計(jì)算機(jī)引發(fā)化學(xué)工程革命

■ 北京化工大學(xué) 韓正

進(jìn)入21世紀(jì)，隨著科學(xué)技術(shù)的飛速發(fā)展，電子計(jì)算機(jī)的應(yīng)用已經(jīng)滲透到各學(xué)科的每一個(gè)領(lǐng)域之中，各學(xué)科的進(jìn)一步發(fā)展對(duì)計(jì)算機(jī)的依賴程度越來越高，化學(xué)工程學(xué)科也不例外。目前，計(jì)算機(jī)已經(jīng)深入應(yīng)用到化工模擬、計(jì)算化學(xué)和化工制圖等化學(xué)工程學(xué)科的各個(gè)層面之中，對(duì)化學(xué)工程的發(fā)展起著巨大的促進(jìn)推動(dòng)作用?；瘜W(xué)工作者應(yīng)該抓住機(jī)遇，在新時(shí)期努力學(xué)習(xí)計(jì)算機(jī)知識(shí)、熟練掌握運(yùn)用計(jì)算機(jī)，將其應(yīng)用到化工設(shè)計(jì)、化學(xué)計(jì)算中去，使化工學(xué)科能夠更快地發(fā)展。

化學(xué)工程作為一門基礎(chǔ)學(xué)科，長期以來是以實(shí)驗(yàn)為基礎(chǔ)發(fā)展起來的，是一門理論與實(shí)驗(yàn)相結(jié)合的學(xué)科。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)和信息技術(shù)的發(fā)展日新月異，化學(xué)工程的研究中又增加了計(jì)算與計(jì)算機(jī)模擬的方法，它已經(jīng)逐漸成為化學(xué)工程中最富有生命力的研究方法。隨著電子計(jì)算機(jī)在化學(xué)工程中的廣泛應(yīng)用，傳統(tǒng)的化學(xué)工程學(xué)科已逐漸成為一門集實(shí)驗(yàn)、計(jì)算、理論于一體的綜合性學(xué)科。

化工過程模擬

從20世紀(jì)50年代開始，科研工作者就利用計(jì)算機(jī)解算化工過程的數(shù)學(xué)模型，使研究方法出現(xiàn)了一個(gè)革新。經(jīng)過幾十年的發(fā)展，化工過程模擬已經(jīng)成為普遍采用的常規(guī)手段，被廣泛應(yīng)用于化工過程的研究、開發(fā)、設(shè)計(jì)、生產(chǎn)操作的控制與優(yōu)化、操作培訓(xùn)和技術(shù)改造之中。

一、流程模擬

化工過程流程模擬或流程模擬是根據(jù)化工過程的數(shù)據(jù)，諸如物料的壓力、溫度、流量、組成和有關(guān)的工藝操作條件、工藝規(guī)定、產(chǎn)品規(guī)格以及一定的設(shè)備參數(shù)，如蒸餾塔的板數(shù)、進(jìn)料位置等，采用適當(dāng)?shù)哪M軟件，將一個(gè)有許多個(gè)單元過程組成的化工流程用數(shù)學(xué)模擬描述，用計(jì)算機(jī)模擬實(shí)際生產(chǎn)過程，并在計(jì)算機(jī)上通過改變各種有效條件得到所需要的結(jié)果，其中包括最受關(guān)心的原材料消耗、公用工程消耗和產(chǎn)品、副產(chǎn)品的產(chǎn)量和質(zhì)量等重要數(shù)據(jù)。

流程模擬就是在計(jì)算機(jī)上“再現(xiàn)”實(shí)際生產(chǎn)過程，由于這一“再現(xiàn)”過程不涉及實(shí)際裝置的任何管線、設(shè)備以及能源的變動(dòng)，因此給化工模擬人員最大的自由度，可以在計(jì)算機(jī)上任意進(jìn)行不同方案和工藝條件的探討、分析。流程模擬式計(jì)算機(jī)技術(shù)是化工方面的最重要應(yīng)用之一。應(yīng)用流程模擬系統(tǒng)不僅可以節(jié)省時(shí)間，也可節(jié)省大量資金和操作費(fèi)用，提高產(chǎn)品質(zhì)量和產(chǎn)量，降低消耗。流程模擬系統(tǒng)還可以對(duì)經(jīng)濟(jì)效益、過程優(yōu)化、環(huán)境評(píng)價(jià)進(jìn)行全面地分析和精確評(píng)估，并可以對(duì)化工過程的規(guī)劃、研究和開發(fā)及技術(shù)可靠性做出分析，并快速準(zhǔn)確地對(duì)多種流程方案進(jìn)行分析和對(duì)比。

二、單元模擬

化工工業(yè)處理的過程是以質(zhì)量、動(dòng)量和能量的連續(xù)流動(dòng)為特征，傳統(tǒng)手段對(duì)這一過程的處理很大程度上是依靠經(jīng)驗(yàn)以及一些宏觀參數(shù)表達(dá)的經(jīng)驗(yàn)關(guān)系式。現(xiàn)代流程模擬技術(shù)中，絕大部分單元過程仍被處理為“黑箱”模型，對(duì)流動(dòng)、傳質(zhì)、熱、反應(yīng)比較敏感的單元過程的設(shè)計(jì)、放大，需要了解有關(guān)質(zhì)量、動(dòng)量、能量流更多微觀和深入的信息，單元模擬技術(shù)就是為了解決這一問題而產(chǎn)生的。

在單元模擬過程中，單元內(nèi)部的介質(zhì)基本是多組分或多相的，傳質(zhì)、傳熱、反應(yīng)過程相互耦合。單元模擬技術(shù)通過離散方法求解這一耦合體系，以獲得空間和時(shí)間的速度分布、溫度分布、壓力分布、濃度分布、相分?jǐn)?shù)分布等。單元模擬技術(shù)可以提供傳統(tǒng)手段難以獲得的大量信息，如單元過程內(nèi)部所有參數(shù)的空間分布和動(dòng)態(tài)變化，通過這些信息可以深入理解單元過程內(nèi)部的機(jī)理，在發(fā)生異常時(shí)亦有助于分析原因。因此，它是一種低成本的調(diào)優(yōu)手段，當(dāng)結(jié)構(gòu)形式或結(jié)構(gòu)參數(shù)變化后，單元過程內(nèi)部隨工藝參數(shù)和操作參數(shù)而變化的過程，可以在計(jì)算機(jī)上很方便地進(jìn)行試驗(yàn)，直接用于優(yōu)化和改造手段，而且單元模擬的計(jì)算不是經(jīng)驗(yàn)性的，比較可靠，目前單元模擬主要用于化工生產(chǎn)的工程放大、優(yōu)化設(shè)計(jì)、診斷及擴(kuò)能改造、生產(chǎn)調(diào)優(yōu)及控制四個(gè)方面。

三、反應(yīng)動(dòng)力學(xué)模擬

化學(xué)反應(yīng)動(dòng)力學(xué)是一門研究各種因素對(duì)反應(yīng)速率的影響規(guī)律和反應(yīng)機(jī)理的科學(xué)，在根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果和對(duì)反應(yīng)機(jī)理研究的基礎(chǔ)上建立了化學(xué)反應(yīng)動(dòng)力學(xué)方程，它們對(duì)反應(yīng)器的設(shè)計(jì)、最優(yōu)化條件的選擇都是必不可少的理論基礎(chǔ)。

目前所采用的物理化學(xué)教材對(duì)一系列對(duì)峙、平行、連續(xù)等復(fù)雜反應(yīng)的動(dòng)力學(xué)方程僅給出分離變量法或消元法等單一的數(shù)學(xué)處理方法，這種方法對(duì)于非常簡單的復(fù)雜反應(yīng)可以求出解析解，但大多數(shù)化學(xué)反應(yīng)的反應(yīng)機(jī)理非常復(fù)雜，由于從反應(yīng)機(jī)理得到的微分方程組，非常不便求解，因此借助電子計(jì)算機(jī)用數(shù)值解法，可以方便地求解從反應(yīng)機(jī)理得到的微分方程組。

計(jì)算機(jī)模擬在復(fù)雜化學(xué)反應(yīng)動(dòng)力學(xué)的計(jì)算中有著廣泛的應(yīng)用，通過計(jì)算機(jī)模擬計(jì)算得到的結(jié)果可以預(yù)知反應(yīng)過程中各反應(yīng)物質(zhì)濃度的變化，通過對(duì)連續(xù)反應(yīng)最佳時(shí)間的計(jì)算可以控制反應(yīng)時(shí)間以得到所需要的物質(zhì)的最大濃度，通過計(jì)算平行反應(yīng)和對(duì)峙放熱反應(yīng)最佳溫度，可以控制反應(yīng)溫度，優(yōu)化反應(yīng)條件，使生成產(chǎn)物的速率達(dá)到最大值，這些計(jì)算機(jī)模擬計(jì)算的數(shù)值可以為實(shí)際工業(yè)生產(chǎn)中工藝條件的控制以及反應(yīng)器的設(shè)計(jì)提供重要的參考數(shù)據(jù)。

四、分子模擬

從分子水平來研究化工過程及產(chǎn)品的開發(fā)和設(shè)計(jì)，無疑是21世紀(jì)化學(xué)工程的一個(gè)重要方向，計(jì)算機(jī)模擬研究已漸成為與實(shí)驗(yàn)研究及理論研究相平衡的認(rèn)識(shí)自然規(guī)律的第三種重要方法?；崃W(xué)數(shù)據(jù)對(duì)于化學(xué)工業(yè)過程的設(shè)計(jì)、操作以及優(yōu)化具有重要的作用。熱力學(xué)數(shù)據(jù)一般通過三個(gè)途徑取得：即實(shí)驗(yàn)測(cè)定、理論總結(jié)及計(jì)算機(jī)分子模擬。通過計(jì)算機(jī)分子模擬，可以較為嚴(yán)格地從流體的微觀相互作用出發(fā)，預(yù)測(cè)流體的宏觀熱力學(xué)性質(zhì)。特別是在一些極端的條件(如高溫、高壓、劇毒)下，進(jìn)行實(shí)驗(yàn)是很困難的，計(jì)算機(jī)模擬則較易實(shí)現(xiàn)，并且比較經(jīng)濟(jì)。采用計(jì)算機(jī)分子模擬方法，可以得到相當(dāng)可靠的熱力學(xué)體系的徑向分布函數(shù)、宏觀熱力學(xué)性質(zhì)以及輸運(yùn)性質(zhì)，這為我們建立與改進(jìn)各種描述實(shí)際現(xiàn)象的理論或模型提供可靠的依據(jù)。

計(jì)算化學(xué)

化學(xué)是一門基礎(chǔ)性學(xué)科，是以實(shí)驗(yàn)為基礎(chǔ)發(fā)展起來的理論與實(shí)驗(yàn)相結(jié)合的學(xué)科，隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)在化學(xué)學(xué)科中的廣泛應(yīng)用，逐漸形成了應(yīng)用計(jì)算機(jī)研究化學(xué)反應(yīng)和物質(zhì)變化的獨(dú)立學(xué)科，它以計(jì)算機(jī)為技術(shù)手段，進(jìn)行化學(xué)反應(yīng)方面的數(shù)值計(jì)算，這就是計(jì)算化學(xué)。

計(jì)算化學(xué)是理論化學(xué)的重要分支，是利用電子計(jì)算機(jī)、通過數(shù)值計(jì)算解決化學(xué)問題的一門方法學(xué)。計(jì)算化學(xué)是一門新興的、多學(xué)科交叉的邊緣科學(xué)，它運(yùn)用數(shù)學(xué)、統(tǒng)計(jì)學(xué)與計(jì)算機(jī)程序設(shè)計(jì)的方法，進(jìn)行化學(xué)方面的理論計(jì)算、實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)、數(shù)據(jù)與信息處理、分類、分析和預(yù)測(cè)。隨著化學(xué)儀器對(duì)自動(dòng)化要求越來越高，許多化學(xué)實(shí)驗(yàn)過程用人工進(jìn)行控制相當(dāng)困難，需要可靠的控制技術(shù)系統(tǒng)，因此計(jì)算機(jī)計(jì)算模擬技術(shù)從根本上改變了化學(xué)實(shí)驗(yàn)技術(shù)。

計(jì)算化學(xué)以數(shù)值計(jì)算為基礎(chǔ)，用高級(jí)語言及其編程技術(shù)，解決化學(xué)中的數(shù)值計(jì)算問題，它將數(shù)學(xué)的計(jì)算方法通過計(jì)算機(jī)程序具體地應(yīng)用于化學(xué)過程中，通常用來研究化學(xué)中一些常用的、共同的、較為常見的計(jì)算方法，是化學(xué)計(jì)算的核心。實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的內(nèi)插、函數(shù)擬合、線性方程組求解、高階方程組求解、解微分方程組、求本征值與本征向量等，它們均與化學(xué)中量子化學(xué)、分析化學(xué)、化學(xué)平衡、化學(xué)動(dòng)力學(xué)和試驗(yàn)數(shù)據(jù)處理等密切相關(guān)?，F(xiàn)代計(jì)算化學(xué)技術(shù)的發(fā)展，已經(jīng)能夠?qū)⒏鞣N化學(xué)性質(zhì)與分子結(jié)構(gòu)之間的關(guān)系定量地聯(lián)系起來，化學(xué)因此正從實(shí)驗(yàn)科學(xué)邁向?qū)嶒?yàn)、計(jì)算、理論相結(jié)合的綜合性學(xué)科，化學(xué)已經(jīng)由多實(shí)驗(yàn)少計(jì)算，演變?yōu)橄葘?shí)驗(yàn)再計(jì)算，也必將逐步演變?yōu)橄扔?jì)算再實(shí)驗(yàn)。

目前計(jì)算化學(xué)在無機(jī)化學(xué)、分析化學(xué)、有機(jī)化學(xué)、物理化學(xué)、結(jié)構(gòu)化學(xué)中都有廣泛地運(yùn)用，具體來說，計(jì)算化學(xué)要完成的任務(wù)主要有量子結(jié)構(gòu)計(jì)算、分子從頭計(jì)算、半經(jīng)驗(yàn)計(jì)算和分子力學(xué)計(jì)算等量子化學(xué)和結(jié)構(gòu)化學(xué)范疇，以及物理化學(xué)參數(shù)計(jì)算，包括反應(yīng)焓、偶極距、振動(dòng)頻率、光譜熵、反應(yīng)自由能、反應(yīng)速率等理論計(jì)算，這些屬于化學(xué)熱力學(xué)、化學(xué)動(dòng)力學(xué)及統(tǒng)計(jì)熱力學(xué)范疇。在計(jì)算化學(xué)中，數(shù)值計(jì)算是最根本的任務(wù)，其目的是將已知參數(shù)通過適當(dāng)?shù)臄?shù)學(xué)計(jì)算得到一個(gè)預(yù)期的結(jié)果，這個(gè)結(jié)果可以和實(shí)驗(yàn)結(jié)果相比較，也可以和前人的研究成果相比較，最終得出結(jié)論，用來指導(dǎo)化學(xué)實(shí)驗(yàn)的實(shí)施。

計(jì)算機(jī)制圖

化學(xué)工程設(shè)計(jì)具體的任務(wù)涉及物料衡算、能量衡算、廠區(qū)布置圖繪制、車間布置圖繪制、設(shè)備裝備圖繪制、管道布置圖繪制、帶控制點(diǎn)工藝流程圖繪制、設(shè)備選型及強(qiáng)度校核計(jì)算等許多工作，如此眾多繁雜的工作，如能引入計(jì)算機(jī)輔助，將大大減輕化工設(shè)計(jì)工作的強(qiáng)度。

過去那種利用普通紙筆繪制化工圖樣、利用計(jì)算尺和計(jì)算器進(jìn)行的各種計(jì)算將被計(jì)算機(jī)軟件應(yīng)用所取代。計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)制圖和普通制圖相比不僅具有繪制精確、圖面整潔等優(yōu)點(diǎn)，而且還具有隨意修改、重復(fù)利用、按需打印等普通手工繪制無法具備的特點(diǎn)，利用計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)進(jìn)行化工工程圖繪制已經(jīng)是21世紀(jì)的基本趨勢(shì)。

計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)（ComputerAidedDesign，CAD）是工程技術(shù)人員以計(jì)算機(jī)為工具，對(duì)產(chǎn)品和工程進(jìn)行設(shè)計(jì)、繪圖、造型、分析和編寫技術(shù)文檔等涉及活動(dòng)的總稱，用于計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)的軟件有很多，其中以AutoCAD（Auto ComputerAidedDesign）軟件通用性最高，應(yīng)用最為廣泛。由于AutoCAD具有高速計(jì)算、數(shù)據(jù)處理、大容量存儲(chǔ)和強(qiáng)大的繪圖編輯功能，所以在化工設(shè)計(jì)領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。它利用計(jì)算的方便、快速、精確、重復(fù)利用、人工智能等優(yōu)點(diǎn)來幫助人們解決在設(shè)計(jì)過程中碰到的所有問題。

AutoCAD是專門用于計(jì)算機(jī)繪圖設(shè)計(jì)工作的通用計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)軟件包，是當(dāng)今各種設(shè)計(jì)領(lǐng)域廣泛使用的現(xiàn)代化繪圖工具，在化工領(lǐng)域也不例外。該軟件具有強(qiáng)大的化工制圖功能，不但能夠用來繪制一般的二維工程圖，而且能夠進(jìn)行三維實(shí)體造型，生成三位真實(shí)感的圖形。另外還可以在這個(gè)基礎(chǔ)上進(jìn)行二次開發(fā)，形成更為廣闊的專業(yè)應(yīng)用領(lǐng)域。用AutoCAD繪制化工圖樣，可以采用人機(jī)對(duì)話的方式，也可以采用變成的方式。由于AutoCAD適用面廣、易學(xué)易用，所以它成為化工設(shè)計(jì)人員最喜歡的CAD軟件之一，在國內(nèi)外化工界應(yīng)用十分廣泛。