计算机在化学化工中的应用
摘要：随着计算机在人类生活中的各个领域上的不断深入、其价值越来越被人们承认。本文主要讲述了计算机在化学化工中应用。主要从化工过程控制、绘图、辅助工程设计和化学分析四个方面。
关键词: 化工过程控制; 绘图; 辅助工程设计; 化学分析
自从计算机的问世以来，人类生产的各个领域都受到了计算机的渗透。许多生产领域由于计算机的介入，其效率和成绩取得了令人瞩目的成绩。化工领域也同样受到了它的惠顾。尤其在近几十年来，计算机在化学化工中的应用，发展突飞猛进。
一、计算机在化学化工过程中的应用
（一）计算机的应用
化工生产过程中的微机应用, 将从目前的开发尝试阶段发展到提高、推广应用新阶段, 即开发水平不断提高, 应用领域日益广泛. 管理领域的变化: 从目前单一的
信息存贮、单向通讯联系, 发展到全面信息管理系统(CIMS) , 并将随之带来网络技术、计算机与通讯技术等的应用和发展社会的开放, 企业的竞, 信息所起的指导作用必将越来越显著, 从而导致咨询信息情报等
企业的崛起。随着计算机技术的飞速发展，它在化工设计中的应用范围日益扩大，由局部辅助发展到全面辅助，计算机的发展对化工设计的影响也越来越重要性已成为必然的趋势。对化工设计而言，从由分子结构出发预测物质的物性到工艺过程的设计、分析直至绘图，均可由计算机完成，可用一句话简单地概括计算机在化工设计中的作用：模拟计算和绘图。化工过程所涉及到的模拟包括微观过程或结构分子模拟到研究宏观过程的流程模拟。绘图是计算机科学的一个重要分支，在工程设计中用计算机绘图通常为计算机辅助设计，简称CAD。化工设计是一个系统工程，除了工艺路线设计、设备计算、绘图等以外，还有环境评估，经济效益，社会效益等大量的工作，这些都可以借助于计算机来完成。计算机与化工两者互相影响、渗透与结合，已经并将继续给化工设计带来影响和改变。对企业本身而言, 时间的概念、“商品”的质量、“资金”的周转等也必将提到重要议程上来, 改变过去生产脱离信息服务于权威等习惯领导方法的变更: 目前企业的生
产和自我完善, 归根到底是由上门主宰的。随着商品经济的崛起, 微电子的发展, 必将冲击目前的生产经营方式和领导管理模式—封闭性指导思想, 从而推动整个社会
的变革。
1.企业的竞争, 迫使领导人要具有战略眼光, 运用科学手段和技术来武装和管
理企业。
2.人才的竞争和崛起, 也为决策者本身增添了竞争意识, 迫使其学习最新技术
和改善管理方式。
3.决策层之间的相互制约和职工素质的提高, 也为管理方式的变革奠定了基础。
自从20世纪五十年代末期，第一台计算机被用于控制以来便开始了轰轰烈烈的计算机工业应用时代。但是当时由于计算机的造价高、功能低、运算速度很慢再加上硬件设施不过关可靠性差，不仅没有给生产带来帮助，而且偏离了生产的初衷。
随着科技的进步计算机的改进也加快了步伐，它在生产中体现出来的优越性也越来越明显。70年代以，一些著名的计算机公司推出了计算机集散控制DCS系统，是计算机集中控制和直接数字控制得以在球迅速推广应有。80年代计算机已经进入高一层次，可以进行PID控制，顺序控制和能量控制。图示功能得到增长，并能实现参数自控整定。90年代以来，发展更为迅速，RISC工作站使图形更完善使操作更加方便。在化工过程遇到一些复杂的计算，如涉及到有关矩阵计算时，若使用VB 和C 等一般的程序语言进行编程，则编程会非常麻烦而且效率很低。而MATLAB 正提供了一种功能强大，编程简单，又适合化工技术人员知识结构(专门的数学知识和计算机知识相对比较弱)的高级语言。例如普通的矩阵计算用一般的高级语言程序，需要十几甚至几十行语句，用MATLAB 最多几行。
随着计算机的飞速发展，其在化工生产中的应用越来越广泛，结合越来越紧密。大大的提高了生产力，安全因素得意提高是一些隐患及时被发现。生产过程中的自动化实现，能跟本改变劳动方式，一定程度上也是受了计算机在化工过程控制方面发展迅速的影响。
二、计算机在化学化工绘图中的应用
（一）计算机在化工专业中的重要性
如在化工中最常见的制图为例，在计算机普及之前都是用手工绘制复杂的分子结构图、试验装置图和化工工艺流程图等，既费时又费力，常常占用工作人员大量的时间和精力。而随着计算机的普及，这些工作已经完全依靠计算机来完成，如在绘制分子结构图方面常用的化学软件有Chew window、CSChew  Draw、CSChew3D、Chem Sketch 等。而化工工程人员和研究人员则利用更为专业的AutoCAD来绘制大型的试验装置图和化工工艺流程图等。利用计算机来绘制图形不但省时省力，而且易于保存和传阅。因此，化工专业的大学生在大学期间就应该掌握这些和化工有关的专业计算机知识，并随着新的软件和技术的出现，不断更新现有的知识，才能真正适应社会的需要。
（二）化工专业学生应掌握的基本计算机知识
计算机在各行各业都得到了快速的发展，各种软件也层出不穷，要想在大学期间学会所有的计算机方
面的知识也不大现实，因此，如何选择和化工相关的计算机知识，并能真正运用到今后的工作当中，这也是化工专业大学生面临的一个重要问题。根据目前计算机在化工领域的应用趋势，本文提出如下一些化工专业学生应具备的基本计算机知识和技能。
1.计算机基本知识
主要包括学习计算机基本知识和基本操作技能，这也是所有非计算机专业的学生都应该掌握的知识。如了解计算机的基本工作原理；能够灵活的使用Windows操作系统；能熟练掌握办公自动化系列软件（如Word文字处理、Excel电子表格设计软件和Power point幻灯片制作软件的使用方法等等）；了解掌握计算机网络的基本概念、基本知识和Internet的信息服务，熟练应用互联网进行网上交流、信息检索。此外，化工类专业学生还应具备一定的编程能力，学习一些常用的编程软件，如VC++和VB 等。这些基础知识的学习，也是为以后进一步学习较为专业的计算机知识打好基础
[1]。
2.计算机绘制图形技能
计算机在化工中一个重要的应用就是绘制各种化学、化工的专业图形。AutoCAD （Auto Computer Aided Design）是美国Autodesk公司首次于1982年生产的自动计算机辅助设计软件，用于二维绘图、
计算机毕业论文详细绘制、设计文档和基本三维设计。AutoCAD 经过不断的完善，目前最新版本为AutoCAD2008，现已经成为国际上广为流行的绘图工具。化工设计中，虽有各种专业的三维设计软件出现，如PDS、PDMS等，但到目前为止，在各大化工设计院中，AutoCAD仍是主流的设计软件。因此学会如何使用AutoCAD，并使之更好地与化工设计相结合，也是化工专业学生应掌握的专业技能之一。
3.化学化工数据处理和分析技能
处理收集的化学数据是使用计算机的主要优势之一。这不但要求学生具有一定的计算机应用能力，还应具有一定的数学知识背景。常用的数据处理方法及数学模型包括：最小二乘拟合、线性回归分析、方差分析、插值、数据平滑、实验设计等。目前两款通用的软件为： Origin和Sigma Plot。它们可根据需要对实验数据进行数值计算、统计、傅里叶变换、曲线拟合以及制图等等。另外，MATLAB由于其强大的数学处理能力也正日益受到化工分析领域的重视。Origin是美国Origin Lab公司推出的数据分析和制图软件，是公认的简单易学、操作灵活、功能强大的软件，既可以满足一般用户的制图需要，也可以满足高级用户数据分析、函数拟合的需要。目前最新版本为Origin7.5Origin7.5是功能强大的数据分析及科学绘图软件，利用其计算命令能够非常方便地进行线形和非线形拟合、插值、微分、积分等数值计算，是解决化工动力学、热力学、工艺优化设计及化学分析中数值计算问题的有力工具。MATLAB是由Math Works公司开发的数学分析工具，目前，该软件已经更新到MATLAB7.7。MATLAB是一种高性能数值计算的科学计算语言，它以矩阵作为基本数据单位，适用于线性代数、数理统计、
数字信号处理、动态系统仿真、自动控制等领域。MATLAB在化工的数值计算和化工流程模拟等领域具有较大优势。MATLAB 在国内外控制工程界得到了广泛使用，软件中的通用数学模型和动态模拟软件Simulink，拥有目前最新的数值计算技术和软件开发工程技术。尽管该软件中不包括化工流程和单元设计的内容，但我们可以设计
出新的工具箱，以满足我们的需要。例如，温成涛等[6]在MATLAB/Simulink 环境下，开发出了一个化工单元操作工具箱，以此工具箱为基础模拟化工过程，与ASPEN模拟计算结果基本吻合，表明该工具箱能成功用于模拟化工过程，并为化工过程可视化，面向对象建模提供了一个迅速、高效的软件开发环境。
4.化学教育辅助软件
计算机在教育领域已经取得了巨大的成功，如我们常用的PPT教学以及各种教学仿真软件等等。尤其在化工领域，由于涉及到复杂的化学结构和许多化学实验，利用计算机及网络等电子化教育大大增加了化学教育的形象性和直观性，激发了学生的学习兴趣，同时，这些教学性质的软件也可应用于各种培训和工程咨询领域，因此，了解一些化工方面的专业教育软件也是必备技能之一。［2］目前，最常用的教学和模拟实验软件是Chem Lab、Chem Sketch和MSV iewer等软件。Chem Lab也就是虚拟化学实验室。它是一个交互式的化学实验模拟工具，可以像在实验室做实验一样操作其中的各种仪器和
设备来进行各种预设的实验，也可利用该软件提供的实验平台进行用户自己设计的实验。Chem Lab使用户可以用相对实际实验很少的一部分时间来快速预习化学实验，当实际实验中我们就可以着重强调危险因素和实验技术。它是预习实验、演示实验、准备实验、进行危险实验和由于时间原因不能进行的实验的理想工具。是化学平面符号的录入软件。是加拿大ACD公司专门开发的用于编辑化学分子式、化学仪器等化学图形的工具软件。现在可从该上得到免费的ACD/ChemSketch11.0。它主要解决有机化学，生物化学中常见的化学论文、化学试卷以及平面化学教学课件中化学符号、反应方程式、轨道反应方程式和结构式的构建与表达问题。并且提供了模拟三维分子结构的工具以建立分子微观三维立体结构，还可以按各种模式、各种角度随意进行旋转、观察。MSV iewer是一个功能强大的三维化学空间结构的构建与表示软件，该软件是由Molecular Simulations公司生产的，能很好表现生化大分子的三维空间结构。其主要用于有机高分子、生物大分子和各类氨基酸、蛋白质立体空间的表示。该软件自带了一个复杂化学分子图库，其中有一些生化分子可供选择。我们也可以利用该软件制作具有三维结构的分子。制作好的分子可以查看其属性（如分子式、分子量等），分子可以设置不同的显示方式（如棍状型、球状型等），还可以随时进行扭曲、放置缩放甚至让其自转进行不同角度的观察。若要重点观察某一特殊基团，还可对其进行特殊着处理等。换热器是化工厂最常见的设备，需用量非常大。进行换热器的设计工作，就是要求设计出能满足工艺需求的并具有一定调节余量的换热器。从工艺要求来看，主要是能够利用工厂提供的冷媒或热媒( 可称公用工程) ，将需要冷却或加热的物流（可称被处理物流)通过换热调节到设定温度。一般情况下，被处理物流的流量、进出口温
度、公用工程的进出口温度都需要预先知道或设定。在设计过程中一般首先要算出公用工程用量，然后利用根据具体物流特性选取的一个合理的传热系数，算出换热器的面积，最后根据面积进行具
体的换热器结构设计，设计完成后一般还需对传热系数进行校核，如果传热系数校核值和选取值相差太大则需重新设计。使用新一代面向对象的Visual Basic6. 0 编程语言, 开发换热器设计软件, 以减少重复计算的工作量[5]。
计算机在化学化工绘图中的应用主要是AutoCAD当中。CAD重点突出了摄影的基本理论、物体的表达方法及化工图样的阅读和基本画图方法等使用内容，将基本概念和基础理论混入大量的实例中，突出了分析和解决问题的思路和方法。在工程技术中，按一定的投影方法和有关标准的规定，把物体的形状用图形画在纸上或储存磁盘等介质上，并用数字、文字和符号标注出物体的大小、材料和有关制造的技术要求、技术说明的图称为图样。
随着微电子技术的飞速发展。超大规模集成电路的成本不断降低，图形输出设备你的种类和功能日益增强，价格也不断下降。图形输出设备按输出平台大体上可分为：图形显示器、数字化绘图仪和打印机。目前，市场上有各种规模适合各种需要的计算机图软件出售，这些图形往往具有交互功能。操作这可利用鼠标，键盘方便的与计算机进行对话（输入和修改）。目前微机上，使用较多的一个通用图形软件是美国AutoDesk公司发布的AutoCAD。它适宜于一般CAD应用软件的二次开发。现在越开越多的化工制图都在使用这种软件直接由计算机生成图形。
为增强软件的直观性，除了具有大量的文字与数据外，还需要配有大量的图形显示.C语言虽然有很强的图形功能，但编制这样的图表和各类显示图也是很困难的.AutoCAD绘图软件系统是一种强有力的绘图辅助系统，他可以按照用户的指令、迅速而准确的绘制出所需要的图形。它具有容易校正绘图误差以及做较大的修改而不需重新绘制整个图形的特点.因此，我们采用AutoCAD进行绘制本软件所需要的大量图表、图形，利用AutoCAD的图形交换文件DXF，作为C语言与AutoCAD的接口，两者相互搭配，为化工企业做出很大的贡献[3]。
三、计算机辅助化工过程设计模拟系统的应用
（一）传统实验教学的模式
传统实验模式是“预习——操作——总结”，其表现为以下几个方面：
1.在教学方式上，首先由教师讲解实验原理、实验流程、操作步骤和方法、如何数据记录及数据处理；其次每次实验前要求学生预习。虽然反复讲解实验步骤，强调注意事项，可是在实验过程中，总会出现错误，甚至损坏设备。个别学生面对实验装置时，仍茫然不知所措，有的则是一边看实验指导书，一边进行操作，无法保证实验教学效果。
2.化工实验具有工程实验的特点，实验装置和流程比较复杂，有相当部分设备价格昂贵，体积巨大，
学校无法购置，只能前往工厂实习，因此在实验教学过程中受到时间、场地、设备等因素的限制。而且，实验过程复杂，需要几名同学协同合作，这样每位同学就没有完整操作设备的机会。