中年之路
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01 數位化工:虛擬過程工程

Digital Chemical Engineering: Virtual Process Engineering

化學工業就像一頭巨獸支撐著現代社會的生產和發展,在這個龐然大物不斷前行的腳步下,化學工程師用數學模型和電腦為它編寫了前行的引航線,使之逐漸擺脫試錯的笨重步伐,穩健而輕快地陪伴我們走向美好的未來。

本文旨在介紹數學和電腦在現代化學工程學科中的重要作用。在傳統認知中,化工是一門偏重於實驗的技術科學,但是隨著數學和電腦的迅速發展,化學工程師越來越多地運用大量精準的數學模型和電腦模擬,深入探究系統中的流動、傳熱、傳質與反應規律,實現反應器的穩定可靠調控和執行。本章透過典型流動體系模擬與虛擬過程平臺及應用例項,展示了一種化工研發新模式──數位化工,探討了其對於實現綠色智慧過程製造的重要意義,並呼籲廣大年輕學子積極迎接這一機遇與挑戰。

1.1 引言

你能想像,解一道數學題,就可以讓一座化工廠每年節省成千上萬噸化石原料嗎?你能想像,建構一個數學模型,就可以替代一套化工實驗裝置嗎?你能想像,用電腦模擬,可以讓研究人員遠離危險的實驗操作嗎?

如果你很好奇,請隨我們一起走進數位化工的神奇世界!

在人們的印象中,化工是一門實驗科學,依賴大量的實驗和經驗。化工生產過程的實現,是一個逐級放大的實驗研究過程。實驗室裡的裝置和工廠實際生產裝置相比規模通常相差很多倍,比如在實驗室中用小巧玲瓏的裝置就可以輕鬆實現的攪拌、加熱、化學反應等操作,在工廠裡往往需要大型專業機械、熱能動力裝備和反應器來完成。一般而言,當裝置變大時,裡面的物料流動、熱量傳輸、物質傳遞和化學反應情況也會隨之發生比較顯著的變化。這些變化並不能簡單地透過與裝置放大倍數關聯就能預測出來,也就是說變化是非線性的,有的體系中,這種放大的非線性效應還非常強。在把化工實驗室裡做出來的成果擴大到工業規模時,如果只是把實驗室裡可行的裝置和工藝引數簡單放大或套用,那麼實踐結果可能會與預期目標產生難以估量的偏差,所以通常依賴小試、中試、工業示範、工業化等逐級放大的研究過程,在每個層次上進行大量重複性實驗觀測,反覆調整工藝引數,才能獲得最佳化的工藝條件。這個過程耗時耗力,嚴重制約了實驗室成果產業化過程的效率。
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