《化工过程分析与合成》教学内容改革与实践

杜玉朋，田 晖，赵玉潮，任万忠

(烟台大学 化学化工学院，山东 烟台 264005)

化学工程是由化学与机械等学科交叉发展起来的一门工程学科。它是以化学、数学与物理等为基础，研究物料发生化学或物理变化的过程，以及实现该过程所需机械设备或装置的设计、优化与操作。因此，化学工程是一类典型的过程系统[1]。图1示意了化工过程系统工程的发展史。简述之：(1)20世纪20年代，“单元操作”及在此基础上发展的"三传一反"奠定了化学工程学科基础；(2)20世纪40年代，系统工程以系统分析、运筹学和控制论等为理论基础，发展成为研究系统中组织、管理与控制的一门工程学科；(3)随着以石油化工为代表的过程工业在20世纪50年代的蓬勃发展，过程工业走向综合化、大型化和复杂化。随之而来的是，整个化工生产过程的安全防护与环境保护均面临着前所未有的高要求与高标准；(4)20世纪60年代，在化学工程、系统工程和过程控制等学科基础上，将系统思想应用到化工过程工业，从而形成了过程系统工程学科；(5)在接下来的二三十年里，随着计算机的应用日益普及，过程系统理论研究逐步转向工程实际应用，国际上相继开发出PRO/II、HYSYS和ASPEN等通用流程模拟软件，国内青岛化工学院(现青岛科技大学)率先开发了ECSS流程模拟软件(近期在中国石化资助下，开发出OPEN流程模拟软件v1.0版本)；(6)进入21世纪后，随着信息技术与传统制造业的不断融合，智能工厂、工业4.0、中国制造2025等新概念或新思维不断涌现，对过程系统工程的发展提出了新要求。《化工过程分析与合成》课程是面向化工类专业学生，系统讲授过程系统工程知识、培养面向新世纪人才的核心课程，其重要性不言而喻。本文旨在梳理本课程传统教学内容体系，通过结合新时代发展趋势，进行教学内容改革，以期能够为本课程的综合改革提供有益借鉴。

图1 化工过程系统工程发展历程

1 本课程传统教学内容体系

如图2所示，化工过程是对原料(如煤、石油等)进行化学或物理加工、转化成人们日常生活所需产品(如汽车零部件、汽油等)的系统。它需要通过一系列过程单元按照特定形式联结而成，以实现生产过程中的物质与能量交换、输送与存储。因此，一个化工过程系统通常是过程单元及其之间物质流、能量流与信息流的集合。最重要的单元过程是化学反应过程、换热过程和分离过程[2]。而对由单元过程组成的过程系统进行分析、综合与优化则构成了《化工过程分析与合成》课程的核心教学内容。

图2 《化工过程分析与合成》课程教学内容与知识体系

化工过程系统分析：指在过程系统结构及其单元过程或子系统特性已知的情况下，采用计算机为过程系统搭建数学模型，并对其特性进行评价。过程系统分析的主要工具是过程系统模拟。因此，在《化工过程分析与合成》课程中，单元过程、装置和过程系统自由度分析、稳态与动态模拟基本方法(如序贯模块法、联立方程法和联立模块法等)，以及过程模拟软件的学习成为必需。化工过程系统综合：指在已知过程系统特性的前提下，寻求所需系统结构或单元过程，使其按规定的目标进行组合。在设计新装置或改造旧流程时，其通常用于从若干备选方案中筛选最优工艺流程。因此，过程系统综合是本课程的核心内容之一，学习重点包括：反应路径综合、反应网络综合、换热网络综合、分离序列综合、冷热公用工程集成、水系统集成及氢系统集成等理论和方法。

化工过程系统优化主要涉及过程系统参数优化和结构优化两个方面。参数优化是针对工艺流程中每个单元过程或子系统的操作参数进行调优；结构优化则是通过改变单元过程设备或单元间的联结，以达到过程系统最优。过程系统优化贯穿于化工过程设计、操作、控制和管理的各个环节。因此，过程系统最优化方法(如线性规划、非线性规划法和不可行路径法等)是本课程传统学习内容。

2 教学内容改革实践及成效

随着社会发展与科技进步，化工过程系统工程内涵不断外延，如化学产品设计、全生命周期评价，以及大数据与人工智能等近年来蓬勃发展。显然，《化工过程分析与合成》固有的知识体系难以支撑起上述新理论与新方法的学习。因此，笔者在本课程的教学过程中，增加了相关教学内容，并取得了初步成效。

(1)化学产品工程

产品工程是化学工程学科近年来迅速发展的一个重要方向，并被认为是继单元操作、"三传一反"之后化学工程的第三个范式[3]。本质上而言，化学产品工程是面向高附加值产品、实现产品结构可控、定向、高效制备的过程工程，依然属于过程工程的范畴。因此，笔者在《化工过程分析与合成》课程教学过程中增加了化学产品工程或产品设计有关知识，包括产品性质估算方法、分子模拟/量化模拟方法等。

(2)全生命周期评价

生命周期评价(LCA)是对产品或服务"从摇篮到坟墓"整个生命过程造成影响的全面分析与评价。运用LCA可以评估众多不同化工过程替代方案，从中筛选出最优方案。其已经在化工产品设计、废物管理、清洁绿色生产等领域得到广泛应用。因此，笔者在《化工过程分析与合成》课程中增加了化学产品或过程全生命周期评价标准与方法等教学内容，以更好地帮助化工企业选择绿色、可持续的加工方案。

(3)大数据与人工智能

化工生产过程复杂、设备多样，涉及的数据量大、类型多、且分散。借助大数据、人工智能等新一代信息技术建设的数字车间、智能工厂将实现化工企业生产与经营全过程的数字化与自动化，促进两化融合。因此，为顺应新时代发展趋势，笔者在《化工过程分析与合成》课程中增加了大数据、人工智能技术，如数据挖掘和机器学习等教学内容。

通过上述新知识在本课程教学过程中的引入，取得了以下成效：

(1)鉴于上述新增内容多是化学工程与其他学科交叉发展的新兴产物，与传统化工类专业基础知识相比，极大地提升了学生们的学习兴趣，且有利于学生了解与掌握化工新技术和新方法；(2)拓宽了学生的知识面，使其意识到更加宽阔的就业领域或科学研究方向，故有利于化工类专业复合型人才的培养；(3)显著提升了我校化学工程与工艺专业学生全国大学生化工设计竞赛和本科毕业设计作品的质量与水平。

3 结论

化工生产属于过程工业的范畴，《化工过程分析与合成》是化工类专业高等教育核心课程之一，亦在工程教育专业认证中有着举足轻重的支撑作用。然而，本课程传统教学内容陈旧，缺乏新意。因此，笔者结合新时代发展要求，与时俱进，尝试将化学产品工程、生命周期评价和大数据与人工智能等新知识引入本课程的教学，并取得了良好的教学效果，希冀能够促进本课程的综合改革。