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(fā)展起來的一門工程學科。它是以化學、數(shù)學與物理等為基礎(chǔ)，研究物料發(fā)生化學或物理變化的過程，以及實現(xiàn)該過程所需機械設(shè)備或裝置的設(shè)計、優(yōu)化與操作。因此，化學工程是一類典型的過程系統(tǒng)[1]。圖1示意了化工過程系統(tǒng)工程的發(fā)展史。簡述之：(1)20世紀20年代，“單元操作”及在此基礎(chǔ)上發(fā)展的"三傳一反"奠定了化學工程學科基礎(chǔ)；(2)20世紀40年代，系統(tǒng)工程以系統(tǒng)分析、運籌學和控制論等為理論基礎(chǔ)，發(fā)展成為研究系統(tǒng)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(yè)在20世紀50年代的蓬勃發(fā)展，過程工業(yè)走向綜合化、大型化和復(fù)雜化。隨之而來的是，整個化工生產(chǎn)過程的安全防護與環(huán)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(tǒng)工程和過程控制等學科基礎(chǔ)上，將系統(tǒng)思想應(yīng)用到化工過程工業(yè)，從而形成了過程系統(tǒng)工程學科；(5)在接下來的二三十年里，隨著計算機的應(yīng)用日益普及，過程系統(tǒng)理論研究逐步轉(zhuǎn)向工程實際應(yīng)用，國際上相繼開發(fā)出PRO/II、HYSYS和ASPEN等通用流程模擬軟件，國內(nèi)青島化工學院(現(xiàn)青島科技大學)率先開發(fā)了ECSS流程模擬軟件(近期在中國石化資助下，開發(fā)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(shù)與傳統(tǒng)制造業(yè)的不斷融合，智能工廠、工業(yè)4.0、中國制造2025等新概念或新思維不斷涌現(xiàn)，對過程系統(tǒng)工程的發(fā)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(yè)學生，系統(tǒng)講授過程系統(tǒng)工程知識、培養(yǎng)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(tǒng)教學內(nèi)容體系，通過結(jié)合新時代發(fā)展趨勢，進行教學內(nèi)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(tǒng)工程發(fā)展歷程

1 本課程傳統(tǒng)教學內(nèi)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(zhuǎn)化成人們?nèi)粘Ｉ钏璁a(chǎn)品(如汽車零部件、汽油等)的系統(tǒng)。它需要通過一系列過程單元按照特定形式聯(lián)結(jié)而成，以實現(xiàn)生產(chǎn)過程中的物質(zhì)與能量交換、輸送與存儲。因此，一個化工過程系統(tǒng)通常是過程單元及其之間物質(zhì)流、能量流與信息流的集合。最重要的單元過程是化學反應(yīng)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(tǒng)進行分析、綜合與優(yōu)化則構(gòu)成了《化工過程分析與合成》課程的核心教學內(nèi)容。

圖2 《化工過程分析與合成》課程教學內(nèi)容與知識體系

化工過程系統(tǒng)分析：指在過程系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及其單元過程或子系統(tǒng)特性已知的情況下，采用計算機為過程系統(tǒng)搭建數(shù)學模型，并對其特性進行評價。過程系統(tǒng)分析的主要工具是過程系統(tǒng)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(tǒng)自由度分析、穩(wěn)態(tài)與動態(tài)模擬基本方法(如序貫?zāi)K法、聯(lián)立方程法和聯(lián)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(tǒng)綜合：指在已知過程系統(tǒng)特性的前提下，尋求所需系統(tǒng)結(jié)構(gòu)或單元過程，使其按規(guī)定的目標進行組合。在設(shè)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(yōu)工藝流程。因此，過程系統(tǒng)綜合是本課程的核心內(nèi)容之一，學習重點包括：反應(yīng)路徑綜合、反應(yīng)網(wǎng)絡(luò)綜合、換熱網(wǎng)絡(luò)綜合、分離序列綜合、冷熱公用工程集成、水系統(tǒng)集成及氫系統(tǒng)集成等理論和方法。

化工過程系統(tǒng)優(yōu)化主要涉及過程系統(tǒng)參數(shù)優(yōu)化和結(jié)構(gòu)優(yōu)化兩個方面。參數(shù)優(yōu)化是針對工藝流程中每個單元過程或子系統(tǒng)的操作參數(shù)進行調(diào)優(yōu)；結(jié)構(gòu)優(yōu)化則是通過改變單元過程設(shè)備或單元間的聯(lián)結(jié)，以達到過程系統(tǒng)最優(yōu)。過程系統(tǒng)優(yōu)化貫穿于化工過程設(shè)計、操作、控制和管理的各個環(huán)節(jié)。因此，過程系統(tǒng)最優(yōu)化方法(如線性規(guī)劃、非線性規(guī)劃法和不可行路徑法等)是本課程傳統(tǒng)學習內(nèi)容。

2 教學內(nèi)容改革實踐及成效

隨著社會發(fā)展與科技進步，化工過程系統(tǒng)工程內(nèi)涵不斷外延，如化學產(chǎn)品設(shè)計、全生命周期評價，以及大數(shù)據(jù)與人工智能等近年來蓬勃發(fā)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(guān)教學內(nèi)容，并取得了初步成效。

(1)化學產(chǎn)品工程

產(chǎn)品工程是化學工程學科近年來迅速發(fā)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(zhì)上而言，化學產(chǎn)品工程是面向高附加值產(chǎn)品、實現(xiàn)產(chǎn)品結(jié)構(gòu)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(chǎn)品工程或產(chǎn)品設(shè)計有關(guān)知識，包括產(chǎn)品性質(zhì)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(chǎn)品或服務(wù)"從搖籃到墳?zāi)?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(yōu)方案。其已經(jīng)在化工產(chǎn)品設(shè)計、廢物管理、清潔綠色生產(chǎn)等領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。因此，筆者在《化工過程分析與合成》課程中增加了化學產(chǎn)品或過程全生命周期評價標準與方法等教學內(nèi)容，以更好地幫助化工企業(yè)選擇綠色、可持續(xù)的加工方案。

(3)大數(shù)據(jù)與人工智能

化工生產(chǎn)過程復(fù)雜、設(shè)備多樣，涉及的數(shù)據(jù)量大、類型多、且分散。借助大數(shù)據(jù)、人工智能等新一代信息技術(shù)建設(shè)的數(shù)字車間、智能工廠將實現(xiàn)化工企業(yè)生產(chǎn)與經(jīng)營全過程的數(shù)字化與自動化，促進兩化融合。因此，為順應(yīng)新時代發(fā)展趨勢，筆者在《化工過程分析與合成》課程中增加了大數(shù)據(jù)、人工智能技術(shù)，如數(shù)據(jù)挖掘和機器學習等教學內(nèi)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(nèi)容多是化學工程與其他學科交叉發(fā)展的新興產(chǎn)物，與傳統(tǒng)化工類專業(yè)基礎(chǔ)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(shù)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(yè)領(lǐng)域或科學研究方向，故有利于化工類專業(yè)復(fù)合型人才的培養(yǎng)；(3)顯著提升了我?；瘜W工程與工藝專業(yè)學生全國大學生化工設(shè)計競賽和本科畢業(yè)設(shè)計作品的質(zhì)量與水平。

3 結(jié)論

化工生產(chǎn)屬于過程工業(yè)的范疇，《化工過程分析與合成》是化工類專業(yè)高等教育核心課程之一，亦在工程教育專業(yè)認證中有著舉足輕重的支撐作用。然而，本課程傳統(tǒng)教學內(nèi)容陳舊，缺乏新意。因此，筆者結(jié)合新時代發(fā)展要求，與時俱進，嘗試將化學產(chǎn)品工程、生命周期評價和大數(shù)據(jù)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。