杜玉朋，李 碩，田 暉，陳小平，王文華，房德仁，任萬忠

(煙臺大學 化學化工學院，山東 煙臺 264005)

化工類專業(yè)是我國高等教育的重要組成部分。根據(jù)教育部最新頒布的《普通高等學校本科專業(yè)目錄(2020年版)》，化工類專業(yè)主要包括化學工程與工藝、能源化學工程、化學工程與工業(yè)生物工程、制藥工程、化工安全工程、資源循環(huán)科學與工程、涂料工程和精細化工等。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)、數(shù)理體系(如高等數(shù)學)、化學體系(如有機化學)、工程基礎體系(如工程制圖)、化工基礎體系及選修課體系等六大課程體系。其中，化工基礎體系是化工類專業(yè)核心課程體系，主要包括化工原理、化工熱力學、化學反應工程、化工傳遞過程、化工分離過程和化工過程分析與合成等課程。此外，近年來隨著計算機與信息技術的迅速發(fā)展，計算機輔助模擬逐漸在社會各個領域得到普遍應用，化工領域亦在其中。熟練使用專業(yè)模擬工具解決化工過程中的復雜工程問題已成為化工類專業(yè)工程教育認證中一項重要的畢業(yè)要求 。鑒于此，本文針對化工過程時空多尺度現(xiàn)象，分別介紹了分子尺度、裝備尺度和流程尺度上計算機輔助模擬方法與軟件，及其在化工類專業(yè)核心課程教學中的應用，以期能夠為面向新工科教育的化工類專業(yè)課程教學改革提供參考。

圖1 化工類專業(yè)六大課程體系及核心專業(yè)課程

1 化工過程多尺度特性及計算機輔助模擬

化工過程通過控制物質(zhì)和能量的轉(zhuǎn)化與傳遞實現(xiàn)化工產(chǎn)品的生產(chǎn)，涉及從產(chǎn)品結構設計、單元設備加工到工業(yè)裝置生產(chǎn)與組織等寬廣領域[1]。因此，從時間維度上講，化工過程涉及的物理與化學過程存在著從皮秒(甚至飛秒)到秒(甚至小時)的時間跨度；從空間維度上講，化工過程多尺度性表現(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?；み^程的時空多尺度特性是化學工業(yè)區(qū)別于其他制造業(yè)的典型特點，對時空多尺度的認識和利用非常有必要[2]。圖2所示是化工過程多尺度模型，包括分子/原子尺度、單元設備尺度、工藝過程尺度等。針對各個尺度上物理與化學過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動，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；在單元設備尺度上，采用計算流體力學(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、濃度等場分布情況，主流模擬軟件包括商用Ansys Fluent、COMSOL和開源OpenFOAM、MFiX等；在工藝流程尺度上，采用序貫模塊法(SM)、面向方程法(EO)、聯(lián)立模塊法(SM)等模擬方法，描述工藝過程中各單元過程之間的物質(zhì)流、能量流與信息流，常用的流程模擬軟件主要有國外Aspen Plus/HYSYS、Pro-II、gPROMS和國內(nèi)ECSS化工之星等。

圖2 化工過程多尺度及計算機模擬技術在化工類專業(yè)核心課程中的應用

2 計算機模擬在化工類專業(yè)核心課程中的應用

2.1 分子模擬在化工熱力學與工業(yè)催化原理中的應用

化工熱力學主要研究化工過程中各種形式的能量之間相互轉(zhuǎn)化的規(guī)律及化工過程趨近平衡的限度，為有效利用能量和改進過程提供理論依據(jù)。以蒙特卡羅方法為代表的分子模擬技術是從物質(zhì)微觀模型出發(fā)，運用統(tǒng)計學方法，導出微觀結構與宏觀性質(zhì)之間的關系，例如從分子間相互作用的位能函數(shù)和徑向分布函數(shù)，導出p-V-T關系。

工業(yè)催化原理課程具有理論與實際聯(lián)系緊密、應用性強等特點。主要講述吸附/脫附過程、反應機理和反應動力學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能夠通過計算物質(zhì)在催化劑位點上的吸附與脫附能，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，進而解釋催化劑表面上的微觀反應歷程，填補微觀結構與催化性能之間關系的認知鴻溝。

2.2 數(shù)值模擬在化工原理、化工傳遞過程和化學反應工程中的應用

長久以來，對化學工程本質(zhì)的認識，“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”，化工傳遞過程與化學反應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。化工原理、化工傳遞過程和化學反應工程等均具有非常強的理論性和實踐性，并涉及大量數(shù)值計算。由于數(shù)值模擬軟件能夠?qū)⒒み^程單元設備(如精餾塔、換熱器及反應器等)內(nèi)部速度場、壓力場、溫度場和物質(zhì)濃度場分布情況實現(xiàn)可視化，因此采用場分布可視化數(shù)值模擬軟件進行三門課程的輔助教學，不僅能夠豐富教學內(nèi)容，而且能夠加深學生對基礎理論的理解與認識。

2.3 流程模擬在化工分離過程、化工工藝學和化工過程分析與合成中的應用

化工分離過程、化工工藝學和化工過程分析與合成等是化工類專業(yè)實踐性較強的專業(yè)課程。三門課程中分離塔序列、換熱網(wǎng)絡綜合、反應器網(wǎng)絡綜合、工藝水集成等教學內(nèi)容均需要借助流程模擬軟件來完成。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)庫和單元操作模型庫，基本上涵蓋了各類單元操作，并能夠滿足各類化工過程的設計、模擬與仿真，因此工藝流程模擬已成為化工類專業(yè)化工分離過程、化工過程分析與合成等課程重要的教學內(nèi)容。

3 結論

隨著計算機與信息技術的發(fā)展，計算機模擬技術在化工過程時空多尺度現(xiàn)象的描述中得到了廣泛應用。原子/分子尺度上的量子化學與分子模擬技術、單元設備尺度上的場分布數(shù)值模擬技術，以及工藝過程尺度上的流程模擬技術，已逐漸滲透到化工熱力學、化工傳遞過程、化學反應工程，以及化工過程分析與合成等化工類專業(yè)核心課程教學之中。計算機輔助模擬技術的應用，不僅能夠顯著提升學生的學習興趣、培養(yǎng)學生的思維能力和拓寬學生知識面，而且能夠培養(yǎng)學生掌握現(xiàn)代設計工具能力，更加有效地促進工程教育專業(yè)認證相關畢業(yè)要求的順利達成。