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多相室的变迁与发展

 

从(所)“流态化研究室”到(院)“多相反应开放研究实验室”
再到“多相复杂系统国家重点实验室”的变迁与发展

撰稿人:谢裕生

(2016年5月修改稿)

自1956年至2006年,在郭慕孙先生指导下,经历了五十多年的探索、实践、积累、创新,2006年7月终于批准成立了“多相复杂系统国家重点实验室”,该室的前身是1986年成立的中国科学院“多相反应开放研究实验室”,它源于1956年郭慕孙先生创建的中科院化冶所“流态化研究室”
  郭慕孙先生呕心沥血,精心培育和率领的科研团队,历经56年、几代人坚持不懈的努力,在承前启后,开拓前进的道路上,注重积累、追求卓越、瞄准前沿、服务需求,不断发展壮大。经五十多年的变迁和发展,研究室发生了巨大的变化:科研条件好、设备先进、经费充足、人才济济、硕果累累。
  ●室级别:所流态化研究室⇒⇒⇒院开放研究实验室⇒⇒⇒国家重点实验室
  ●仿真手段:   计算尺 ⇒⇒⇒  HP1000 ⇒⇒⇒超算“虚拟过程工程平台”
  ●研究重点:    宏观  ⇒⇒⇒微观  ⇒⇒⇒多尺度⇒⇒⇒介尺度
  ●研究内容:  单元操作⇒⇒⇒三传一反⇒⇒⇒三传一反+ X
  ●应用对象:  矿产资源利用 ⇒⇒⇒   能源/ 材料/ 资源 / 环境
  ●研究方向:  流态化⇒⇒⇒颗粒多相反应⇒⇒⇒多相复杂系统内结构的量化与调控
  

研究室五十多年的变迁和发展,经历了以下三个阶段:


第一阶段:流态化研究室(简称“三室”,1956~1986年)


  为了发展祖国的科技事业,郭慕孙先生于1956年8月回国后,参加了中国科学院化工冶金研究所的筹建工作,创建了我国第一个“流态化研究室”,任室主任、研究员,从此把全部心血倾注于开拓和发展流态化这个新领域,亲自讲授流态化,培养骨干,指导刚毕业的大学生开展工作,建立了研究队伍,形成了流态化研究体系。
  郭慕孙先生在1960年前后发表了《流态化垂直系统中均匀球体的运动》、《广义流态化》、《流态化冶金中的稀相传递过程》等论著,带动了一系列工业研究。例如,流态化硫酸化焙烧含铜铁矿和流态化磁化焙烧贫铁矿、多层流态化床溢流管、压力孔板加料、流态化气体冶炼、流态化干燥矿浆、稀相换热、流态化床分布板设计等。流态化技术逐步被我国工业界所重视,从事流态化研究的机构先后崛起,科技人员从化工冶金所原有十几人,发展到全国近千人的队伍。
  从20世纪50年代开始,郭慕孙先生指导和带领流态化研究室将实用性的实验室成果扩大至中间试验。例如,对我国低品位与复杂矿的资源综合利用,进行了含铜铁矿的流态化硫酸化焙烧,放大到15吨/日;低品位铁矿的两相流态化磁化焙烧,放大到100吨/日;红土矿流态化还原焙烧,放大到85吨/日;钒钛铁矿的直接还原焙烧,放大到3吨/日。这些中间试验成果均获国家和中国科学院科技成果奖。流态化研究室在进行矿石的流态化浸取和洗涤的同时,开展了散式流态化研究,包括广义流态化、液固流态化至气固流态化的延伸等工作。郭慕孙先生发表了《化工冶金中的散式流态化》、《流态化浸取和洗涤》等专著。
  1966年,“文化大革命”开始,其间化工冶金所转搞半导体器件和材料,流态化研究被迫中断。1972年,化工冶金所恢复了原定的方向任务。郭慕孙先生与同事们继续开展流态化研究,按照“无气泡气固接触”的概念,开辟了快速流态化床、浅层流态化床等研究,并为后期创立“多相反应开放研究实验室”奠定了基础。
  1985年,根据郭慕孙院士的提议,由流态化研究室抽调部分人员,建立了“颗粒形态与表征研究室”,负责人为王佩云,黄长雄。同年,联合国内同行,组织成立了“中国颗粒学会”,郭慕孙先生任理事长,秘书长王佩云。
  1986年3月,时任所长郭慕孙院士倡议在化工冶金研究所率先筹建了“生化工程研究室”,责成用UNDP项目资助经费选派出国留学的年轻科研骨干负责筹备工作,委以重任,分别担任正、副主任。并从原流态化研究室和湿法冶金研究室抽调了一批科研骨干组建队伍,为后期创立的“生化工程国家重点实验室”(主任欧阳藩、李佐虎)和“国家生化工程技术研究中心”(主任为欧阳藩)打下了坚实基础。
  1986年,在联合国开发计划署对“提取冶金中的化学反应工程”研究项目资助的基础上,抽调全所一批年青科研骨干,申请组建了中科院“多相反应开放研究实验室”,郭慕孙院士任主任兼学术委员会主任,董元吉、谢裕生任副主任。
  自1956年至1986年,郭慕孙先生一直亲自担任自己创建的“流态化研究室”主任,1986年任该室名誉主任。先后接任流态化研究室主任的有李佑楚、罗保林。担任过流态化研究室副主任的有刘淑娟、郭铨、王忠礼、宋宝珍、姚建中。他们领导流态化研究室经过30年坚持不懈的努力,不仅为流态化技术发展和应用做出了重大贡献,而且培养了人才,并为创建“多相反应开放研究实验室”创造了条件,奠定了基础。
  从1956年创立流态化研究室,到2006年从事流态化研究人员全部编入“多相复杂系统国家重点实验室”,流态化研究的应用范围不断拓展到生化工程、能源化工、材料化工、环境化工和矿产资源的综合高效利用,取得了一批具有国际水平的重大科研成果,享誉国内外。
  1986年以前,主要代表性科研成果有:
  1、气控式多层流态化床及其在净化气体中的应用,1979年获国家发明三等奖。
  2、《化工冶金中的散式流态化》,1982年获得国家自然科学二等奖,1978年全国科学大会奖。
  3、阿尔巴尼亚红土矿还原焙烧—氨浸—氢还原湿法提镍钴新流程试验,1978年全国科学大会奖。
  4、非理想气固广义流态化分区研究及统一关联,1986年获中科院科技进步二等奖,
  5、无粘结流化床分布板,1985年9月获美国宇航局技术发明一等奖。


第二阶段:多相反应开放研究实验室(1986~2005年)


  1981年,时任所长郭慕孙先生争取到联合国对“提取冶金中的化学反应工程”研究项目的资助,派出22人次到国外学习,为所应用基础研究培训了骨干。1986年,在郭慕孙先生亲自组织和领导下,从流态化研究室和全所抽调了一批年轻科研人员,组织队伍,申请成立了中科院“多相反应开放研究实验室”,1986年10月,中科院正式批准多相反应开放研究实验室向国内外开放,任命郭慕孙院士为室主任兼学术委员会主任,董元吉、谢裕生任副主任。根据中国科学院开放、流动、联合、高水平的要求,“该室以液固和气固两个,和两个以上相间的非催化反应的固相加工为主要对象,致力于多相反应研究”,取得了一批科研成果,培养了人才,成为我国化学工程应用基础研究方面有利于新思想萌生和青年人才成长的场所。
 

多相反应开放研究实验室的学科方向和目标凝炼为:
 

学科方向:颗粒多相反应


  颗粒多相反应是研究颗粒和流体同时存在的系统中物质运动、传递和转化过程共性规律的科学。由于颗粒流体系统在自然界中普遍存在,并在能源转化、资源利用和环境保护等领域得到广泛应用,颗粒多相反应已成为化学工程科学的一个重要方面。随着材料科学和纳米技术的兴起和发展,它在高新技术领域也得到广泛关注。
 

 ● 研究内容与目标:
 

颗粒多相反应的主要研究内容可归纳为颗粒及其周围介质(气体和/或液体)在分子、纳/微米、单颗粒、颗粒团聚、设备和工厂等多个尺度下发生的运动、传递、分相和反应四种过程。认识这四种过程在多个尺度下的变化规律及其相互关系,是对颗粒多相反应系统进行量化设计、工艺放大和优化操作的关键。实验室的研究目标为:
  △ 形成完整的颗粒多相反应理论体系;以此为基础建立实用的颗粒多相反应系统量化设计、放大和控制的方法;
  △ 创建研究颗粒多相反应系统的概念、途径和方法;
  △ 针对能源、资源、环境和材料领域的需求,研究和开发高效低污染和特种用途的反应过程和多相反应器。
  从1990年至1999年,郭慕孙先生退居二线后,任“多相反应开放研究实验室”名誉主任和学术委员会主任,该实验室主任由时任所长谢裕生兼任,李洪钟(1990-1995)、李静海(1991-1995)曾先后任副主任,1996年至1999年李静海任常务副主任。2000年至2005年,郭慕孙先生任名誉主任,实验室主任由时任所长李静海院士兼任,任副主任的有朱庆山(常务)、陈运法、温浩、宋文立。经过几代人的努力和多年积累,取得了一批具有国际水平的科研成果,在科技部和基金委组织的全国化学口开放室历次评估中,评为良好。
  1987年至2005年,主要代表性研究成果有:
  1、无气泡气固接触,1989年获国家自然科学二等奖。
  2、郭慕孙获国际流态化成就奖,1989年5月
  3、大庆常压油渣催化裂化技术,1987年获国家科技进步一等奖。
  4、颗粒流体两相流型结构与区划模拟,1995年获国家自然科学三等奖。
  5、复印机用显影剂磁粉-墨粉的研制和国产化,1997年获国家科技进步二等奖。
  6、气固流态化的散式化理论与方法,1999年获中科院自然科学一等奖。
  7、抑制氮氧化物排放的无烟煤技术,2001年获中科院技术发明一等奖。


第三阶段:多相复杂系统国家重点实验室(2006年~)


  “多相复杂系统国家重点实验室”的前身是中国科学院“多相反应开放研究实验室”,而“多相反应开放研究实验室”是在1956年成立的原中科院化工冶金所“流态化研究室”基础上,于1986年10月由中国科学院批准成立并对外开放的。2006年7月科技部在该实验室基础上批准成立了“多相复杂系统国家重点实验室”,名誉主任为郭慕孙院士,李静海院士任实验室主任,朱庆山任常务副主任,副主任有陈运法、张锁江、温浩(2006年)、宋文立、张伟刚。经过二十多年积累,形成了以物质转化复杂系统内部结构的量化与调控为主旨的研究方向
  该研究室定位是通过解决过程工业的共性和关键性科学问题,实现物质转化过程的量化设计、过程放大和系统优化,推动我国过程工业的跨越式发展,创建我国过程工程科学在国际学术界的优势和特色。
  研究室以发展过程工程科学与技术为使命,即以时空多尺度结构为核心,发展计算机模拟和实验方法,以材料、能源、资源等相关工业过程和产品为对象,建立多尺度模拟、分析和调控的理论和方法,推动过程工程学科的发展;与企业界密切合作,发展高效清洁的工艺、流程和设备,为过程工业的发展提供科学技术支撑,并为复杂性科学发展做出贡献。
  按照中国科学院过程工程研究所的总体学科规划,“多相复杂系统国家重点实验室”本着注重积累、追求卓越、瞄准前沿、服务经济的宗旨,确立了一个核心、四个层次的科研布局。
  一个核心:指以物质转化的时空多尺度结构为核心,突破关键共性科学问题。
  四个层次:

  ● 共性问题和方法学:归纳共性规律,促进学科发展;
  ● 以过程工业的具体问题为依托,建立数据信息、实验和计算平台;
  ● 工艺和过程调控:工艺创新、过程调控、放大等方面形成核心技术;
  ● 工程应用:针对国民经济有重大影响的产业,实现核心技术产业化。
  实验室及其前身曾获国际奖8项、国家自然科学奖4项、国家科技进步奖1项、国家发明奖2项。出版中英文专著30余部。实验室现有中国科学院院士3人,国家杰出青年科学基金获得者5人,“万人计划”百千万工程领军人才入选者1人,中国科学院“百人计划”入选者14人,研究员37人。目前实验室拥有30万元以上大型仪器设备90余台/套,价值1.6亿元。功能涵盖了物质结构、化学成分、反应过程和材料性能的分析测试表征和计算机模拟等,是实验室科研人员深入开展科学研究的重要保障。实验室在化学工程、化学工艺、材料学、应用化学、环境科学、环境工程六个学科招收和培养硕士、博士研究生,并招收化学工程与技术、环境科学与工程方向博士后。同时,实验室还设有颗粒学会,并主办《Particuology》学术杂志。曾主持召开国际流态化会议、3R国际会议、国际循环流化床会议、国际气液固三相流会议、世界化学工程大会、世界颗粒技术会议、国际过程工程会议等,广泛开展国内外学术交流。
  2006年以来,又取得了一批具有国际水平的科研成果:
  1、2008年9月,郭慕孙先生被美国化学工程师学会评选为“化学工程百年开创时代”50位杰出化工科学家(Fifty Chemical Engineers of the “Foundation Age”)之一,成为50位之中唯一获此殊荣的亚洲科学家。
  2、建成了千万亿次超级计算机系统Mole-8.5,名列全球超级计算机Green 500 第九名;2011年初步建成了国际上首个“虚拟过程工程”平台(Virtual Process Engineering Platform, VPE 1.0
  3、郭慕孙、李洪钟组织编著的《流态化手册》,2011年获“中国出版政府奖”国书奖。
  4、离子液体的构效关系及其化学工程基础研究,2010年获得国家自然科学奖二等奖。
  5、室温催化氧化甲醛和催化杀菌技术及其室内空气净化设备,2011年获国家发明技术二等奖。
  2015年4月,“多相复杂系统国家重点实验室”领导班子换届,现任学术委员会正、副主任分别为程津培院士、李静海院士。实验室主任为葛蔚研究员,副主任有袁方利、王维、李松庚、王军武研究员。在他们的带领下,“承前启后,瞻望未来,立足基础,引领创新”,研究实力雄厚,实验室充满了生机和活力。
  参考文献:
  1、郭慕孙自传
  2、郭慕孙给路院长的信及“过程工程科学与技术研究基地”建议书(1999.9.13)
  3、郭慕孙:过程工程中的多尺度法(1998.3.16)
  4、过程工业和工程中的多尺度法
  5、郭慕孙:煤的拔头工艺
  6、多相反应开放研究实验室工作总结(1999~2001)
  7、荣获各类科技成果奖项目(1958~1997)
  8、所庆40周年科学技术成果汇编
  9、历次开放室评估申请报告 

 

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