郭慕孙和他的三次“破天荒”的突破

郭慕孙（1920~2012），中国科学院院士、瑞士工程科学院外籍院士、化学工程学家。他提出“散式”和“聚式”流态化的概念，奠定了流态化基础理论，又先后提出“广义流态化”“快速流态化”等理论体系，并将其应用于矿产资源的综合利用中，对我国流态化技术的发展作出了巨大贡献。图源 | 科技日报

1920年6月24日，郭慕孙出生于湖北汉阳一个知识分子家庭。

他的父亲郭承恩，曾被公派到英国谢菲尔德大学留学，归国后在汉阳铁厂工作。汉阳铁厂是当时国内唯一能制造钢轨的企业，但由于技术落后、缺乏原材料、进口钢轨竞争等等问题，最终于1922年停产钢铁，于是郭承恩携妻儿迁往上海。

1928年，凭借过硬的工程技术，郭承恩成为沪杭甬铁路的工程师，1931年又升为沪宁、沪杭甬“两路局”的局长。后来因为工作出色，郭承恩又被派遣到上海兵工厂和中央造币厂担任重要职务。

在当时，郭慕孙的家境算得上优越。但父亲告诉他：有知识、有能力，绝不是为了享尽人间之福，而是要为社会做贡献。

童年的郭慕孙 | 中国科学家博物馆

郭承恩如此说，也如此做了。1937年抗日战争爆发，郭承恩所在的工厂被日本人占领。他立刻辞职离开，计划跟朋友合作开办工厂。

当时在上海，只有法国人能生产用来焊接的氧气，技术垄断，价格自然高得离谱。于是郭承恩和朋友就从德国引进了先进设备，开办了“中国工业炼气公司”，让中国人能自己制造氧气。

这一创举，让不少在动荡时局中低沉、迷茫的人，感到振奋，也奠定了郭慕孙科研，乃至人生道路的方向——用知识救国，用知识建国。

破天荒的理论

1939年，郭慕孙考入沪江大学，在父亲的推荐下，他选择了化学专业，以期改变中国化学工业荒芜的现状。

完成本科学业后，1945年，郭慕孙远渡重洋，到美国的普林斯顿大学进修化学工程，跟随导师威尔汉姆（Wilhelm R.H）教授开启了流态化的研究。

流态化，指的是固体颗粒在流体（比如水或者空气）的作用下，悬浮起来，并呈现出与流体类似的特性。听上去很艰深晦涩，但其实生活中很多现象都跟流态化有关。比如农村“扬谷”，收割回来的谷物上带有谷壳，用石碾把谷壳压碎后，农民就会借助风这个“流体”来分离谷壳和籽粒。用木锨把谷物扬到空中，当风穿过谷物颗粒时，谷物颗粒就产生了类似流体的性状，轻的谷壳上浮，重的籽粒落下，完成分选。

20世纪40年代，流态化被应用于石油的催化裂解工艺，工程师们用气流悬浮催化剂颗粒，让它能连续、迅速地发生反应。这项具有巨大商业价值的技术，也让流态化引起了学界、工业界的关注。

虽然流态化在生活中已有应用，但很少有人从理论的高度去理解它，更不用说利用数学去总结它的运动规律。

在郭慕孙开始研究时， “流态化”这个名词几乎都没出现过，到了1950年，才被当作独立的单元收录于化工教科书中。因此，研究“流态化”，自然没有前人的捷径可以追寻，甚至连实验设施都要自己制作。

好在郭慕孙自小动手能力就强。大学毕业后，他还曾在上海一个弄堂里的小工厂中拜师学习车床技术。在普林斯顿大学，为了制作实验设备，他又请了一位工人，教他加工测流量孔板、安装管道、设备支架等等。没有计算机，很多数据都是郭慕孙利用计算尺一点一点算出来的。

图源| 《追求卓越 郭慕孙传》

根据研究结果，他首次区分了流态化的不同类型，提出了“散式”和“聚式”流态化的概念。

在“散式”流态化中，固体颗粒均匀地分散在流体中，稳定的结构有利于连续的生产过程；而“聚式”流态化时，部分流体聚集，产生了不连续的气泡，影响了反应的效率。

郭慕孙不仅提出了新的概念，还总结出了颗粒和流体相互作用的规律，建立了其流动参数的统一关联式。

1948年，这项学术成果发表在国际化学工程的权威期刊《Chemical Engineering Progress》，引起了学术界的强烈反响，成为公认的流态化学科的奠基性理论，直至今日还被广泛引用。

用知识建国

因为这项出色的研究，郭慕孙被美国碳氢研究公司聘请为化学工程师，利用流态化技术，研究煤的气化、气体炼铁等工作。

留美期间，郭慕孙已经拥有了稳定的工作和舒适的生活，但他一直在寻找归国的机会。因为他始终记得父亲的教导：有知识、有能力，不是为了享尽人间之福，而是要回馈社会。“我回国的目的就是希望将这些研究和专利继续做下去，并且要在自己的国家产生经济效益。”

为了寻找回到中国的工作，他还在化工期刊上刊登了一份求职广告。这则广告引起了可口可乐公司的关注，他们聘请郭慕孙去上海的可口可乐工厂，负责建厂前的技术难题。

但没过多久，由于战局不稳定，可口可乐公司就决定撤离中国。郭慕孙又被派去印度。因为工作劳累加上水土不服，他患上了黄疸型肝炎，被召回美国休养。后来，朝鲜战争爆发，美国政府又下令禁止在美学习的华人离境。

几度求索归国没有结果，但郭慕孙没有放弃，和家人一起默默等待时机。1956年12月，郭慕孙一家等到了回国的机会。

回国后，经过多番考察，郭慕孙加入了著名冶金学家叶渚沛正在筹建的中国科学院化工冶金研究所。

当时，叶渚沛正在计划用流态化技术，提取大冶铁矿中的铜、钴。大冶铁矿中含有少量铜和钴，直接用于炼铁，既影响铁的质量，又浪费了铜、钴资源。其实不只是大冶铁矿，我国很多的铁矿都是“贫、杂”铁矿，意味着含铁量低、杂质多，很难加工成高品质的钢铁。

利用自己的专业技术，解决国家的生产难题，正是郭慕孙一直追求的目标。由此，他开启了将流态化技术应用于冶金领域的研究。

他不仅在实验室查阅数据、设计实验方法、探明规律，还到湖北黄石、辽宁鞍山、四川攀枝花、安徽马鞍山、甘肃酒泉等全国各地调研，针对不同的铁矿情况，研发出硫酸化焙烧、磁化焙烧、稀相换热等一系列技术。

这些成果不仅获得了多项国家、省部级奖项，也真正地应用到了生产中，大大提高了炼铁的效率。

在做应用研究的同时，郭慕孙也没放下流态化技术的理论研究。

过去大家研究的经典流态化，颗粒床层是固定的，只有流体的流速在变化，然而在实际生产中，大多数系统的颗粒和流体有进有出，经典的理论不足以指导现实的生产情况。

为此，郭慕孙提出了“广义流态化”理论，把颗粒和流体的运动和变化，都纳入流态化系统中，并用简洁的数学模型，描述了这种复杂系统中各个参数之间的关系，于1963～1964年在《中国科学》上发表了两篇相关的论文。

利用“广义流态化”理论，郭慕孙成功预测出八种流态化类型。这项研究具有深刻的洞见和极高的前瞻性。二十年后兴起的快速流化床、下行流化床，在他的论文中就已有预见。

郭慕孙的学生、后来当选中国科学院院士的李洪钟，对此感到十分敬佩：“他的科学预见是非常准确，说明他的思维非常明确、非常有逻辑性。”

不跟踪、不跟随

20世纪60年代，一项发现，在“聚式”流态化中产生的气泡，虽然会降低气体－固体间的接触效率，但如果气泡更小、破碎更新更快，反而能促进流化床中物料的混合，能大大提高化学反应的效率。

基于此，国际上掀起了一阵研究“鼓泡流态化”的热潮。然而，郭慕孙根据多年的研究和实践，敏锐地意识到：气泡有难以规避的弱点，不应跟随主流的“鼓泡流态化”研究。

他另辟蹊径，带领化工冶金研究所的同事，尝试研究一种“无气泡”的气固接触新领域。

即使在特殊年代，他白天要做无关的劳动，晚上仍坚持流态化技术的研究。做不了实验，他就整理过去的数据，总结规律，做理论的探索。

经过十余年的坚持和攻关，最终，郭慕孙带领团队建立了流态化中一支独立的、完整的理论与技术体系。基于这种“无气泡化”的理论，郭慕孙团队提出了“快速流化床”模型，并发表在1980年于美国举行的第三届国际流态化会议上。

此前二十多年，业界集中研究“鼓泡流态化”，采用了各种方法观察流化床中的气泡，光学、电容、快速摄影，甚至X-射线，也设计了各类模型，但都难以实现更好的工业化应用。

在这种形势下，郭慕孙团队的研究引起了巨大反响。会后，一位加拿大的学者预感，流态化技术即将迎来变革——鼓泡流态化时代就要过去，快速流态化时代即将到来。

1979年郭慕孙在气控式多层床净化二氯乙烷废弃鉴定会上讲课 | 中国科学家博物馆

这种不跟踪、不追随的学术思想，让郭慕孙一次又一次地突破、创新，引领流态化技术领域的发展，也让他获奖无数。1980年，他当选中国科学院院士；1989年，他获得“国际流态化成就奖”；1997年他被评为瑞士工程科学院外籍院士；2008年入选美国化学工程师协会“化学工程百年开创时代50位杰出化工科学家”。

但郭慕孙的研究和工作，并没有因为荣誉和成果丰厚而停止。

退休后，他和学生组织编写流态化专业领域第一部综合性的工具书《流态化手册》；以83岁高龄创办学术期刊《颗粒学报》，并担任主编，对入选的所有论文都逐一编辑、修改；还为研究生开设了英文写作课，指导他们以严谨、求实的态度撰写论文。

在郭慕孙的学生、中国科学院院士李静海看来：“郭先生生命中的每时每刻、一点一滴，都在诠释什么是科学精神、什么是追求卓越……让人觉得这是永恒的，从不会终结，永远会如此。”

然而，科学家的生命，始终是有限的，2012年11月20日，郭慕孙在北京因病逝世，享年92岁。

但是，他留下了永恒的科学思想，永远不会终结的科学成果，以及永远如此的奉献精神。

作者 | 程观 科普写作者

参考文献：

柴玉田，《中国流态化学科研究的开拓者——记化学工程学家、工程院院士郭慕孙》，《化学管理》，2014年7月，66-71页。

刘伟、艾菁，《化学工程学家郭慕孙的 “工程”情结》，《化工学报》，2013年12月，4276-4282页。

李洪钟、郭慕孙，《回眸与展望流态化科学与技术》，《化工学报》，2013年1月，52-62页。

老科学家学术成长资料采集工程撰写组，《追求卓越 郭慕孙传》，中国科学技术出版社，2015年。

李静海，《怀念郭慕孙先生》，《中国科学院院刊》，2013年第1期，111-114页。

金涌、程易、白丁荣、张晨曦、魏飞，《中国流态化技术研发史略》，《化工进展》，2023年第6期，2761-2780页。

王荘、吕潇、邵媛媛、祝京旭，《流态化的往昔寻觅及未来启示》，《化工学报》, 2021年第12期，5904-5927页。

《开创流态化，呕心过程工程科学风范树丰碑；躬耕九十载，沥血桃李芬芳为人师表传后世 | 纪念郭慕孙先生诞辰103周年》，中科院过程工程研究所，2023年。

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