2025年第四届过程工业中的模拟方法与技术研讨会暨青年论坛

人工智能、大数据和数字孪生等新兴技术正成为过程工业转型升级、绿色低碳发展的强劲动力，而过程模拟仿真作为这些技术的重要依托，其深入创新与交叉融合发展的需求日益紧迫。为了激发模拟仿真、工业信息化、数字化与智能化等领域青年学者科技强国的热情，促进相关学科与技术的发展，培育新生力量，促进产学研各界的广泛交流与合作，中国化工学会过程模拟及仿真专业委员会将于2025年9月19日至21日，在湖南省长沙市举办“第四届过程工业中的模拟方法与技术研讨会暨青年论坛”。

会议由中国化工学会过程模拟及仿真专业委员会主办，中南大学和湘潭大学联合承办。诚邀相关领域的专家学者到会进行交流研讨。

会议内容

会议将围绕化工信息化、数字化、智能化转型升级中模拟仿真理论与技术及应用发展的迫切需求，重点针对以下三方面的主题深入研讨：

基础理论方面，包括模拟仿真的新思路、新原理和新方法，以及针对不同应用场景的模型和算法创新等；

工业应用方面，包括模拟仿真在化工工艺、装备、过程和系统的设计、放大、优化与调控等场景的应用，特别是相关软件与数据库的开发以及针对“双碳”目标的应用；

前沿交叉方面，包括模拟仿真中人工智能和新型硬件技术的应用，以及模拟仿真为人工智能、大数据、数字孪生和虚拟现实等技术提供支撑的途径与实例，以及模拟仿真在微化工、过程强化、生物制造等新兴领域的应用。

以下内容为GPT视角对过程工业中的模拟方法与技术研讨会暨青年论坛相关领域的研究解读，仅供参考：

过程工业中的模拟方法与技术研究现状

一、主要模拟方法与技术分类

稳态模拟（Steady-State Simulation）

应用场景：工艺流程设计、设备选型、能量平衡分析。

技术特点：

基于质量、能量和动量守恒方程，建立代数方程组求解。

常用软件：Aspen Plus、HYSYS、Pro/II等。

研究热点：

多尺度建模：结合分子模拟（如分子动力学、蒙特卡洛）与宏观流程模拟，提升预测精度。

数据驱动模型融合：将实验数据或工业数据与第一性原理模型结合，修正模型参数（如机器学习辅助的参数估计）。

动态模拟（Dynamic Simulation）

应用场景：开停车过程优化、故障诊断、控制策略验证。

技术特点：

引入时间变量，建立微分-代数方程组（DAE）。

常用软件：gPROMS、DYNSIM、OLGA（针对管道流动）。

研究热点：

实时动态模拟：结合数字孪生技术，实现物理系统与虚拟模型的同步运行。

高保真模型：考虑设备老化、结垢等非线性因素，提升长期运行预测能力。

计算流体力学（CFD）

应用场景：反应器内流场分析、传热传质优化、多相流模拟。

技术特点：

基于Navier-Stokes方程，离散化求解流体运动。

常用软件：Fluent、COMSOL、OpenFOAM。

研究热点：

多物理场耦合：结合化学反应、电磁场或颗粒动力学，模拟复杂过程（如电化学反应器）。

大规模并行计算：利用GPU加速，解决工业级复杂问题的计算效率瓶颈。

过程系统优化（Process Systems Engineering, PSE）

应用场景：全厂能量集成、供应链优化、可持续性评估。

技术特点：

结合数学规划（如MINLP）与启发式算法（如遗传算法）。

常用工具：GAMS、Lingo、自定义优化框架。

研究热点：

多目标优化：平衡经济性、安全性和环境影响（如碳足迹最小化）。

不确定性量化：通过概率模型或区间分析处理原料波动、市场价格变化等不确定性。

二、关键技术突破

人工智能与机器学习融合

代理模型（Surrogate Model）：用神经网络或高斯过程替代高计算成本的模拟，加速优化（如反应器设计参数筛选）。

闭环优化：结合强化学习，实现自适应控制策略（如智能PID调节）。

异常检测：利用时序数据（如传感器信号）训练模型，提前预警设备故障。

数字孪生（Digital Twin）

定义：物理实体与虚拟模型的实时交互系统。

应用：

虚拟调试：在新建工厂中减少现场测试时间。

预测性维护：通过模型预测设备剩余寿命（RUL）。

挑战：数据同步、模型更新频率与计算资源平衡。

模块化与标准化

CAPE-OPEN标准：实现不同模拟软件间的数据交换和模块复用。

开源平台：如DWSIM、COCO Simulator，降低中小企业技术门槛。

三、行业应用案例

石油化工

案例：中石化通过动态模拟优化催化裂化装置开停车方案，缩短时间30%。

技术：CFD模拟流化床内颗粒分布，结合稳态模型优化反应条件。

制药行业

案例：辉瑞利用QbD（质量源于设计）理念，通过模拟预测结晶过程参数对药物纯度的影响。

技术：多尺度建模（分子→晶胞→连续相）与实验设计（DoE）结合。

新能源领域

案例：特斯拉4680电池产线通过数字孪生模拟，将产线调试周期缩短50%。

技术：动态模拟与机器视觉反馈闭环控制。

四、挑战与未来方向

挑战

模型复杂性：多物理场耦合模型计算成本高，需平衡精度与效率。

数据质量：工业数据存在噪声、缺失值，影响模型可靠性。

跨学科人才：需同时掌握工艺知识、数学建模和编程能力的复合型人才。

未来方向

边缘计算与5G：实现模拟的分布式实时计算，支持远程运维。

量子计算：探索量子算法在复杂优化问题中的应用潜力。

可持续性导向：开发碳捕集、氢能利用等低碳工艺的专用模拟工具。

过程工业中的模拟方法与技术研究可以应用在哪些行业或产业领域

一、传统过程工业领域

石油与天然气

上游勘探与开采：

油藏模拟：通过数值模型预测油气储量分布及开采效率（如Eclipse、CMG软件）。

多相流模拟：优化井筒-管道系统设计，减少压降和腐蚀（如OLGA软件）。

中游炼化：

全厂优化：结合稳态模拟（如Aspen Plus）和动态模拟（如DYNSIM），优化裂解、重整等装置的能耗和产率。

安全分析：模拟火灾、爆炸等事故场景，设计应急预案（如FLACS软件）。

下游化工：

反应器设计：通过CFD模拟流场分布，优化搅拌器结构或催化剂装填方式（如Fluent）。

分离过程优化：模拟精馏塔内气液传质，减少塔板数或回流比（如Pro/II）。

钢铁与有色金属

高炉炼铁：

多相流模拟：分析炉内煤气流动、铁水滴落行为，优化喷煤量和风温（如OpenFOAM）。

能量集成：通过稳态模拟回收余热，降低吨钢能耗。

电解铝/铜：

电化学模拟：优化电解槽电流分布，减少能耗和阳极效应（如COMSOL）。

槽寿命预测：结合材料老化模型，模拟槽体腐蚀速率，延长使用寿命。

建材与水泥

回转窑煅烧：

热工模拟：分析窑内温度场和物料流动，优化燃料配比和转速（如ANSYS Fluent）。

粉磨系统：

颗粒动力学模拟：优化球磨机研磨介质尺寸和级配，提高粉碎效率（如EDEM）。

二、新兴产业领域

新能源与可再生能源

锂离子电池制造：

电化学-热耦合模拟：优化电极涂布、干燥和卷绕工艺，减少缺陷率（如COMSOL）。

产线数字孪生：通过动态模拟预测设备故障，缩短停机时间（如西门子MindSphere）。

氢能产业链：

电解水制氢：模拟质子交换膜（PEM）电解槽内气体扩散和传质，提升效率（如Aspen Plus Custom Modeler）。

氢储运：通过CFD模拟高压氢气泄漏扩散，设计安全容器结构（如FLACS）。

生物医药与制药

连续制药工艺：

模块化模拟：结合PAT（过程分析技术）实时监控反应参数，实现QbD（质量源于设计）（如gPROMS）。

生物反应器：

多尺度模拟：从分子水平（酶动力学）到宏观水平（细胞生长）预测产物收率（如BioSolve Process）。

半导体与电子材料

化学气相沉积（CVD）：

流场-表面反应耦合模拟：优化气体流量和温度分布，减少薄膜缺陷（如CFD-ACE+）。

湿法蚀刻：

表面粗糙度预测：通过微观模拟控制蚀刻速率均匀性（如COMSOL）。

三、跨行业通用领域

环境保护与碳减排

碳捕集与封存（CCS）：

吸收塔模拟：优化胺液浓度和喷淋密度，降低捕集能耗（如Aspen Plus）。

废水处理：

生物反应器模拟：分析微生物群落代谢路径，提升COD去除率（如BioWin）。

食品与饮料

发酵工艺：

代谢通量分析：模拟酵母或乳酸菌代谢网络，优化产物合成路径（如COBRA Toolbox）。

喷雾干燥：

多相流模拟：优化热风温度和雾化压力，控制粉末粒径分布（如STAR-CCM+）。

航空航天

推进剂燃烧：

湍流燃烧模拟：分析火箭发动机内燃烧稳定性，预防爆震（如CHEMKIN）。

复合材料成型：

热压罐工艺模拟：预测树脂流动和固化收缩，减少缺陷（如PAM-FORM）。

四、典型应用案例

巴斯夫（BASF）的化工装置优化：

通过Aspen Plus稳态模拟和gPROMS动态模拟，将乙烯裂解装置能耗降低15%，同时减少CO₂排放。

特斯拉4680电池产线：

结合数字孪生和机器学习，将产线调试周期从6个月缩短至3个月，单线产能提升3倍。

中国宝武钢铁的智慧高炉：

利用多相流模拟和AI算法，实现高炉炉况实时预测，铁水硅含量波动降低40%。

五、未来趋势与挑战

趋势：

垂直行业专用模拟工具：如针对电池制造的Battery Design Studio、针对半导体工艺的SEMulator3D。

低代码/无代码平台：降低中小企业使用门槛（如DWSIM开源软件）。

量子计算辅助优化：探索复杂非线性问题的全局最优解。

挑战：

数据隐私与安全：跨企业数据共享需解决知识产权保护问题。

模型验证与可信度：需建立行业级标准（如ASME V&V 40标准）评估模拟结果可靠性。

过程工业中的模拟方法与技术领域有哪些知名研究机构或企业品牌

一、国际知名研究机构与高校

美国

麻省理工学院（MIT）

Process Systems Engineering Laboratory (PSEL)：由Paul I. Barton教授领导，专注于动态模拟、优化控制及不确定性量化，开发了开源工具IDAES（Integrated Discrete-Event Advanced Simulation）。

Chemical Engineering Department：在反应器设计、多尺度建模领域处于领先地位，与AspenTech、ExxonMobil等企业合作紧密。

斯坦福大学

Energy Modeling Forum (EMF)：聚焦能源系统模拟与政策分析，其研究成果常被IPCC等国际机构引用。

Department of Chemical Engineering：在CFD与多相流模拟方面有突出贡献，开发了开源软件OpenFOAM的核心模块。

欧洲

德国亚琛工业大学（RWTH Aachen）

AVT.SVT（过程系统工程与热力学研究所）：欧洲最大的化工模拟研究团队之一，主导开发了DWSIM（开源流程模拟软件）和MOSAIC（模块化优化框架）。

SCCER-SOE（瑞士能源系统优化中心）：联合ETH Zurich等机构，专注于可再生能源系统集成模拟。

挪威科技大学（NTNU）

Department of Chemical Engineering：在油气多相流模拟领域全球领先，其开发的OLGA软件是行业标准工具。

亚洲

清华大学

化学工程系过程系统工程课题组：由赵劲松教授领导，在动态优化与智能控制方向取得突破，开发了ProMax（国产流程模拟软件原型）。

新加坡国立大学（NUS）

Process Systems Engineering Group：与Shell、Siemens合作，研究数字孪生在化工装置中的应用，相关成果发表于《Nature Chemistry》。

二、行业领军企业与软件品牌

通用流程模拟软件

AspenTech（美国）

核心产品：Aspen Plus（稳态模拟）、Aspen Dynamics（动态模拟）、Aspen HYSYS（油气专用）。

技术优势：全球市场份额超60%，支持从分子设计到全厂优化的全链条模拟。

行业应用：中石化、巴斯夫等企业均采用其工具进行新装置设计。

Aveva（英国，原Schneider Electric旗下）

核心产品：Pro/II（稳态模拟）、SimCentral Simulation Platform（新一代云原生工具）。

技术优势：与AVEVA E3D设计软件深度集成，支持BIM（建筑信息模型）协同。

动态模拟与控制系统

gPROMS（英国PSE公司，现属Siemens）

核心产品：gPROMS ProcessBuilder（多物理场建模）、gPROMS Digital Twin（数字孪生平台）。

技术优势：方程导向建模，适合复杂反应动力学和相变过程。

行业应用：特斯拉电池产线、辉瑞制药连续工艺均采用其技术。

Honeywell UniSim（美国）

核心产品：UniSim Design Suite（流程模拟）、UniSim Operations（操作员培训）。

技术优势：与霍尼韦尔DCS控制系统无缝对接，支持实时优化。

计算流体力学（CFD）

ANSYS（美国）

核心产品：Fluent（通用CFD）、CFX（旋转机械专用）、Forte（燃烧模拟）。

技术优势：多物理场耦合（如流固热耦合），支持GPU加速。

行业应用：SpaceX火箭发动机燃烧模拟、特斯拉电池热管理设计。

Siemens STAR-CCM+（德国）

核心产品：STAR-CCM+（多相流模拟）、Simcenter 3D（结构-流体协同）。

技术优势：自动化网格生成与后处理，适合复杂几何模型。

专用领域软件

COMSOL Multiphysics（瑞典）

核心产品：多物理场耦合模拟平台，支持电化学、声学、微流体等专项模块。

技术优势：用户自定义方程功能强大，科研机构使用广泛。

BioSolve Process（英国Biopharm Services）

核心产品：生物制药工艺模拟软件，覆盖细胞培养、纯化到灌装全流程。

行业应用：Moderna、Pfizer等新冠疫苗生产优化。

三、开源与新兴技术平台

开源软件生态

DWSIM（巴西/全球社区）

技术特点：基于.NET框架的开源流程模拟工具，支持CAPE-OPEN标准模块。

应用场景：中小企业工艺设计、高校教学。

OpenFOAM（英国OpenCFD Ltd.）

技术特点：全球最流行的开源CFD软件，拥有超过100个求解器模块。

行业应用：航空航天、汽车空气动力学模拟。

新兴技术企业

Cognite（挪威）

核心产品：Cognite Data Fusion（工业数据平台）+ 模拟引擎，支持实时数字孪生。

技术优势：与Aker BP、BP等能源企业合作，实现海上平台预测性维护。

Uptake（美国）

核心产品：工业AI平台，结合模拟与机器学习，优化设备运行效率。

行业应用：卡特彼勒发动机故障预测、埃克森美孚炼厂能效管理。

四、行业联盟与标准化组织

CAPE-OPEN

定位：国际过程模拟软件互操作性标准组织，成员包括AspenTech、Aveva、KBR等。

成果：发布CAPE-OPEN标准接口，实现不同软件间单元模块复用。

NAFEMS（国际计算科学与工程仿真协会）

定位：全球最大的工程仿真认证机构，制定CFD、FEA等领域的最佳实践指南。

培训：提供模拟工程师认证课程（如CFD Engineer Certification）。

五、中国本土力量崛起

高校与研究机构

华东理工大学

国家流程工业智能化重点实验室：在智能优化控制领域取得突破，开发了ECUST-SmartPlant平台。

中国科学院过程工程研究所

多相复杂系统国家重点实验室：在颗粒流模拟、离子液体萃取等方面成果显著。

企业品牌

中控技术

核心产品：SUPSIM流程模拟软件、InPlant数字孪生平台。

技术优势：与自主DCS系统深度集成，服务万华化学、恒力石化等客户。

和利时

核心产品：HollySys模拟优化系统，聚焦石化、冶金行业能效提升。

六、未来趋势与合作方向

技术融合：AI+模拟（如神经网络代理模型）、量子计算+优化算法。

生态共建：软件厂商与云服务商合作（如AspenTech与AWS联合推出云模拟平台）。

产学研联动：MIT-ExxonMobil联合实验室、清华-中石化未来技术学院等模式深化。

过程工业中的模拟方法与技术领域有哪些招聘岗位或就业机会

一、核心岗位类型与职责1. 研发类岗位

流程模拟工程师

职责：开发/优化稳态/动态流程模拟模型（如使用Aspen Plus、gPROMS），进行工艺可行性分析、能耗优化及经济性评估。

典型场景：设计新建化工装置的模拟方案，或对现有装置进行数字化改造。

CFD工程师

职责：通过计算流体力学模拟（如Fluent、OpenFOAM）解决多相流、传热、燃烧等问题，优化设备结构（如反应器、换热器）。

典型场景：分析锂电池干燥炉内气流分布，减少电池片缺陷率。

多物理场耦合建模工程师

职责：结合电化学、热力学、力学等多学科模型（如COMSOL），模拟复杂系统行为（如燃料电池、半导体蚀刻）。

典型场景：优化氢燃料电池质子交换膜的水管理策略。

2. 工程应用类岗位

工艺优化工程师

职责：利用模拟工具（如Pro/II、UniSim）对现有生产装置进行瓶颈分析，提出技改方案并实施。

典型场景：通过模拟降低炼油厂催化裂化装置的焦炭产率。

数字孪生工程师

职责：构建物理设备的虚拟镜像，结合实时数据实现预测性维护、操作优化（如使用Siemens MindSphere、Cognite Data Fusion）。

典型场景：为海上风电平台开发数字孪生系统，预测齿轮箱故障。

控制系统工程师

职责：将模拟模型与DCS/PLC系统集成，设计先进控制策略（如模型预测控制MPC）。

典型场景：在钢铁高炉控制中引入动态模拟，稳定铁水温度波动。

3. IT与数据科学类岗位

工业软件研发工程师

职责：开发过程工业专用模拟软件（如基于Python/C++的求解器、GUI界面），或优化现有工具性能（如并行计算加速）。

典型场景：为国产流程模拟软件ProMax开发反应动力学模块。

AI+模拟工程师

职责：结合机器学习（如神经网络、强化学习）与物理模型，提升模拟效率或发现新规律。

典型场景：用代理模型替代高保真CFD模拟，缩短汽车空调设计周期。

数据治理工程师

职责：构建工业数据中台，清洗/标注模拟所需的历史数据，确保数据质量（如符合CAPE-OPEN标准）。

典型场景：为中石化炼厂建立统一的数据模型，支持多软件协同模拟。

4. 咨询与服务类岗位

模拟技术顾问

职责：为客户提供模拟解决方案（如选型、培训、项目实施），常就职于AspenTech、Aveva等软件厂商或四大咨询公司。

典型场景：帮助某生物制药企业部署gPROMS平台，实现连续工艺的QbD（质量源于设计）。

HSE模拟分析师

职责：通过模拟（如FLACS、Phast）评估火灾、爆炸、泄漏等风险，制定安全预案。

典型场景：为LNG接收站设计应急疏散路线模拟。

二、行业分布与典型企业

行业	典型企业	岗位需求特点
石油天然气	中石油、中石化、Shell、ExxonMobil	侧重油气处理模拟（如HYSYS）、多相流CFD、安全风险分析
化工新材料	巴斯夫、万华化学、陶氏化学	流程优化、反应器设计、数字孪生
新能源	宁德时代、特斯拉、Siemens Gamesa	电池制造模拟（如电化学-热耦合）、风电场流场优化、氢能产业链模拟
制药	辉瑞、Moderna、药明康德	连续制药工艺模拟、生物反应器建模、PAT（过程分析技术）集成
钢铁冶金	宝武钢铁、ArcelorMittal	高炉/转炉动态模拟、能量集成优化、除尘系统CFD
半导体	台积电、ASML、中芯国际	化学气相沉积（CVD）模拟、蚀刻均匀性控制、洁净室气流设计
软件/IT	AspenTech、ANSYS、中控技术	模拟引擎开发、云平台架构、AI算法集成

三、关键技能要求1. 硬技能

工具链：

流程模拟：Aspen Plus/HYSYS、gPROMS、Pro/II

CFD：Fluent、CFX、STAR-CCM+、OpenFOAM

多物理场：COMSOL、MOOSE Framework

编程：Python（用于自动化脚本）、C++（用于高性能计算）、MATLAB（用于算法原型设计）

数据库：SQL（用于数据查询）、Hadoop/Spark（用于大规模数据处理）

领域知识：

化工原理（热力学、反应工程、分离工程）

传热传质学、流体力学、材料科学

控制理论（PID、MPC、模糊控制）

工业协议（OPC UA、Modbus）与物联网（IIoT）

2. 软技能

跨学科协作：与工艺工程师、自动化工程师、数据分析师沟通需求

问题拆解能力：将复杂工业问题转化为可模拟的数学模型

可视化呈现：通过Tecplot、ParaView等工具生成专业报告与动态演示

持续学习：跟踪GTC（NVIDIA GPU技术大会）、AIChE（美国化学工程师学会）等前沿会议

四、职业发展路径1. 技术专家路线

初级工程师（1-3年）：

掌握1-2款主流模拟软件，参与子模块开发或现场调试

薪资范围：国内15-30万/年，海外8-12万美元/年

高级工程师（3-5年）：

独立负责复杂项目（如全厂优化、数字孪生），申请专利/发表论文

薪资范围：国内30-60万/年，海外12-20万美元/年

首席科学家（5年以上）：

引领行业技术标准制定（如参与CAPE-OPEN标准修订），推动技术商业化

薪资范围：国内60万+股票/年，海外20万+期权/年

2. 管理路线

项目经理：

协调跨部门资源，管理模拟项目进度与预算（需PMP认证）

薪资范围：国内25-50万/年，海外10-15万美元/年

技术总监：

制定企业模拟技术战略，与高校/研究机构合作研发

薪资范围：国内80万+分红/年，海外25万+股权/年

五、典型招聘案例

AspenTech（上海）

岗位：Senior Process Simulation Engineer

要求：

5年以上化工流程模拟经验，精通Aspen Plus/DYNSIM

熟悉Python自动化脚本开发

英语流利（需支持全球项目）

薪资：40-60万/年 + 股票期权

宁德时代（宁德）

岗位：电池热管理CFD工程师

要求：

硕士及以上学历，流体力学专业

熟练使用Fluent/Star-CCM+进行共轭传热模拟

有锂电池或电子冷却项目经验者优先

薪资：25-40万/年 + 项目奖金

西门子（北京）

岗位：Digital Twin Solution Architect

要求：

3年以上工业数字孪生经验，熟悉Siemens MindSphere/NX MCD

具备机械+自动化复合背景

持有Six Sigma绿带认证者优先

薪资：35-55万/年 + 差旅补贴

六、行业趋势与建议

趋势：

低代码化：如Aspen Mtell（自助式AI建模工具）降低使用门槛

云原生：模拟软件向SaaS化转型（如Aveva SimCentral）

边缘计算：实时模拟与控制结合（如施耐德EcoStruxure）

建议：

学生：参与Chevron杯化工设计竞赛、COMSOL学术挑战赛积累项目经验

从业者：考取CAPE-OPEN Certified Professional认证，提升跨软件协作能力

转行者：通过Coursera《Process Simulation Fundamentals》课程快速入门