1956年，正当郭慕孙在碳氢研究公司从事的煤炭气化、气体净化和空气低温分离等项目刚进入中间试验之际，他毅然放弃了在美国优越的工作和生活条件，与夫人桂慧君一起，带着子女举家回到祖国。1957至1978年的21年时间里，郭慕孙将流态化技术应用于我国不同矿产资源的综合利用上，并建立了广义流态化理论，形成了自己的特色，为我国流态化技术的发展奠定了基础。1978年后，依靠多年的知识积累和洞察能力，他又提出了关于无气泡气固接触的理论体系。

郭慕孙的成就归功于他对科学的执着追求、对事业的勤奋认真和勇于创新，也与他身处逆境仍坚守流态化研究密不可分。据《追求卓越：郭慕孙传》（《追求卓越：郭慕孙传》编写组著，中国科学技术出版社，2015年11月版）记载，早在“文革”前的1963年，国家科委就批准了化工冶金研究所三室主任郭慕孙申请的“100吨/日流态化磁化焙烧贫铁矿中试”项目。中试厂厂址选在安徽马鞍山矿山研究院，郭慕孙亲自领导并组织了中试厂的选址、设计方案审议及建设的全过程。流态化磁化焙烧炉高30多米，设计有7层平台，在建设过程中，郭慕孙总是爬上爬下，对每层平台上的构件、设备进行严格核查。该中试厂于1965年建成。

1966年，“文革”开始，郭慕孙被迫停止科研工作，不能再担任实验室主任指导研究，又因莫须有的罪名被隔离审查长达一年半之久。但这并未改变他报效祖国的初衷，他曾三次奔赴马鞍山，亲临现场指导“两相流态化磁化焙烧贫铁矿”中试热试车间的试验工作。

在工作中他十分重视亲自取得第一手实验资料。在一次投矿热试验中发生了流化床失流故障，排料口也排不出料。经进炉掏矿检查后发现，在燃烧室四个烧嘴处炉壁上方都有较大的烧结瘤块，并向着炉中心延伸，这可能是燃烧室煤气喷嘴的操作不协调而导致流态化床失流。面对当时情形，郭慕孙要求亲自下到炉内考察。考虑到郭慕孙的专家身份，加之他身材较高，在场人员都不同意，但郭慕孙一再坚持要到炉内查看。大家拗不过他，经过严密的布置和准备，最终还是把郭慕孙用安全带捆绑着，从炉顶吊入炉内。此事惊动了马鞍山矿山研究院院长和流态化车间主任等人，他们纷纷赶来阻止，还严厉批评、训斥了在场人员为什么同意郭慕孙进行这种高危险性的观察活动。无奈“生米已经煮成熟饭”，结束炉内考察的郭慕孙心满意足，面含微笑，已静静地站在30多米高的炉顶平台上。郭慕孙终于以“不入虎穴，焉得虎子”的求真精神查明了失流和烧结原因，后来他又参与研制了解决方案。