化工熱力學(xué):從基團(tuán)貢獻(xiàn)法到計(jì)算機(jī)輔助分子設(shè)計(jì)

石文濤 臧婷婷 王志超 劉 暢

(南京工業(yè)大學(xué)化工學(xué)院，江蘇 南京 211800)

1 化工熱力學(xué)的發(fā)展歷史

1.1 傳統(tǒng)化工的特點(diǎn):過程工程

現(xiàn)代化學(xué)工業(yè)起源于蒸汽革命時(shí)代，氯堿工業(yè)的發(fā)展，為紡織行業(yè)提供了充足的原料保證。合成氨工業(yè)的發(fā)展，解決了千百年來制約農(nóng)業(yè)發(fā)展的肥料限制。20世紀(jì)初石油工業(yè)的蓬勃發(fā)展，提供的合成樹脂，合成橡膠，合成纖維，更是極大的滿足了人類的衣食住行多方面需求，使人類的發(fā)展進(jìn)入了快車道。在這個(gè)過程中，人們關(guān)注的是如何實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品生產(chǎn)過程怎么降低能耗，提高收率。逐漸的，人們總結(jié)出不同產(chǎn)品生產(chǎn)過程中的共性規(guī)律，即雖然生產(chǎn)的產(chǎn)品千變?nèi)f化，但生產(chǎn)過程總是基本由蒸餾、吸收、萃取、結(jié)晶、吸附等工序組成，由此形成單元操作的概念。之后進(jìn)一步提煉形成以“三傳一反”為核心的現(xiàn)代化工學(xué)科。由此，化學(xué)工業(yè)也被稱為是過程工業(yè)。

1.2 化工熱力學(xué)的任務(wù):測定和預(yù)測熱力學(xué)性質(zhì)

長久以來，化工熱力學(xué)在化工學(xué)科中一直處于基礎(chǔ)地位，為各種化工流程的設(shè)計(jì)優(yōu)化提供焓值、熵值、比熱、粘度等熱力學(xué)基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。為此，研究者一方面要精確測定各種體系的熱力學(xué)數(shù)據(jù)，另一方面，要想方設(shè)法建立模型來關(guān)聯(lián)或預(yù)測熱力學(xué)性質(zhì)。以減少實(shí)驗(yàn)測定的巨大工作量，并為過程優(yōu)化的提供條件。對于石油化工行業(yè)最常見的有機(jī)物體系，由于結(jié)構(gòu)紛繁復(fù)雜，單純通過實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)回歸無法預(yù)測新體系的熱力學(xué)性質(zhì)。據(jù)統(tǒng)計(jì)現(xiàn)有近400萬種有機(jī)化合物，且就熱力學(xué)性質(zhì)而論，現(xiàn)在研究透徹的元素和化合物只有100種左右。單純依賴實(shí)驗(yàn)測定，不僅工作量巨大，而且對于系統(tǒng)優(yōu)化也不方便使用，因此有必要根據(jù)給定的研究體系，發(fā)展合適的熱力學(xué)方法來進(jìn)行計(jì)算和預(yù)測。

美國加州伯克利大學(xué)Prausnitz院士為此提出分子熱力學(xué)的概念，將分子的結(jié)構(gòu)與其熱力學(xué)性質(zhì)進(jìn)行關(guān)聯(lián)，發(fā)展出一系列的熱力學(xué)方法來預(yù)測有機(jī)物體系熱力學(xué)性質(zhì)。尤其以所發(fā)展的UNIFAC方法(基團(tuán)貢獻(xiàn)法)被廣泛采用。這種方法可以對給定結(jié)構(gòu)的復(fù)雜有機(jī)分子，通過劃分基本單元，通過組合，計(jì)算出它的熱力學(xué)性質(zhì)。此后，基團(tuán)貢獻(xiàn)法估算化合物的物理性質(zhì)及化學(xué)性質(zhì)得到了迅速的發(fā)展［1～4］，它即可預(yù)測純物質(zhì)的各種物理性質(zhì)(如熔點(diǎn)、沸點(diǎn)、臨界參數(shù)、表面張力、粘度、折光率、熱導(dǎo)系數(shù)和摩爾體積等)，也能預(yù)測純物質(zhì)的各種熱力學(xué)性質(zhì)(如熱容、汽化熱、飽和蒸汽壓、標(biāo)準(zhǔn)生成熱、標(biāo)準(zhǔn)熵和標(biāo)準(zhǔn)生成Gibbs自由能等)，另外基團(tuán)貢獻(xiàn)方法還可以預(yù)測混合物的熱力學(xué)性質(zhì)(如活度系數(shù)、超額焓)。

1.3 基團(tuán)貢獻(xiàn)法估算原理

在這里簡單介紹UNIFAC基團(tuán)貢獻(xiàn)法對液體粘度的估算?；衔锏囊后w粘度是化學(xué)工程過程計(jì)算，分析和設(shè)計(jì)中所需的基本物理性質(zhì)之一。如利用對應(yīng)狀態(tài)基團(tuán)貢獻(xiàn)法［5］計(jì)算乙苯的液體粘度步驟如圖1所示:

圖1 對應(yīng)狀態(tài)基團(tuán)貢獻(xiàn)法估算乙苯的粘度Fig 1 Corresponding state group contribution to estimate the viscosity of ethylbenzene

對應(yīng)狀態(tài)基團(tuán)貢獻(xiàn)法(CSGC－VK)方法的數(shù)學(xué)形式如下:

在320.26K下，通過CSGC－VK方程計(jì)算的液體粘度值為0.478cP，乙苯的液體粘度的實(shí)驗(yàn)值為0.491cP誤差為2.95%?？梢娀鶊F(tuán)貢獻(xiàn)法可以由少量已知數(shù)據(jù)，去估算大量未知物質(zhì)屬性。通過基團(tuán)貢獻(xiàn)法，我們不僅僅可以估算粘度，還可以估算表面張力，熱容等一系列熱力學(xué)性質(zhì)。

1.4 傳統(tǒng)化工的缺陷

傳統(tǒng)化工強(qiáng)調(diào)過程工程，只強(qiáng)調(diào)如何高效的將產(chǎn)品大量的生產(chǎn)出來，至于產(chǎn)品是否存在環(huán)境危害等則通常不考慮。例如制冷劑氟利昂的開發(fā)。因?yàn)榉壕哂辛己玫闹评湫Ч?，而且穩(wěn)定、不易燃、不腐蝕且無毒，于是被大量生產(chǎn)使用。但是后來人們發(fā)現(xiàn)，氟利昂排放到大氣中會在紫外線的作用下分解，產(chǎn)生自由基來破壞臭氧分子，進(jìn)而造成臭氧空洞。農(nóng)藥666(六氯環(huán)己烷)的研制也有相似的歷史過程。在工業(yè)上是由苯與氯氣在紫外線照射下合成的新分子。主要用于防治蝗蟲、小麥吸漿蟲和蚊、臭蟲等，但是其化學(xué)結(jié)構(gòu)決定了它的高穩(wěn)定性，所以難以降解。因此殘留污染不可避免，隨著生物鏈它可以進(jìn)入人體和牲畜，影響改變生物體內(nèi)最重要的生命活動過程，從而造成危害甚至致命的后果。

2 未來化工熱力學(xué)

2.1 化工的發(fā)展方向:產(chǎn)品工程

最近，美國普林斯頓大學(xué)James Wei院士提出化工的未來發(fā)展之路是產(chǎn)品工程［6］。對于傳統(tǒng)的過程設(shè)計(jì)，需要根據(jù)所要生產(chǎn)的產(chǎn)品和數(shù)量，開發(fā)成本最低、利潤最大、效率最高的過程。基本目標(biāo)是經(jīng)濟(jì)，同時(shí)考慮安全、控制和環(huán)境等因素。產(chǎn)品工程不僅注重單元和過程的效率，更需以產(chǎn)品的功能符合用戶需求為目標(biāo)。產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)和性質(zhì)的關(guān)系是化學(xué)產(chǎn)品工程研究的中心內(nèi)容。在產(chǎn)品設(shè)計(jì)中，產(chǎn)品工程人員必須預(yù)測分子結(jié)構(gòu)對產(chǎn)品性質(zhì)影響，從而尋找和設(shè)計(jì)滿足期望性質(zhì)的目標(biāo)分子或混合物，或?yàn)橐延械奈镔|(zhì)找到新的性質(zhì)或用途。

2.2 面向產(chǎn)品工程的化工熱力學(xué):計(jì)算機(jī)輔助分子設(shè)計(jì)

計(jì)算機(jī)輔助分子設(shè)計(jì)(CAMD)［7］是指通過計(jì)算機(jī)技術(shù)在已有化學(xué)知識的基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)具有特定性能的化合物，其設(shè)計(jì)過程是圍繞著實(shí)現(xiàn)特定功能這一核心任務(wù)，通過不斷反復(fù)地修訂、評估分子結(jié)構(gòu)，并與實(shí)驗(yàn)結(jié)果相結(jié)合，最終設(shè)計(jì)出滿意的化合物。

分子設(shè)計(jì)的主要依據(jù)是分子結(jié)構(gòu)和性能之間的關(guān)系，這里涉及兩方面的問題要解決，如圖2分子設(shè)計(jì)問題的組成，正方向是對給定結(jié)構(gòu)的化合物分子計(jì)算其宏觀性質(zhì);而反方向則是由給定宏觀性質(zhì)的要求來確定適當(dāng)?shù)姆肿咏Y(jié)構(gòu)。分子設(shè)計(jì)是分子結(jié)構(gòu)性質(zhì)關(guān)系的一種逆向思維。

圖2 分子設(shè)計(jì)問題的組成Fig 2 Composition of molecular design problems

基團(tuán)貢獻(xiàn)法通過已知分子結(jié)構(gòu)來估算其熱力學(xué)性質(zhì)，其基本假定是:純物質(zhì)或混合物的物理化學(xué)性質(zhì)等于構(gòu)成此純物質(zhì)或混合物的基團(tuán)對于此性質(zhì)的貢獻(xiàn)值的總和，各物質(zhì)物性可通過其基團(tuán)貢獻(xiàn)值的加和求得。而計(jì)算機(jī)輔助分子設(shè)計(jì)則是通過一個(gè)或幾個(gè)性質(zhì)來推算可能的分子結(jié)構(gòu)，或者多個(gè)分子組成的混合物，這使得可能的分子結(jié)構(gòu)或混合物數(shù)量極其龐大，對于這樣一個(gè)大數(shù)據(jù)任務(wù)，需要發(fā)展有效的搜索策略來實(shí)現(xiàn)。若能結(jié)合人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法等方法，將使分子設(shè)計(jì)更加有效。

因此，當(dāng)化工熱力學(xué)面向產(chǎn)品工程時(shí)，其任務(wù)也將從簡單的根據(jù)現(xiàn)有分子結(jié)構(gòu)來預(yù)測其性質(zhì)，轉(zhuǎn)變?yōu)楦鶕?jù)需要的性能，從已知分子和材料的數(shù)據(jù)庫中，通過計(jì)算機(jī)輔助分子設(shè)計(jì)來篩選相應(yīng)的分子及混合物。其中分子和材料的數(shù)據(jù)庫，我們可通過查詢已有的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)以及基于基團(tuán)貢獻(xiàn)法的物性估算數(shù)據(jù)建立。在這個(gè)過程中，化工熱力學(xué)不再是從屬地位，而是成為產(chǎn)品工程的核心。

2.3 虛擬生產(chǎn)過程設(shè)計(jì)軟件介紹

丹麥工業(yè)大學(xué)的Gani教授圍繞面向產(chǎn)品工程的計(jì)算機(jī)輔助分子設(shè)計(jì)，開發(fā)出虛擬生產(chǎn)過程設(shè)計(jì)軟件(Virtual Product－Process Design Lab)。虛擬產(chǎn)品過程設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)室(VPPD－Lab)已被開發(fā)為產(chǎn)品過程開發(fā)的計(jì)算機(jī)輔助工具。VPPD－Lab中強(qiáng)大的方法和工具不是通過基于實(shí)驗(yàn)的試錯(cuò)法來設(shè)計(jì)基于化學(xué)品的產(chǎn)品，而是通過使用基于模型的技術(shù)進(jìn)行虛擬實(shí)驗(yàn)來幫助替代一些實(shí)驗(yàn)步驟。VPPD實(shí)驗(yàn)室快速搜索活性成分，溶劑和添加劑，以確定符合所需(目標(biāo))產(chǎn)品性能(功能)的一組有效的配方。接下來是基于實(shí)驗(yàn)的驗(yàn)證，并評估最有希望的候選人作為最終產(chǎn)品，從而減少初步設(shè)計(jì)階段的寶貴時(shí)間和資源。

這里我們以驅(qū)蟲劑設(shè)計(jì)為例進(jìn)行介紹。

①首先根據(jù)我們的要求選擇殺蟲劑的性質(zhì)，比如有效驅(qū)蟲，低毒，具有好的穩(wěn)定性等等。

②因?yàn)樾枰ㄟ^計(jì)算機(jī)篩選得到理想的配方，所以需要將實(shí)際需求轉(zhuǎn)化為計(jì)算機(jī)可識別的物化性質(zhì)(目標(biāo)性質(zhì))，例如毒性轉(zhuǎn)化為LC50、噴霧性能轉(zhuǎn)化為v(KinVis) 、Vm、T90、良好穩(wěn)定性轉(zhuǎn)化為 δ(HildSol-Par)。其中某些目標(biāo)需求不可轉(zhuǎn)化為物化性質(zhì)，例如有效驅(qū)蚊，有效驅(qū)蚊是由特定有效成分決定的，不可進(jìn)行篩選。還有廉價(jià)則是對篩選后的結(jié)果自行權(quán)衡。宜人的香氣需要添加適合的芳香化合物。

③接下來需要根據(jù)所需性質(zhì)對目標(biāo)物性進(jìn)行合理限制，即限制篩選范圍。

④選擇一種殺蟲劑的有效活性成分及溶劑數(shù)據(jù)庫。殺蟲劑的有效活性成分由基礎(chǔ)配方?jīng)Q定，不可進(jìn)行計(jì)算機(jī)篩選。溶劑數(shù)據(jù)庫即為待選成分。

⑤在溶劑數(shù)據(jù)庫中，最后進(jìn)行配方篩選。例如毒性要求應(yīng)高于1.4 mol/l且低于1.6 mol/l，若低于最低限制則無法有效的殺蟲，若高于最高限制則可能對人體造成危害，所以篩選圍繞這一范圍進(jìn)行。同樣揮發(fā)時(shí)間應(yīng)該600 s～1 000 s之間對于溶劑性能較好。因此，此區(qū)間即為篩選范圍。

通過計(jì)算機(jī)輔助分子設(shè)計(jì)對溶劑數(shù)據(jù)庫進(jìn)行篩選，尋求符合目標(biāo)性質(zhì)的分子混合結(jié)果，并通過試驗(yàn)驗(yàn)證是否達(dá)到預(yù)期效果。

圖3 驅(qū)蚊劑的計(jì)算機(jī)輔助分子設(shè)計(jì)Fig 3 Computer－assisted molecular design of insect repellent

如圖3所示，通過給定目標(biāo)物性，利用軟件可從數(shù)據(jù)庫中快速篩選出具有目標(biāo)物性的不同比例的分子混合物，其中龐大數(shù)據(jù)庫則可通過熱力學(xué)基團(tuán)貢獻(xiàn)法計(jì)算已知分子結(jié)構(gòu)的物性來建立，進(jìn)而得到符合目標(biāo)性質(zhì)的結(jié)果。通過軟件我們得到驅(qū)蟲劑的混合配方，利用這種設(shè)計(jì)方法，我們不僅僅可以設(shè)計(jì)驅(qū)蟲劑配方，還可以設(shè)計(jì)洗發(fā)水，防曬霜等等一系列化工產(chǎn)品，大大節(jié)省產(chǎn)品的研發(fā)時(shí)間和費(fèi)用。

3 結(jié)論與展望

從基團(tuán)貢獻(xiàn)法到計(jì)算機(jī)輔助分子，這一新型產(chǎn)品設(shè)計(jì)思想不僅改變了傳統(tǒng)配方研發(fā)費(fèi)時(shí)費(fèi)力且存在潛在副作用的局面，而且為日益成熟的化工熱力學(xué)研究注入了新的活力?；崃W(xué)不再僅僅處于為過程工程提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)和方法的從屬地位，它與計(jì)算機(jī)科學(xué)、大數(shù)據(jù)算法的結(jié)合，成為解決 產(chǎn)品工程問題的核心技術(shù)。這種方法也將在材料基因組、藥物分子設(shè)計(jì)甚至生物基因設(shè)計(jì)等新的領(lǐng)域得到更多的應(yīng)用和發(fā)展。

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