考虑了湍流扩散、流体传输和分子扩散等复杂因素(流体呈湍流流动时,其基本的特征)

“每个人”

原标题:更多的是科学而不是经验

--于国聪院士与工程科学

学者传记

我丈夫和我一起做研究已经很多年了。我深深感到,他胸襟开阔,洞察国家的主要需求,爱国奉献,淡泊名利,一生坚持不懈。同时,我也感觉到张先生用科学家的思维解决了工程问题,不断引入工程科学领域,探索多学科方法,为“工程”逐步从经验走向科学做出了不懈的努力。我一直尊重并感动我丈夫的个性和追求。对于许多人来说,余先生一生都致力于化学工程领域似乎有些奇怪。我愿意用最流行的语言分享我的感受。

余国聪在办公室。于武龙摄

为国家而战

人们都知道蒸馏水。蒸馏是基于蒸馏原理的。通过加热液体,首先蒸发液体中容易蒸发的物质,然后通过冷却将蒸发的气体冷凝回液体,实现混合物的分离。为了使分离的产物更纯净,仅进行一次蒸发和冷凝是不够的。冷凝物可蒸发并再次冷凝。如果多次重复这种蒸发冷凝,可以获得相对纯净的产品。通过多次蒸发和冷凝分离液体混合物的过程称为蒸馏过程,有时也称为“蒸馏”过程,顾名思义:蒸发分离。在工业上,这种重复操作称为多级过程,通过沿垂直方向布置多个级以及通过向下流动的液体和向上流动的气体来实现级之间的连接。该装置通常称为精馏塔。蒸馏中使用的蒸发和冷凝的物理原理简单可靠。它是工业上应用最广泛的分离技术。因此,高层精馏塔已成为化工厂的重要标志。

改革开放之初,余国聪先生敏锐地认识到,石化行业的快速发展对精馏技术的要求越来越高。因此,他带领团队率先开展了工业大型精馏塔技术的研究,并将研究成果应用于国内多家大型乙烯装置。通过精馏技术的突破,开启了提高化工、石化行业技术水平的进程。

1982年,经教育部批准,于先生在天津大学成立了化学工程研究所,并担任该研究所的第一任所长,专注于蒸馏技术的研究。在此基础上,成立了化学工业国家重点实验室、天津大学精馏分离联合国家重点实验室和国家精馏技术工程研究中心、国家化工填料塔及内件新技术推广中心。之后,他在天津大学建立了国家蒸馏技术研发基地,从基础研究、工程研发到技术推广。同时,他还牵头建立了高效蒸馏设备产业基地,为企业提供研发、设计、制造、安装、生产的“一站式”服务,极大地促进了产、研、用一体化,促进了科研成果的快速转化。余先生的“新型高效填料蒸馏塔”等成果已成功应用于中国20多个省份的数千座蒸馏塔,单耗降低30%至50%。在大型石化、炼油、空分等主要工业领域占据了大部分技术市场份额,完全替代了国外技术,为企业创造了巨大的经济效益,为国民经济建设做出了重大贡献。多项成果荣获国家科技进步奖。

余国聪在80周年庆典上发表讲话。数据图片

将流体力学引入蒸馏

人们通常把桥梁、机场和其他设施的建设过程称为“项目”。事实上,该项目涉及所有人类生产活动。这是一个用火烤肉和从海水中提取盐的项目。工程起源于人类生存的基本需要。可以说,工程从人类活动开始就存在了。人类在工程实践中积累的经验是工程活动的核心要素。然而,随着社会的发展,人们对工程的需求越来越大。仅仅依靠经验远远不能满足人们的需要。因此,工程师们引入了科学方法,形成了今天的工程科学。现代生产技术是工程科学的众多成就之一。它可以通过提炼石油成分来生产美观耐寒的织物。

在古代,人类掌握了利用植物酿酒的技术,可以说是蒸馏技术的雏形。经过长期发展,特别是19世纪以后,随着化学工业的出现,蒸馏技术得到了迅速发展。然而,即使是现代蒸馏技术也没有脱离其“工程”属性,即蒸馏的设计和操作始终离不开人类经验。这是因为蒸馏涉及的材料和传热非常复杂,并且没有完整的理论体系。因此,蒸馏过程的工业设计更像是一门艺术。对于工程来说,经验确实非常重要,但它主要来自实验,尤其是那些接近实际工业规模的实验和成功或失败的工程实践。同时,过度依赖经验导致蒸馏分离技术发展缓慢,成本高。基于经验的精馏塔工业设计仍然面临许多不确定性。精馏塔投产后经常暴露出一些问题,严重制约了工业精馏技术的发展。

历史上,为了改进精馏塔的工业设计,人们根据传统的工程逻辑提出了各种不同应用的经验模型。因此,在如此众多的实证模型中,如何选择合适的实证模型已成为一种“经验”。即便如此,很少有人考虑如何从更基本的原则开始,采用更科学的方法来建立通用的模型和方法。余国聪先生决心在这方面有所作为。20世纪80年代初,他将流体力学的研究引入蒸馏过程的研究,提出了过程与设备相结合的研究方法。

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蒸馏塔中的流体动力学对蒸馏过程具有根本性影响。然而,传统的精馏理论主要基于相对成熟的热力学理论,而忽略了流体动力学。这是因为流体分布受设备边界条件的影响,这些条件是可变的,过于复杂。这就是为什么经验主义模型层出不穷,历史上各不相同的主要原因。因此,余先生提出了一系列关于精馏塔中流体流量分布的理论和方法,减少了经验参数的使用,有效地提高了精馏理论模型的精度。例如,他的研究阐明了蒸馏塔中流体分布均匀性的重要影响,形成了上述“具有新塔内件的高效填料塔”技术,并导致发明了用于液体分布的蒸馏塔的各种内部组件。

余先生的基本想法是引入科学理论,以减少工程科学领域对经验的依赖。这个想法简单明了,直接指向了工程科学领域研究的真正意义,也是所有挑战所在。20世纪60年代形成的现代化学工程理论可以概括为“三转移一反应”。“三个传递”是指质量、热量和流体动量的传递,“一个反应”是指化学反应过程。事实上,在大多数化学过程的设计中,很难直接应用这些理论,因为实际过程太复杂,而上述理论主要是各种化学过程共性的概括。在这方面,余先生在20世纪90年代初提出了两个重要观点。第一种观点认为,传质是“三传递”的核心。原因是蒸馏塔中的传质决定了浓度分布,而浓度决定了蒸馏效率。浓度是流体流量和温度的函数。因此,传热和动量传递模型最终应服务于传质模型。余先生的第二点是,边界层外流体中的传质直接影响蒸馏的分离效率,因此也需要用理论模型来描述。过去,“边界层理论”被认为是化学工程中传质理论的核心。这一理论意味着传质阻力主要集中在不同相界面附近相对较薄的流体保留层中。边界层理论考虑了流体中一个分子相对于另一个分子的迁移现象,即分子扩散现象。因此,流体流动中的动量传递和传热如何影响边界层是一个重要的切入点。

对于第一个问题,余先生将研究重点放在界面的微观尺度上,将现代光学技术应用于界面传质的测量,并建立了激光全息干涉测量装置,以精确测量各种条件下界面附近的浓度分布。他引入激光纹影仪和激光粒子测速仪来解决界面湍流现象的定性和定量测量问题,发现靠近相界面的浓度仍远未达到边界层理论假设的热力学平衡浓度,并且在许多情况下,存在界面湍流现象。余先生指导研究生在原有边界层理论的基础上提出了一种新的界面传质理论。这提高了蒸馏中传质速率的预测精度。

对于第二个问题,余先生提出有必要突破传统的边界层理论,求解边界层外的传质模型。如果第一个问题与传统的边界层理论有关,而第二个问题超出了现有化学工程理论的范围,那么目前还没有现成的理论模型。这也是对传统化学工程理论的真正挑战。对于边界层外流体中的传质,余先生介绍了湍流扩散理论。为了解决复杂湍流模型的求解问题,他还引入了科学的计算方法,从而开辟了“计算传质”的新研究领域。

20世纪90年代,于国聪指导博士生对蒸馏塔的流体动力学进行实验研究。数据图片

提出了传质计算理论

余国聪先生提出的计算传质研究是通过科学计算解决复杂的化学传质工程问题。一些商业微分方程求解器的不断改进也为计算传质的研究提供了有利条件。

几乎所有的化学过程,包括蒸馏中的传质,都是在湍流条件下进行的。对于湍流条件下的流体流动和传热,学术界已经有了更有效的方法。余国聪先生领导的精馏塔流体动力学研究也为精馏塔复杂两相湍流的模拟建立了有效的方法。因此,传质计算的核心问题是湍流条件下传质过程的模拟。

如上所述,传质计算的理论工作是建立边界层外的传质模型,需要处理湍流。大约在1995年,在余先生博士后研究员的指导下,我和我考虑了如何将计算流体动力学引入蒸馏计算,并建立了由流体流动引起的传质模型。我们向Yu先生介绍了结果,他指出,仅考虑流体流动的传质是不够的,还要考虑流体湍流的影响。在湍流条件下,流体的湍流也会导致流体中的质量扩散。这里的术语“扩散”是指流体中的组分从高浓度区域迁移到低浓度区域。余先生描述的这种现象在物理学上被称为湍流扩散。这种现象在化工设备中很常见。虽然传统的化学工程理论无法避免这个复杂的问题,但它使用了粗糙的经验参数校正方法。例如,在许多情况下采用了“反向混合”的概念。考虑了湍流扩散、流体传输和分子扩散等复杂因素。通过实验获得了返混系数,并用于各种模型中。简化复杂问题不仅是解决复杂工程问题的有效途径,也是工程科学的精髓和实现理论突破的场所。在余先生的指导下,我们找到了正确的方向。通过三名博士生的努力,我们最终提出了一个包括边界层和边界层的传质模型。

这项工作的困难在于湍流扩散模型是一个偏微分方程,必须与描述流体流动和传质的原始Navier-Stokes方程同时求解。因此,计算成为一个必须解决的问题。

计算实际上是工程科学的核心问题之一。工程高度依赖经验的原因是理论模型太复杂而无法求解。这导致传统工程师不想使用理论模型,而是使用大量的经验相关性。因此,模型和计算是相互依存、相互促进的:有了准确的理论模型,也有必要解决计算问题。只有解决了计算问题,才能研究精确的理论模型。这就是余先生让我们回到电脑桌解决计算问题的原因。

余先生坚持独立开发解决方案软件,并使用商业解决方案软件。商业软件的使用确保了计算工作的有效推进。通过独立编写算法和计算程序,学生可以始终从专业角度理解模型。

经过近20年的努力,余先生指导研究生提出了“各向同性”情况下计算传质的“双方程模型”,以及各向异性情况下的雷诺质量流模型。目前,计算传质方法不仅用于严格模拟蒸馏和吸收过程,而且有效地应用于吸附、固定床反应、鼓泡塔生物反应和流化床反应等分离和反应过程。计算传质之所以能得到广泛应用,是因为湍流条件下的传质在化学过程中非常常见,而计算传质为这一基本传质过程提供了有效的模型。同时,计算传质方法基于最基本的守恒、热力学和动力学关系。基于基本物理性质、操作和设备结构参数,建立更严格的数学方程,并通过数值计算技术进行求解。科学计算取代了传统传质计算中的经验关联,使化工过程设备的设计摆脱了对经验的过度依赖。

余先生提出的计算传质模型和求解方法将精馏过程的模拟从工程计算提升到科学计算。它不仅涉及传统的化学工程理论,还考虑了湍流条件下的材料扩散、相界面的复杂物理现象和数学模型、微分方程的求解以及相关的数值计算问题。研究范围跨越了传统化学工程理论的边界,形成了化学工程的一个新分支。

于国聪,袁锡刚,化学计算与传质

什么是工程科学

刘易斯奖和美国化学工程教育最高奖得主拉斐尔教授曾说:“化学工程是历史上一门成功的学科,它主要得益于实验和数学模型的收集。”数学模型的背后是理论,理论的背后是科学。回顾余国聪先生70年的科学和教育生涯,从科学研究的角度来看,他的成功正是由于他在解决复杂工程问题的过程中不断努力引入科学。科学是解决复杂工程问题的关键。由于像余先生这样的许多工程科学家的努力,当今世界已经取得了许多工程成就。我们可以享受物美价廉的商品,便捷的通讯和快速的交通。

工程科学的“科学”不是一般意义上的自然科学。自然科学起源于人类对自然世界的好奇心。这里的“自然世界”指的是我们生活的物理空间以及所有事物及其运行模式。科学家可以随意找到答案。自然科学对人类的意义在于探索自然世界,获取更多的知识。工程科学有两层含义:一是利用自然科学知识解决工程问题;第二种是在生产活动中发现一种称为“工程定律”的知识,例如材料中成分的哪些特性将影响这些材料的哪些特性,发酵罐或任何其他加工过程中存在哪些物理、化学或生物基本过程,以及产品质量和产量的变化将如何影响生产成本。从研究的角度来看,工程科学也产生知识,因此它具有科学的基本属性。然而,它与自然科学有着重要的区别:任何工程科学研究都是在时间、经济、环境、社会和伦理等各种约束条件下进行的。特别是对于一些实际工程项目,科学家和工程师的研究和开发时间往往非常有限。无论涉及到什么科学问题,他们都需要在给定的时间内提出解决方案。这些解决方案还需要满足预设的经济技术指标,并满足生态环境、安全生产等法规的要求。因此,工程科学需要理解多学科知识,通过整合多学科知识来解决问题,这是工程科学发展的基本途径。

近百年来,随着科学技术的飞速发展,人类面临着前所未有的挑战。工程科学将在应对各种挑战方面发挥非常重要的作用。余国聪等老一辈工程科学家的经验和思想可以给我们很多启示。


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