中国科学院院士李洪钟:
深耕流态化 厚积展“洪”图
□刘伟 闫冬 邹正
字数:3054
2024-02-21
版名:文化
李洪钟,化学工程学家,中国科学院院士,中国科学院过程工程研究所研究员。1960年考入太原工学院(现太原理工大学)化工系基本有机合成专业,毕业后进入中国科学院山西煤炭化学研究所工作。早期曾参加国家顺丁橡胶攻关项目会战,从事丁烯氧化脱氢制丁二烯流化床反应器的研究与开发工作。曾用光纤微观摄像探头首次发现快速流化床中颗粒聚团的存在,验证了气固流态化的非均匀结构关系,引发国内外广泛关注。建立了非流态化气固两相流理论,发展了气固散式流态化理论,构建了气固流化床结构传递关系与反应行为的量化调控方法,拓展了多相反应器的模拟放大规律,推进了流态化技术在化工冶金工业中的多项产业化应用。
获国家技术发明奖二等奖1项,中国科学院自然科学奖一等奖、二等奖各1项,中国石油和化学工业联合会科技进步奖一等奖3项。与中国科学院院士郭慕孙共同编著的《流态化手册》获2011年第二届中国出版政府奖图书奖。
1995年,李洪钟(右二)在临界移动床输送成果鉴定会现场做讲解
李洪钟(中)指导学生
科研新兵参加科技会战
李洪钟1941年1月21日出生在山西省昔阳县巴洲村。在父母的言传身教下,李洪钟自幼便好学善思,成绩一直名列前茅。1960年,李洪钟以接近满分的成绩考入太原工学院化工系基本有机合成专业,由于在校期间表现突出,1965年,李洪钟被分配到中国科学院山西煤炭化学研究所(以下简称煤化所)工作,从此走上了科学研究之路。
至今,李洪钟回忆起在煤化所参加顺丁橡胶攻关会战的火红年代,仍百感交集。
合成橡胶是重要的战略物资和工业原料。新中国成立伊始,西方国家对我国实行橡胶禁运,同时对合成橡胶技术进行严密封锁。国内天然橡胶产量远不能满足国防和经济建设需求,研究与开发合成橡胶技术势在必行,其中顺丁橡胶因性能优越、应用广泛而备受瞩目。
1965年,国家科委、石油部、化工部决定集中力量开发顺丁橡胶生产技术,在兰州化工研究院和锦州石油六厂分别建立顺丁橡胶中试基地,开展以丁烯氧化脱氢制丁二烯、丁二烯/丁烯分离精制、丁二烯聚合三项核心技术为主的实验室研究、模拟和中试,同时在两个基地采用不同的技术路线并对其进行对比分析。1966年国家科委召开全国合成橡胶会议,最终决定集中国内科研、生产各方面优势力量在锦州石油六厂完成顺丁橡胶全流程的中试。
李洪钟参加了这次会战。1965年,李洪钟和一位同学被学校安排到煤化所进行大学毕业论文实习,指导老师是从苏联留学回国的杨贵林研究员。课题是“流化床内挡板效应的研究”,属于顺丁橡胶攻关会战丁烯氧化脱氢制丁二烯流化床反应器项目的基础研究部分。在煤化所几位老师的指导下,他们研究了网状挡板和百叶窗单旋挡板两类结构的横向挡板对流态化质量的影响效果。得出的结论是百叶窗结构挡板的强化效果优于网状挡板。这为以后的丁烯氧化脱氢制丁二烯挡板流化床的设计、中试与工业放大提供了最初的实验依据。
他们写好毕业论文回校答辩时,煤化所所长贾晨林亲临指导,对顺丁橡胶攻关会战相关的课题非常重视。大学毕业后,李洪钟顺利留在煤化所工作。
研究一直在进行中。李洪钟回忆说,在完成两种流化床反应器对比和3000小时催化剂寿命试验后,他们马不停蹄地赶到锦州中试基地,在石油六厂研究所很快搭建起一套双流化床中试装置,与研究所的技术人员和工人在一起倒班工作,进行了多次连续性试验。
锦州基地的中试优化结果让研究组最终选择了设有多层百叶窗式多旋斜片横向挡板的单流化床反应器。1971 年,两台直径2400mm丁烯氧化脱氢制丁二烯挡板流化床反应器工业装置在北京胜利化工厂建成投入试运行。
之后基于李洪钟对移动床立管料封的研究积累,煤化所指派他完成“北京胜利化工厂丁烯氧化脱氢制丁二烯流化床反应器内循环管设计计算”,为该大型流化床装置的改造提供了方案。
作为一名科研新兵,李洪钟亲身经历了一个科研项目从实验室小试、中试到工业放大的全过程,从中增长了见识,得到了锻炼。1985年,李洪钟在煤化所工作期间参与的项目“顺丁橡胶工业生产新技术”获得国家科技进步奖特等奖。
37岁师从名师继续深造
“理想是人生之路标,创新乃科学之灵魂。”工作后,无论受到何种干扰影响,李洪钟从未放弃理想,始终坚持追寻科学真理。1978年,我国恢复了研究生招生考试,当时已经37岁并且是3个孩子父亲的李洪钟,在家人的支持与鼓励下,积极备考,最终被中国科学技术大学研究生院录取,师从中国科学院化工冶金研究所研究员郭慕孙。
郭慕孙1980年当选为中国科学院学部委员(院士),是我国流态化学科与颗粒学的开拓者和奠基人。在他的言传身教下,李洪钟的科研能力显著提升,懂得要做一名合格的科技工作者,既要有严谨认真、精益求精的科学态度,又要有追求创新、不断进取的科学精神。他的硕士和博士工作内容分别在国际化工期刊Chem.Eng.Res.Des.和Chem.Eng.Sci.上发表。
1986年11月,经郭慕孙推荐,李洪钟作为中国科学院公派留学人员,到加拿大不列颠哥伦比亚大学化工系,在全世界仅有的5位国际流态化成就奖获得者之一、加拿大工程院院士J.R.Grace的指导下从事博士后研究工作,研究课题为“多种燃料在中试规模循环流化床中的燃烧特性以及超细颗粒的快速流态化”,这在当时属于世界前沿课题。上述工作在1989年美国召开的第十届国际流化床燃烧会议上获得大会最佳论文奖。
国外留学期间,李洪钟不仅开阔了眼界、结识了朋友,还接触到该领域一些前沿课题,例如纳米和超细颗粒的散式流态化,这是当时国际上刚刚开始研究并有发展前景的课题,也是李洪钟回国后重要的研究方向之一。
在国际学术界占有一席之地
“聪明出自勤奋,真知源于实践。”这是李洪钟常说的一句话。学成回国后,他主要致力于非流态化气固两相流理论及应用、气固流态化的散式化理论与方法、过程工程的新理论与新方法等方面的研究。
工业移动床气固两相流装置中存在着串气、架拱、气压与固体流率波动等不连续、不稳定现象,操作困难且易造成事故。李洪钟根据移动床中气固相互作用的特点,提出颗粒群体内的相间曳力与重力相似并具有体积力特性,散料力学适用于气固移动床的论点,并进一步将多相流基本原理与散料力学相融合,建立了移动床气固两相流理论,绘制了垂直气固移动床流动相图。
根据上述理论,李洪钟取得了多项与移动床相关的专利技术,丰富了多相流学科的科学内涵,指导解决了生产中的技术难题,出版了专著《非流态化气固两相流理论及应用》,并撰写了美国化工进展丛书中的专章Hardware Develop-ment。相关成果“移动床气固两相理论及应用”获1997年中国科学院自然科学奖二等奖。
为解决传统气固流化床中存在着大量气泡和颗粒聚团,大大降低气固接触效率与传递反应速率,从而限制流化床反应器生产能力的问题,李洪钟又对气泡和颗粒聚团的形成与调控机制进行了深入而系统的研究。
他带领科研人员通过自制微观摄像探头,首次拍摄到快速流化床内瞬态聚团和稀密两相结构的照片,证实了颗粒聚团的存在。
该工作具有重要意义。在理论方面,厘清了气固不均匀流态化与液固均匀流态化两个范畴现象之间的相互联系和转化条件,使之形成统一的专业体系,是对多相流理论的重要发展,使中国这一学科领域在国际学术界占有一席之地;在实用方面,使原本不均匀流态化转化为均匀散式流态化,大大改善流化质量,提高了设备反应效率,扩大了气固流态化的应用范围,从而产生显著的经济和社会效益。
从20多岁到耄耋之年,李洪钟数十年如一日,在学术科研这片热土上默默追求、探索、奉献,用行动诠释着科技工作者的情怀和担当。他常常用“盛名之下,其实难副”提醒自己,低调做人、勤恳做事。李洪钟的座右铭是:科学无国界,科学家有祖国,做一个爱祖国、爱人民、爱科学,对祖国富强和人类文明有所贡献的中国人。
(据《中国科学报》,有删节)