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人物篇|金涌:执剑化学工程 代言“美丽化工”

作者: 时间:2019-04-11 09:36   

  他是半个世纪中国翻天覆地变化的“历史亲历者”,是在中华崛起征途上奉献自己毕生心血和智慧的“国家建设者”;他也是国际公认流态化、反应工程领域的“执剑人”,是循环经济领域相关学科发展与实践推动的“先驱者”;他还是以耄耋之年依旧奋战在化学化工科普教育一线的“美丽化工”代言人。他,就是我国著名化学工程专家、中国工程院院士——金涌。

  结缘流化床

  执剑国际反应工程领域

  结缘流化床反应工程研究,对于金涌来说是一次偶然的际遇。1959年留学苏联回国后,金涌先是被分配到中国科学技术大学任教。直到1973年,由于中科大不再设立放射化学专业,金涌来到清华大学继续教学科研工作,还和同组教师,带着18位学生,到北京化工二厂“开门办学”。

  当时1台苏联进口的大型流化床反应器,由于长期运行损坏,无法正常稳定生产。厂里召开工程师和技术人员集中讨论如何改造设备,金涌的教改小分队也应邀参加。这无疑是一个巨大的挑战。没有设计流化床方面的工程经验,金涌带着师生凭着扎实的基础知识,查询国际上流化工程学术上的最新进展,对于一些拿不准的关键部件尺寸,他们还特意到当时的北京化工研究院借用实验设备测试数据和试验验证。在车间工厂的技术员和操作工人热心支持和帮助下,任务圆满完成。金涌回忆道:“当设备投产运行时一颗悬着的心才落下来,不但设备采用的先进技术运行正常,大部分技术指标还超过了原来苏联设备。”

  1979年,金涌领衔创建了清华大学反应工程研究室(FLOTU),实验室在多相反应器尤其是流化床反应器的基础研究和工业应用方面建立了很高的国际声誉,为现在的“绿色反应工程与工艺北京市重点实验室”与“清洁能源化工技术教育部工程研究中心”奠定了基础。

  在金涌的引领下,清华大学反应工程研究室有3项研究达到了世界领先地位,并在生产中取得了突出的应用成果,分别是气固流态化流型转变和工程开发、气固并流下行反应器研发以及团聚流态化基础和应用研究。

  如何控制不同反应条件的流化反应器中实现从鼓泡流到湍流的转变是研究室成立之初研究的第一个大课题。金涌与研究生们一起从不同温度、压力、流体相黏度、表面张力、重度、颗粒大小、粒径分布和两相颗粒速度等多个影响因素出发,分别构建了相应的反应系统,并对每个系统提出了判断气—固两相流化床反应器的操作状态和流型转变判据。后来,他们以此作为指导在生产一线改造化学反应器。从上世纪90年代至今,课题组根据这一研究成果,对于近10多项不同的工艺的大型工业反应器进行了改造,设计了新型反应器装置30余台,提高了反应转化率、选择性和设备生产能力,使该型反应器成为化工行业特定领域的标准设备。凭借流态化反应器流型转变等研究,金涌和他带领研究团队分别于1987年和1996年获得了国家发明二等奖和国家科学进步二等奖,以及教育部、中国石油化工总公司、中国石油和化学工业联合会等部级科技进步奖10余项。

  不久后,实验室又开始了对催化裂化提升管反应器从并流上行到气固并流下行的改造研究。金涌很快把研究着眼点定在气固并流下行这个方向。在世界上率先全面明了了气—固两相顺重力场运动的特殊规律,并成为这领域研究的领跑者。在济南炼油厂的支持下,课题组把一个上行的提升管改成了下行反应器,充分显示其优越性,提升了催化管反应的收率和选择性效率。正是由于他们的坚持不懈,我国在该领域的基础研究一直在国际上处于领先地位。

  在世界范围内纳米科学兴起的大背景下,金涌将传统流态化技术应用范围向颗粒的尺寸向更小的纳米尺寸延伸。从公认“无法流态化”的微米尺度禁区,推迟到纳米尺度,他们研究了纳米颗粒团聚流态化基础性行为,并进行了产业化应用研究,这在国际上属首创。

  基于在上述研究领域作出的突出贡献,金涌研究团队获得了2006年美国化学工程师协会(AICHE)颁发的PSRI流态化讲座奖。

  历经40多年,研究室经过几代师生的共同努力,他们研发的气固湍动流化床、气固循环流化床、气固超短接触催化反应器、气—液—固三相流化床、移动床重整反应器、纳米材料制备团聚流化床反应器、大型节能干燥装置等均已成功地应用于生产,在十多个不同生产工艺中,设计出数十台大型化学反应器,获得了显著的经济和社会效益。

  倡导循环经济

  成为生态文明先驱者

  进入新世纪,金涌退出了流化床反应器研究的第一线,开始将视野放到整个产业经济和环境保护的大方向上,并将循环经济这一崭新的科学理念引入了我国。

  工业革命正式宣告了人类进入工业大发展时代,但是工业社会讲效率、重发展,不断开采和生产制造,大规模使用后又大量丢弃,极致地建立了线型经济发展模式,使得资源不断枯竭,环境不断污染。工业时代与自然生态发展规律背道而驰。上个世纪末期,人类逐渐认识到了尊重自然发展规律的重要性,德国、日本等国家最先将循环经济列为发展重点进行规划,金涌等我国一批专家学者在对循环经济进行了深入了解实践后,将这一理念引入我国酝酿发酵。2002年,金涌邀请了40余位院士专家,申报了在第198次香山会议上讨论“生态工业工程与生态产业园区构建”专题。也是在这次会议上,与会学者首次向国人提出了循环经济的前身——生态经济的概念,这次香山科学会议成果显著:在学术界统一了认识,明确了生态经济的定义、内涵、指导思想及发展方向。

  之后,他们牵头成立了生态工业工程和循环经济协会,走访并支持环保部、国家发改委推动循环经济发展和企业生态产业园区规划建设的试点项目。该协会每年召开学术年会,研讨教育部新成立的“资源循环科学与工程”专业的课程,并进行相关的人才培养工作,为我国循环经济的发展作出重要贡献。

  金涌参与了循环经济在中国从概念到项目落地的全过程,并向省市的政府官员、企业家们讲解宣传循环经济发展的战略意义和发展理念,使全社会对循环经济发展战略达成了共识:循环经济契合我国发展现状,是我国转变发展方式,实现可持续发展的有效手段。随着循环经济理念的深入人心以及相关政策措施的落地,GDP这个曾经是衡量全国和各地区经济发展的唯一标准,不再是唯一的指挥棒。

  在此期间,他撰写了《生态工业:原理与应用》《资源·能源·环境·社会》等专著,成为我国倡导循环经济、生态文明的先驱者之一。


金涌在工业化装置现场。

  钟情化工科普

  化身“美丽化工”代言人

  从青年时代结缘化工开始,金涌就一直为毕生从事化工研究自豪。然而,近年来受种种错误的思想误导,化学工业被妖魔化,被扣上了不环保、不安全、不健康的“恶名”。作为化工领域老科学家,金涌深感自己有义务向大众推广化工知识。

  “近年来,许多负面信息把化学工业妖魔化了,民众对化工产生了偏见,家长和学生对学习化工怀有恐惧心理。作为关系国计民生的基础性专业,却在专业人才培养环节遇冷。如不能及时解决这个问题,必将对我国化工学科教育和化个产业进步产生难以估量的负面影响。”金涌说,“事实上,现代社会的经济发展和人类的衣食住行,都离不开化学和化工产品。我国每年生产的合成纤维可为全球每个人制作4套衣服;生产的农用化学品使粮食产量从建国初的1亿吨提高到如今的6.5亿吨;汽车生产和使用所需的汽油、柴油、电池、橡胶等同样来自泛化学工业。化学工业还为解决能源短缺问题提供了广阔前景。100年、500年、1000年以后,地球上的化石能源可能面临枯竭。只有依靠化学化工开发出可再生资源和清洁能源,才能确保经济社会的可持续发展。“

  金涌意识到,向社会普及化学化工知识,尤其对青年做出正确引导,让他们知道,我们的世界会因为化学工业而更加美丽,这已经成为一件必须抓紧去做的工作。

  2009年,经金涌院士发起,中国科学院、工程院43位院士联名发表了《振兴化学与化学工程教育,从中学生抓起》的倡议书,号召通过化学化工的科普教育,让更多青年学生了解化学化工专业的前沿进展。2010年,“高中化学与工程教育与我国经济社会发展优化衔接研究”项目由中国工程院批准立项。2012年,该项目分别被列为中国工程院和中国科技协会重点资助项目。

  由金涌院士总策划、清华大学化工系教师组成项目实施团队,多位院士、几十位在高校及研究机构从事教学科研的专家,热忱参与了短片制作及配套科普书籍的编写。院士及专家们在几乎没有任何可现成利用资料的情况下,从零开始,反复探索,召开研讨、修改会议上百次,反复打磨修改各方面的细节问题。

  经过6年的不懈努力,2016年5月,题为《探索化学化工未来世界》的视频短片及配套科普书籍终于由清华大学出版社付梓出版。“我们做这件事是无偿的,就是抱着让青年了解化学化工的一颗心。能对我们国家化学化工事业作点自己的贡献,足矣!”金涌说。令人欣慰的是,科普视频推出后,受到青年学生的热烈欢迎。项目组在清华大学化工系等多所高校及多所中学进行了试映,学生们普遍反映很有启发,提高了对21世纪化学化工的认识。

  自2014年以来,金涌作为“美丽化工”高校巡回演讲最主要的演讲嘉宾,相继走进华东理工大学、北京化工大学、大连理工大学、温州大学等高校,为数以千计的莘莘学子带来了“美丽化工”的新理念,以独到新鲜的视角、深入浅出的阐述,像播撒火种一般,为广大化工学子做了“美丽化工”科学真理的第一堂启蒙课。

  除了走进高校宣讲“美丽化工”,金涌还利用各种机会将“美丽化工”推荐给广大的化工企业和园区。此外,在金涌等的大力支持下,2016年6月5日,中国石油和化工科普联盟在京成立。因其在倡导“美丽化工”方面一以贯之的卓越贡献,在2016年1月15日由中国石油和化学工业联合会与中国化工报社联合主办的“美丽化工——风云‘十二五’精英评选颁奖仪式”上,金涌当选为中国石化行业“十二五”十佳人物。


金涌在写书法。

 

  授业兼顾传道

  学术传承“四世同堂”

  在金涌眼中,让他从一个学生逐步成长为一名教师,得益于在天津大学进修时的经历。那时,金涌兼任了中国早期化学工程学家、教育家丁绪淮老先生的助教。丁绪淮先生是中国化学工程界元老,学术造诣深邃。每周的答疑环节中,无论有没有学生前来提问,老先生始终坚持到下课才离开。金涌利用参与答疑的机会,把自己心中的疑问向丁绪淮老先生请教,丁先生都做了详细耐心的解答,还把他带到家中,让他阅读自己的多年搜集、整理的资料。就这样,金涌在天津大学的两年,成了丁先生的“入室弟子”。

  从丁绪淮老先生身上,金涌提升了对于化工科学的认识,也感受到了老先生的坦荡无私、提携后人的风骨。这段经历不仅仅是金涌和丁绪淮先生关系的写照,也成为了日后金涌和自己同事和学生亲密关系的注脚。

  据金涌的同事和学生回忆,无论是在工厂还是在实验室,金涌都是身先士卒,亲力亲为。拆设备的旧保温包装时,玻璃棉絮飞扬,让全身刺痒难忍。金涌却总是和学生一起动手,从未听他喊过累、嫌过脏。试验取样点在十几米高的反应器顶端,一般人站上去都会头晕目眩。每次取样,金涌都会沿着很陡的钢梯,爬上反应器顶部,亲自指导取样。

  金涌的学生在谈及他平时的指导时,都会对他有一项“绝活”赞不绝口,那就是手绘图纸。在工作中,金涌的学科定位、科研定位、科研路线选择方面具有超于常人的准确和前瞻性,总能提出创新性设计。这些想法很快他都能手绘草图,并和设备加工人员沟通,亲手调试、观察,直到实验成功。

  金涌钻研的精神潜移默化地影响着学生们,在他创建的清华大学反应工程研究室里,走出了6位特等奖学金获得者、5位清华大学“学术新秀”、4名全国优秀博士论文奖获得者,像这样四代传承的课题组,在清华园中并不多见。

  为了奖励更多的优秀学生投身化工研究,也为了鼓励和鞭策在校的化工系学生奋发努力、积极进取,成为品学兼优的化工人才,以金涌命名的“金涌奖学金基金” 于2011年1月在清华大学设立。金涌将获光华工程科技奖的奖金、几年来为工厂服务所得的咨询费、出去讲学作报告的酬金,共计40多万元,全部捐献给了“金涌奖学金”。现在,该项基金在毕业学生们的襄助下已经扩大至数百万元规模。


金涌在《科学与中国》科普节目录制现场。


 金涌指导青年学者进行研究工作。



中国工程院院士 金涌

  金涌,清华大学化学工程系教授,中国工程院院士。1973年进入清华大学工作,1986年任教授,从教45年;创建清华大学化学反应工程教研室和生态工业工程学科方向,建立北京市绿色反应工程重点实验室,组建全国生态经济学会下的生态工业与技术专业委员会,是国际公认的流态化、反应工程领域的领军人物,循环经济领域相关学科发展与实践推动的先驱者之一。

  现任中国化工学会和中国颗粒学会常务理事、中国生态经济学会副理事长、工业生态经济与技术专业委员会主任、《化工冶金》《化学反应工程与工艺》等杂志编委,德国《Chem.Eng.&.Tech》杂志顾问,两次任中美化工大会主席,任两届全国学位委员会化工学科评议组召集人。编写教材及专著5部,在国内外发表学术论文 350余篇,获技术专利37项。科研成果获国家技术发明二等奖1项、国家科技进步二等奖1项、部委级科技奖8项。荣获全国“五·一”劳动奖章及劳动模范称号、全国优秀教师奖、中国石油和化工行业影响力人物奖、中国石化和化工行业“十二五”十佳人物奖光华工程科技奖等。