《化工過程分析與合成》教學內容改革與實踐

杜玉朋，田 暉，趙玉潮，任萬忠

(煙臺大學 化學化工學院，山東 煙臺 264005)

化學工程是由化學與機械等學科交叉發展起來的一門工程學科。它是以化學、數學與物理等為基礎，研究物料發生化學或物理變化的過程，以及實現該過程所需機械設備或裝置的設計、優化與操作。因此，化學工程是一類典型的過程系統[1]。圖1示意了化工過程系統工程的發展史。簡述之：(1)20世紀20年代，“單元操作”及在此基礎上發展的"三傳一反"奠定了化學工程學科基礎；(2)20世紀40年代，系統工程以系統分析、運籌學和控制論等為理論基礎，發展成為研究系統中組織、管理與控制的一門工程學科；(3)隨著以石油化工為代表的過程工業在20世紀50年代的蓬勃發展，過程工業走向綜合化、大型化和復雜化。隨之而來的是，整個化工生產過程的安全防護與環境保護均面臨著前所未有的高要求與高標準；(4)20世紀60年代，在化學工程、系統工程和過程控制等學科基礎上，將系統思想應用到化工過程工業，從而形成了過程系統工程學科；(5)在接下來的二三十年里，隨著計算機的應用日益普及，過程系統理論研究逐步轉向工程實際應用，國際上相繼開發出PRO/II、HYSYS和ASPEN等通用流程模擬軟件，國內青島化工學院(現青島科技大學)率先開發了ECSS流程模擬軟件(近期在中國石化資助下，開發出OPEN流程模擬軟件v1.0版本)；(6)進入21世紀后，隨著信息技術與傳統制造業的不斷融合，智能工廠、工業4.0、中國制造2025等新概念或新思維不斷涌現，對過程系統工程的發展提出了新要求。《化工過程分析與合成》課程是面向化工類專業學生，系統講授過程系統工程知識、培養面向新世紀人才的核心課程，其重要性不言而喻。本文旨在梳理本課程傳統教學內容體系，通過結合新時代發展趨勢，進行教學內容改革，以期能夠為本課程的綜合改革提供有益借鑒。

圖1 化工過程系統工程發展歷程

1 本課程傳統教學內容體系

如圖2所示，化工過程是對原料(如煤、石油等)進行化學或物理加工、轉化成人們日常生活所需產品(如汽車零部件、汽油等)的系統。它需要通過一系列過程單元按照特定形式聯結而成，以實現生產過程中的物質與能量交換、輸送與存儲。因此，一個化工過程系統通常是過程單元及其之間物質流、能量流與信息流的集合。最重要的單元過程是化學反應過程、換熱過程和分離過程[2]。而對由單元過程組成的過程系統進行分析、綜合與優化則構成了《化工過程分析與合成》課程的核心教學內容。

圖2 《化工過程分析與合成》課程教學內容與知識體系

化工過程系統分析：指在過程系統結構及其單元過程或子系統特性已知的情況下，采用計算機為過程系統搭建數學模型，并對其特性進行評價。過程系統分析的主要工具是過程系統模擬。因此，在《化工過程分析與合成》課程中，單元過程、裝置和過程系統自由度分析、穩態與動態模擬基本方法(如序貫模塊法、聯立方程法和聯立模塊法等)，以及過程模擬軟件的學習成為必需。化工過程系統綜合：指在已知過程系統特性的前提下，尋求所需系統結構或單元過程，使其按規定的目標進行組合。在設計新裝置或改造舊流程時，其通常用于從若干備選方案中篩選最優工藝流程。因此，過程系統綜合是本課程的核心內容之一，學習重點包括：反應路徑綜合、反應網絡綜合、換熱網絡綜合、分離序列綜合、冷熱公用工程集成、水系統集成及氫系統集成等理論和方法。

化工過程系統優化主要涉及過程系統參數優化和結構優化兩個方面。參數優化是針對工藝流程中每個單元過程或子系統的操作參數進行調優；結構優化則是通過改變單元過程設備或單元間的聯結，以達到過程系統最優。過程系統優化貫穿于化工過程設計、操作、控制和管理的各個環節。因此，過程系統最優化方法(如線性規劃、非線性規劃法和不可行路徑法等)是本課程傳統學習內容。

2 教學內容改革實踐及成效

隨著社會發展與科技進步，化工過程系統工程內涵不斷外延，如化學產品設計、全生命周期評價，以及大數據與人工智能等近年來蓬勃發展。顯然，《化工過程分析與合成》固有的知識體系難以支撐起上述新理論與新方法的學習。因此，筆者在本課程的教學過程中，增加了相關教學內容，并取得了初步成效。

(1)化學產品工程

產品工程是化學工程學科近年來迅速發展的一個重要方向，并被認為是繼單元操作、"三傳一反"之后化學工程的第三個范式[3]。本質上而言，化學產品工程是面向高附加值產品、實現產品結構可控、定向、高效制備的過程工程，依然屬于過程工程的范疇。因此，筆者在《化工過程分析與合成》課程教學過程中增加了化學產品工程或產品設計有關知識，包括產品性質估算方法、分子模擬/量化模擬方法等。

(2)全生命周期評價

生命周期評價(LCA)是對產品或服務"從搖籃到墳墓"整個生命過程造成影響的全面分析與評價。運用LCA可以評估眾多不同化工過程替代方案，從中篩選出最優方案。其已經在化工產品設計、廢物管理、清潔綠色生產等領域得到廣泛應用。因此，筆者在《化工過程分析與合成》課程中增加了化學產品或過程全生命周期評價標準與方法等教學內容，以更好地幫助化工企業選擇綠色、可持續的加工方案。

(3)大數據與人工智能

化工生產過程復雜、設備多樣，涉及的數據量大、類型多、且分散。借助大數據、人工智能等新一代信息技術建設的數字車間、智能工廠將實現化工企業生產與經營全過程的數字化與自動化，促進兩化融合。因此，為順應新時代發展趨勢，筆者在《化工過程分析與合成》課程中增加了大數據、人工智能技術，如數據挖掘和機器學習等教學內容。

通過上述新知識在本課程教學過程中的引入，取得了以下成效：

(1)鑒于上述新增內容多是化學工程與其他學科交叉發展的新興產物，與傳統化工類專業基礎知識相比，極大地提升了學生們的學習興趣，且有利于學生了解與掌握化工新技術和新方法；(2)拓寬了學生的知識面，使其意識到更加寬闊的就業領域或科學研究方向，故有利于化工類專業復合型人才的培養；(3)顯著提升了我校化學工程與工藝專業學生全國大學生化工設計競賽和本科畢業設計作品的質量與水平。

3 結論

化工生產屬于過程工業的范疇，《化工過程分析與合成》是化工類專業高等教育核心課程之一，亦在工程教育專業認證中有著舉足輕重的支撐作用。然而，本課程傳統教學內容陳舊，缺乏新意。因此，筆者結合新時代發展要求，與時俱進，嘗試將化學產品工程、生命周期評價和大數據與人工智能等新知識引入本課程的教學，并取得了良好的教學效果，希冀能夠促進本課程的綜合改革。