計算機在化工中應用的研究進展*

郭妍婷，黃　雪，陳　曼，馮光炷

(仲愷農業工程學院化學化工學院，廣東　廣州　510225)

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計算機在化工中應用的研究進展*

郭妍婷，黃雪，陳曼，馮光炷

(仲愷農業工程學院化學化工學院，廣東廣州510225)

主要介紹了計算機在化工中的應用，包含化工設計、化工生產、化工科研及教學等，講述了在上述幾個領域內國內外最常用的計算機軟件，并討論了計算機在輔助制圖、化工模擬設計、數據處理、化工仿真、信息檢索等方面的的應用現狀，未來計算機軟件將發展成智能、綜合的工具，把研究人員豐富的知識、經驗融入其中，將不斷提高企業的生產效率，促進化工產業的繁榮和興盛。

計算機；化工應用；進展

在信息技術迅猛發展的今天，計算機與各個行業都進行了有效的結合，大多領域由于計算機的引入，效率都得到了極大提高，尤其是作為國家發展重要支撐的化工產業，在計算機輔助的基礎上，已達到了空前的興盛，計算機已逐漸占據化工行業的核心位置。

1　計算機在化工中的應用

計算機技術的發展如日中天，普遍應用于化工行業的各個領域，特別是在化工設計、化工生產、化工科研及教學等幾個方面的應用最為突出。高速發展的計算機技術與蓬勃崛起的化工產業的完美結合，有效地減輕了繁瑣的化工研究工作，極大地縮短了化工產品的研發周期，在加強企業市場競爭力的同時，促進了化工產業各個范疇的極速發展。

1.1計算機在化工設計中的應用

工程計算是化工設計的基礎，化工計算的數據量很大且過程十分復雜，而計算機可以精準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[1]。計算機輔助制圖與化工模擬設計完美展現了計算機在化工領域中的作用。

1.1.1計算機輔助制圖

在化工產業設計中，從熟悉物質的理化性質到設計實驗直至處理數據，都可以基于計算機實現。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，在不斷研發與改進下，計算機輔助制圖設計(CAD)技術呈現于世，并在化工設計中得到了廣泛的應用，在這些軟件的幫助下，化學工程設計和繪圖的水平有了很大改變。當前，國內外化工行業最常用的設計軟件是AutoCAD，此類軟件可以依照化工制圖準則完成各種實驗流程圖、設備裝配圖、工廠管線配置圖等，還可以進行計算、仿真模擬等，且CAD技術可將零件的二維圖轉變為三維模型，還可以對運動的部件進行動態干涉仿真模擬，從而便于研究人員對零件進行改進與優化，最終確保產品設計的合理性、實用性[2]。與CAD軟件類似，新研發的PDS軟件也因其操作便捷、信息含量大、可有效配合完成設計任務等優點，在化學工程的各個領域廣泛應用[3]。陸洋等[4]對PDS軟件進行了二次開發，增強了化工配件的質量，提高了裝置的生產效能。Juliette Heintz等[5]基于“化學工業可持續發展”的法國國家計劃，研究了一種混合計算機輔助設計軟件，突出顯示了分子結構的不同系統視圖。

1.1.2計算機化工模擬設計

化工過程往往是連續、復雜的，手工計算耗時耗力，而運用計算機化工模擬技術能最大程度的減少工作量，并對化工過程做出科學、精準的分析與判斷。自20世紀50年代以來，科學家利用計算機研發化學工程的模型，經過幾十年的發展，化工模擬設計已廣泛地應用于化工產品的研發與生產[6]。目前，國內外已開發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據及熱力學函數，擁有強大的集成功能，在運用過程中，能夠完成數據計算、仿真模擬等，使整個生產過程實現最佳，從而使生產效益最大化。近年來，新推出的LabVIEW軟件，可在給定參數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軟件設計的虛擬儀器在化學工程中應用的效果，測試結果表明，該軟件是高效、可靠的，可輔助化工設計工作。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軟件的基礎上，建立了化工的穩態模擬過程，為實際生產提供了依據。Steinbach Thomas等[18]運用計算機建立了用于描述化學結構與生物活性相關性的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計算機在化工生產中的應用

伴隨著計算機技術的迅猛發展，國內外大中型化工企業已普遍將計算機與化工生產相結合，運用計算機，將生產過程與管理相結合，大大提高了企業自動化水平，實現了研發、調試、優化與管理的總體自動化[20]。計算機網絡系統的建立，使市場與企業聯系緊密，實現了供銷一體化的管理，有助于找出最優的供銷方案，以便通過高效的管理，獲取最大的經濟效益[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效率，降低了勞動生產成本的投入，為化工生產的長遠發展提供了技術支撐[22-23]；最后，計算機監控技術在化工生產過程中也扮演著越來越重要的角色，是化工生產實現安全、優質、低耗的基本前提和首要保障，計算機已逐漸成為增強企業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測化學物質的毒性。宋璐等[26]調查研究出揚子石化廠在生產中運用了DCS軟件，對化工生產過程進行了集中經管和分散掌控。

1.3計算機在化工科研及教學中的應用

計算機是教學與科研中必不可少的一種高效工具，它在數據處理、計算機模擬和化學信息檢索等領域均有廣泛的應用。

1.3.1計算機數據處理

在化工研究過程中，實驗和計算是必不可少的兩個環節，然而化工實驗繁雜且數據量龐大，數據處理十分困難，化學反應又含有很多不穩定的因素，受外界環境影響較大，往往只能得到一個數據范圍，而利用計算機軟件，可以通過模擬獲取一個較為精準的數據區間，減少實驗次數，降低實驗誤差，也可以采用數據庫中已有的的經驗數據，結合實際情況，簡便實驗過程，減輕數據處理的工作量[27]。當今，可以用于數據處理的計算機軟件層出不窮，如OriginLab公司研發的Origin數據處理軟件，該軟件含括了信息整合、曲線模擬等功能，可完成數據的編輯和處理，并繪制出各種圖形，有助于化工研究人員及在校化工專業的師生進行數據處理及作圖[28]。此外，MATLAB也是常用的一種數值計算軟件，在數據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構分析的問題[30]。宋穎韜等[31]利用Matlab軟件解決了氣相傳質單元數等的計算問題。Melinda Kalainoff等[32]調查研究了學生對運用計算機來解決化學平衡的看法與效果，結果顯示計算機輔助比傳統的學習方法效果好。Katarina Novakovic等[33]將計算機軟件融入電子化學工程課程，研究了這些軟件對學生們的影響，結果表明計算機軟件有助于加強學生對化工相關領域知識的理解。

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境進行模擬及分析的一項新興技術，可將化工實驗過程呈現在熒幕上，使實驗內容更直觀，視覺效果更豐富[34-35]。許多大型的化工設備價格高昂，難以在學校普及，但利用計算機化工仿真技術可以模擬儀器設備的操作，快速有效的應對上述問題[36]。計算機仿真技術使書本內容形象，逼真的將儀器設備呈現在學生眼前，極大的激發了學生的學習動力，明顯提升了學習質量[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，產生真實的實驗現象，有助于指導實驗操作的規范性，從而進一步鞏固所學的知識，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，可充分調動學生的積極性，提高學生的學習興趣，使學生更加積極、有效地參與學習[38]。Slimane Merouani等[39]利用計算機仿真技術研究了自由基產生的條件。N. N. Ziyatdinov等[40]提出運用計算機仿真技術來優化化工設計，使資源合理利用。

1.3.3化工信息檢索

計算機網絡提供了海量完整的化工資料，文獻信息權威且時效性強[41]。基于計算機的化工資源導航類網站可將網絡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，系統信息收錄范圍僅限于與化工有關的內容，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]。目前國內存在的較權威的化工資料搜索網站主要有:中國化工信息網、中國精細化工網等；同時，可以借助網絡獲取大量的化工期刊信息，如：中國期刊全文數據庫、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用展望

隨著信息技術的迅猛發展，計算機已滲入化學工程的各個領域，是一種先進的計算輔助工具，該技術將來的發展方向如下：

2.1計算機在化工設計中的應用展望

化工設計的發展前景很廣闊,未來設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品質量、加速產品推陳出新、鞏固企業市場競爭力的三維一體的設計過程，在不斷優化的軟件研發與制作中，會設計出多款信息量大的應用軟件庫，將化工模擬系統變得更加智能化，把設計人員豐富的知識、經驗融入其中，使模擬過程靜動結合，設計出更好的優化化工模擬過程的軟件[43]。

2.2計算機在化工生產中的應用展望

在化工生產中，未來發展的重點在于提升化工企業自動化、規模化水平[44]。如研發化工機器人，大多數化工廠的生產很危險，可以研發熟識工藝過程的智能機器人代替危險化工產業的工作人員，機器人技術發展前景廣闊，是當代制造業必不可少的一個部分，發展化工機器人不僅是社會發展的一個重要契機，也對提升國家經濟實力有很大的幫助[45]。

2.3計算機在化工科研和教學中的應用展望

數據處理軟件未來將發展成智能、綜合的工具，把研究人員豐富的知識、經驗融入其中，將計算軟件和數據處理軟件相結合，加強軟件智能化的開發，加強其對實驗現象模擬的直觀性、周密性、操作的形象性，并具備高效的糾錯性能。化工仿真系統的應用范圍很廣，新的仿真技術和仿真軟件在未來仍有很大的發展空間[46]。

3　結　語

隨著科技的蓬勃發展，計算機逐步占據了化工產業的核心位置，計算機與化工的高效結合，不斷提高了企業的生產效率，促進了化工產業的繁榮和興盛，對化工科學技術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用研究。

馮光炷(1961-)，男，教授。

TQ021.9

A

1001-9677(2016)012-0028-03