多用點(diǎn)科學(xué)，少用點(diǎn)經(jīng)驗(yàn) ——余國(guó)琮院士與工程科學(xué)

【大家】多用點(diǎn)科學(xué)，少用點(diǎn)經(jīng)驗(yàn)——余國(guó)琮院士與工程科學(xué)

《光明日?qǐng)?bào)》（ 2022年06月27日 11版）

作者：袁希鋼

攝影：余武隆

【大家】

學(xué)人小傳

余國(guó)琮，1922年出生，2022年去世，廣東廣州人。化學(xué)工程專家，中國(guó)科學(xué)院院士。1943年本科畢業(yè)于西南聯(lián)合大學(xué)化工系，1945年碩士畢業(yè)于美國(guó)密歇根大學(xué)，1947年博士畢業(yè)于美國(guó)匹茲堡大學(xué)，此后在該校任教。1950年回國(guó)，任唐山工學(xué)院化工系教授、系主任，1952年任天津大學(xué)化工系教授。曾任天津大學(xué)化學(xué)工程研究所所長(zhǎng)、化工學(xué)院名譽(yù)院長(zhǎng)。著有《化工計(jì)算傳質(zhì)學(xué)》（合作），主編《化學(xué)工程辭典》《化學(xué)工程手冊(cè)》等。

2022年4月6日，著名化學(xué)工程專家、教育家、中國(guó)科學(xué)院院士余國(guó)琮先生永遠(yuǎn)地離開(kāi)了我們。作為先生生前的助手，這兩個(gè)多月，我反復(fù)回顧和思考著與先生在一起工作的點(diǎn)點(diǎn)滴滴。

跟隨先生從事研究工作多年，我深切感受到，先生胸中有大略，洞察國(guó)家重大需求，愛(ài)國(guó)奉獻(xiàn)，淡泊名利，一生持之以恒。同時(shí)，我也感受到，先生以科學(xué)家的思想解決工程問(wèn)題，在工程科學(xué)領(lǐng)域不斷引入、開(kāi)拓多學(xué)科方法，為讓“工程”逐步從經(jīng)驗(yàn)走向科學(xué)而不懈奮斗。對(duì)于先生的這種人格和追求，我自始至終都抱有崇敬和感動(dòng)。對(duì)很多人而言，余先生終身奉獻(xiàn)的化學(xué)工程領(lǐng)域可能有些陌生，我愿意用盡量通俗的語(yǔ)言分享我的感動(dòng)。

為國(guó)家爭(zhēng)一口氣

20世紀(jì)40年代余國(guó)琮先生在美國(guó)留學(xué)時(shí)，就已經(jīng)在化工分離過(guò)程領(lǐng)域取得了卓越成績(jī)。1950年，他毅然沖破封鎖，回到新中國(guó)，先在唐山工學(xué)院任化工系主任，之后來(lái)到天津大學(xué)開(kāi)展精餾技術(shù)研究。

人們都知道蒸餾水。精餾就是應(yīng)用蒸餾原理，通過(guò)加熱液體，讓液體中較容易蒸發(fā)的物質(zhì)首先蒸發(fā)，然后再將蒸發(fā)后的氣體通過(guò)冷卻凝結(jié)（冷凝）變回液體，實(shí)現(xiàn)混合物的分離。為了讓分離后得到的產(chǎn)物更純，一次這樣的蒸發(fā)和冷凝是不夠的，可以將冷凝得到的液體再次蒸發(fā)和冷凝。如果把這樣的蒸發(fā)-冷凝重復(fù)多次，便可以得到比較純的產(chǎn)品。通過(guò)多次蒸發(fā)-冷凝實(shí)現(xiàn)液體混合物的分離過(guò)程就叫作精餾過(guò)程，有時(shí)也叫作“蒸餾”過(guò)程，顧名思義：通過(guò)蒸發(fā)的分離。工業(yè)上將這種多次重復(fù)的操作稱為多級(jí)過(guò)程，并通過(guò)將多個(gè)級(jí)沿豎直方向排列，通過(guò)液體向下流動(dòng)和氣體向上流動(dòng)實(shí)現(xiàn)級(jí)與級(jí)之間的連接，這種裝置俗稱精餾塔。精餾利用的蒸發(fā)和冷凝物理原理簡(jiǎn)單、可靠，是工業(yè)中使用最為普遍的分離技術(shù)，高高聳立的精餾塔，也因此成為化工廠的重要標(biāo)志。

新中國(guó)成立之初，精餾技術(shù)作為重點(diǎn)項(xiàng)目被列入我國(guó)當(dāng)時(shí)的十二年科學(xué)技術(shù)規(guī)劃，余國(guó)琮先生任負(fù)責(zé)人。1958年，我國(guó)首座核反應(yīng)堆投入運(yùn)行，但不久之后，由于國(guó)際關(guān)系突變，反應(yīng)堆所需的重水供應(yīng)中斷，我國(guó)剛剛起步的核工業(yè)面臨危機(jī)。余國(guó)琮先生臨危受命，開(kāi)展重水生產(chǎn)技術(shù)研究，他提出的精餾法路線很快得到肯定。1959年，周恩來(lái)總理親臨余先生的實(shí)驗(yàn)室，握著他的手說(shuō)：“現(xiàn)在有人要卡我們的脖子，我們一定要爭(zhēng)一口氣！”此后，周總理還專門打電話詢問(wèn)研究進(jìn)展。余先生帶領(lǐng)團(tuán)隊(duì)艱苦奮斗、攻堅(jiān)克難，終于不負(fù)重托，攻克了重水生產(chǎn)技術(shù)難關(guān)。與此同時(shí)，他還編寫教材，為新中國(guó)培養(yǎng)了第一批重水生產(chǎn)技術(shù)人才。從那時(shí)起，為國(guó)家“爭(zhēng)一口氣”的信念就一直涌動(dòng)在余國(guó)琮先生的心中。

改革開(kāi)放初期，余國(guó)琮先生敏銳地意識(shí)到，石化工業(yè)的飛速發(fā)展必然對(duì)精餾技術(shù)有更高的需求，于是帶領(lǐng)團(tuán)隊(duì)率先開(kāi)展工業(yè)大型精餾塔技術(shù)研究，其成果在我國(guó)多套大型乙烯裝置中得到應(yīng)用，開(kāi)啟了我國(guó)通過(guò)突破精餾技術(shù)提升化工、石化工業(yè)技術(shù)水平的進(jìn)程。

1982年，經(jīng)教育部批準(zhǔn)，余先生在天津大學(xué)創(chuàng)立了化學(xué)工程研究所，出任第一任所長(zhǎng)，重點(diǎn)開(kāi)展精餾技術(shù)研究，并在此基礎(chǔ)上成立了“化學(xué)工程聯(lián)合國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室天津大學(xué)精餾分離實(shí)驗(yàn)室”“精餾技術(shù)國(guó)家工程研究中心”以及“國(guó)家化工填料塔及內(nèi)件新技術(shù)推廣中心”。自此，他在天津大學(xué)建成了從基礎(chǔ)研究、工程研發(fā)到技術(shù)推廣完整的精餾技術(shù)國(guó)家級(jí)研發(fā)基地。同時(shí)，他還領(lǐng)導(dǎo)創(chuàng)建了高效精餾設(shè)備產(chǎn)業(yè)化基地，為企業(yè)提供研發(fā)-設(shè)計(jì)-制造-安裝-投產(chǎn)“一條龍”服務(wù)，極大促進(jìn)了產(chǎn)學(xué)研用結(jié)合以及科研成果的快速轉(zhuǎn)化。余先生研發(fā)的“具有新型塔內(nèi)件的高效填料精餾塔”等多項(xiàng)成果在我國(guó)20多個(gè)省份的數(shù)千座精餾塔中獲得成功應(yīng)用，單位降耗達(dá)30%至50%，在大型石化、煉油和空氣分離等重要工業(yè)領(lǐng)域占據(jù)了絕大部分技術(shù)市場(chǎng)份額，完全取代了國(guó)外技術(shù)，為企業(yè)創(chuàng)造了巨額經(jīng)濟(jì)效益，為國(guó)家經(jīng)濟(jì)建設(shè)作出了重大貢獻(xiàn)，多項(xiàng)成果獲得國(guó)家科技進(jìn)步獎(jiǎng)。

在成績(jī)面前，余先生沒(méi)有止步。他清醒地認(rèn)識(shí)到，進(jìn)一步發(fā)展精餾技術(shù)，必須要在基礎(chǔ)理論上取得新的突破。在過(guò)去的20多年里，他將主要精力投入新的基礎(chǔ)研究之中，不但開(kāi)創(chuàng)了新的理論，使精餾技術(shù)上升至新的高度，還引領(lǐng)了化學(xué)工程學(xué)科的發(fā)展，引起國(guó)內(nèi)外學(xué)術(shù)界關(guān)注。

把流體力學(xué)引入精餾研究

人們通常把橋梁、機(jī)場(chǎng)等設(shè)施的建設(shè)過(guò)程叫作“工程”，其實(shí)，工程涉及人類所有的生產(chǎn)活動(dòng)，用火把肉烤熟是工程，從海水中曬出鹽巴也是工程。工程源于人類生存的基本需求，可以說(shuō)，自打有人類活動(dòng)，就有了工程。人類在工程實(shí)踐中逐漸積累起來(lái)的經(jīng)驗(yàn)，是工程活動(dòng)的核心要素。然而，隨著社會(huì)的發(fā)展，人們對(duì)于工程的需求不斷提升，僅憑借經(jīng)驗(yàn)已遠(yuǎn)遠(yuǎn)無(wú)法滿足人們的需求。于是，工程師們引入了科學(xué)方法，形成了今天的工程科學(xué)。通過(guò)提煉石油成分，制成既美觀又能御寒的布料，這樣的現(xiàn)代生產(chǎn)過(guò)程就是工程科學(xué)的眾多成果之一。

化學(xué)工程是一門面向化學(xué)品生產(chǎn)的工程科學(xué)，迄今已有一百多年歷史。近幾十年來(lái)，隨著現(xiàn)代化學(xué)工業(yè)的崛起，化學(xué)工程得到了快速發(fā)展，其應(yīng)用已經(jīng)擴(kuò)展到環(huán)境、能源、新材料、醫(yī)藥等行業(yè)以及芯片制造等諸多高科技領(lǐng)域。其中，分離工程是化學(xué)工程的重要分支。它是指將包含多種成分的混合物中的不同成分分離開(kāi)來(lái)，或當(dāng)作產(chǎn)品，或當(dāng)作進(jìn)一步加工成不同化學(xué)品的原料。因此，分離過(guò)程與化學(xué)反應(yīng)過(guò)程并列為化工生產(chǎn)中最基本的兩大操作。精餾就是一種應(yīng)用最為廣泛的化工分離技術(shù)。

在古代，人類就掌握了利用植物造酒的技術(shù)，這可以視作精餾技術(shù)的雛形。經(jīng)過(guò)漫長(zhǎng)的演化，特別是19世紀(jì)之后，伴隨著化學(xué)工業(yè)的出現(xiàn)，精餾技術(shù)有了快速發(fā)展。然而，即便是現(xiàn)代精餾技術(shù)，也沒(méi)有脫離它的“工程”的屬性，即精餾的設(shè)計(jì)和操作始終離不開(kāi)人的經(jīng)驗(yàn)。這是因?yàn)?，精餾所涉及的物質(zhì)和熱量傳遞等問(wèn)題十分復(fù)雜，還沒(méi)有較為完整的理論體系。因此，精餾過(guò)程的工業(yè)設(shè)計(jì)更像是一門“藝術(shù)”。對(duì)于工程來(lái)說(shuō)，經(jīng)驗(yàn)的確重要，但是經(jīng)驗(yàn)主要來(lái)自于實(shí)驗(yàn)，特別是來(lái)自于接近實(shí)際工業(yè)規(guī)模的實(shí)驗(yàn)以及已經(jīng)成功或失敗的工程實(shí)踐。同時(shí)，也正是對(duì)經(jīng)驗(yàn)的過(guò)度依賴，導(dǎo)致精餾分離技術(shù)開(kāi)發(fā)緩慢、昂貴，基于經(jīng)驗(yàn)的精餾塔工業(yè)設(shè)計(jì)仍然面臨諸多不確定性，一些問(wèn)題往往在精餾塔投入運(yùn)行后才暴露出來(lái)，嚴(yán)重制約了工業(yè)精餾技術(shù)的發(fā)展。

歷史上，為了改進(jìn)精餾塔的工業(yè)設(shè)計(jì)，人們按照傳統(tǒng)的工程邏輯，針對(duì)不同的應(yīng)用場(chǎng)合提出了各種經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ?。其結(jié)果是，經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ腿绱酥啵绾芜x擇合適的經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ鸵渤蔀橐环N“經(jīng)驗(yàn)”。即便如此，卻很少有人考慮如何從更加基礎(chǔ)的原理入手、采用更加科學(xué)的方法建立具有普適性的模型和方法。余國(guó)琮先生決心在這方面有所作為。20世紀(jì)80年代初，他在精餾過(guò)程研究中引入了流體力學(xué)研究，提出了工藝過(guò)程與設(shè)備相結(jié)合的研究方法。

精餾塔內(nèi)的流體力學(xué)狀況對(duì)精餾過(guò)程有著根本性影響，然而，傳統(tǒng)的精餾理論主要基于比較成熟的熱力學(xué)理論，而忽視了流體力學(xué)。這是因?yàn)榱黧w分布狀況受到設(shè)備邊界條件影響，千變?nèi)f化，過(guò)于復(fù)雜，而這正是為什么歷史上經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ蛯映霾桓F而又各不相同的主要原因。為此，余先生提出了精餾塔流體流動(dòng)分布的一系列理論和方法，減少了經(jīng)驗(yàn)參數(shù)的使用，有效提高了精餾理論模型的準(zhǔn)確性。例如，他的研究闡明了精餾塔里面流體分布均勻度的重要影響，形成了上文提到的“具有新型塔內(nèi)件的高效填料塔”技術(shù)，引導(dǎo)了多種用于液體分布的精餾塔內(nèi)部構(gòu)件（塔內(nèi)件）的發(fā)明。

引入科學(xué)理論以減少對(duì)經(jīng)驗(yàn)的依賴，這是余先生開(kāi)展精餾這一工程科學(xué)領(lǐng)域研究的基本思想。這一思想簡(jiǎn)單、明了，直指工程科學(xué)領(lǐng)域研究的真諦，也是全部的挑戰(zhàn)所在。自20世紀(jì)60年代形成的現(xiàn)代化學(xué)工程理論，可以概括為“三傳一反”，“三傳”即質(zhì)量（物質(zhì)）、熱量以及流體動(dòng)量的傳遞，“一反”即化學(xué)反應(yīng)過(guò)程。實(shí)際上，在大部分化工過(guò)程（包括精餾過(guò)程）的設(shè)計(jì)中，直接應(yīng)用這些理論是很困難的，因?yàn)閷?shí)際過(guò)程過(guò)于復(fù)雜，而上述理論主要是對(duì)各種化工過(guò)程共性的一種歸納。對(duì)此，余先生在20世紀(jì)90年代初提出了兩個(gè)重要觀點(diǎn)。第一個(gè)觀點(diǎn)是，在“三傳”中，質(zhì)量的傳遞（簡(jiǎn)稱“傳質(zhì)”）是核心，理由是精餾塔里面的傳質(zhì)決定著濃度的分布，進(jìn)而決定了精餾的效率，而濃度又是流體流動(dòng)以及溫度的函數(shù)，因此熱量傳遞和動(dòng)量傳遞模型最終應(yīng)該為傳質(zhì)模型服務(wù)。余先生的第二個(gè)觀點(diǎn)認(rèn)為，邊界層之外的流體中的傳質(zhì)對(duì)精餾分離效率有直接影響，因而也需要理論模型加以描述。過(guò)去，“邊界層理論”被認(rèn)為是化學(xué)工程領(lǐng)域傳質(zhì)理論的核心。這個(gè)理論是說(shuō)，傳質(zhì)的阻力主要集中在不同的相（氣體和液體、流體和固體）之間界面附近較薄的流體滯留層內(nèi)（邊界層理論所考慮的是流體中一種分子相對(duì)于另一種分子的遷移現(xiàn)象，即分子擴(kuò)散現(xiàn)象），那么流體流動(dòng)中的動(dòng)量傳遞以及熱量傳遞如何影響邊界層則是重要的切入點(diǎn)。

對(duì)于第一個(gè)問(wèn)題，余先生將研究集中于相際界面這樣的微小尺度，將現(xiàn)代光學(xué)技術(shù)應(yīng)用于界面?zhèn)髻|(zhì)現(xiàn)象測(cè)量，組建激光全息干涉測(cè)量裝置，目的是精確測(cè)量在各種條件下近界面區(qū)域內(nèi)的濃度分布，引入激光紋影儀、激光粒子測(cè)速儀，解決了界面湍動(dòng)現(xiàn)象的定性和定量測(cè)量問(wèn)題，發(fā)現(xiàn)了臨近相界面非常近的距離內(nèi)的濃度仍然遠(yuǎn)離邊界層理論所假設(shè)的熱力學(xué)平衡濃度，并且在很多情況下存在界面湍動(dòng)現(xiàn)象。余先生指導(dǎo)研究生在原有邊界層理論的基礎(chǔ)上提出了新的界面?zhèn)髻|(zhì)理論。這讓精餾中的傳質(zhì)速率預(yù)測(cè)精度有了新的提高。

對(duì)于第二個(gè)問(wèn)題，余先生提出，需要突破傳統(tǒng)的邊界層理論，解決邊界層之外的傳質(zhì)模型問(wèn)題。如果說(shuō)前面提及的第一個(gè)問(wèn)題與傳統(tǒng)的邊界層理論有關(guān)，而第二個(gè)問(wèn)題已經(jīng)超出了現(xiàn)有化學(xué)工程理論的范疇，迄今還沒(méi)有現(xiàn)成的理論模型。這也是對(duì)傳統(tǒng)化學(xué)工程理論的真正挑戰(zhàn)。針對(duì)邊界層之外流體中的傳質(zhì)，余先生引入湍流擴(kuò)散理論，為解決復(fù)雜的湍流模型的求解問(wèn)題，他又引入了科學(xué)計(jì)算方法，進(jìn)而開(kāi)辟了“計(jì)算傳質(zhì)學(xué)”這一新的研究領(lǐng)域。

提出計(jì)算傳質(zhì)學(xué)

進(jìn)入21世紀(jì)，隨著計(jì)算化學(xué)、計(jì)算流體力學(xué)、計(jì)算傳熱學(xué)等新興學(xué)科分支的發(fā)展，特別是計(jì)算機(jī)與信息技術(shù)的高速發(fā)展，用大規(guī)模數(shù)值計(jì)算的方法解決復(fù)雜的工程問(wèn)題已經(jīng)成為一種趨勢(shì)。經(jīng)過(guò)20多年的發(fā)展，余國(guó)琮先生提出的“計(jì)算傳質(zhì)學(xué)”如今已經(jīng)形成了較為完整的理論框架，獲得了初步應(yīng)用，出版了專著，發(fā)表了諸多論文，受到國(guó)內(nèi)外學(xué)者的關(guān)注，成為化工傳質(zhì)研究乃至化學(xué)工程方法的重要成果和進(jìn)展。自20世紀(jì)90年代后期開(kāi)始，我協(xié)助余國(guó)琮先生從事科研工作，有幸親歷了余先生領(lǐng)導(dǎo)的關(guān)于計(jì)算傳質(zhì)學(xué)的部分研究。

余國(guó)琮先生提出的計(jì)算傳質(zhì)學(xué)研究，就是希望將化工傳質(zhì)這一復(fù)雜的工程問(wèn)題通過(guò)科學(xué)計(jì)算的方法加以解決。一些商用微分方程求解器的不斷完善也為計(jì)算傳質(zhì)學(xué)研究提供了有利條件。

包括精餾在內(nèi)的幾乎所有化工過(guò)程中的質(zhì)量傳遞都是在湍流條件下進(jìn)行的。對(duì)于湍流條件下的流體流動(dòng)和傳熱，學(xué)界已經(jīng)有了較為有效的方法，余國(guó)琮先生之前領(lǐng)導(dǎo)的精餾塔流體力學(xué)研究也為精餾塔復(fù)雜的兩相湍流模擬建立了有效的方法，因此計(jì)算傳質(zhì)學(xué)的核心問(wèn)題就是對(duì)湍流條件下傳質(zhì)過(guò)程的模擬。

如上文所述，計(jì)算傳質(zhì)學(xué)的一項(xiàng)理論工作就是建立邊界層之外的傳質(zhì)模型，這需要處理有關(guān)湍流的問(wèn)題。大約是1995年，我和一位博士后在余先生的指導(dǎo)下考慮如何將計(jì)算流體力學(xué)（CFD）引入精餾的計(jì)算，建立了因流體流動(dòng)導(dǎo)致質(zhì)量輸運(yùn)的模型。我們將結(jié)果拿給余先生，他指出，只考慮流體流動(dòng)對(duì)質(zhì)量的輸運(yùn)還不夠，還要考慮流體湍動(dòng)的影響，在湍流條件下，流體的湍動(dòng)還會(huì)導(dǎo)致質(zhì)量在流體中的擴(kuò)散（這里的“擴(kuò)散”是專業(yè)術(shù)語(yǔ)，指流體中的一種成分從濃度高的區(qū)域向濃度低的區(qū)域遷移）。余先生所描述的這種現(xiàn)象，在物理學(xué)（流體力學(xué)）中被稱為湍流擴(kuò)散。這種現(xiàn)象普遍存在于化工設(shè)備之中，傳統(tǒng)化學(xué)工程理論雖然沒(méi)有回避這一復(fù)雜問(wèn)題，但是采用了較為粗略的經(jīng)驗(yàn)參數(shù)矯正的方法。例如，在很多場(chǎng)合采用“返混”的概念，將包括湍流擴(kuò)散、流體的輸運(yùn)以及分子擴(kuò)散等所有復(fù)雜因素加以總包考慮，通過(guò)實(shí)驗(yàn)獲得返混系數(shù)，并將其用于各種模型。將復(fù)雜問(wèn)題簡(jiǎn)單化處理是解決復(fù)雜工程問(wèn)題的有效方法，也是工程科學(xué)的精髓，但同時(shí)也是可以實(shí)現(xiàn)理論突破之所在。余先生的指導(dǎo)讓我們找到了正確的努力方向，此后又先后經(jīng)過(guò)三個(gè)博士生的努力，我們終于提出了同時(shí)包含邊界層內(nèi)和邊界層外的傳質(zhì)模型。

這一工作的難點(diǎn)還在于，湍流擴(kuò)散模型是偏微分方程，還要和原有描述流體流動(dòng)、質(zhì)量輸運(yùn)的Navier-Stokes方程同時(shí)求解，于是計(jì)算成為必須解決的問(wèn)題。

計(jì)算實(shí)際上是工程科學(xué)的核心問(wèn)題之一。工程之所以高度依賴于經(jīng)驗(yàn)，是因?yàn)槔碚撃Ｐ瓦^(guò)于復(fù)雜，以至于求解過(guò)于困難。這導(dǎo)致傳統(tǒng)工程師對(duì)理論模型并不抱希望，轉(zhuǎn)而采用大量經(jīng)驗(yàn)關(guān)聯(lián)式。因此，模型和計(jì)算是相互依存、相互促進(jìn)的關(guān)系：有了精確的理論模型，還必須解決求解計(jì)算問(wèn)題，而只有解決了計(jì)算問(wèn)題，才有可能開(kāi)展精確的理論模型研究。這正是余先生為什么要求我們回到電腦桌前安心解決計(jì)算問(wèn)題的原因。

余先生堅(jiān)持自主開(kāi)發(fā)求解軟件和借助商業(yè)求解器軟件兩條腿走路。采用商業(yè)軟件，保證了計(jì)算工作高效推進(jìn)，通過(guò)自主編寫算法計(jì)算程序，學(xué)生始終能從本專業(yè)角度保持對(duì)模型的理解。

經(jīng)過(guò)近20年的努力，余先生已經(jīng)指導(dǎo)研究生提出了適用于“各向同性”場(chǎng)合的計(jì)算傳質(zhì)學(xué)“兩方程模型”，以及適用于各向異性場(chǎng)合的一種雷諾質(zhì)流模型。目前，計(jì)算傳質(zhì)學(xué)方法不僅用于精餾和吸收過(guò)程的嚴(yán)格模擬，還有效地應(yīng)用于吸附、固定床反應(yīng)、鼓泡塔生物反應(yīng)以及流化床反應(yīng)等多種分離和反應(yīng)過(guò)程。計(jì)算傳質(zhì)學(xué)之所以能夠得到較為廣泛的應(yīng)用，是因?yàn)榛み^(guò)程中普遍存在湍流條件下的質(zhì)量傳遞，而計(jì)算傳質(zhì)學(xué)為這種基本的傳遞過(guò)程提供了一種有效模型。同時(shí)，計(jì)算傳質(zhì)學(xué)方法是基于最基礎(chǔ)的守恒、熱力學(xué)、動(dòng)力學(xué)關(guān)系，從基本的物性、操作和設(shè)備結(jié)構(gòu)參數(shù)出發(fā)，建立了較嚴(yán)格的數(shù)理方程并采用數(shù)值計(jì)算技術(shù)加以求解，用科學(xué)計(jì)算取代了傳統(tǒng)傳質(zhì)計(jì)算中的經(jīng)驗(yàn)關(guān)聯(lián)，使得化工過(guò)程裝置的設(shè)計(jì)有可能擺脫對(duì)經(jīng)驗(yàn)的過(guò)度依賴。

余先生提出的計(jì)算傳質(zhì)學(xué)模型和求解方法，將精餾過(guò)程模擬從工程計(jì)算水平提升到科學(xué)計(jì)算層次，不但涉及傳統(tǒng)的化學(xué)工程理論，同時(shí)考慮到了湍流條件下物質(zhì)擴(kuò)散、相界面復(fù)雜的物理現(xiàn)象及其數(shù)理模型、微分方程的求解以及相關(guān)的數(shù)值計(jì)算問(wèn)題，研究范疇已跨越傳統(tǒng)化學(xué)工程理論邊界，形成了化學(xué)工程學(xué)科新的分支。

工程科學(xué)何為

美國(guó)化學(xué)工程教育最高獎(jiǎng)路易斯獎(jiǎng)獲得者拉斐爾教授曾說(shuō)：“化學(xué)工程在歷史上是一門成功學(xué)科，這主要得益于實(shí)驗(yàn)與數(shù)學(xué)模型的集合?！睌?shù)學(xué)模型的背后是理論，理論的背后便是科學(xué)。回望余國(guó)琮先生七十年科教生涯，從科研角度看，他的成功正是因?yàn)槟軌蛟诮鉀Q復(fù)雜的工程問(wèn)題過(guò)程中不斷努力引入科學(xué)。科學(xué)是解決復(fù)雜工程問(wèn)題的鑰匙，正是因?yàn)橛辛吮姸嘞裼嘞壬@樣的工程科學(xué)家的努力，今天的世界才取得了如此之多的工程成就，我們才能夠享用高質(zhì)且廉價(jià)的商品、方便的通信、快捷的交通。

工程科學(xué)的“科學(xué)”，并非通常意義上的自然科學(xué)。自然科學(xué)源自人類對(duì)自然世界（這里的“自然世界”是指我們所處的物理空間以至一切事物及其運(yùn)作方式）的好奇心，科學(xué)家可以在頭腦中天馬行空，不受約束地尋找答案，自然科學(xué)對(duì)人類的意義在于探索自然世界，獲得更多知識(shí)。而工程科學(xué)主要有兩層含義：一是應(yīng)用自然科學(xué)知識(shí)解決工程問(wèn)題；二是在生產(chǎn)活動(dòng)中發(fā)現(xiàn)一種叫作“工程規(guī)律”的知識(shí)，例如一種材料中哪些成分的哪些性質(zhì)會(huì)影響到這種材料的哪些性能，一個(gè)發(fā)酵罐或其他任何加工過(guò)程中存在著哪些物理的、化學(xué)的或生物的基本過(guò)程，產(chǎn)品質(zhì)量和產(chǎn)量的變化會(huì)對(duì)生產(chǎn)成本產(chǎn)生什么影響。從研究的角度看，工程科學(xué)也生產(chǎn)知識(shí)，因此具有科學(xué)的基本屬性，但又與自然科學(xué)有重要區(qū)別：任何一項(xiàng)工程科學(xué)研究都是在時(shí)間、經(jīng)濟(jì)、環(huán)境、社會(huì)以及倫理等種種約束條件下進(jìn)行的，尤其是一些實(shí)際工程項(xiàng)目，給科學(xué)家、工程師的研發(fā)時(shí)間往往非常有限，不管涉及任何科學(xué)問(wèn)題，都需要在給定時(shí)間內(nèi)提出解決方案，而這種解決方案還需要滿足事先設(shè)定的經(jīng)濟(jì)技術(shù)指標(biāo)，并符合生態(tài)環(huán)境、生產(chǎn)安全等規(guī)定要求。因此，工程科學(xué)需要了解多學(xué)科的知識(shí)，并綜合多學(xué)科知識(shí)解決問(wèn)題，這是工程學(xué)科發(fā)展的基本方式。

近百年來(lái)，隨著科學(xué)技術(shù)的加速發(fā)展，人類正在面臨前所未有的挑戰(zhàn)。在應(yīng)對(duì)種種挑戰(zhàn)的過(guò)程中，工程科學(xué)將發(fā)揮十分重要的作用。余國(guó)琮等老一輩工程科學(xué)家的經(jīng)歷和思想，可以讓我們得到很多啟發(fā)。

（作者：袁希鋼，系天津大學(xué)化學(xué)工程研究所所長(zhǎng)）