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流化科学的发展和未来
Masayuki Horio 日本东京102-0084，千代田区日本科学技术厅，龙谷大学政治部。
摘要
回顾Taketani 为推动科学进步于1942年提出的关于流化研究的三阶段理论，强调了气泡和快速流化问题，因此未来的研究在科学家与工程师之间的讨论会有更为广阔的视角。流化第一阶段的研究始于20世纪40年代初，为现象学的最初阶段。第二阶段有关结构的研究开始于20世纪50年代初，并引入了两阶段理论。第三阶段有关基本形式的研究在泡沫流体动力学发生在20世纪60年代。第二个周期，证实了上述三个阶段收于世纪之交，建立了包括凝结流化的一般理解、气泡、动荡和快速流化和气力输送在内的悬架结构以及强大的测量和数值模拟工具。有关流化技术和科学在科学、技术和社会问题之间的交互评论之后。我们对未来的发展方向进行了讨论，包括第三周期的任务，特别是在现象学阶段强烈的动机和必要的意图，也关系到目前技术的绿色改革。“流化”的广义定义，提出了流化原则应扩展到更为广泛的科学领域，这将是有效且更广泛的合作。
关键词：流化的发展历史 科学与社会 Taketani的三步法则 范式转换
催化裂化 相变 鼓泡床 快速流化 集群 未来方向
1、简介
每一个科学领域都会有过渡期，然后得出结论。自从1942年在巴吞如日建立起了第一个流化床催化裂解车间，经过10年的数据和知识积累，流化科学/工程在20世纪50年代达到了最辉煌的时期。因此，“流化”作为化工科学一个新的领域出现在了科学界。有关微粒和集体流化的流化模型的建立和讨论在1948年由Wilhelm和Kwauk提出。1961年，Davidson在理论上对泡沫（流体）动力学做了介绍；1963年，Row和Partridge在实验方面对泡沫（流体）动力学做了验证，使得这个问题有了戏剧性的突破。流化床中容器中的颗粒是在流化床气泡的作用下悬浮起来的。气泡的发现和它的流体力学是相当先进的，不单单是由于它的独特性，还是因为它及时证明了流体力学的作用，而且对于化学工程原则的转变具有深刻意义的影响。然而，十年以后，在20世纪70年代，当流化工程的A-Z被系统地呈现在Kunii和Levenspiel的新书《流化工程》中，在书里面对于质疑在一些年轻的研究者中是否还有人很严肃地研究流化科学存在一种赞美。那是因为有关流化已经取得了大量的成就，并且在流化方面再想取得令人兴奋的学术研究似乎不太可能。这是在理论和实践都取得了重大发展之后的一段混乱的时期。事实上，作为将被详细讨论的流化科学，确实是研究的一个新时代的黎明。
从那时候到现在经历的40年的艰难时期后，似乎有一个新的混乱的时期。在实质上取得进展以后，上面所提到的在“新时代”看到的大多数影响便销声匿迹了。剩下的工作可以用不多的学术热情来实现，但是需要一些耐心和有关技术方面的阐述。或者相反，我们可以有一些证据来证明我们在一个新时代的曙光里。无论如何，现在是正确的时间来讨论我们从哪里来以及我们将要往哪个方向前进。
流化在旧冶金以及煤转化很多行业都是有影响的，石油、农业、食品、医药和材料工艺。在固体悬浮物的方式上，“流化”现在涵盖了相当广泛的各种悬浮方式，从固定床、均匀流化床、鼓泡床、聚类悬浮液、气力输送的固体、一个倾斜而且在鼓泡床自由缓慢移动悬浮体，到另一个倾斜但在喷射区域以接近音速的速度快速移动的气体。
流化是一种技术或者使流化床上的固体颗粒间的摩擦大幅度减小的现象，从而使之可以像液体一样流动。流化床上的内部摩擦在大多数情况下是由重力引起的，但有时粒子的密度比液体的密度小时，摩擦可以由浮力、磁场力或者离心力引起。摩擦力基本上是一个阻碍流体流经流化床对面方向的压缩力。流体流动的方向通常使垂直向上的，但活跃的粒子是垂直向下的。离心流化是一个中心旋转的滚筒，摩擦力有时是机械或声波振动。一般来说，一个流化床是一种液体，就如同是固体颗粒床的阶段。这是因为，“液体”是材料的状态，其中正常应力为压力，而不是张应力，并且其停滞状态没有切向应力，即内部摩擦是可以存在的（Imai，1974）。整个连续光谱揭幕的相变粒子悬浮的密集条件是科学家对整个科学界一个持久的贡献。光谱包括一个被称为快速流化的阶段，而快速流化对应于固体悬浮的超临界状态将在后面进行讨论。当然，这样的成就可能已经被其它学科所证明。然而，很自然它是由长期以来有着强大的工业合作意图和要求，并且能够制造悬浮液的研究流化的科学家们创立的。
然而，现在社会的流化似乎正在一个混乱的时期，新的发展热情很难使研究人员的数量增加。这很可能是一个类似于前面所提到的20世纪70年代的情况。由于提高具有流化原则和适当的筹备工作来支持研究工作的工程师是社会需求，组织一个新的流化研究和教育环境非常重要，因此，流化原则在学术和工业社会将会持续下去。不久的将来，在公民社会、初级/中级教育和其它科学学科中推广“流化”将会变得尤为重要。此外，最新的创新氛围的变化，即从传统到绿色创新更环保，可能带来的新的刺激几乎涵盖包括流化在内的所有学科。本文还将提供对流化未来长期的争论点。
- 在科学界跌宕起伏的哲学原理
2.1 范式转换的三阶段法
如今，科学知识并不总是在一个线性、连续增加的方式进步，在偶尔也会有阶梯式的跳跃，这已成为一个流行的思想。这样的知识跳跃并不等同于对假设或模型知识本身证明的跳跃，而是我们关注的现象。库恩，1962年在他的名著《科学革命的结构》一书中(库恩，1962)称前循序渐进为暗示日常工作的科学家在一个范例中相对常规“正常的科学”，而后者是周期性的科学革命，目前所谓的“范式转换”、“中科学探究的本质在一个特定的字段是突然改变了”。
比Kuhn更早，在1942年战争期间，一个日本的物理学家Taketani提出他的科学哲学理论，这个理论的逐步发展是基于他与日本第一个诺贝尔奖得主Hideki Yukawa参与的原子物理理论的发展。Taketani一篇题为“牛顿力学的形成”(Taketani，1942)的哲学论文中，他重新审视之前时期介绍船舶科学和技术之间的关系以及在科学哲学的困惑后牛顿力学。对于Taketani而言，逐步的革命性进展应该针对任何想成为有创造力的科学家。相反，他的中心思想是逐步过程本身的结构和实质性的意义或为结构调查研究目标本质做准备。Taketani的观点对于我组织和规划流化方面的研究方向上一直对我很有帮助。他说(Taketani，2001)，科学知识本身的发展有三个阶段：（1）现象学阶段，（2）实体说阶段和（3）实质说阶段。在下面，第二和第三阶段只是分别被称为结构和必要的阶段。（第二和第三阶段的措辞取自(Taketani，2001)。）
很长一段时间，一直相信研究员调查现象、寻找现象背后的本质。这是两级下站在知识方面的进步。Taketani的观点在于，虽然研究从现象学开始，最终以发现一些现象背后的本质或一般原则结束，但之间存在一个需要果断采取行动来达到本质的中间阶段。
如下所述，Taketani强调第二阶段的重要作用。牛顿力学的形成过程中，没有结构阶段太阳能轨道系统的想法尼古拉斯·哥白尼提出了由开普勒，进一步阐述了牛顿运动定律和律法的重力是很难建立和天体运动的规律和世俗的规律就不会统一。知识结构强调了现象背后的实质，帮助我们进行最后至关重要的阶段。
对于那些可以由微分方程描述的现象，一旦发现第一原理，系统可以由微分方程表达。常常忘记，为得到解决方案，我们需要定义的域和真正的组件系统中的作用及其边界和初始条件。因此，第二阶段对应于澄清域，组件和边界条件反向方法的任务，应首先从现象学原理知识。
Taketani(1942)说，正如从日本翻译这篇文章的作者所说：
“第一阶段，现象的描述和/或实验的描述。这个阶段不仅是一个由其他事实对现象深入解释的阶段，还是一个用于收集知识现象得阶段。这是一种特殊的判断，相当于黑格尔的概念论的理论。这是此在的一个肯定，一种特殊特定事实在一个阶段的判断。我将现象学阶段称之为Tycho阶段。
第二，大量的结构现象的发生应该使我们认识到，有了这些知识，有组织的现象的描述应该具有一些一般性的倾向。然而，这些知识的一般倾向只是记录系列事件的发生，然而，并不意味着一个事件一定是紧随其后的是另一个。这是因为它的特点是事后的一个概念性的术语，是一种特殊的判断。它描述了一种特殊的结构在特定的情况下有一个特定的现象。定律在这一阶段作为有意义的实体在其对应的属性。这叫做实体说阶段，即Spinoza-like开普勒阶段。
第三阶段的识别由实体说阶段深入到本质。正如在牛顿的情况下，这是识别各种物质之间的相互作用的定律。不可避免的运动的实体交互，介绍并解释了现象的规律。定律介绍并解释了不可避免的运动实体的交互。这个阶段的特点是谬误一词来诠释的。在概念论的角度来说，一般的判断和概念是分阶段的。澄清一个由实体结构带来的现象，它被命名为实质说阶段。”
Taketani定律(1942)的三个阶段，加上Kuhn(1962)范式理论，有助于我们评估和预测流化科学在较长时间跨度的发展。回顾前流化的历史，让我们审视科学的另一个方面，即技术与社会的关系。
2.2 社会中的科学技术
科学是现在人类社会活动的重要组成部分，主要体现在在两个方面：（1）私人部门的研发，和（2）公共资金资助的研发。科学的一个分支的起伏自现代科学以来非常受财务状况、仪器测量、精密的实验和数值模拟与计算机的最新模型的影响，没有实质性的金融备用很难进行高级研究和高等教育。
学术界和工业界之间的合作是有理由的。它提供了学术研究人员暴露自己真实的未知自然现象和解决这些问题，因为最先进的发展，已知科学定律，原则上是完全适用的，因此，任何问题实现发展的目标，旨在可以包含一些纯粹尚未明确表示的，新的和令人兴奋的未知现象。这几乎是一个传统的流化研究人员被卷入枪击事件的发展和麻烦中。
虽然新的和令人兴奋的未知现象不仅存在于那些先进的发展或冒险中，还在我们的活动中，除了工业社会活动也应该是重要的。
政府资助负责社会活动的各个方面，涉及科学研究和一些包括技术发展在内的风险报道。因此，政府资金促进：（a）科学前沿研究；（b）研究支持包括基因工程、工业信息技术的发展、机器人技术、空间、和其他；（c）研究包括公众和国家利益，如健康、安全、交通控制、能源和环境。
另一方面，研究人员很容易被政治和/或同行评议系统宠坏，使专注于权力，除非公平有效和强大的评估系统功能，然而这在实际情况种似乎非常困难。在经济学和能量平衡方面来说，区分研究计划的好坏是很难的。然而，在最新的应对全球变暖面前，人们对于LCA(生命周期评价)和经济比以前变得更有意识。现在在政府的资助下有更多的公共干预。研究人员在研发方案和结果方面必须准备更多的理由说服纳税人。在这方面，必须放更多的关注在适当的发展上，替代和/或国际米兰-协调技术(Schumacher，1973；Dickson，1973；Cooley1982)，而不是未来的想法。
然而，Taketani(1942)在他的文章中强调相对独立的科学技术发展。他的观点会被理解为理所当然的事，因为他的立场是自然科学。然而，我认为这是更重要的工程科学，科学和技术之间的混乱总是发生在他们与产业合作中。让我们看看Taketani(1942)所说：
我们实践不仅仅是主观的，但所做的总是在目标和外部自然法则之下。这是一个技术活动。因此，只要对自然规律有正确认识和应用，这种做法就是有效的。人类对自然知识通过这样的人类实践历史获得的。知识是实践之钯。因此自然科学有决定性的力量，已经能够打破人类的理解继续沿着自身发展的道路做出令人满意的发展。
根据要求和/或技术做科学的需求进行生产实践？我们可以用如上所述的证据来进行证明。常说，在埃及和巴比伦有伟大的科学技术发展，但其真正意义上尚未出现。最后，在希腊，尽管这是一个几乎没有技术进步，因为他们只继承了前埃及和巴比伦的技术，科学技术起源于伟大的科学时代开始的地方——希腊。相比之下，在罗马时代只是一个技术的时期，那时的科学没有发展。虽然“技术要求”对科学的发展有很大的影响，但起决定性的并不是它，而是有关科学本身队伍的建设。如果自然科学的奠定只有这些技术要求，他们无法对自然有基本的理解，而是只剩下有抓举水平的技术知识，然后在推进人类实践时将变得无助。
这是因为科学收益作为一种文化是独立于部分世界观的。它反映出的自然配置是完全站在技术基础上的。因此，在埃及和巴比伦自然知识的基础上成功得开发了希腊科学技术。在牛顿定律的基础上建立了Renaissance-Manufacture时期的技术基础。然而，这并不意味着生产时期的技术要求科学原理一样，只是作为一种文化影响下开发的文化。
- “第三周期？”和未来
流化技术是现在人类社会不可或缺的核心技术之一。然而，所有的技术基于流化原则，导致石油时代已经被重新审查和修改，以应对全球变暖，气候变化和石油峰值问题。大幅改进现有技术的新发展，如太阳级硅CVD过程和/或铁的生产与温室气体排放量的大幅改善，可以为工业界未来几十年的合作提供新的要求。在这方面，流化科学仍然可以保持其技术基础和动机与行业教育要求。现在，我们需要从我们的角度来看待流化科学——像Taketani所说的一项相对独立于技术本身的活动。
如果第三周期，第三个三十到四十年的流化科学真的存在，我们应该已经在第一次现象学的中间阶段。正如以前发生过的那样，在现象学阶段很容易迷失，因为范式只是一种强烈的兴趣、好奇心和想象。经过70年的研究，应该说流化现象在普通行业几乎已经证明是正确的了。然而，新的潮流应该从他们相关活动的工业实践中碰巧遇到新的麻烦或自相矛盾的现象中产生。同时，像Geldartin 1973年就熟悉且尚未解决的问题可能重现过去的周期。Mooson Kwauk对于颗粒流化和体制问题有关照片的不断的全面综合
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