計算機輔助模擬在化工類專業核心課程教學中的應用

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)

化工類專業是我國高等教育的重要組成部分。根據教育部最新頒布的《普通高等學校本科專業目錄(2020年版)》，化工類專業主要包括化學工程與工藝、能源化學工程、化學工程與工業生物工程、制藥工程、化工安全工程、資源循環科學與工程、涂料工程和精細化工等。如圖1所示，化工類專業課程涵蓋人文社科體系(如思想道德修養與法律基礎)、數理體系(如高等數學)、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工程教育認證中一項重要的畢業要求 。鑒于此，本文針對化工過程時空多尺度現象，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課程教學改革提供參考。

圖1 化工類專業六大課程體系及核心專業課程

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和能量的轉化與傳遞實現化工產品的生產，涉及從產品結構設計、單元設備加工到工業裝置生產與組織等寬廣領域[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為小到物質分子或原子，大到工業生產裝置或工廠。化工過程的時空多尺度特性是化學工業區別于其他制造業的典型特點，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核心課程中的應用

2 計算機模擬在化工類專業核心課程中的應用

2.1 分子模擬在化工熱力學與工業催化原理中的應用

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化的規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。以蒙特卡羅方法為代表的分子模擬技術是從物質微觀模型出發，運用統計學方法，導出微觀結構與宏觀性質之間的關系，例如從分子間相互作用的位能函數和徑向分布函數，導出p-V-T關系。

工業催化原理課程具有理論與實際聯系緊密、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，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，對化學工程本質的認識，“單元操作”與“三傳一反”相繼被提出，且已深入人心。化工原理課程講授的內容即是“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容是“三傳一反”。因此，三門課程在化工類專業培養體系中占據極其重要的地位。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，并涉及大量數值計算。由于數值模擬軟件能夠將化工過程單元設備(如精餾塔、換熱器及反應器等)內部速度場、壓力場、溫度場和物質濃度場分布情況實現可視化，因此采用場分布可視化數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實踐性較強的專業課程。三門課程中分離塔序列、換熱網絡綜合、反應器網絡綜合、工藝水集成等教學內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)內嵌大量物性數據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化工分離過程、化工過程分析與合成等課程重要的教學內容。

3 結論

隨著計算機與信息技術的發展，計算機模擬技術在化工過程時空多尺度現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、培養學生的思維能力和拓寬學生知識面，而且能夠培養學生掌握現代設計工具能力，更加有效地促進工程教育專業認證相關畢業要求的順利達成。