FLOTU随想
---记FLOTU的创建人金涌院士
清华大学化学工程系副教授 王亭杰
清华大学化学工程系教授 汪展文
FLOTU(Fluidization Laboratory Of Thinghua University)是清华大学化工系反应工程研究室的英文名称的缩写，是世界上对流态化领域有重要影响的几个实验室之一。FLOTU为国际流态化界专家认同，一方面是因其在流态化领域的基础和工业应用研究取得的令人瞩目成果；另一方面，是从FLOTU培养出来的人才，遍布世界各地，具有相当的影响力，他们活跃在学术界和工业界，虽然他们相距万里，但情深意厚，仍积极维系FLOTU这个“家族”群体。这个FLOTU的创建人就是金涌院士。
金涌同志1973年5月从中国科技大学调进清华大学，进清华前是科技大学主讲化工原理的教师。那时，正是十年动乱的后期，正实行所谓的开门办学，所以刚一调入清华大学就被派到北京化工二厂，深入生产实际并接受工人阶级的再教育。北京化工二厂当时生产的主要产品之一?D?D苯酐是一种重要的化工中间体，有着广泛的应用。苯酐是在一种称之为流化床反应器的化工装置中生产的，它由一个高近30米、直径3米的圆筒体，底部设有气体分布装置，内部装有换热管，气固分离装置和反应催化剂颗粒所构成。原料气体在一定的温度和压力下通过处于悬浮状态的催化剂颗粒层，发生化学反应而生成苯酐。理想的流化床反应器的特点是气固两相接触均匀，能保持整个反应器内的温度均一恒定，反应放出的热量能够及时移出，在气固相反应或者是气固相催化反应中，具有独特的优越性。
金涌同志在工厂时就特别注意观察琢磨流化床反应器的状态，发现现有流化床反应器存在很多问题，床层结构、操作状态均未达到较理想的设计和操作状态，苯酐的收率和选择性都不高。为了提高生产技术水平，金涌当时也同工人和技术人员一起尝试进行了一些技术改造，但限于当时的条件和技术的复杂性，效果并不明显。由于流化床在化学工业中的优点和重要性，开始受到越来越多的注视，成为国际学术界与工业界是热门研究课题，取得了迅速的进展。而那时国内的“文化革命”运动正热，学校根本不可能开展真正意义上的科研，文献查阅，学术交流都很缺乏，问题难以解决是在情理之中。但问题一直萦绕在他的头脑中，始终也放不下。粉碎“四人帮”后，科学的春天来到了，学校的科研工作开始逐步走向正轨。正是在这个大好的形势下，金涌与一些同志合作很快组建了一个科研小组，开始进行有计划的系列研究。
首先针对在北京化工二厂生产实践中的问题，研究解决方案。通过实验研究与分析，要提高气固接触效率，提高反应转化率和选择性，必须从减小气泡的尺寸加强气泡相与乳相间传递速率为着眼点。通过查阅大量文献知道在流化床内部采用构件可以有效地破碎气泡。国内外有的流化床采用垂直、水平构件，有一定的效果，但是，金涌教授仔细分析和试验后认为：垂直、水平构件各有优缺点，我们要研究如何吸取它们的优点，摒弃其缺点。在多次试验研究的基础上科研组开发了塔式组合内构件。在实验室完成冷态模型研究后，在山东一个厂进行热态工业性实验，但实验结果发现产品收率、转化率均未见有明显提高。当时，厂里的积极性也没了，学校里也颇有议论，周围的舆论压力也不同程度地存在，但大家并没有因此放弃，而是在实验室进一步开展实验，找出问题的症结，进一步改进内构件设计，再次在湖北一个苯酐厂进行工业性实验。为稳妥进行实验，本次实验首先在直径为1米的反应器上进行，然后又上升到2米和3米反应器。湖北的工业性实验，不知往返湖北有多少次，克服了很多预想不到的难题。湖北夏天的气温达到40度，流化床炉内反应温度达到300多度，实验现场温度在50度左右，试装构件几上几下，其艰难程度可想而知。但无论多么艰难都不能挡住他们的步伐，终于在工业反应器上取得了成功，使苯酐的收率提高4～5％，即从原来的78％提高到83～85％，达到该工艺的国际水平，1982年当年该厂效益增加数百万元，工厂非常高兴。通过对构件的进一步研究完善，形成了塔式构件、脊型构件的系列产品，1985年申报并获得了国家发明专利授权，并迅速在工业上推广，1987年获得国家发明二等奖。
金涌和他们科研组并不为此而满足，为进一步将科技转化为生产力，他们又开始在维尼龙行业进行新的开发研究。金涌及科研组的同志对维尼龙行业的心脏?D 醋酸乙烯合成反应器进行了研究革新，用获得的专利技术?D复合内构件对其进行改造，大大提高了反应器的生产强度，在不改变工艺条件和仅仅投资十几万元的情况下，单台反应器年创利税260万元以上，具有显著的经济效益，在同行业中获得了广泛的应用，已占全行业反应器的一半，尚未包括一些工厂未经学校同意而自行效仿改造的反应器。与此同时，他们的目光也瞄准了国外某大公司垄断的丙稀晴合成反应器技术，通过技术改造，不仅提高了丙稀晴的收率，更重要的是形成了我国具有自主知识产权的技术，节省了大量的专利使用费。随着流化床技术在苯酐、醋酸乙烯、丙稀晴、三聚晴胺和间苯二晴行业中的推广应用，直接经济效益超过1亿元。由于流化床反应器技术的成功研究和开发应用，获得了省部委奖励多项，1996年又获国家科技进步二等奖。
科研成果在工业实践中的成功应用源于理论上的突破。金涌和他们的科研组对流态化的流型划分，温度、压力、催化剂粒度及其分布和重度等影响因素对流型转变的作用进行了深入的研究，这也是当时化工学术界研究的热点和难点。在认识到可以将流态化的流型划分为鼓泡流态化和湍动流态化，而湍动流态化较鼓泡流态化具有更高的气固接触效率后，影响流态化流型的因素却非常复杂，包括流化床的结构、反应物流的物理和化学性质、操作条件等诸多因素。在理论上寻求突破，寻找流型的转变特征和鼓泡床向湍动床转变的定量判据，极具挑战性。金涌和他领导的科研组对上述各种因素进行了系统的研究，提出了湍动流态化形成的定量判据，并对湍动流态化形成机理、状态控制、判据等形成了较系统的理论，发表了一系列论文，在学术界和工业界受到广泛重视，所提出的鼓泡流态化向湍动流态化转变的关联式，被美国有关领域权威技术咨询机构推荐给美国若干大公司在流化床设计时采用，所发表的论文被选为AIChE化学工业研究与开发25年来的优秀外国论文纪念专刊的25篇论文之一。
科学研究不会停滞不前，新的研究课题层出不穷，有远见的科学研究工作者目光不会老是停留在固定的目标上，金涌院士就是这样。近年来，由于能源危机的影响，超短接触反应技术的研究成为国际学术界研究的新热点。金涌院士早就看到这一点，部署了研究计划。由于该研究起步早，方向把握正确，研究工作突出，经专家鉴定处于世界领先地位，尤其是在基础研究方面，取得了令人注目的成就，被邀请参加由六个国家的九个研究集体合作撰写的权威专著（Circulating Fluidized Bed），并多次被邀请在国际学术会议作大会报告，使清华大学FLOTU成为该领域的开创者之一。正是由于在下行循环流化床研究方面的突出成就，并开展与此相关的热态研究，如煤等离子体快速裂解制乙炔、重油裂解制乙烯等具有重要价值的化工产品，清华大学在建设世界一流大学计划过程中，将下行床的深层次研究与热态产业化研究列为学校十个重点发展的项目之一。
在整个FLOTU多年的运行过程中，形成了不尚空谈、脚踏实地解决问题的特点。很多课题是来源于工厂企业的实际问题，经过实验研究深化后，再回到工业实际中去，解决实际问题；同时，从中发现和提出一些共同的问题，再进行理论上的研究。在多管式固定床反应器、径向移动床反应器、三相循环床反应器、密相气力输送、旋流干燥等都取得了较好的基础研究与应用研究成果，获得国家和省部委奖励12项，专利20余项。正是由于这样，FLOTU超过半数的科研经费来源于企业，与企业建立了密切的关系。
金涌院士领导科研工作中特别注意对年轻人的培养，让他们在第一线承担任务，如魏飞教授，从93年博士后出站留校以来，在下行床研究方面取得了突出的成绩，现在已经是教育部《长江学者计划》清华大学的特聘教授。随着时间的推移，一些创业者相继退休，研究室又逐步增加了一些新的成员，仍然保持十几位教职工的规模，以年轻人为主，金涌院士更多地在学术上把握方向，不断拓展研究方向，把青年人扶上马再送一程。并使FLOTU的团结作战、协同攻关、不计较个人得失的优良传统保持下来，多次成功地组织举办了全国、中日、亚太、中美等大型化工会议和流态化会议，为加强学术交流起到重要作用，而不久前举办的金涌院士作为中方主席的第三届中美化工学术会议吸引了中美双方四十多名院士参加，使FLOTU在国内外享有较高的声誉。
