計(jì)算機(jī)在化工中的應(yīng)用

計(jì)算機(jī)在化工中的應(yīng)用岸」(四川理工學(xué)院材料與化學(xué)工程學(xué)院，四川自貢643000)摘要：隨著人類步入信息時(shí)代，計(jì)算機(jī)在人類生活各個(gè)領(lǐng)域應(yīng)用不斷深入，計(jì)算機(jī)已成為科學(xué)研究中必不可少的工具，計(jì)算機(jī)也在化工應(yīng)用中不斷普及.本文主要介紹了計(jì)算機(jī)在工程中的應(yīng)用，計(jì)算機(jī)繪制圖形，計(jì)算機(jī)在化工數(shù)據(jù)中處理和分析以及對(duì)應(yīng)軟件的應(yīng)用介紹，化學(xué)教育輔助軟件。關(guān)鍵詞：計(jì)算機(jī)設(shè)計(jì)過程控制繪圖數(shù)據(jù)處理Abstract:Ashumanbeingsstepintotheinformationage,computersareusedinallareasofhumanlife,thedeepeningofthecomputerhasbecomeanindispensabletoolinscientificresearch,computerapplicationsalsoincreasedpopularityofchemicals.Thispaperintroducesthecomputerusedinengineering,computergraphicsrendering,computerdataprocessingandinchemicalanalysis,chemicaleducation,supportingsoftware.Keywords:computer,engineering,processcontrol,draw,datadrocessing1引言計(jì)算機(jī)化學(xué)(Computerchemistry)是應(yīng)用計(jì)算機(jī)研究化學(xué)反應(yīng)和物質(zhì)變化的科學(xué)。以計(jì)算機(jī)為技術(shù)手段，建立化學(xué)化工信息資源化和智能化處理的理論和方法，認(rèn)識(shí)物質(zhì)、改造物質(zhì)、創(chuàng)造新物質(zhì)，認(rèn)識(shí)反應(yīng)、控制反應(yīng)過程和創(chuàng)造新反應(yīng)、新過程是計(jì)算機(jī)化學(xué)研究的主體。它的興起與發(fā)展是與計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展和計(jì)算機(jī)的普及緊密聯(lián)系的。計(jì)算機(jī)對(duì)化學(xué)的作用，還體現(xiàn)在可以用計(jì)算機(jī)技術(shù)描述已有的化學(xué)理論知識(shí)、化學(xué)反應(yīng)機(jī)理、物質(zhì)結(jié)構(gòu)、化學(xué)實(shí)驗(yàn)等將計(jì)算機(jī)的多媒體技術(shù)與化學(xué)知識(shí)相結(jié)合，用來展示原子、分子、晶體的空間結(jié)構(gòu)，動(dòng)態(tài)性地模擬各種化學(xué)鍵的形成原理、過程和特性，揭示化學(xué)反應(yīng)的內(nèi)部機(jī)理重現(xiàn)特殊化學(xué)實(shí)驗(yàn)的全過程?；o為動(dòng)，變抽象為具體，將在真實(shí)世界中難以感覺到的虛幻世界、微觀世界真實(shí)地模擬出來，使人們對(duì)化學(xué)的了解和學(xué)習(xí)進(jìn)人了一個(gè)可視化的世界。計(jì)算機(jī)技術(shù)的迅猛發(fā)展對(duì)各學(xué)科的發(fā)展有著深刻的影響。化學(xué)學(xué)科中復(fù)雜計(jì)算對(duì)強(qiáng)大計(jì)算能力的依賴、海量化學(xué)信息對(duì)存儲(chǔ)和管理能力的高要求、化學(xué)反應(yīng)的復(fù)雜性和微觀性對(duì)虛擬現(xiàn)實(shí)的需求、化工過程對(duì)自動(dòng)化的需求等等，都要計(jì)算機(jī)的支持。尤其在近幾十年來，計(jì)算機(jī)在化學(xué)化工領(lǐng)域中的應(yīng)用、發(fā)展突飛猛進(jìn)，其效率、成果取得了令人矚目的成績[1]2計(jì)算機(jī)在工程中的應(yīng)用2.1計(jì)算機(jī)在化工控制方面的應(yīng)用70年代，一些著名的儀表公司推出了Dcs集散控制系統(tǒng)，使計(jì)算機(jī)集中控制和直接數(shù)字控制得以在全球迅速推廣應(yīng)用。80年代，計(jì)算機(jī)過程控制已進(jìn)人高一層次，可完成Prn控制、順序控制和能量控制，圖示功能得到增強(qiáng)，并能實(shí)現(xiàn)PID參數(shù)自整定。90年代以來，發(fā)展更為迅速，RISC工作站使圖形窗口更完善，操作更方便，人機(jī)接口、容錯(cuò)技術(shù)和通訊網(wǎng)絡(luò)都得到進(jìn)一步發(fā)展?；どa(chǎn)過程自動(dòng)化的實(shí)現(xiàn)，能根本改變勞動(dòng)方式，提高工人文化技術(shù)水平。2.2計(jì)算機(jī)在過程模擬中的應(yīng)用人工智能是計(jì)算機(jī)發(fā)展的最高境界，也是計(jì)算機(jī)應(yīng)用的重要領(lǐng)域?；瘜W(xué)的各個(gè)相關(guān)學(xué)科普遍具有知識(shí)量大、過程復(fù)雜、相對(duì)規(guī)律性較差的特點(diǎn)。利用計(jì)算機(jī)的海量信息存儲(chǔ)能力、準(zhǔn)確的邏輯判斷分析能力和強(qiáng)大的計(jì)算能力，建立化學(xué)類專家系統(tǒng)具有重要的意義。因此需要了解掌握計(jì)算機(jī)智能化技術(shù)，結(jié)合邏輯運(yùn)算、數(shù)據(jù)庫管理和決策判斷等技術(shù)知識(shí)，為建立各種化學(xué)化工模擬系統(tǒng)做知識(shí)儲(chǔ)備。3計(jì)算機(jī)繪制圖形計(jì)算機(jī)在化工中一個(gè)重要的應(yīng)用就是繪制各種化學(xué)、化工的專業(yè)圖形。在眾多的化學(xué)制圖軟件中，ChemWindow和ISIS/Draw為最為常用的兩款軟件，他們在繪制多種復(fù)雜化學(xué)分子結(jié)構(gòu)式、化學(xué)反應(yīng)方程式及化工流程圖等方面體現(xiàn)出強(qiáng)大的優(yōu)勢，并且簡單易學(xué)。然而，對(duì)于未來從事專業(yè)化工設(shè)計(jì)人員來說，AutoCAD將成為其必用的輔助設(shè)計(jì)工具。這里將對(duì)這三款軟件工具做一個(gè)簡單介紹。ChemWindow是一個(gè)能繪出各種結(jié)構(gòu)和形狀的化學(xué)分子結(jié)構(gòu)及化學(xué)圖形軟件。是Softshell公司于1989年推出的產(chǎn)品，較新版本為6.0版。ChemWindow6.0主要有4個(gè)功能模塊組成[2]1）分子結(jié)構(gòu)繪制，包括化學(xué)鍵繪制、各種環(huán)結(jié)構(gòu)繪制、化學(xué)反應(yīng)機(jī)理的表示、相應(yīng)文字說明、電子云表示等功能；2）化學(xué)實(shí)驗(yàn)裝置圖繪制，包括各種接口的玻璃儀器的圖形模板；3）化工工藝流程圖繪制，具有各類化工設(shè)備的示意圖形庫；4）提供大量的各種復(fù)雜分子結(jié)構(gòu)通用模板，直接提取應(yīng)用。并且所有功能模塊采用豐富的工具欄選擇，界面友好，使用便捷。ISIS/Draw是1990年由美國MDLInformationSystem公司研制，它的較新版本為2.5，是一款智能化的化學(xué)繪圖軟件。它能自動(dòng)識(shí)別化合價(jià)，鍵角和各種環(huán)，并支持二維的化學(xué)平面圖、三維化學(xué)立體圖的繪制，可進(jìn)行化學(xué)結(jié)構(gòu)、化學(xué)反應(yīng)方程、及其它與有機(jī)、生物有機(jī)化學(xué)相關(guān)的報(bào)告、專業(yè)性論述的繪圖和制作，操作非常方便，在Window環(huán)境下具有友好用戶界面和便利的切換功能，使得其資料可共享于各種軟件之間。AutoCAD（AutoComputerAidedDesign）是美國Autodesk公司首次于1982年生產(chǎn)的自動(dòng)計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)軟件，用于二維繪圖、詳細(xì)繪制、設(shè)計(jì)文檔和基本三維設(shè)計(jì)。AutoCAD經(jīng)過不斷的完善，目前最新版本為AutoCAD2008,現(xiàn)已經(jīng)成為國際上廣為流行的繪圖工具。化工設(shè)計(jì)中，雖有各種專業(yè)的三維設(shè)計(jì)軟件出現(xiàn)，如PDS、PDMS等，但到目前為止，在各大化工設(shè)計(jì)院中，AutoCAD仍是主流的設(shè)計(jì)軟件。因此學(xué)會(huì)如何使用AutoCAD，并使之更好地與化工設(shè)計(jì)相結(jié)合，也是化工專業(yè)學(xué)生應(yīng)掌握的專業(yè)技能之一。4計(jì)算機(jī)在化工數(shù)據(jù)中處理和分析處理收集的化學(xué)數(shù)據(jù)是使用計(jì)算機(jī)的主要優(yōu)勢之一。這不但要求學(xué)生具有一定的計(jì)算機(jī)應(yīng)用能力，還應(yīng)具有一定的數(shù)學(xué)知識(shí)背景。常用的數(shù)據(jù)處理方法及數(shù)學(xué)模型包括：最小二乘擬合、線性回歸分析、方差分析、插值、數(shù)據(jù)平滑、實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)等。目前兩款通用的軟件為：Origin和SigmaPlot。它們可根據(jù)需要對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)值計(jì)算、統(tǒng)計(jì)、傅里葉變換、曲線擬合以及制圖等等。另外，MATLAB由于其強(qiáng)大的數(shù)學(xué)處理能力也正日益受到化工分析領(lǐng)域的重視。Origin是美國OriginLab公司推出的數(shù)據(jù)分析和制圖軟件，是公認(rèn)的簡單易學(xué)、操作靈活、功能強(qiáng)大的軟件，既可以滿足一般用戶的制圖需要，也可以滿足高級(jí)用戶數(shù)據(jù)分析、函數(shù)擬合的需要。目前最新版本為Origin7.5。Origin7.5是功能強(qiáng)大的數(shù)據(jù)分析及科學(xué)繪圖軟件，利用其計(jì)算命令能夠非常方便地進(jìn)行線形和非線形擬合、插值、微分、積分等數(shù)值計(jì)算，是解決化工動(dòng)力學(xué)、熱力學(xué)、工藝優(yōu)化設(shè)計(jì)及化學(xué)分析中數(shù)值計(jì)算問題的有力工具。SigmaPlot是另一款得到科技人員廣泛運(yùn)用的數(shù)據(jù)處理和科技繪圖軟件，是由美國SPSSScientific公司開發(fā)出來的，目前已經(jīng)更新到SigmaPlotll。SigmaPlot是可做數(shù)據(jù)分析的高質(zhì)量曲線圖繪圖軟件，能提供眾多選擇，如自動(dòng)化誤差條狀圖，回歸線圖，信賴區(qū)間，軸刻度，非線性曲線及工作窗體。SigmaPlot被廣泛地運(yùn)用在醫(yī)學(xué)、生命科學(xué)、化學(xué)、工程學(xué)、環(huán)境科學(xué)和物理學(xué)等領(lǐng)域。SigmaPlot并可實(shí)現(xiàn)與SPSS軟件相結(jié)合，從而得到更強(qiáng)大的統(tǒng)計(jì)分析功能和更好的數(shù)據(jù)管理能力。MATLAB是由MathWorks公司開發(fā)的數(shù)學(xué)分析工具，目前，該軟件已經(jīng)更新到MATLAB7.7。MATLAB是一種高性能數(shù)值計(jì)算的科學(xué)計(jì)算語言，它以矩陣作為基本數(shù)據(jù)單位，適用于線性代數(shù)、數(shù)理統(tǒng)計(jì)、數(shù)字信號(hào)處理、動(dòng)態(tài)系統(tǒng)仿真、自動(dòng)控制等領(lǐng)域。MATLAB在化工的數(shù)值計(jì)算和化工流程模擬等領(lǐng)域具有較大優(yōu)勢［314.1數(shù)據(jù)處理軟件介紹MicrocalOrigin是美國Microcal公司推出的，用于數(shù)據(jù)分析、科學(xué)繪圖的軟件。它的功能強(qiáng)大，使用方便，是數(shù)十萬各國科技工作者的常用軟件。Origin采用直觀的窗口菜單和操作工具欄，所見所得的繪圖方式，全面支持鼠標(biāo)右鍵操作，支持拖放式圖形轉(zhuǎn)換，最主要的數(shù)據(jù)處理和繪圖操作無需用戶編寫任何程序代碼。在眾多的數(shù)據(jù)處理和科學(xué)繪圖軟件中，Origin是最為常用的軟件工具之一。Origi是一個(gè)多文檔界面（multipledocumentinterface，MDI）應(yīng)用程序。它將用戶所有工作都保存在后綴為OPJ的項(xiàng)目文件（project）中，這點(diǎn)與VisualBasic等軟件很類似。保存項(xiàng)目文件時(shí)，各子窗口也隨之存盤Origin主要有數(shù)據(jù)分析和科學(xué)繪圖兩大功能。其中，數(shù)據(jù)分析包括數(shù)據(jù)的排序、調(diào)整、計(jì)算、統(tǒng)計(jì)、頻譜變換、曲線擬合等多種數(shù)學(xué)分析功能。將準(zhǔn)備好的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析時(shí)，只需要選擇擬分析的數(shù)據(jù)，再選擇相關(guān)的菜單命令即可。當(dāng)Origin啟動(dòng)或建立一個(gè)新的項(xiàng)目文件時(shí)，其默認(rèn)設(shè)置是打開一個(gè)Worksheet窗口，可以在該工作表窗口中直接輸入數(shù)據(jù)，也可以從外部文件導(dǎo)入數(shù)據(jù)。當(dāng)數(shù)據(jù)輸入工作表后，可以先對(duì)輸入的數(shù)據(jù)進(jìn)行調(diào)整，也可以只繪出某一段數(shù)據(jù)。Origin內(nèi)置了一些函數(shù)，可以在文本框中輸入某個(gè)函數(shù)表達(dá)式，Origin將計(jì)算該表達(dá)式并將值填入該列。Origin可以對(duì)兩組數(shù)據(jù)進(jìn)行簡單的數(shù)學(xué)計(jì)算，包括加、減、乘、除、乘方等，另外可以對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行平滑、積分、微分、平移等操作，還可以進(jìn)行其他各種方式的擬合。Origin基本的數(shù)據(jù)分析功能包括各項(xiàng)統(tǒng)計(jì)參數(shù)，如平均值（mean）、標(biāo)準(zhǔn)偏差（standarddeviation，SD）、標(biāo)準(zhǔn)誤差（standarderror，SE）、總和（sum）以及數(shù)據(jù)組數(shù)N?？梢詫?duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行T檢驗(yàn)，判斷所選數(shù)據(jù)在給定置信度下是否存在顯著性差異。二化學(xué)數(shù)據(jù)處理軟件origin7.0的簡單使用origin7.0是一款非常實(shí)用的數(shù)據(jù)處理軟件，因此作為一名化學(xué)工作者，熟練的掌握origin7.0的使用是非常必要的。下面簡單的介紹一下origin7.0的使用方法。4.1.1打開origin7.0雙擊桌面上origin7.0的圖標(biāo)，或從開始/程序/origin70/origin7.0打開。4.1.2熟悉origin7.0的操作界面打開origin7.0的頁面如圖所示：origin7.0的操作界面頂部是菜單欄，一般來說可以實(shí)現(xiàn)大部分功能；菜單欄下面是工具欄，一般最常用的功能都可以通過此處實(shí)現(xiàn)；中部是繪圖區(qū)，所有工作表、繪圖子窗口等都在此處顯示；下部是項(xiàng)目管理器，類似資源管理器，雙擊即可方便切換各個(gè)窗口等；底部是狀態(tài)欄，標(biāo)出當(dāng)前的工作內(nèi)容，以及鼠標(biāo)指到某些菜單按鈕時(shí)的說明。4.1.3數(shù)據(jù)的輸入在工作表單元格中直接輸入即可。如圖所示：設(shè)置數(shù)據(jù)列的名稱為了簡單明了的表述某一數(shù)據(jù)列的意義，可以給數(shù)據(jù)列命名。將鼠標(biāo)指向A（X），單擊右鍵，在下拉菜單中選擇Properties，鼠標(biāo)左鍵單擊，出現(xiàn)如圖的頁面。將鼠標(biāo)移至最下面的的空欄中，單擊，輸入想要輸入的文字，例（wavelength/nm）。設(shè)置好之后在工作表中便會(huì)有顯示。其他數(shù)據(jù)列的名稱設(shè)置可參照A（X）數(shù)據(jù)列。4.1.4添加新的數(shù)據(jù)列單擊工具欄上的圖標(biāo)，即可添加新的工具欄。4.1.5設(shè)置數(shù)據(jù)列的屬性（數(shù)據(jù)的計(jì)算）關(guān)于在origin7.0中的數(shù)據(jù)計(jì)算，可以通過如下方法設(shè)置：將鼠標(biāo)移至列首（例：C（Y）處），擊右鍵，選擇setcolumnvalues，單擊。在彈出窗口中單擊窗口左上角的addfunction,addcolumn兩個(gè)按鈕來進(jìn)行數(shù)據(jù)計(jì)算。4.1.6畫圖表選中任意一列或幾列數(shù)據(jù)，單擊繪圖區(qū)下部工具欄中的任意一個(gè)圖標(biāo)（如圖4），即可做出不同類型的圖。用此方法畫出的圖默認(rèn)以第一列數(shù)據(jù)為X軸。若想自己隨意設(shè)置X軸和Y軸，則先不選數(shù)據(jù)列，先點(diǎn)擊圖4中的任意圖標(biāo)，在彈出的窗口中可以設(shè)置任意數(shù)據(jù)列為X軸或Y軸。4.1.7設(shè)置圖表的細(xì)節(jié)（1） 、設(shè)置坐標(biāo)軸樣式：用鼠標(biāo)雙擊坐標(biāo)軸，即可在彈出的對(duì)話框中選擇不同的標(biāo)簽，改變坐標(biāo)軸的樣式。常用的是改變數(shù)據(jù)范圍，設(shè)定數(shù)值間隔。（2） 、設(shè)置數(shù)據(jù)點(diǎn)、線的樣式：同樣用鼠標(biāo)雙擊數(shù)據(jù)點(diǎn)，在彈出的對(duì)話窗口中也可以選擇不同的標(biāo)簽分別對(duì)數(shù)據(jù)點(diǎn)的樣式、顏色和線的顏色進(jìn)行設(shè)置等。4.1.8設(shè)置圖表的細(xì)節(jié)在左邊一列的工具欄中，單擊或后，將光標(biāo)移到曲線上，對(duì)準(zhǔn)數(shù)據(jù)點(diǎn)擊鼠標(biāo)左鍵，即可在右下角的黑地綠字的小屏幕上看到所索取數(shù)據(jù)點(diǎn)的坐標(biāo)。4.1.9擬合將鼠標(biāo)移至菜單欄中的Analysis，單擊，在下拉菜單中選擇Fitlinear，用鼠標(biāo)左鍵單擊即可。擬合直線為紅色，擬合的方程、標(biāo)準(zhǔn)誤差等一般都可在右下角的新窗口中看到。4.1.10示數(shù)據(jù)新學(xué)者最常見的問題是，有時(shí)候特別是經(jīng)過數(shù)據(jù)列之間的計(jì)算后，發(fā)現(xiàn)有的單元格中間沒有一個(gè)數(shù)字，全部是######這樣的亂碼。出現(xiàn)這種情況時(shí)不要著急，這并不是程序出錯(cuò)或是計(jì)算出錯(cuò)了，而是因?yàn)槟愕臄?shù)據(jù)長度太大。這種情況可以用兩種辦法解決。一種是將數(shù)據(jù)列拉寬，另一種則可以通過采取科學(xué)計(jì)數(shù)法和有效數(shù)字來避免由于數(shù)據(jù)太長而無法顯示的問題。具體設(shè)置方法：將鼠標(biāo)指向此數(shù)據(jù)列（例A（X）），擊右鍵，在下拉菜單中選擇Properties,左鍵單擊，在彈出的對(duì)話框中，通過調(diào)整Fromat和Numericdisplay的下拉選項(xiàng)即可成功。曲線擬合Origin自定義公式擬合技巧Origin7.5中雖然提供了強(qiáng)大的擬合曲線庫，但在實(shí)際使用中，用戶可能會(huì)發(fā)覺在所提供的曲線庫中沒有自己想要擬合的公式，這時(shí)就可以使用用戶自定義公式進(jìn)行擬合。過程如下：1） 打開主工具欄中analysis的non—linearcurvefit...，會(huì)出現(xiàn)一個(gè)選擇公式界面。2） 選擇編輯公式，需要你提供公式名稱以供系統(tǒng)保存；還要提供參數(shù)的個(gè)數(shù)及自變量及因變量符號(hào)。3） 將公式寫在編輯框內(nèi)（注意千萬別寫錯(cuò)了），寫完后按Save進(jìn)行保存。4） 開始擬合：在action中選dataset，提供自變量和因變量的一些相關(guān)參數(shù)。5） 在action中選simulate，在參數(shù)中填上你根據(jù)數(shù)據(jù)及其他一些條件確定的粗略的初始參數(shù)以及擬合起始點(diǎn)的位置及擬合點(diǎn)數(shù)，然后按下createcurve就會(huì)在圖上出現(xiàn)一條擬合曲線，但這往往與期望值差距較大，因此接下來需要進(jìn)行參數(shù)優(yōu)化。6） 參數(shù)優(yōu)化采用試錯(cuò)法，根據(jù)曲線形狀逐漸改變參數(shù)，注意，多參數(shù)時(shí)改變?nèi)魏我粋€(gè)參數(shù)都會(huì)改變曲線形狀，因此可以一次變一個(gè)參數(shù)，直到達(dá)到滿意的形狀。7） 在act，ion中選fit，按下Chi—sqr和10一lit。8） 在action中選-restllts，按下paramworksheet生成擬合曲線及數(shù)據(jù)。此時(shí)可以關(guān)閉擬合界面。9） 在圖左上角右鍵點(diǎn)1，選add/remove!plot，，將多余的曲線刪除，將nlsf系列曲線留下。擬合數(shù)據(jù)可在paramWOI’ksheet中看到。這樣就完成了一次自定義曲線擬合。［5］4化學(xué)教育輔助軟件計(jì)算機(jī)在教育領(lǐng)域已經(jīng)取得了巨大的成功，如我們常用的PPT教學(xué)以及各種教學(xué)仿真軟件等等。尤其在化工領(lǐng)域，由于涉及到復(fù)雜的化學(xué)結(jié)構(gòu)和許多化學(xué)實(shí)驗(yàn)，利用計(jì)算機(jī)及網(wǎng)絡(luò)等電子化教育大大增加了化學(xué)教育的形象性和直觀性，激發(fā)了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，同時(shí)，這些教學(xué)性質(zhì)的軟件也可應(yīng)用于各種培訓(xùn)和工程咨詢領(lǐng)域，因此，了解一些化工方面的專業(yè)教育軟件也是必備技能之一。目前，最常用的教學(xué)和模擬實(shí)驗(yàn)軟件是ChemLab、ChemSketch和MSViewer等軟件［4］。ChemLab也就是虛擬化學(xué)實(shí)驗(yàn)室。它是一個(gè)交互式的化學(xué)實(shí)驗(yàn)?zāi)M工具，可以像在實(shí)驗(yàn)室做實(shí)驗(yàn)一樣操作其中的各種儀器和設(shè)備來進(jìn)行各種預(yù)設(shè)的實(shí)驗(yàn)，也可利用該軟件提供的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)進(jìn)行用戶自己設(shè)計(jì)的實(shí)驗(yàn)。ChemLab使用戶可以用相對(duì)實(shí)際實(shí)驗(yàn)很少的一部分時(shí)間來快速預(yù)習(xí)化學(xué)實(shí)驗(yàn)，當(dāng)實(shí)際