计算机在化工中的应用与进展研究

计算机在化工中的应用与进展研究杨榛，浦伟光,隋志军,魏永明（华东理工大学化工学院上海，200237）摘要：计算机已成为化工发展不可缺少的工具。目前，计算机应用正日益渗透到化学工程的各个方面，将极大地促使化学工程的变革和发展。主要介绍计算机在化工设计、化工生产和科研、化工教学等重要领域的应用价值和应用内容，讨论计算机在上述领域的研究进展新动向并对其发展方向做出展望，最后分析了发展中所面临的主要问题并提出若干解决方案和发展建议。关键词：计算机；化工应用；进展中图分类号：TQ021.9文献标识码：AApplicationsApplicationsApplicationsApplicationsandandandandAdvancesAdvancesAdvancesAdvancesininininComputerComputerComputerComputerTechnologyTechnologyTechnologyTechnologyforforforforChemicalChemicalChemicalChemicalEngineeringEngineeringEngineeringEngineeringYANGZhen,PUWeiguang,SUIZhijun,WEIYongming(ChemicalEngineeringInstitute，EastChinaUniversityofScienceandTechnology,Shanghai,200237)Abstract:Abstract:Abstract:Abstract:Computerhasbecomeindispensabletoolfordevelopmentofchemicalengineering.Atpresent,computerapplicationtechnologiesareincreasinglypenetratedintoallaspectsofchemicalengineeringandhavebeenorwillbeleadtocomprehensivechangesandadvancesforchemicalengineering.Thecomputermainapplicationsandadvancessuchaschemicalengineeringdesign,chemicalengineeringproduction,scientificresearch,teachingandlearningareintroduced.Then,newadvancestrendintheabovefieldsarediscussed.Finally,Somerecommendationstoadvancesinthefieldofcomputerapplicationsforchemicalengineeringaremade．KeyKeyKeyKeywords:words:words:words:computer;chemicalengineeringapplication;advance二十世纪的计算机产业革命，使人类进入信息、知识、文明高度发展的时代。计算机完成了人类脑力劳动的替代，提供了各领域高速发展的智力平台，许多领域由于计算机的介入，其效率、成果取得了令人瞩目的成就。作为国民经济支柱产业的化学工业，也因计算机技术的应用而获益匪浅，计算机已成为化工发展不可或缺的工具。化学工业是较早使用计算机的工业部门，我国早在1964年国家科委就确立了计算机用于化工过程的试点项目[1]。二十世纪60年代未，计算机技术开始较多地应用于化工生产过程控制等领域[2]，设计人员从工艺角度出发研究、探讨最优设计、最优操作等，促进了工艺设计等工作的飞跃发展[3]。但由于计算机硬件及其外围设备的稳定性、价格等诸多因素，至20世纪70年代初，世界各国的化工计算机应用仍停滞不前[4]。直至上世纪80年代起，随着计算机本身的迅速发展，计算机辅助设计、辅助制造、科学计算等极大地推动了化学工业领域的发基金项目：基金项目：基金项目：基金项目：国家自然科学基金（NO.50672025）。第一作者简介：第一作者简介：第一作者简介：第一作者简介：杨榛(1973-)，女，博士，讲师，主要研究方向为计算机化工应用及材料智能化设计。电话[phone]；E-mail:[e-mail]。展，使得计算机化工应用进入了较快发展阶段，化工过程的多个分支领域都受到了计算机的渗透[5]。尤其是进入二十一世纪，计算机在化工领域的应用发展突飞猛进，计算机在化工中的应用将促使化学工业各个方面新的变革和发展，本文将介绍计算机在化工设计、生产和科研、教学等主要领域的应用现状，讨论近十年来计算机在上述领域的研究进展新动向并提出若干发展建议。1计算机在化工领域中的应用现状计算机在化工中的应用极其广泛，应用价值越来越被人们所承认。目前，其主要应用可以概括为计算机在化工设计、化工生产、化工科研及教学等三个方面。1.1计算机在化工设计中的应用化工工程设计和化工工艺及装置设计中往往有许多繁杂的计算和绘图工作需要快速精确地完成，这就要依赖于计算机。计算机在化工设计上的应用主要体现在计算机辅助制图和化工模拟设计中。1.1.1计算机辅助制图化工行业应用计算机辅助制图设计CAD（ComputerAidedDesign）技术起步较早，研究人员于上世纪60年代中期就在计算机上进行单元过程的计算和绘制，经历了四十多年的开发和引进，随着微机技术的迅速发展，CAD技术在工程设计方面得到了广泛应用，适合微机上运行的设计软件也相应发展，这些软件的应用，使化工设计制图水平大幅提高[6，7]。目前，化工设计使用最多的通用图形软件是美国AutoDesk公司的AutoCAD系统，其工作界面简单、易学，可以替代图板及计算器并按照化工制图标准绘制化工机器图、化工设备图、工艺流程图、设备布置图、管道布置图等[8]。采用计算机辅助设计已日益普遍，诸如精馏塔、反应器的工艺设计、化工机械的设计等均离不开CAD。1.1.2计算机化工模拟设计化工过程多是连续、复杂的，涉及许多原料、辅料、中间产品、成品和副产品等，往往需要经过诸多设备和机器。在手工设计计算时要经过多次迭代计算，十分费力、费时，而应用计算机辅助计算的化工模拟则能大大提高化工设计的质量和效率。化工流程模拟系统是应用化学工程、应用化学、系统工程、计算方法和计算机软件等学科有机结合的产物，它应用计算机辅助计算手段，对化工过程进行热量、物料衡算、装置尺寸和费用等计算[9]。模拟设计的主要工作是将一个由许多单元过程组成的化工流程用数学模型表现，并在计算机上解算其物料及能量衡算，进一步计算各单元设备尺寸及成本，分为稳态流程模拟和动态流程模拟两大研究开发领域[10]。流程模拟在国际上应用相当普遍，我国在上世纪80年代中期引进了美国Coade公司的Mcirochess，Aspentech公司的Aspenplus等软件包[11]。如今Aspenplus和InvensysProcessSystems集团公司的Simsciesscor品牌的产品ProII等不仅能做物料和热量衡算，还能做单元过程计算和设计方案优选或优化，被广泛应用在化学工程、石油炼化、制药等过程设计领域，全国多个知名化工设计行业、研究院所、生产单位、高校等都已使用化工流程模拟系统软件。当前许多化工工艺软件在流程模拟设计中已扮演着重要的角色，设计工作者普遍认为应用模拟设计软件是设计能力的一种体现。1.2计算机监控技术在化工企业中的应用众多的化工企业面对工艺复杂、设备繁多，高温，高压、腐蚀、易燃、易爆、有毒等特殊性，而各种计算机监控技术已经成了化工生产实现安全、高效、优质、低耗的基本条件和重要保证。化学工业从上世纪60年代起步搞生产过程控制和工程计算方面的计算机应用。上世纪70年代开始在化肥、石油化工、工业窑炉、橡胶、氯碱等行业进行计算机应用试点工作[12,13]。目前，我国的化工企业中小型厂居多，这些企业的化工生产装置多建于上世纪八、九十年代，生产过程控制基本以单回路控制为主[14]。由于工艺的落后以及控制手段差，企业的效益、长周期稳定运行难以实现，利用计算机监控技术改造现有产业势在必行。计算机监控技术可概括地分为计算机硬件和计算机软件两个部分[15]。计算机硬件上由于我国受集成电路及计算机硬件技术的限制，在上世纪80年代前主要对小规模的单回路控制系统和相对独立的间歇生产的程序控制，如氢氮比自调，造气炉入炉蒸汽自调、热水饱和塔循环量调节，变换炉温控、锅炉控制、聚氯乙烯聚合过程控制等[16]。而此时国外使用能发挥稳定生产，提高控制精度，节能降耗重要作用的集散系统DCS(DistributeControlSystem)已相当普遍。上世纪80年代后，中国多家化工企业引进了先进的DCS系统，使化工自动化技术有了长足的进步，如四川化工开发应用了合成氨生产过程中的水碳比值控制系统、氢氯比控制系统、一段转化炉出口温度控制系统、放气组分、压力控制系统等多套节能控制系统。各厂采用DCS系统后，又经创新和完善，对稳定生产、节能降耗带来了明显的经济效益[17]。进入二十一世纪以来，随着智能化变送器、调节器等高精度、多功能仪表产品的不断增加，基于现场总线FB（FieldBus）技术的现场总线控制系统FCS（FieldControlSystem）得到迅速发展，该技术较之DCS的先进之处在于--将全厂范围内最基础的现场控制设备变成网络节点连接起来，与控制系统实现全数字化通信，把化工企业信息沟通的覆盖范围延伸到了化工工业现场。现场总线技术的优越性受到全世界化工自动化用户的欢迎，我国山东滨化集团公司化工厂锅炉系统复杂控制回路和环氧丙烷装置引进了FCS控制系统，系统主要工艺指标达到优级并达到良好的节能降耗的目的，产生了良好的经济效益[18]。计算机自动化监控系统的软件对人性化互动要求越来越高，要求人机对话界面简单明了，宜于操作，实时性好，开发周期短，便于修改、扩充、升级。满足上述要求的工控组态软件成为开发工业自动化及其系统的一件有力武器。国外软件商推出了各种工业控制软件包，如美国Wonderware公司的Intouch，美国Intellution公司的Fix，德国西门子公司的Wincc，国产工控组态软件则以组态王、力控为代表[19]。监控软件在化工自动化系统中应用尤其广泛，化工监控软件可完成操作流程画面设计、信号采集、监控操作、动态报警等多种工作，如广州石化乙烯罐区计算机控制系统改造中的监控软件可使中控室操作站与工厂局域网相连，为相关科室提供实时或历史罐存数据，在各科室操作站上可以实时查看罐区流程图画面、罐存原料或产品数量，进而为经济核算及生产调度服务，可以在工厂生产现场和办公室之间架起信息沟通的桥梁[20]。1.3计算机在化工科研和教学中的应用对于高等学校化工类专业的师生和化工科研院所研究人员来说，计算机为教学与科研提供了一种强有力的工具，其应用非常广泛，常用在计算机数据处理与数值计算、计算机仿真和计算机信息检索等方面。1.3.1计算机数据处理与数值计算化工专业人员解决化工过程研究、开发、设计、生产中的问题，不外实验和计算两种手段。但实验往往既费钱又费时，因此化工工作者总是希望尽可能少做实验，同时充分发挥必不可少的实验效用。而在这方面，计算能够发挥不可或缺的作用。计算机的应用使得化工专业人员已经有能力解决越来越复杂的计算问题。目前，计算机数据处理与数值计算应用软件层出不穷且日趋完善。如美国OriginLab公司的Origin科技绘图和数据分析软件国际科技出版界公认的标准作图软件，广泛应用于学术论文中，是化工科学和工程研究人员必备的工具软件之一，可完成对化工数据表格的数据编辑、数据变换、导入导出等处理，绘制多类型科学图形，数据获取、数学运算、统计分析等数据分析和多种曲线拟合[21]。而由MathWorks公司创建的Matlab软件自二十纪90年代以