流流化床反应器的基础研究,长期保持世界领先地位。
他们在发现下行并行流态化有许多优点之后,也发现了该装置有催化剂浓度过稀薄,特别不利于反应初期的多相物料混合。为了克服这一缺陷,提出了两种新的结构和操作方式,即通过床型组合或折叠式床型可完全克服不足,形成了技术诀窍。
上述研究成果在高60米的工业热态大型工业试验装置中得到应用,并取得圆满效果。随着时间的推移,气固两相并流下行的技术在不同的工业中日益被广泛认同。
3. 对聚团(纳米颗粒)流态化研究
国际著名学者认为,在对不同直径颗粒的流态化行为进行流态化行为的研究中,颗粒群的平均直径在小到一定尺寸后就不再有良好的可操作性,这一研究成果被广泛认同。
金涌研究室在考察颗粒直径对流态化行为影响的系统研究中,指出某一特征粒径(对催化裂化催化剂为30μm)是不产生严重团聚的最小颗粒系统,也是在颗粒群运动中有独立运行行为的最小颗粒直径,因而是一种有特殊操作特性临界粒径。小于这种粒径的颗粒群会因有内部范德华力的作用而团聚行为加剧,从而失去可被气流悬浮的特征,但是在颗粒进一步减小时,特别是纳米尺寸颗粒群可以形成稳定团聚体,有稳定的聚团流态化现象,并且具有良好的工业操作特性。采用这种纳米聚团流态化特征的反应器,成功地大批量制备出各种特性的纳米炭管,并被证明是最佳的大批量制备炭管反应器。这一技术具有原始创新性,在国际上处于领先地位。
4. 径向移动床反应器的研究
我国在石油工业催化重整工艺中,采用了径向气流移动床反应器结构,该反应器结构和操机理复杂,一直都在重复购买国外专利使用权。金涌研究室参加了中国石化公司对该项目的自主研发,建立了中型测试平台,对不同流动方向加以组合,对操作性能的影响和颗粒由于侧向气流曳力的作用在一定流速后产生贴壁效应的规律进行了研究,并且提供了计算机数值模拟软件,进行了反应器放大规律的研究,建立了一比一的大型冷模实验论证,结果表明该模型计算软件对反应器放大结果的预测是可靠的。该软件被提供给设计院,在多台反应器改造和新反应器设计中使用,并取得显著经济效益。这也是中国在石油炼制工艺自主开发上获得又一次成功。

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