G-A-C聯(lián)合使用在化工原理模擬教學(xué)中的研究

于 鵬

(黑龍江廣播電視大學(xué) 糧油食品學(xué)院，黑龍江 哈爾濱 150001)

近年來仿真模擬技術(shù)日漸火熱，仿真模擬在眾多領(lǐng)域已經(jīng)占有一席之地，并且該技術(shù)已經(jīng)被美國國防部定義為22項(xiàng)未來發(fā)展的關(guān)鍵技術(shù)之一[1-2]。模擬技術(shù)在實(shí)際應(yīng)用中具有占地空間小、針對性強(qiáng)、成本低、反應(yīng)直觀迅速等特點(diǎn)，因此如何將模擬技術(shù)引入教學(xué)已經(jīng)成為教學(xué)領(lǐng)域的新熱點(diǎn)問題。

但是，在實(shí)際應(yīng)用過程中，往往個(gè)別軟件具有局限性，無法完全發(fā)揮其全部作用。例如,化工領(lǐng)域中比較流行的Aspen Plus，該軟件是美國麻省理工學(xué)院于20 世紀(jì)70 年代后期研制開發(fā)的大型化工模擬軟件，被公認(rèn)為世界性大型化工標(biāo)準(zhǔn)流程模擬軟件，自身附帶有較完整的物性參數(shù)和各種模型(如反應(yīng)模型、精餾模型等)，能根據(jù)工藝的特點(diǎn)，精確計(jì)算，廣泛適用于精餾、吸收、反應(yīng)等化工生產(chǎn)過程[3-4]具有化工流程模擬，和化學(xué)反應(yīng)模擬的作用，但在實(shí)際應(yīng)用中由于其資源庫限制，庫中的化合物種類并不能完全符合化工模擬的所有要求，本課題組在實(shí)際教學(xué)探索中應(yīng)用了基團(tuán)貢獻(xiàn)法和分子鍵能計(jì)算法對所需化合物資源進(jìn)行了模擬補(bǔ)充，但是由于計(jì)算量大，誤差的存在不可避免，影響了教學(xué)使用效率。

本文主要針對化工原理課程實(shí)驗(yàn)繁瑣，計(jì)算量大且復(fù)雜的特點(diǎn)對化工模擬教學(xué)進(jìn)行探索研究。研究發(fā)現(xiàn)眾多模擬軟件具有互補(bǔ)和兼容的效果，如，ChemOffice軟件中的Chem3D模塊除了具有化合物命名、3D分子模型顯示以外，還具備強(qiáng)大的計(jì)算功能。計(jì)算范圍包括鍵長、鍵角、二面角、分子間距離、分子所在空間的基本計(jì)算。還能結(jié)合MM2、MOPAC、Gaussian等程序進(jìn)行分子力學(xué)和量子力學(xué)的計(jì)算，甚至對分子進(jìn)行動(dòng)力學(xué)擬、化合物構(gòu)象分析和過渡態(tài)能量優(yōu)化[5],而Gaussian 是一個(gè)強(qiáng)大的量子化學(xué)軟件包可以執(zhí)行分子化學(xué)性質(zhì)的理論預(yù)測，化學(xué)過渡態(tài)的能量與幾何結(jié)構(gòu)計(jì)算，鍵能與化學(xué)反應(yīng)能計(jì)算等復(fù)雜計(jì)算[6]。

1 Aspen Plus在化工教學(xué)中的實(shí)用性分析

1.1 提升化工教學(xué)中的趣味性

模擬教學(xué)由于圖形直觀，分子結(jié)構(gòu)和分子反應(yīng)過程可以直觀立體化呈現(xiàn)，在高職高專的教育教學(xué)中可以提升教學(xué)主動(dòng)性，讓學(xué)生積極參與，截止目前已經(jīng)眾多高校舉辦了模擬教學(xué)的學(xué)生操作技能大賽，效果顯著。

1.2 工藝流程直觀性

Aspen Plus 數(shù)據(jù)庫中為用戶提供了五十幾種單元操作模型，如精餾、閃蒸、混合、壓縮、換熱反應(yīng)等，通過各類模型的有機(jī)組合，可建立用戶所需的模擬流程。在實(shí)際使用和操作中這種單元花的操作方式，省時(shí)省力，而且該軟件在單元數(shù)據(jù)庫中提供了極其豐富的設(shè)備結(jié)構(gòu)圖形和立體圖形，為用戶使用帶來極大便利；為教育教學(xué)提供了必要條件。

1.3 提升學(xué)生自由發(fā)揮能力

Aspen Plus 軟件提供了便捷、友善的用戶界面，以交互式圖形界面(GUI)來定義問題、控制計(jì)算和靈活地檢查結(jié)果。用戶在窗口環(huán)境中可使用鼠標(biāo)和鍵盤操作，用戶可以根據(jù)屏幕提示以填充式的表格方式填入數(shù)據(jù)，產(chǎn)生報(bào)告，定義圖表和流程。用戶通過Model Manager 數(shù)據(jù)輸入后，即可模擬計(jì)算，以交互方式分析計(jì)算結(jié)果，省去了學(xué)生在學(xué)習(xí)中大量的計(jì)算量，并且可以保證計(jì)算過程中的準(zhǔn)確性，減少誤差的存在。

2 G-A-C軟件聯(lián)合使用的必要性分析

2.1 Aspen Plus在教學(xué)和研究中的局限性

Aspen Plus雖然擁有諸多優(yōu)點(diǎn)，但作者在實(shí)際應(yīng)用過程中對于相當(dāng)一部分有機(jī)化合物的數(shù)據(jù)庫不夠全面，比如作者在模擬一些酰化反應(yīng)時(shí)發(fā)現(xiàn)，相當(dāng)一部分酚類化合物在該軟件中沒有數(shù)據(jù)提供，但在Aspen Plus中可以通過提供分子結(jié)構(gòu)和分子鍵能的方式進(jìn)行模擬，在實(shí)際操作過程中由于基團(tuán)貢獻(xiàn)法誤差較大，對于每次模擬都會產(chǎn)生較大誤差，對于模擬結(jié)果的準(zhǔn)確性產(chǎn)生影響。

2.2 幾種軟件聯(lián)合使用的拓展性分析

通過反復(fù)研究使用發(fā)現(xiàn)在ChemOffice的圖形界面和Gaussian的圖形界面中都提供了gif格式圖形并且可以全接口兼容，如此對于一些不常見的化合物可以通過ChemOffice進(jìn)行分子畫圖，雖然在Gaussian view5.0中也提供了分子制圖，但對于不熟悉分子鍵長鍵角的學(xué)生存在一定困難，而ChemOffice提供了分子制圖后的分子結(jié)構(gòu)優(yōu)化，省去了不必要的麻煩。通過分子制圖后利用Gaussian模擬分子性質(zhì)并提供給Aspen Plus可以全數(shù)據(jù)對接，如此為不常見的化學(xué)反應(yīng)模擬，化工反應(yīng)模擬帶來極大便利。

圖1 課堂案例分析應(yīng)用框架

3 討論

目前，模擬教學(xué)已經(jīng)日益被眾多高校所重視，但是在模擬軟件開發(fā)和應(yīng)用的技術(shù)手段上，我們還在不斷的探索和開發(fā)，

例如Autodock 的分子對接技術(shù)、pymol的蛋白質(zhì)模擬技術(shù)等等都應(yīng)該在課堂上更好的應(yīng)用展現(xiàn)，而不僅僅拘泥于學(xué)術(shù)研究，軟件的利用可以給學(xué)生更多的圖形展示和模擬動(dòng)態(tài)展示，既減少了教師的口述和繪圖任務(wù)，還大大提高了課堂的生動(dòng)性、直觀性，對復(fù)雜的教學(xué)內(nèi)容提高其帶入感。

4 結(jié)論

通過模擬軟件在課堂中的有效應(yīng)用，大大提升了教學(xué)效率,更有利于加深學(xué)生對結(jié)構(gòu)化學(xué)知識的了解。因此,我們應(yīng)努力發(fā)掘和運(yùn)用這類專業(yè)的化學(xué)軟件,讓其在化學(xué)教學(xué)的過程中得到推廣并發(fā)揮其更大作用。

[1] 熊杰明，李江保.化工流程模擬Aspen Plus 教程[M].2 版.北京: 化學(xué)工業(yè)出版社，2015.

[2] 陳聲宗.化工設(shè)計(jì)[M].北京: 化學(xué)工業(yè)出版社，2012.

[3] 王廣全，李肖華，張智亮.Aspen Plus軟件在化工原理課程設(shè)計(jì)中的應(yīng)用[J].化工高等教育，2015，32(2)：60-63.

[4] 方立國.化工過程分析與合成課程教學(xué)模式改革實(shí)踐研究[J].廣州化工，2010(7):280-282.

[5] 周公度,段連云.結(jié)構(gòu)化學(xué)基礎(chǔ)[M].3版.北京:北京大學(xué)出版社,2008.

[6] 陳佩東，郭藴萍，黃 燕.Gaussian view在紅外光譜教學(xué)中的應(yīng)用[J].光譜實(shí)驗(yàn)室，2010,27(1)：55-57.

(本文文獻(xiàn)格式：于鵬.G-A-C聯(lián)合使用在化工原理模擬教學(xué)中的研究[J].山東化工,2018,47(7):142,144.)