《化工過(guò)程分析與合成》教學(xué)內(nèi)容改革與實(shí)踐

杜玉朋，田 暉，趙玉潮，任萬(wàn)忠

(煙臺(tái)大學(xué) 化學(xué)化工學(xué)院，山東 煙臺(tái) 264005)

化學(xué)工程是由化學(xué)與機(jī)械等學(xué)科交叉發(fā)展起來(lái)的一門(mén)工程學(xué)科。它是以化學(xué)、數(shù)學(xué)與物理等為基礎(chǔ)，研究物料發(fā)生化學(xué)或物理變化的過(guò)程，以及實(shí)現(xiàn)該過(guò)程所需機(jī)械設(shè)備或裝置的設(shè)計(jì)、優(yōu)化與操作。因此，化學(xué)工程是一類(lèi)典型的過(guò)程系統(tǒng)[1]。圖1示意了化工過(guò)程系統(tǒng)工程的發(fā)展史。簡(jiǎn)述之：(1)20世紀(jì)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(xué)工程學(xué)科基礎(chǔ)；(2)20世紀(jì)40年代，系統(tǒng)工程以系統(tǒng)分析、運(yùn)籌學(xué)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(mén)工程學(xué)科；(3)隨著以石油化工為代表的過(guò)程工業(yè)在20世紀(jì)50年代的蓬勃發(fā)展，過(guò)程工業(yè)走向綜合化、大型化和復(fù)雜化。隨之而來(lái)的是，整個(gè)化工生產(chǎn)過(guò)程的安全防護(hù)與環(huán)境保護(hù)均面臨著前所未有的高要求與高標(biāo)準(zhǔn)；(4)20世紀(jì)60年代，在化學(xué)工程、系統(tǒng)工程和過(guò)程控制等學(xué)科基礎(chǔ)上，將系統(tǒng)思想應(yīng)用到化工過(guò)程工業(yè)，從而形成了過(guò)程系統(tǒng)工程學(xué)科；(5)在接下來(lái)的二三十年里，隨著計(jì)算機(jī)的應(yīng)用日益普及，過(guò)程系統(tǒng)理論研究逐步轉(zhuǎn)向工程實(shí)際應(yīng)用，國(guó)際上相繼開(kāi)發(fā)出PRO/II、HYSYS和ASPEN等通用流程模擬軟件，國(guó)內(nèi)青島化工學(xué)院(現(xiàn)青島科技大學(xué))率先開(kāi)發(fā)了ECSS流程模擬軟件(近期在中國(guó)石化資助下，開(kāi)發(fā)出OPEN流程模擬軟件v1.0版本)；(6)進(jìn)入21世紀(jì)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(guó)制造2025等新概念或新思維不斷涌現(xiàn)，對(duì)過(guò)程系統(tǒng)工程的發(fā)展提出了新要求。《化工過(guò)程分析與合成》課程是面向化工類(lèi)專(zhuān)業(yè)學(xué)生，系統(tǒng)講授過(guò)程系統(tǒng)工程知識(shí)、培養(yǎng)面向新世紀(jì)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(xué)內(nèi)容體系，通過(guò)結(jié)合新時(shí)代發(fā)展趨勢(shì)，進(jìn)行教學(xué)內(nèi)容改革，以期能夠?yàn)楸菊n程的綜合改革提供有益借鑒。

圖1 化工過(guò)程系統(tǒng)工程發(fā)展歷程

1 本課程傳統(tǒng)教學(xué)內(nèi)容體系

如圖2所示，化工過(guò)程是對(duì)原料(如煤、石油等)進(jìn)行化學(xué)或物理加工、轉(zhuǎn)化成人們?nèi)粘Ｉ钏璁a(chǎn)品(如汽車(chē)零部件、汽油等)的系統(tǒng)。它需要通過(guò)一系列過(guò)程單元按照特定形式聯(lián)結(jié)而成，以實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)過(guò)程中的物質(zhì)與能量交換、輸送與存儲(chǔ)。因此，一個(gè)化工過(guò)程系統(tǒng)通常是過(guò)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(guò)程是化學(xué)反應(yīng)過(guò)程、換熱過(guò)程和分離過(guò)程[2]。而對(duì)由單元過(guò)程組成的過(guò)程系統(tǒng)進(jìn)行分析、綜合與優(yōu)化則構(gòu)成了《化工過(guò)程分析與合成》課程的核心教學(xué)內(nèi)容。

圖2 《化工過(guò)程分析與合成》課程教學(xué)內(nèi)容與知識(shí)體系

化工過(guò)程系統(tǒng)分析：指在過(guò)程系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及其單元過(guò)程或子系統(tǒng)特性已知的情況下，采用計(jì)算機(jī)為過(guò)程系統(tǒng)搭建數(shù)學(xué)模型，并對(duì)其特性進(jìn)行評(píng)價(jià)。過(guò)程系統(tǒng)分析的主要工具是過(guò)程系統(tǒng)模擬。因此，在《化工過(guò)程分析與合成》課程中，單元過(guò)程、裝置和過(guò)程系統(tǒng)自由度分析、穩(wěn)態(tài)與動(dòng)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(guò)程模擬軟件的學(xué)習(xí)成為必需。化工過(guò)程系統(tǒng)綜合：指在已知過(guò)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(guò)程，使其按規(guī)定的目標(biāo)進(jìn)行組合。在設(shè)計(jì)新裝置或改造舊流程時(shí)，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(guò)程系統(tǒng)綜合是本課程的核心內(nèi)容之一，學(xué)習(xí)重點(diǎn)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(guò)程系統(tǒng)優(yōu)化主要涉及過(guò)程系統(tǒng)參數(shù)優(yōu)化和結(jié)構(gòu)優(yōu)化兩個(gè)方面。參數(shù)優(yōu)化是針對(duì)工藝流程中每個(gè)單元過(guò)程或子系統(tǒng)的操作參數(shù)進(jìn)行調(diào)優(yōu)；結(jié)構(gòu)優(yōu)化則是通過(guò)改變單元過(guò)程設(shè)備或單元間的聯(lián)結(jié)，以達(dá)到過(guò)程系統(tǒng)最優(yōu)。過(guò)程系統(tǒng)優(yōu)化貫穿于化工過(guò)程設(shè)計(jì)、操作、控制和管理的各個(gè)環(huán)節(jié)。因此，過(guò)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(xué)習(xí)內(nèi)容。

2 教學(xué)內(nèi)容改革實(shí)踐及成效

隨著社會(huì)發(fā)展與科技進(jìn)步，化工過(guò)程系統(tǒng)工程內(nèi)涵不斷外延，如化學(xué)產(chǎn)品設(shè)計(jì)、全生命周期評(píng)價(jià)，以及大數(shù)據(jù)與人工智能等近年來(lái)蓬勃發(fā)展。顯然，《化工過(guò)程分析與合成》固有的知識(shí)體系難以支撐起上述新理論與新方法的學(xué)習(xí)。因此，筆者在本課程的教學(xué)過(guò)程中，增加了相關(guān)教學(xué)內(nèi)容，并取得了初步成效。

(1)化學(xué)產(chǎn)品工程

產(chǎn)品工程是化學(xué)工程學(xué)科近年來(lái)迅速發(fā)展的一個(gè)重要方向，并被認(rèn)為是繼單元操作、"三傳一反"之后化學(xué)工程的第三個(gè)范式[3]。本質(zhì)上而言，化學(xué)產(chǎn)品工程是面向高附加值產(chǎn)品、實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品結(jié)構(gòu)可控、定向、高效制備的過(guò)程工程，依然屬于過(guò)程工程的范疇。因此，筆者在《化工過(guò)程分析與合成》課程教學(xué)過(guò)程中增加了化學(xué)產(chǎn)品工程或產(chǎn)品設(shè)計(jì)有關(guān)知識(shí)，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(píng)價(jià)

生命周期評(píng)價(jià)(LCA)是對(duì)產(chǎn)品或服務(wù)"從搖籃到墳?zāi)?整個(gè)生命過(guò)程造成影響的全面分析與評(píng)價(jià)。運(yùn)用LCA可以評(píng)估眾多不同化工過(guò)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(jì)、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(guò)程分析與合成》課程中增加了化學(xué)產(chǎn)品或過(guò)程全生命周期評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)與方法等教學(xué)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(guò)程復(fù)雜、設(shè)備多樣，涉及的數(shù)據(jù)量大、類(lèi)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(chē)間、智能工廠將實(shí)現(xiàn)化工企業(yè)生產(chǎn)與經(jīng)營(yíng)全過(guò)程的數(shù)字化與自動(dòng)化，促進(jìn)兩化融合。因此，為順應(yīng)新時(shí)代發(fā)展趨勢(shì)，筆者在《化工過(guò)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(jī)器學(xué)習(xí)等教學(xué)內(nèi)容。

通過(guò)上述新知識(shí)在本課程教學(xué)過(guò)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(xué)工程與其他學(xué)科交叉發(fā)展的新興產(chǎn)物，與傳統(tǒng)化工類(lèi)專(zhuān)業(yè)基礎(chǔ)知識(shí)相比，極大地提升了學(xué)生們的學(xué)習(xí)興趣，且有利于學(xué)生了解與掌握化工新技術(shù)和新方法；(2)拓寬了學(xué)生的知識(shí)面，使其意識(shí)到更加寬闊的就業(yè)領(lǐng)域或科學(xué)研究方向，故有利于化工類(lèi)專(zhuān)業(yè)復(fù)合型人才的培養(yǎng)；(3)顯著提升了我校化學(xué)工程與工藝專(zhuān)業(yè)學(xué)生全國(guó)大學(xué)生化工設(shè)計(jì)競(jìng)賽和本科畢業(yè)設(shè)計(jì)作品的質(zhì)量與水平。

3 結(jié)論

化工生產(chǎn)屬于過(guò)程工業(yè)的范疇，《化工過(guò)程分析與合成》是化工類(lèi)專(zhuān)業(yè)高等教育核心課程之一，亦在工程教育專(zhuān)業(yè)認(rèn)證中有著舉足輕重的支撐作用。然而，本課程傳統(tǒng)教學(xué)內(nèi)容陳舊，缺乏新意。因此，筆者結(jié)合新時(shí)代發(fā)展要求，與時(shí)俱進(jìn)，嘗試將化學(xué)產(chǎn)品工程、生命周期評(píng)價(jià)和大數(shù)據(jù)與人工智能等新知識(shí)引入本課程的教學(xué)，并取得了良好的教學(xué)效果，希冀能夠促進(jìn)本課程的綜合改革。