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(jì)算機(jī)在化工中應(yīng)用的研究進(jìn)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(jì)算機(jī)在化工中的應(yīng)用，包含化工設(shè)計(jì)、化工生產(chǎn)、化工科研及教學(xué)等，講述了在上述幾個(gè)領(lǐng)域內(nèi)國(guó)內(nèi)外最常用的計(jì)算機(jī)軟件，并討論了計(jì)算機(jī)在輔助制圖、化工模擬設(shè)計(jì)、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(jì)算機(jī)軟件將發(fā)展成智能、綜合的工具，把研究人員豐富的知識(shí)、經(jīng)驗(yàn)融入其中，將不斷提高企業(yè)的生產(chǎn)效率，促進(jìn)化工產(chǎn)業(yè)的繁榮和興盛。

計(jì)算機(jī)；化工應(yīng)用；進(jìn)展

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

1　計(jì)算機(jī)在化工中的應(yīng)用

計(jì)算機(jī)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(gè)領(lǐng)域，特別是在化工設(shè)計(jì)、化工生產(chǎn)、化工科研及教學(xué)等幾個(gè)方面的應(yīng)用最為突出。高速發(fā)展的計(jì)算機(jī)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(qiáng)企業(yè)市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力的同時(shí)，促進(jìn)了化工產(chǎn)業(yè)各個(gè)范疇的極速發(fā)展。

1.1計(jì)算機(jī)在化工設(shè)計(jì)中的應(yīng)用

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

1.1.1計(jì)算機(jī)輔助制圖

在化工產(chǎn)業(yè)設(shè)計(jì)中，從熟悉物質(zhì)的理化性質(zhì)到設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)直至處理數(shù)據(jù)，都可以基于計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)。在20世紀(jì)60年代，研究人員就開始在計(jì)算機(jī)上進(jìn)行單元過程的計(jì)算及圖形的制作，在不斷研發(fā)與改進(jìn)下，計(jì)算機(jī)輔助制圖設(shè)計(jì)(CAD)技術(shù)呈現(xiàn)于世，并在化工設(shè)計(jì)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(jì)和繪圖的水平有了很大改變。當(dāng)前，國(guó)內(nèi)外化工行業(yè)最常用的設(shè)計(jì)軟件是AutoCAD，此類軟件可以依照化工制圖準(zhǔn)則完成各種實(shí)驗(yàn)流程圖、設(shè)備裝配圖、工廠管線配置圖等，還可以進(jìn)行計(jì)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(duì)運(yùn)動(dòng)的部件進(jìn)行動(dòng)態(tài)干涉仿真模擬，從而便于研究人員對(duì)零件進(jìn)行改進(jìn)與優(yōu)化，最終確保產(chǎn)品設(shè)計(jì)的合理性、實(shí)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(jì)任務(wù)等優(yōu)點(diǎn)，在化學(xué)工程的各個(gè)領(lǐng)域廣泛應(yīng)用[3]。陸洋等[4]對(duì)PDS軟件進(jìn)行了二次開發(fā)，增強(qiáng)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(guó)國(guó)家計(jì)劃，研究了一種混合計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)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(jì)算機(jī)化工模擬設(shè)計(jì)

化工過程往往是連續(xù)、復(fù)雜的，手工計(jì)算耗時(shí)耗力，而運(yùn)用計(jì)算機(jī)化工模擬技術(shù)能最大程度的減少工作量，并對(duì)化工過程做出科學(xué)、精準(zhǔn)的分析與判斷。自20世紀(jì)50年代以來，科學(xué)家利用計(jì)算機(jī)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(jì)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(guó)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(qiáng)大的集成功能，在運(yùn)用過程中，能夠完成數(shù)據(jù)計(jì)算、仿真模擬等，使整個(gè)生產(chǎn)過程實(shí)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(jì)算機(jī)上進(jìn)行整合、分析條件，以模擬實(shí)際過程，利用此軟件可以更加直觀的確定化工過程中各個(gè)參數(shù)對(duì)過程的影響[13]。

劉國(guó)揚(yáng)[14]、陳華豪[15]等研究了基于LabVIEW軟件設(shè)計(jì)的虛擬儀器在化學(xué)工程中應(yīng)用的效果，測(cè)試結(jié)果表明，該軟件是高效、可靠的，可輔助化工設(shè)計(jì)工作。達(dá)云祥等[16]利用Aspen Plus化工模擬軟件對(duì)甲醇——水精餾過程進(jìn)行設(shè)計(jì)，確定了最適宜的實(shí)驗(yàn)操作條件，達(dá)到了較好的分離效果。候會(huì)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(shí)際生產(chǎn)提供了依據(jù)。Steinbach Thomas等[18]運(yùn)用計(jì)算機(jī)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(jì)算機(jī)模擬測(cè)定了熱塑性材料聚酰亞胺的熱性能。

1.2計(jì)算機(jī)在化工生產(chǎn)中的應(yīng)用

伴隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的迅猛發(fā)展，國(guó)內(nèi)外大中型化工企業(yè)已普遍將計(jì)算機(jī)與化工生產(chǎn)相結(jié)合，運(yùn)用計(jì)算機(jī)，將生產(chǎn)過程與管理相結(jié)合，大大提高了企業(yè)自動(dòng)化水平，實(shí)現(xiàn)了研發(fā)、調(diào)試、優(yōu)化與管理的總體自動(dòng)化[20]。計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的建立，使市場(chǎng)與企業(yè)聯(lián)系緊密，實(shí)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(jì)效益[21]；其次，計(jì)算機(jī)在化工儀器測(cè)試中起著尤為重要的作用，計(jì)算機(jī)使儀器自動(dòng)化、智能化，從多個(gè)方面促進(jìn)了化工生產(chǎn)效率，降低了勞動(dòng)生產(chǎn)成本的投入，為化工生產(chǎn)的長(zhǎng)遠(yuǎn)發(fā)展提供了技術(shù)支撐[22-23]；最后，計(jì)算機(jī)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(shí)現(xiàn)安全、優(yōu)質(zhì)、低耗的基本前提和首要保障，計(jì)算機(jī)已逐漸成為增強(qiáng)企業(yè)自動(dòng)化和信息化水平的核心[24]。Philip N Judson等[25]提出運(yùn)用計(jì)算機(jī)建立模型來預(yù)測(cè)化學(xué)物質(zhì)的毒性。宋璐等[26]調(diào)查研究出揚(yáng)子石化廠在生產(chǎn)中運(yùn)用了DCS軟件，對(duì)化工生產(chǎn)過程進(jìn)行了集中經(jīng)管和分散掌控。

1.3計(jì)算機(jī)在化工科研及教學(xué)中的應(yīng)用

計(jì)算機(jī)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(jì)算機(jī)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(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)處理

在化工研究過程中，實(shí)驗(yàn)和計(jì)算是必不可少的兩個(gè)環(huán)節(jié)，然而化工實(shí)驗(yàn)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(gè)數(shù)據(jù)范圍，而利用計(jì)算機(jī)軟件，可以通過模擬獲取一個(gè)較為精準(zhǔn)的數(shù)據(jù)區(qū)間，減少實(shí)驗(yàn)次數(shù)，降低實(shí)驗(yàn)誤差，也可以采用數(shù)據(jù)庫(kù)中已有的的經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)，結(jié)合實(shí)際情況，簡(jiǎn)便實(shí)驗(yàn)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(jì)算機(jī)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(jìn)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(jì)算軟件，在數(shù)據(jù)處理中有助于簡(jiǎn)化繁雜的計(jì)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(jì)算問題。Melinda Kalainoff等[32]調(diào)查研究了學(xué)生對(duì)運(yùn)用計(jì)算機(jī)來解決化學(xué)平衡的看法與效果，結(jié)果顯示計(jì)算機(jī)輔助比傳統(tǒng)的學(xué)習(xí)方法效果好。Katarina Novakovic等[33]將計(jì)算機(jī)軟件融入電子化學(xué)工程課程，研究了這些軟件對(duì)學(xué)生們的影響，結(jié)果表明計(jì)算機(jī)軟件有助于加強(qiáng)學(xué)生對(duì)化工相關(guān)領(lǐng)域知識(shí)的理解。

1.3.2計(jì)算機(jī)化工仿真

化工仿真是運(yùn)用模具對(duì)真正的化工環(huán)境進(jìn)行模擬及分析的一項(xiàng)新興技術(shù)，可將化工實(shí)驗(yàn)過程呈現(xiàn)在熒幕上，使實(shí)驗(yàn)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(jià)格高昂，難以在學(xué)校普及，但利用計(jì)算機(jī)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(duì)上述問題[36]。計(jì)算機(jī)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(dòng)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(gè)虛擬的實(shí)驗(yàn)室，可以進(jìn)行模擬實(shí)驗(yàn)，通過動(dòng)畫模擬，產(chǎn)生真實(shí)的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象，有助于指導(dǎo)實(shí)驗(yàn)操作的規(guī)范性，從而進(jìn)一步鞏固所學(xué)的知識(shí)，且對(duì)于危險(xiǎn)性實(shí)驗(yàn)有很大幫助；此外，ChemDraw軟件、Ulead Gif Animator軟件都可以提供實(shí)驗(yàn)動(dòng)畫輔助，可充分調(diào)動(dòng)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(jì)算機(jī)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(yùn)用計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)來優(yōu)化化工設(shè)計(jì)，使資源合理利用。

1.3.3化工信息檢索

計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)提供了海量完整的化工資料，文獻(xiàn)信息權(quán)威且時(shí)效性強(qiáng)[41]。基于計(jì)算機(jī)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(jìn)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(gè)靈活、高效的搜索途徑[42]。目前國(guó)內(nèi)存在的較權(quán)威的化工資料搜索網(wǎng)站主要有:中國(guó)化工信息網(wǎng)、中國(guó)精細(xì)化工網(wǎng)等；同時(shí)，可以借助網(wǎng)絡(luò)獲取大量的化工期刊信息，如：中國(guó)期刊全文數(shù)據(jù)庫(kù)、SCI(Science Citation Index)、American Chemical Society、Royal Society of Chemistry等[22]。計(jì)算機(jī)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(jì)算機(jī)在化工中的應(yīng)用展望

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

2.1計(jì)算機(jī)在化工設(shè)計(jì)中的應(yīng)用展望

化工設(shè)計(jì)的發(fā)展前景很廣闊,未來設(shè)計(jì)軟件將不再局限于三維圖形，會(huì)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(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力的三維一體的設(shè)計(jì)過程，在不斷優(yōu)化的軟件研發(fā)與制作中，會(huì)設(shè)計(jì)出多款信息量大的應(yīng)用軟件庫(kù)，將化工模擬系統(tǒng)變得更加智能化，把設(shè)計(jì)人員豐富的知識(shí)、經(jīng)驗(yàn)融入其中，使模擬過程靜動(dòng)結(jié)合，設(shè)計(jì)出更好的優(yōu)化化工模擬過程的軟件[43]。

2.2計(jì)算機(jī)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(diǎn)在于提升化工企業(yè)自動(dòng)化、規(guī)?；絒44]。如研發(fā)化工機(jī)器人，大多數(shù)化工廠的生產(chǎn)很危險(xiǎn)，可以研發(fā)熟識(shí)工藝過程的智能機(jī)器人代替危險(xiǎn)化工產(chǎn)業(yè)的工作人員，機(jī)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(gè)部分，發(fā)展化工機(jī)器人不僅是社會(huì)發(fā)展的一個(gè)重要契機(jī)，也對(duì)提升國(guó)家經(jīng)濟(jì)實(shí)力有很大的幫助[45]。

2.3計(jì)算機(jī)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(shí)、經(jīng)驗(yàn)融入其中，將計(jì)算軟件和數(shù)據(jù)處理軟件相結(jié)合，加強(qiáng)軟件智能化的開發(fā)，加強(qiáng)其對(duì)實(shí)驗(yàn)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(cuò)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(jì)算機(jī)逐步占據(jù)了化工產(chǎn)業(yè)的核心位置，計(jì)算機(jī)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(jìn)了化工產(chǎn)業(yè)的繁榮和興盛，對(duì)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(guó)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