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。

　　此外，許多化工過程在高溫、高壓、高危險條件下進行，例如合成氨、催化裂化、雙氧水的製備等，研發難度大、成本高，一直是困擾化學工程師的難題。人們希望可以少用實際裝置做實驗，降低安全風險，節約資金。隨著化學工程理論的日益完善和電腦技術的迅速發展，對實際化工過程進行模擬計算，在電腦上做化工實驗，引起了化學工程師的廣泛興趣。一種更準確、更高效、更智慧的化工過程開發模式呈現在我們面前，這就是數位化工。

1.2　數學和模擬在化工中的重要作用

　　化學工程領域的科學家和工程師一直注重採用數學模型對實際化工過程進行分析計算。在化學工程的發展歷史上，人們首先了解到儘管化工產品千差萬別，生產工藝多種多樣，但如果把這些化工生產過程分解開來看，很多小的過程在功能上遵循的基本規律是相似的，化學工程師把這些有共性的基本操作稱為單元操作，如流體輸送、加熱、蒸發、精餾、結晶等。然後，科學家們透過對不同單元操作背後所遵循的物理規律做進一步研究和分類，把它們所涉及的物理過程歸納為三種傳遞過程，也就是質量傳遞、動量傳遞和能量傳遞。將這幾種傳遞過程與化學工藝結合，就形成了以傳遞過程和反應工程為基礎的化學工程學科。在歸納單元操作與傳遞原理的過程中，引入了許多物理和數學的模型和方法，使得數學定量分析和電腦應用成為可能，大大促進了化工系統的設計和控制。

　　進入20世紀後半葉，數學方法在化工中的應用領域不斷拓寬。2004年，美國普渡大學的拉姆克瑞山（Ramkrishna D.）教授和休士頓大學的阿蒙森（N.R. Amundson）教授聯合撰文，對化工數學50年的發展作了回顧與展望，指出數學已經被應用到了化學化工研究的各個領域。各種艱深的數學方法，如線性代數、張量分析、微積分、幾何和拓撲方法、微分方程、離散數學、統計和隨機方法、人工智慧方法等，在化學工程的各個分支領域都有應用，像上面說到的單元操作、傳遞過程，還有其他如分子理論、連續介質理論、介觀理論、化學反應工程與反應動力學、過程控制與辨識、離散系統分析等，對奈米系統和產品工程等新興研究領域也造成了推動作用。可以說數學學得好的同學從事化工也大有用武之地。

　　今天，數學方法與電腦技術相結合，在計算分子科學、過程模擬與模型、單元操作模擬與模型、大尺度整合與智慧系統、計算流體力學等化工重要領域發揮著重大作用。藉助數學和電腦，化學工程師能夠從微觀分子到宏觀裝置、過程和工廠的範圍內，在多個尺度上真實地描述化工過程，從而使得化工過程的開發與設計更加方便、快捷和準確，為化工廠的數位化和智慧化生產提供技術支撐。

　　事實上，數位化和智慧化，加上網路化和自動化，共同支撐了我們現在時常能聽到的智慧製造概念，這在各個工業領域的應用方興未艾。為了更容易理解數位化工的內涵，這裡需要對工業類別進行初步的劃分，即離散工業和過程工業。

　　離散工業是指將零部件組裝到一起的生產過程，典型的如製造飛機、汽車和輪船。在這些行業中，主要是機械部件的物理組裝，產品的幾何結構、力學和材料效能、運動部件的自動化控制、機械可靠性等是主要關心的問題。過程工業是指將原材料經過一系列物理、化學加工過程得到目標產品的行業，典型的如石油、化工、冶金、建材等行業，通常以批次或連續的方式進行生產。

　　離散工業中生產單元具有獨立性和可擴展性，智慧製造過程較容易實現。而在過程工業中，各個生產單元依次執行，需要關注連續的化學變化過程，調節溫度、壓力等控制引數，實現全流程控制才能保證產品品質，特別是考慮到過程工業中高溫、高壓環境和大量化學品的使用，對過程安全的要求很高。相對離散工業而言，過程工業智慧製造面臨的難度和挑戰更大。

　　一個過程工業企業特別是化工企業要發展智慧製造，需要利用現代資料技術把多層次資訊進行綜合統籌管理：在操作控制層，主要是利用各類自動化儀器儀表和控制系統來獲取操作即時資料，控制生產操作平穩，進行即時最佳化；在生產營運層面，需要利用生產過程的各種物質、能量、裝置資訊和相關市場資訊，在安全環保的前提下找到經濟效益最大化的生產方案；在經營管理層面，則要對企業的財務、物料、銷售、裝置、人力資源等方面進行資訊化管理。特別是在生產營運層面，人們希望在電腦上要能夠比較準確地模擬各類化工生產裝置的執行變化情況，只有這樣化工廠的智慧化才有可能實現。

　　隨著電腦技術的蓬勃發展，人們已經將化工技術與資料技術相結合發展出化工流程模擬技術，並開發了大量的模擬軟體。這些流程模擬軟體能夠根據工藝引數如物料的溫度、壓力、流量、裝置引數等，用數學模型描述整合多個操作單元的化工流程，對全過程的物料和能量進行衡算，對工藝進行最佳化和評估。也就是說，在電腦上可以用流程模擬軟體模擬一個化工廠的生產執行並尋找最佳生產方案。不過這些流程模擬軟體一般只擅長對化工裝置和全廠流程層次進行穩態模擬和分析，就是輸入一組操作條件，能模擬出裝置或工廠對應的穩定執行狀態資料，輸入條件變化則輸出結果隨之變化，但至於從原有穩定狀態是如何變化到新的穩定狀態的，即所謂的動態過程是怎樣的，這些流程模擬軟體就不太擅長了，特別對於化工廠反應器這一核心裝置內部的物料流動、傳熱、傳質和反應的複雜動態變化過程就更不擅長。

　　隨著軟硬體技術的進一步提高，從滿足各種物理、化學原理的數學模型出發，基於計算流體力學（computational fluid dynamics，CFD）技術、大數據、虛擬實境等科學技術方法，將反應器模型化、數位化，對其中的動態傳遞和反應過程進行三維即時模擬，掌握反應器內的真實物理化學過程，將為最佳化工藝設計、診斷裝置故障等帶來革命性的變化。目前，已經有多種商業的和開放原始碼的計算流體力學軟體應用在化工領域，未來廣義的CFD技術在化工研發中還將扮演更為重要的角色。

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...

前言

　　聚集化學化工領域的專家學者為年輕學生如高中生、大學一年級新生及社會大眾，專門編寫本書是為了反映現代化學化工科技進步在人類社會中的重要作用，及對人類生活的重要影響。力求化學和化工的重大作用被社會大眾公正認知，扭轉大眾尤其是年輕學生對化學化工的恐懼和偏見，讓他們從科學和工程的全新視角，看到不一樣的美麗化學和美麗化工，吸引更多的年輕人投身化學化工的學習和研究，並能立志終生從事化學化工事業。

　　「數位化工」介紹了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，深入探究化工過程中的流動、傳熱、傳質與反應規律，實現反應器的精準設計、穩定調控和可靠執行。透過典型流動體系模擬與虛擬過程平臺及應用例項，揭示了化工研發新模式──數位化工──對於實現綠色智慧過程製造的重要意義，並呼籲年輕學子積極迎接這一機遇與挑戰。

　　「觸『膜』世界」介紹了膜技術是解決資源匱乏、能源短缺、生態環境惡化、醫療醫藥等重大問題的新技術之一，膜產業是21世紀的朝陽產業。為了普及膜技術知識，幫助讀者初步了解膜的功能及用途，本章介紹了分離膜及膜分離過程，簡述了膜的種類、結構與效能、膜的製備方法、發展歷程及主要膜過程的特點。介紹了膜技術在水處理、氣體分離、能源、健康醫療等典型領域中的應用案例，分別綜述了膜在該領域的應用狀況，列舉了工程應用例項，並展望了膜技術未來的發展方向。

　　「碳奈米管」介紹了這種新興的奈米碳材料的發現與製備的起因背景，簡述了碳奈米管製備的主要科學原理、不同結構的碳奈米管生長和製備的控制機制，描述了碳奈米管如何實現產業化。本文還從結構與效能關係和應用角度，討論了碳奈米管的強度特性、導電特性、半導體效能，儲能應用等。闡述了碳奈米管作為奈米粉體的使用安全問題。最後對未來的應用前景進行了展望。

　　「石墨烯」描述了人類文明的發展與使用材料的進步是齊頭並進的。21世紀初，石墨烯的發現為人們開啟了新材料時代的嶄新大門。石墨烯是由與鉛筆芯成分一樣的碳元素構成，只有一個原子層厚度，但卻擁有其他材料所無法比擬的眾多優勢和效能，被譽為「新材料之王」，短短數年已在全球引發了一場研究熱潮和技術革命。石墨烯為什麼能被寄予如此高的期望？它將如何改造我們的世界，帶領我們邁向下一個發展階段？本章為大家講述石墨烯的前世、今生和未來，解讀石墨烯的發現歷史、特殊性質、製備技術和應用前景。

　　「百變高分子」介紹了因高分子的化學結構和聚集態結構具有可設計性，所以形成了結構多樣、效能各異的材料。高分子，除了分子量高，還有哪些高明之處呢？或許有人以為，高分子不就是我們耳熟能詳的臉盆、牙刷、拖鞋嗎？那可是太小瞧了高分子！除了衣食住行所見的高分子熟面孔，還有不少「黑科技」後面的材料英雄也是高分子。上天、入地、下海；國防、航太、資訊、電子、醫藥等高技術領域都有高分子大顯身手！本章從這些千變萬化、效能各異的多彩高分子世界中略舉幾例，以饗讀者。親愛的年輕讀者朋友，更多的神奇高分子，等待你來探索和創造！

　　「太陽燃料」介紹了人工光合成太陽燃料，這是解決能源和環境問題，建構生態文明的途徑之一，但其發展仍然面臨許多科學和技術上的挑戰。自然光合作用是利用太陽能將水和二氧化碳轉化為生物質的過程，其基本原理為建構高效的人工光合成體系提供了重要的理論基礎。發展高效的人工光合成體系，就是實現利用太陽能分解水製氫，或者耦合二氧化碳產生液態太陽燃料。本章內容闡述了從自然光合作用的原理獲得啟發，道法自然，建構高效人工光合成體系生產太陽燃料的基本理念、基本原理和實踐。

　　「礦化固碳」介紹減少二氧化碳排放的新技術，而碳減排已成為人類的共同使命。礦化固碳，是基於地球大氣演化過程中的「矽酸鹽－碳酸鹽」轉化，將二氧化碳轉化為碳酸鹽而固定並重新利用的途徑。為加速這一地球上古老化學反應的速度，滿足減少二氧化碳排放的迫切需求，化學和化學工程領域的科學家，基於化學鏈的原理建構了新的礦化工藝，透過化學工程的方法為二氧化碳礦化反應量身訂做高效反應器，並降低整個過程的能量消耗，加速自然界的碳循環，讓二氧化碳重返正途。

　　「手性之謎」以手性為線索，介紹了手性起源，手性概念，手性化合物的製備和手性分子的發展的未來趨勢。圖文並茂地展示了手性世界的奧祕，深入淺出地向讀者講述了神奇的手性世界的故事，解釋了手性分子研究領域充滿活力、生機勃勃的緣由，手性不僅和人類生命、生產和生活的各個方面息息相關，而且存在著很大的潛在研究發展空間。透過揭開手性謎團，為年輕人揭開了一個更為廣闊更加美麗的化學化工世界。相信這會進一步激發他們的學習探究的興趣。

　　「人工酶」介紹了酶，這是具有生物催化功能的生物大分子，憑藉其催化效率高、底物專一性強、環境友善等優點，在化工、製藥等行業得到了廣泛的應用。然而，天然酶有限的催化效能不能滿足人們日益增長的需求，需要建構人工酶應用於工業生產中。運算酶設計是近10年發展起來的一種創造新酶的技術，能夠充分利用電腦強大的運算能力從頭設計人工酶，用於指導透過基因工程的方法改造天然酶，得到人工酶。本章從酶的發現和認識出發，引出運算酶設計，然後闡明用運算酶設計方法設計人工酶的必要性，接著介紹運算酶設計的分類、理論依據和方法，最後給出運算酶設計的幾個典型的應用案例，展示運算酶設計方法在現代化工和生物醫藥領域中的應用潛力，並指明酶設計未來的發展趨勢。

　　「食物之魅」介紹了能為我們帶來色香味的食品添加劑。民以食為天，食物除了維持人類生命活動的基本功能外，還為我們帶來了視覺、嗅覺和味覺多方位的享受，展現了無窮的魅力。分子結構多樣的化學物質構成了食物色香味的基礎，而這些提供色香味的化合物的形成離不開各種複雜的化學反應。如今工業化食品在人類的飲食結構中日漸重要，食品工業生產中的保鮮、加工、防腐、增香等都離不開食品添加劑，而化學工程技術是食品添加劑生產以及食品加工的重要基礎。化學與化學工程透過尋找、改造和重組各種分子結構，讓食物更加充滿魅力。未來，食物的尋「魅」之旅將充滿機遇和挑戰，讓我們一起努力，創造更多的人間美味。

　　本書可用於高中生課內外觀看和閱讀，擴大眼界，拓展知識，也可用於大學一年級新生的化學化工課程，還可用於對大眾進行化學化工科普教育。

前言

　　聚集化學化工領域的專家學者為年輕學生如高中生、大學一年級新生及社會大眾，專門編寫本書是為了反映現代化學化工科技進步在人類社會中的重要作用，及對人類生活的重要影響。力求化學和化工的重大作用被社會大眾公正認知，扭轉大眾尤其是年輕學生對化學化工的恐懼和偏見，讓他們從科學和工程的全新視角，看到不一樣的美麗化學和美麗化工，吸引更多的年輕人投身化學化工的學習和研究，並能立志終生從事化學化工事業。

　　「數位化工」介紹了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，化工是偏重於實驗的技術科...

前言
01 數位化工：虛擬過程工程Digital Chemical Engineering: Virtual Process Engineering
　　1.1　引言
　　1.2　數學和模擬在化工中的重要作用
　　1.3　流體流動與計算流體力學
　　1.4　顆粒運動
　　1.5　多相體系
　　1.6　虛擬過程平臺與超級計算系統
　　1.7　虛擬過程工程的工業應用舉例
　　1.8　虛擬過程工程的未來
02 觸「膜」世界：讓物質分離更高效、更精準Touch the World of Membrane: For More Efficient And Precise Separation Processes
　　2.1　引言
　　2.2　分離膜及膜分離過程簡介
　　2.3　膜技術在水處理領域的應用
　　2.4　膜技術在氣體分離領域的應用
　　2.5　膜技術在能源領域的應用
　　2.6　膜技術在健康醫療領域的應用
　　2.7　膜技術未來發展
　　2.8　結束語
03 碳奈米管：架起通往太空的天梯Carbon Nanotubes: Super Nanomaterial for Space Elevator
　　3.1　引言
　　3.2　什麼是碳奈米管
　　3.3　碳奈米管是如何製備的？
　　3.4　碳奈米管的應用
　　3.5　碳奈米管安全問題
　　3.6　結束語
04 石墨烯：新材料之王Graphene: King of New Materials
　　4.1　材料發展與人類文明
　　4.2　什麼是石墨烯？
　　4.3　石墨烯的發現和意義
　　4.4　石墨烯的特殊性質
　　4.5　石墨烯的應用
　　4.6　石墨烯的製備
　　4.7　化學化工助力石墨烯未來
05 百變高分子：變化萬千、效能各異的高分子世界The Diverse World of Polymers: Various Structures Create Marvelous Properties of Polymers
　　5.1　前言
　　5.2　耐熱高強的芳綸纖維
　　5.3　神奇的防彈和防爆塑膠
　　5.4　具有光響應特性的功能高分子
　　5.5　基於多重鍵合交聯的新型高強度高分子水凝膠
　　5.6　聚合物微球
　　5.7　生物醫用高分子
　　5.8　超分子組裝與超分子聚合物
　　5.9　結束語
06 太陽燃料：人工光合成生產太陽燃料Solar Fuel: Artificial Photosynthesis for Solar Fuel Production
　　6.1　引言
　　6.2　光合作用—大自然的祕密
　　6.3　道法自然—人工光合成
　　6.4　清潔可再生的太陽燃料
　　6.5　結束語
07 礦化固碳：藉助自然法則與化學工程的力量Mineral Carbonation to Sequester CO2: The Way of Nature and Chemical Engineering
　　7.1　序：二氧化碳—地球變暖的罪魁禍首
　　7.2　深埋二氧化碳：裝進牢籠或許不是最終的歸宿
　　7.3　光合作用：如何比植物更高效的轉化二氧化碳
　　7.4　礦化二氧化碳：古老地球的化學反應發揮新作用
　　7.5　結語：化學與化學工程讓二氧化碳重歸正途
08 手性之謎：從藥物分子到生命和宇宙Mystery of Chirality: Not Only the Drug Molecules But Also the Life and Universe
　　8.1　前言
　　8.2　發現手性
　　8.3　認識手性
　　8.4　製造手性
　　8.5　結語
09 人工酶：站在數學、化學與生物科學的邊界之上Artificial Enzyme: Standing on the Boundary of Mathematics, Chemistry and Biological Science
　　9.1　引言
　　9.2　酶的發現和認識
　　9.3　人工酶設計的必要性
　　9.4　人工酶設計的分類
　　9.5　人工酶設計的理論依據和方法
　　9.6　人工酶設計的應用
　　9.7　結束語
10 食物之魅：基於化學物質的食物色香味探尋之旅The Charm of Food: The Exploration Trip of Food Color, Flavor, and Taste Based on Chemical Compounds
　　10.1　食物之魅的化學物質基礎
　　10.2　食物之魅的化學反應基礎[6]
　　10.3　食物之魅與食品添加劑
　　10.4　食物之魅與化學工程
　　10.5　展望

前言
01 數位化工：虛擬過程工程Digital Chemical Engineering: Virtual Process Engineering
　　1.1　引言
　　1.2　數學和模擬在化工中的重要作用
　　1.3　流體流動與計算流體力學
　　1.4　顆粒運動
　　1.5　多相體系
　　1.6　虛擬過程平臺與超級計算系統
　　1.7　虛擬過程工程的工業應用舉例
　　1.8　虛擬過程工程的未來
02 觸「膜」世界：讓物質分離更高效、更精準Touch the World of Membrane: For More Efficient And Precise Separation Processes
　　2.1　引言
　　2.2　分離膜及膜分離過程簡介
　　2.3　膜...