郭妍婷，黃　雪，陳　曼，馮光炷

(仲愷農(nóng)業(yè)工程學(xué)院化學(xué)化工學(xué)院，廣東　廣州　510225)

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計算機在化工中應(yīng)用的研究進展*

郭妍婷，黃雪，陳曼，馮光炷

(仲愷農(nóng)業(yè)工程學(xué)院化學(xué)化工學(xué)院，廣東廣州510225)

主要介紹了計算機在化工中的應(yīng)用，包含化工設(shè)計、化工生產(chǎn)、化工科研及教學(xué)等，講述了在上述幾個領(lǐng)域內(nèi)國內(nèi)外最常用的計算機軟件，并討論了計算機在輔助制圖、化工模擬設(shè)計、數(shù)據(jù)處理、化工仿真、信息檢索等方面的的應(yīng)用現(xiàn)狀，未來計算機軟件將發(fā)展成智能、綜合的工具，把研究人員豐富的知識、經(jīng)驗融入其中，將不斷提高企業(yè)的生產(chǎn)效率，促進化工產(chǎn)業(yè)的繁榮和興盛。

計算機；化工應(yīng)用；進展

在信息技術(shù)迅猛發(fā)展的今天，計算機與各個行業(yè)都進行了有效的結(jié)合，大多領(lǐng)域由于計算機的引入，效率都得到了極大提高，尤其是作為國家發(fā)展重要支撐的化工產(chǎn)業(yè)，在計算機輔助的基礎(chǔ)上，已達到了空前的興盛，計算機已逐漸占據(jù)化工行業(yè)的核心位置。

1　計算機在化工中的應(yīng)用

計算機技術(shù)的發(fā)展如日中天，普遍應(yīng)用于化工行業(yè)的各個領(lǐng)域，特別是在化工設(shè)計、化工生產(chǎn)、化工科研及教學(xué)等幾個方面的應(yīng)用最為突出。高速發(fā)展的計算機技術(shù)與蓬勃崛起的化工產(chǎn)業(yè)的完美結(jié)合，有效地減輕了繁瑣的化工研究工作，極大地縮短了化工產(chǎn)品的研發(fā)周期，在加強企業(yè)市場競爭力的同時，促進了化工產(chǎn)業(yè)各個范疇的極速發(fā)展。

1.1計算機在化工設(shè)計中的應(yīng)用

工程計算是化工設(shè)計的基礎(chǔ)，化工計算的數(shù)據(jù)量很大且過程十分復(fù)雜，而計算機可以精準(zhǔn)快速的完成許多繁雜的計算和繪圖工作，極大的減輕了工作者的負擔(dān)[1]。計算機輔助制圖與化工模擬設(shè)計完美展現(xiàn)了計算機在化工領(lǐng)域中的作用。

1.1.1計算機輔助制圖

在化工產(chǎn)業(yè)設(shè)計中，從熟悉物質(zhì)的理化性質(zhì)到設(shè)計實驗直至處理數(shù)據(jù)，都可以基于計算機實現(xiàn)。在20世紀60年代，研究人員就開始在計算機上進行單元過程的計算及圖形的制作，在不斷研發(fā)與改進下，計算機輔助制圖設(shè)計(CAD)技術(shù)呈現(xiàn)于世，并在化工設(shè)計中得到了廣泛的應(yīng)用，在這些軟件的幫助下，化學(xué)工程設(shè)計和繪圖的水平有了很大改變。當(dāng)前，國內(nèi)外化工行業(yè)最常用的設(shè)計軟件是AutoCAD，此類軟件可以依照化工制圖準(zhǔn)則完成各種實驗流程圖、設(shè)備裝配圖、工廠管線配置圖等，還可以進行計算、仿真模擬等，且CAD技術(shù)可將零件的二維圖轉(zhuǎn)變?yōu)槿S模型，還可以對運動的部件進行動態(tài)干涉仿真模擬，從而便于研究人員對零件進行改進與優(yōu)化，最終確保產(chǎn)品設(shè)計的合理性、實用性[2]。與CAD軟件類似，新研發(fā)的PDS軟件也因其操作便捷、信息含量大、可有效配合完成設(shè)計任務(wù)等優(yōu)點，在化學(xué)工程的各個領(lǐng)域廣泛應(yīng)用[3]。陸洋等[4]對PDS軟件進行了二次開發(fā)，增強了化工配件的質(zhì)量，提高了裝置的生產(chǎn)效能。Juliette Heintz等[5]基于“化學(xué)工業(yè)可持續(xù)發(fā)展”的法國國家計劃，研究了一種混合計算機輔助設(shè)計軟件，突出顯示了分子結(jié)構(gòu)的不同系統(tǒng)視圖。

1.1.2計算機化工模擬設(shè)計

化工過程往往是連續(xù)、復(fù)雜的，手工計算耗時耗力，而運用計算機化工模擬技術(shù)能最大程度的減少工作量，并對化工過程做出科學(xué)、精準(zhǔn)的分析與判斷。自20世紀50年代以來，科學(xué)家利用計算機研發(fā)化學(xué)工程的模型，經(jīng)過幾十年的發(fā)展，化工模擬設(shè)計已廣泛地應(yīng)用于化工產(chǎn)品的研發(fā)與生產(chǎn)[6]。目前，國內(nèi)外已開發(fā)了許多化工過程模擬軟件，如Aspen Plus、Chem CAD、PRO/II、HYSYS、DESIGN II等[7-12]，上述軟件都可以提供完整的物性數(shù)據(jù)及熱力學(xué)函數(shù)，擁有強大的集成功能，在運用過程中，能夠完成數(shù)據(jù)計算、仿真模擬等，使整個生產(chǎn)過程實現(xiàn)最佳，從而使生產(chǎn)效益最大化。近年來，新推出的LabVIEW軟件，可在給定參數(shù)條件的計算機上進行整合、分析條件，以模擬實際過程，利用此軟件可以更加直觀的確定化工過程中各個參數(shù)對過程的影響[13]。

劉國揚[14]、陳華豪[15]等研究了基于LabVIEW軟件設(shè)計的虛擬儀器在化學(xué)工程中應(yīng)用的效果，測試結(jié)果表明，該軟件是高效、可靠的，可輔助化工設(shè)計工作。達云祥等[16]利用Aspen Plus化工模擬軟件對甲醇——水精餾過程進行設(shè)計，確定了最適宜的實驗操作條件，達到了較好的分離效果。候會峰等[17]在Aspen Plus軟件的基礎(chǔ)上，建立了化工的穩(wěn)態(tài)模擬過程，為實際生產(chǎn)提供了依據(jù)。Steinbach Thomas等[18]運用計算機建立了用于描述化學(xué)結(jié)構(gòu)與生物活性相關(guān)性的SAR模型。Lyulin Sergey V等[19]利用計算機模擬測定了熱塑性材料聚酰亞胺的熱性能。

1.2計算機在化工生產(chǎn)中的應(yīng)用

伴隨著計算機技術(shù)的迅猛發(fā)展，國內(nèi)外大中型化工企業(yè)已普遍將計算機與化工生產(chǎn)相結(jié)合，運用計算機，將生產(chǎn)過程與管理相結(jié)合，大大提高了企業(yè)自動化水平，實現(xiàn)了研發(fā)、調(diào)試、優(yōu)化與管理的總體自動化[20]。計算機網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的建立，使市場與企業(yè)聯(lián)系緊密，實現(xiàn)了供銷一體化的管理，有助于找出最優(yōu)的供銷方案，以便通過高效的管理，獲取最大的經(jīng)濟效益[21]；其次，計算機在化工儀器測試中起著尤為重要的作用，計算機使儀器自動化、智能化，從多個方面促進了化工生產(chǎn)效率，降低了勞動生產(chǎn)成本的投入，為化工生產(chǎn)的長遠發(fā)展提供了技術(shù)支撐[22-23]；最后，計算機監(jiān)控技術(shù)在化工生產(chǎn)過程中也扮演著越來越重要的角色，是化工生產(chǎn)實現(xiàn)安全、優(yōu)質(zhì)、低耗的基本前提和首要保障，計算機已逐漸成為增強企業(yè)自動化和信息化水平的核心[24]。Philip N Judson等[25]提出運用計算機建立模型來預(yù)測化學(xué)物質(zhì)的毒性。宋璐等[26]調(diào)查研究出揚子石化廠在生產(chǎn)中運用了DCS軟件，對化工生產(chǎn)過程進行了集中經(jīng)管和分散掌控。

1.3計算機在化工科研及教學(xué)中的應(yīng)用

計算機是教學(xué)與科研中必不可少的一種高效工具，它在數(shù)據(jù)處理、計算機模擬和化學(xué)信息檢索等領(lǐng)域均有廣泛的應(yīng)用。

1.3.1計算機數(shù)據(jù)處理

在化工研究過程中，實驗和計算是必不可少的兩個環(huán)節(jié)，然而化工實驗繁雜且數(shù)據(jù)量龐大，數(shù)據(jù)處理十分困難，化學(xué)反應(yīng)又含有很多不穩(wěn)定的因素，受外界環(huán)境影響較大，往往只能得到一個數(shù)據(jù)范圍，而利用計算機軟件，可以通過模擬獲取一個較為精準(zhǔn)的數(shù)據(jù)區(qū)間，減少實驗次數(shù)，降低實驗誤差，也可以采用數(shù)據(jù)庫中已有的的經(jīng)驗數(shù)據(jù)，結(jié)合實際情況，簡便實驗過程，減輕數(shù)據(jù)處理的工作量[27]。當(dāng)今，可以用于數(shù)據(jù)處理的計算機軟件層出不窮，如OriginLab公司研發(fā)的Origin數(shù)據(jù)處理軟件，該軟件含括了信息整合、曲線模擬等功能，可完成數(shù)據(jù)的編輯和處理，并繪制出各種圖形，有助于化工研究人員及在?；I(yè)的師生進行數(shù)據(jù)處理及作圖[28]。此外，MATLAB也是常用的一種數(shù)值計算軟件，在數(shù)據(jù)處理中有助于簡化繁雜的計算過程[29]。

電腦程序還可方便快速的解決一些結(jié)構(gòu)分析的問題[30]。宋穎韜等[31]利用Matlab軟件解決了氣相傳質(zhì)單元數(shù)等的計算問題。Melinda Kalainoff等[32]調(diào)查研究了學(xué)生對運用計算機來解決化學(xué)平衡的看法與效果，結(jié)果顯示計算機輔助比傳統(tǒng)的學(xué)習(xí)方法效果好。Katarina Novakovic等[33]將計算機軟件融入電子化學(xué)工程課程，研究了這些軟件對學(xué)生們的影響，結(jié)果表明計算機軟件有助于加強學(xué)生對化工相關(guān)領(lǐng)域知識的理解。

1.3.2計算機化工仿真

化工仿真是運用模具對真正的化工環(huán)境進行模擬及分析的一項新興技術(shù)，可將化工實驗過程呈現(xiàn)在熒幕上，使實驗內(nèi)容更直觀，視覺效果更豐富[34-35]。許多大型的化工設(shè)備價格高昂，難以在學(xué)校普及，但利用計算機化工仿真技術(shù)可以模擬儀器設(shè)備的操作，快速有效的應(yīng)對上述問題[36]。計算機仿真技術(shù)使書本內(nèi)容形象，逼真的將儀器設(shè)備呈現(xiàn)在學(xué)生眼前，極大的激發(fā)了學(xué)生的學(xué)習(xí)動力，明顯提升了學(xué)習(xí)質(zhì)量[37]。常用的有ChemLab軟件，ChemLab是一個虛擬的實驗室，可以進行模擬實驗，通過動畫模擬，產(chǎn)生真實的實驗現(xiàn)象，有助于指導(dǎo)實驗操作的規(guī)范性，從而進一步鞏固所學(xué)的知識，且對于危險性實驗有很大幫助；此外，ChemDraw軟件、Ulead Gif Animator軟件都可以提供實驗動畫輔助，可充分調(diào)動學(xué)生的積極性，提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，使學(xué)生更加積極、有效地參與學(xué)習(xí)[38]。Slimane Merouani等[39]利用計算機仿真技術(shù)研究了自由基產(chǎn)生的條件。N. N. Ziyatdinov等[40]提出運用計算機仿真技術(shù)來優(yōu)化化工設(shè)計，使資源合理利用。

1.3.3化工信息檢索

計算機網(wǎng)絡(luò)提供了海量完整的化工資料，文獻信息權(quán)威且時效性強[41]?；谟嬎銠C的化工資源導(dǎo)航類網(wǎng)站可將網(wǎng)絡(luò)上大量的化工資源進行深度搜索、劃分和整理，是檢索特定化工信息的有效工具，系統(tǒng)信息收錄范圍僅限于與化工有關(guān)的內(nèi)容，使檢索效率大大提高，給使用者了提供一個靈活、高效的搜索途徑[42]。目前國內(nèi)存在的較權(quán)威的化工資料搜索網(wǎng)站主要有:中國化工信息網(wǎng)、中國精細化工網(wǎng)等；同時，可以借助網(wǎng)絡(luò)獲取大量的化工期刊信息，如：中國期刊全文數(shù)據(jù)庫、SCI(Science Citation Index)、American Chemical Society、Royal Society of Chemistry等[22]。計算機給大眾提供了獲取化工資源有效的途徑和方法，它不僅拓寬了圖書館信息資源的使用范圍，而且降低了使用者獲取化工信息的成本。

2　計算機在化工中的應(yīng)用展望

隨著信息技術(shù)的迅猛發(fā)展，計算機已滲入化學(xué)工程的各個領(lǐng)域，是一種先進的計算輔助工具，該技術(shù)將來的發(fā)展方向如下：

2.1計算機在化工設(shè)計中的應(yīng)用展望

化工設(shè)計的發(fā)展前景很廣闊,未來設(shè)計軟件將不再局限于三維圖形，會提升成為一種有助于提高化工產(chǎn)品質(zhì)量、加速產(chǎn)品推陳出新、鞏固企業(yè)市場競爭力的三維一體的設(shè)計過程，在不斷優(yōu)化的軟件研發(fā)與制作中，會設(shè)計出多款信息量大的應(yīng)用軟件庫，將化工模擬系統(tǒng)變得更加智能化，把設(shè)計人員豐富的知識、經(jīng)驗融入其中，使模擬過程靜動結(jié)合，設(shè)計出更好的優(yōu)化化工模擬過程的軟件[43]。

2.2計算機在化工生產(chǎn)中的應(yīng)用展望

在化工生產(chǎn)中，未來發(fā)展的重點在于提升化工企業(yè)自動化、規(guī)模化水平[44]。如研發(fā)化工機器人，大多數(shù)化工廠的生產(chǎn)很危險，可以研發(fā)熟識工藝過程的智能機器人代替危險化工產(chǎn)業(yè)的工作人員，機器人技術(shù)發(fā)展前景廣闊，是當(dāng)代制造業(yè)必不可少的一個部分，發(fā)展化工機器人不僅是社會發(fā)展的一個重要契機，也對提升國家經(jīng)濟實力有很大的幫助[45]。

2.3計算機在化工科研和教學(xué)中的應(yīng)用展望

數(shù)據(jù)處理軟件未來將發(fā)展成智能、綜合的工具，把研究人員豐富的知識、經(jīng)驗融入其中，將計算軟件和數(shù)據(jù)處理軟件相結(jié)合，加強軟件智能化的開發(fā)，加強其對實驗現(xiàn)象模擬的直觀性、周密性、操作的形象性，并具備高效的糾錯性能?；し抡嫦到y(tǒng)的應(yīng)用范圍很廣，新的仿真技術(shù)和仿真軟件在未來仍有很大的發(fā)展空間[46]。

3　結(jié)　語

隨著科技的蓬勃發(fā)展，計算機逐步占據(jù)了化工產(chǎn)業(yè)的核心位置，計算機與化工的高效結(jié)合，不斷提高了企業(yè)的生產(chǎn)效率，促進了化工產(chǎn)業(yè)的繁榮和興盛，對化工科學(xué)技術(shù)的深入開展有十分重要的意義。

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Research Progress on Computer Application in Chemical Industry*

GUOYan-ting,HUANGXue,CHENMan,FENGGuang-zhu

(College of Chemistry and Chemical Engineering，Zhongkai University of Agriculture and Engineering, Guangdong Guangzhou 510225, China)

The application of computer in chemical industry was mainly introduced, including the design of chemical industry, chemical production, scientific research and teaching. Present situation of the computer application of the aspects of aided drawing, chemical simulation design, data processing, chemical simulation and information retrieval was discussed. In the future, computer software will develop into intelligent and integrated tool. The researchers’ rich knowledge and experience will blend in. The computer will continuously improve the production efficiency of enterprises, promote the prosperity of the chemical industry and flourish.

computer; chemical application; progress

國家自然科學(xué)基金資助(31371880,31401526)。

郭妍婷(1992-)，女，在讀研究生，研究方向：功能高分子材料的合成與應(yīng)用研究。

馮光炷(1961-)，男，教授。

TQ021.9

A

1001-9677(2016)012-0028-03