杜玉朋，李 碩，田 暉，陳小平，王文華，房德仁，任萬(wàn)忠

(煙臺(tái)大學(xué) 化學(xué)化工學(xué)院，山東 煙臺(tái) 264005)

化工類專業(yè)是我國(guó)高等教育的重要組成部分。根據(jù)教育部最新頒布的《普通高等學(xué)校本科專業(yè)目錄(2020年版)》，化工類專業(yè)主要包括化學(xué)工程與工藝、能源化學(xué)工程、化學(xué)工程與工業(yè)生物工程、制藥工程、化工安全工程、資源循環(huán)科學(xué)與工程、涂料工程和精細(xì)化工等。如圖1所示，化工類專業(yè)課程涵蓋人文社科體系(如思想道德修養(yǎng)與法律基礎(chǔ))、數(shù)理體系(如高等數(shù)學(xué))、化學(xué)體系(如有機(jī)化學(xué))、工程基礎(chǔ)體系(如工程制圖)、化工基礎(chǔ)體系及選修課體系等六大課程體系。其中，化工基礎(chǔ)體系是化工類專業(yè)核心課程體系，主要包括化工原理、化工熱力學(xué)、化學(xué)反應(yīng)工程、化工傳遞過(guò)程、化工分離過(guò)程和化工過(guò)程分析與合成等課程。此外，近年來(lái)隨著計(jì)算機(jī)與信息技術(shù)的迅速發(fā)展，計(jì)算機(jī)輔助模擬逐漸在社會(huì)各個(gè)領(lǐng)域得到普遍應(yīng)用，化工領(lǐng)域亦在其中。熟練使用專業(yè)模擬工具解決化工過(guò)程中的復(fù)雜工程問(wèn)題已成為化工類專業(yè)工程教育認(rèn)證中一項(xiàng)重要的畢業(yè)要求 。鑒于此，本文針對(duì)化工過(guò)程時(shí)空多尺度現(xiàn)象，分別介紹了分子尺度、裝備尺度和流程尺度上計(jì)算機(jī)輔助模擬方法與軟件，及其在化工類專業(yè)核心課程教學(xué)中的應(yīng)用，以期能夠?yàn)槊嫦蛐鹿た平逃幕ゎ悓I(yè)課程教學(xué)改革提供參考。

圖1 化工類專業(yè)六大課程體系及核心專業(yè)課程

1 化工過(guò)程多尺度特性及計(jì)算機(jī)輔助模擬

化工過(guò)程通過(guò)控制物質(zhì)和能量的轉(zhuǎn)化與傳遞實(shí)現(xiàn)化工產(chǎn)品的生產(chǎn)，涉及從產(chǎn)品結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、單元設(shè)備加工到工業(yè)裝置生產(chǎn)與組織等寬廣領(lǐng)域[1]。因此，從時(shí)間維度上講，化工過(guò)程涉及的物理與化學(xué)過(guò)程存在著從皮秒(甚至飛秒)到秒(甚至小時(shí))的時(shí)間跨度；從空間維度上講，化工過(guò)程多尺度性表現(xiàn)為小到物質(zhì)分子或原子，大到工業(yè)生產(chǎn)裝置或工廠。化工過(guò)程的時(shí)空多尺度特性是化學(xué)工業(yè)區(qū)別于其他制造業(yè)的典型特點(diǎn)，對(duì)時(shí)空多尺度的認(rèn)識(shí)和利用非常有必要[2]。圖2所示是化工過(guò)程多尺度模型，包括分子/原子尺度、單元設(shè)備尺度、工藝過(guò)程尺度等。針對(duì)各個(gè)尺度上物理與化學(xué)過(guò)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)、密度泛函理論(DFT)和蒙特卡洛(MC)等模擬方法，描述原子中的電子和原子核的運(yùn)動(dòng)，以及分子間的相互作用，常用模擬軟件有COSMO、Materials Studio、Gaussian、VASP和LMMPS等；在單元設(shè)備尺度上，采用計(jì)算流體力學(xué)(CFD)、離散顆粒法(DEM)、直接模擬(DNS)和粗顆粒模型(CGM)等模擬方法，描述裝備內(nèi)部壓力、速度、溫度、濃度等場(chǎng)分布情況，主流模擬軟件包括商用Ansys Fluent、COMSOL和開(kāi)源OpenFOAM、MFiX等；在工藝流程尺度上，采用序貫?zāi)K法(SM)、面向方程法(EO)、聯(lián)立模塊法(SM)等模擬方法，描述工藝過(guò)程中各單元過(guò)程之間的物質(zhì)流、能量流與信息流，常用的流程模擬軟件主要有國(guó)外Aspen Plus/HYSYS、Pro-II、gPROMS和國(guó)內(nèi)ECSS化工之星等。

圖2 化工過(guò)程多尺度及計(jì)算機(jī)模擬技術(shù)在化工類專業(yè)核心課程中的應(yīng)用

2 計(jì)算機(jī)模擬在化工類專業(yè)核心課程中的應(yīng)用

2.1 分子模擬在化工熱力學(xué)與工業(yè)催化原理中的應(yīng)用

化工熱力學(xué)主要研究化工過(guò)程中各種形式的能量之間相互轉(zhuǎn)化的規(guī)律及化工過(guò)程趨近平衡的限度，為有效利用能量和改進(jìn)過(guò)程提供理論依據(jù)。以蒙特卡羅方法為代表的分子模擬技術(shù)是從物質(zhì)微觀模型出發(fā)，運(yùn)用統(tǒng)計(jì)學(xué)方法，導(dǎo)出微觀結(jié)構(gòu)與宏觀性質(zhì)之間的關(guān)系，例如從分子間相互作用的位能函數(shù)和徑向分布函數(shù)，導(dǎo)出p-V-T關(guān)系。

工業(yè)催化原理課程具有理論與實(shí)際聯(lián)系緊密、應(yīng)用性強(qiáng)等特點(diǎn)。主要講述吸附/脫附過(guò)程、反應(yīng)機(jī)理和反應(yīng)動(dòng)力學(xué)等非均相催化核心理論。以HF和DFT方法為代表的量子模擬技術(shù)能夠通過(guò)計(jì)算物質(zhì)在催化劑位點(diǎn)上的吸附與脫附能，以及界面層厚度、界面層組分的分布、界面張力等性質(zhì)，獲得表面能信息，進(jìn)而解釋催化劑表面上的微觀反應(yīng)歷程，填補(bǔ)微觀結(jié)構(gòu)與催化性能之間關(guān)系的認(rèn)知鴻溝。

2.2 數(shù)值模擬在化工原理、化工傳遞過(guò)程和化學(xué)反應(yīng)工程中的應(yīng)用

長(zhǎng)久以來(lái)，對(duì)化學(xué)工程本質(zhì)的認(rèn)識(shí)，“單元操作”與“三傳一反”相繼被提出，且已深入人心?；ぴ碚n程講授的內(nèi)容即是“單元操作”，化工傳遞過(guò)程與化學(xué)反應(yīng)工程課程所教授的主體內(nèi)容是“三傳一反”。因此，三門課程在化工類專業(yè)培養(yǎng)體系中占據(jù)極其重要的地位?；ぴ?、化工傳遞過(guò)程和化學(xué)反應(yīng)工程等均具有非常強(qiáng)的理論性和實(shí)踐性，并涉及大量數(shù)值計(jì)算。由于數(shù)值模擬軟件能夠?qū)⒒み^(guò)程單元設(shè)備(如精餾塔、換熱器及反應(yīng)器等)內(nèi)部速度場(chǎng)、壓力場(chǎng)、溫度場(chǎng)和物質(zhì)濃度場(chǎng)分布情況實(shí)現(xiàn)可視化，因此采用場(chǎng)分布可視化數(shù)值模擬軟件進(jìn)行三門課程的輔助教學(xué)，不僅能夠豐富教學(xué)內(nèi)容，而且能夠加深學(xué)生對(duì)基礎(chǔ)理論的理解與認(rèn)識(shí)。

2.3 流程模擬在化工分離過(guò)程、化工工藝學(xué)和化工過(guò)程分析與合成中的應(yīng)用

化工分離過(guò)程、化工工藝學(xué)和化工過(guò)程分析與合成等是化工類專業(yè)實(shí)踐性較強(qiáng)的專業(yè)課程。三門課程中分離塔序列、換熱網(wǎng)絡(luò)綜合、反應(yīng)器網(wǎng)絡(luò)綜合、工藝水集成等教學(xué)內(nèi)容均需要借助流程模擬軟件來(lái)完成。特別是一些工藝流程模擬軟件(如Aspen Plus)內(nèi)嵌大量物性數(shù)據(jù)庫(kù)和單元操作模型庫(kù)，基本上涵蓋了各類單元操作，并能夠滿足各類化工過(guò)程的設(shè)計(jì)、模擬與仿真，因此工藝流程模擬已成為化工類專業(yè)化工分離過(guò)程、化工過(guò)程分析與合成等課程重要的教學(xué)內(nèi)容。

3 結(jié)論

隨著計(jì)算機(jī)與信息技術(shù)的發(fā)展，計(jì)算機(jī)模擬技術(shù)在化工過(guò)程時(shí)空多尺度現(xiàn)象的描述中得到了廣泛應(yīng)用。原子/分子尺度上的量子化學(xué)與分子模擬技術(shù)、單元設(shè)備尺度上的場(chǎng)分布數(shù)值模擬技術(shù)，以及工藝過(guò)程尺度上的流程模擬技術(shù)，已逐漸滲透到化工熱力學(xué)、化工傳遞過(guò)程、化學(xué)反應(yīng)工程，以及化工過(guò)程分析與合成等化工類專業(yè)核心課程教學(xué)之中。計(jì)算機(jī)輔助模擬技術(shù)的應(yīng)用，不僅能夠顯著提升學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣、培養(yǎng)學(xué)生的思維能力和拓寬學(xué)生知識(shí)面，而且能夠培養(yǎng)學(xué)生掌握現(xiàn)代設(shè)計(jì)工具能力，更加有效地促進(jìn)工程教育專業(yè)認(rèn)證相關(guān)畢業(yè)要求的順利達(dá)成。