杜玉朋，李 硕，田 晖，陈小平，王文华，房德仁，任万忠

(烟台大学 化学化工学院，山东 烟台 264005)

化工类专业是我国高等教育的重要组成部分。根据教育部最新颁布的《普通高等学校本科专业目录(2020年版)》，化工类专业主要包括化学工程与工艺、能源化学工程、化学工程与工业生物工程、制药工程、化工安全工程、资源循环科学与工程、涂料工程和精细化工等。如图1所示，化工类专业课程涵盖人文社科体系(如思想道德修养与法律基础)、数理体系(如高等数学)、化学体系(如有机化学)、工程基础体系(如工程制图)、化工基础体系及选修课体系等六大课程体系。其中，化工基础体系是化工类专业核心课程体系，主要包括化工原理、化工热力学、化学反应工程、化工传递过程、化工分离过程和化工过程分析与合成等课程。此外，近年来随着计算机与信息技术的迅速发展，计算机辅助模拟逐渐在社会各个领域得到普遍应用，化工领域亦在其中。熟练使用专业模拟工具解决化工过程中的复杂工程问题已成为化工类专业工程教育认证中一项重要的毕业要求 。鉴于此，本文针对化工过程时空多尺度现象，分别介绍了分子尺度、装备尺度和流程尺度上计算机辅助模拟方法与软件，及其在化工类专业核心课程教学中的应用，以期能够为面向新工科教育的化工类专业课程教学改革提供参考。

图1 化工类专业六大课程体系及核心专业课程

1 化工过程多尺度特性及计算机辅助模拟

化工过程通过控制物质和能量的转化与传递实现化工产品的生产，涉及从产品结构设计、单元设备加工到工业装置生产与组织等宽广领域[1]。因此，从时间维度上讲，化工过程涉及的物理与化学过程存在着从皮秒(甚至飞秒)到秒(甚至小时)的时间跨度；从空间维度上讲，化工过程多尺度性表现为小到物质分子或原子，大到工业生产装置或工厂。化工过程的时空多尺度特性是化学工业区别于其他制造业的典型特点，对时空多尺度的认识和利用非常有必要[2]。图2所示是化工过程多尺度模型，包括分子/原子尺度、单元设备尺度、工艺过程尺度等。针对各个尺度上物理与化学过程的描述所使用的方法各不相同。在原子/分子尺度上，采用Hartree-Fock(HF)、密度泛函理论(DFT)和蒙特卡洛(MC)等模拟方法，描述原子中的电子和原子核的运动，以及分子间的相互作用，常用模拟软件有COSMO、Materials Studio、Gaussian、VASP和LMMPS等；在单元设备尺度上，采用计算流体力学(CFD)、离散颗粒法(DEM)、直接模拟(DNS)和粗颗粒模型(CGM)等模拟方法，描述装备内部压力、速度、温度、浓度等场分布情况，主流模拟软件包括商用Ansys Fluent、COMSOL和开源OpenFOAM、MFiX等；在工艺流程尺度上，采用序贯模块法(SM)、面向方程法(EO)、联立模块法(SM)等模拟方法，描述工艺过程中各单元过程之间的物质流、能量流与信息流，常用的流程模拟软件主要有国外Aspen Plus/HYSYS、Pro-II、gPROMS和国内ECSS化工之星等。

图2 化工过程多尺度及计算机模拟技术在化工类专业核心课程中的应用

2 计算机模拟在化工类专业核心课程中的应用

2.1 分子模拟在化工热力学与工业催化原理中的应用

化工热力学主要研究化工过程中各种形式的能量之间相互转化的规律及化工过程趋近平衡的限度，为有效利用能量和改进过程提供理论依据。以蒙特卡罗方法为代表的分子模拟技术是从物质微观模型出发，运用统计学方法，导出微观结构与宏观性质之间的关系，例如从分子间相互作用的位能函数和径向分布函数，导出p-V-T关系。

工业催化原理课程具有理论与实际联系紧密、应用性强等特点。主要讲述吸附/脱附过程、反应机理和反应动力学等非均相催化核心理论。以HF和DFT方法为代表的量子模拟技术能够通过计算物质在催化剂位点上的吸附与脱附能，以及界面层厚度、界面层组分的分布、界面张力等性质，获得表面能信息，进而解释催化剂表面上的微观反应历程，填补微观结构与催化性能之间关系的认知鸿沟。

2.2 数值模拟在化工原理、化工传递过程和化学反应工程中的应用

长久以来，对化学工程本质的认识，“单元操作”与“三传一反”相继被提出，且已深入人心。化工原理课程讲授的内容即是“单元操作”，化工传递过程与化学反应工程课程所教授的主体内容是“三传一反”。因此，三门课程在化工类专业培养体系中占据极其重要的地位。化工原理、化工传递过程和化学反应工程等均具有非常强的理论性和实践性，并涉及大量数值计算。由于数值模拟软件能够将化工过程单元设备(如精馏塔、换热器及反应器等)内部速度场、压力场、温度场和物质浓度场分布情况实现可视化，因此采用场分布可视化数值模拟软件进行三门课程的辅助教学，不仅能够丰富教学内容，而且能够加深学生对基础理论的理解与认识。

2.3 流程模拟在化工分离过程、化工工艺学和化工过程分析与合成中的应用

化工分离过程、化工工艺学和化工过程分析与合成等是化工类专业实践性较强的专业课程。三门课程中分离塔序列、换热网络综合、反应器网络综合、工艺水集成等教学内容均需要借助流程模拟软件来完成。特别是一些工艺流程模拟软件(如Aspen Plus)内嵌大量物性数据库和单元操作模型库，基本上涵盖了各类单元操作，并能够满足各类化工过程的设计、模拟与仿真，因此工艺流程模拟已成为化工类专业化工分离过程、化工过程分析与合成等课程重要的教学内容。

3 结论

随着计算机与信息技术的发展，计算机模拟技术在化工过程时空多尺度现象的描述中得到了广泛应用。原子/分子尺度上的量子化学与分子模拟技术、单元设备尺度上的场分布数值模拟技术，以及工艺过程尺度上的流程模拟技术，已逐渐渗透到化工热力学、化工传递过程、化学反应工程，以及化工过程分析与合成等化工类专业核心课程教学之中。计算机辅助模拟技术的应用，不仅能够显著提升学生的学习兴趣、培养学生的思维能力和拓宽学生知识面，而且能够培养学生掌握现代设计工具能力，更加有效地促进工程教育专业认证相关毕业要求的顺利达成。