計算機應(yīng)用技術(shù)10-6

主講：譚世語重慶大學(xué)化學(xué)化工學(xué)院（六）計算機

應(yīng)用技術(shù)第六講常用軟件介紹本講主要內(nèi)容1.數(shù)據(jù)處理工具2.分子模擬計算軟件3.輔助設(shè)計軟件4.過程模擬軟件5.虛擬儀器平臺6.1數(shù)據(jù)處理工具6.1.1MATLAB

MATLAB是一種用于算法開發(fā)、數(shù)據(jù)可視化、數(shù)據(jù)分析以及數(shù)值計算的高級技術(shù)計算語言和交互式環(huán)境。MATLAB是矩陣實驗室的簡稱，和Mathematica、Maple并稱為三大數(shù)學(xué)軟件。

MATLAB是一種由美國MathWorks公司出品的商業(yè)數(shù)學(xué)軟件，是一種數(shù)值計算環(huán)境和編程語言，主要包括MATLAB和Simulink兩大部分。MATLAB可以進行矩陣運算、繪制函數(shù)和數(shù)據(jù)圖、實現(xiàn)算法、創(chuàng)建用戶界面、連接其他編程語言的程序等，主要應(yīng)用于工程計算、控制設(shè)計、信號處理與通訊、圖像處理、信號檢測等。

MATLAB的基本數(shù)據(jù)單位是矩陣，它的指令表達(dá)式與數(shù)學(xué),工程中常用的形式十分相似，可支持和調(diào)用C，F(xiàn)ORTRAN，C++，JAVA。MATLAB窗口MATLAB的圖形功能強大6.1.2Origin

Origin為OriginLab公司出品的較流行的專業(yè)函數(shù)繪圖軟件，是公認(rèn)的簡單易學(xué)、操作靈活、功能強大的軟件，既可以滿足一般用戶的制圖需要，也可以滿足高級用戶數(shù)據(jù)分析、函數(shù)擬合的需要。

Origin具有兩大主要功能：數(shù)據(jù)分析和繪圖。Origin的數(shù)據(jù)分析主要包括統(tǒng)計、信號處理、圖像處理、峰值分析和曲線擬合等各種完善的數(shù)學(xué)分析功能。Origin的繪圖是基于模板的繪圖，它本身提供了幾十種二維和三維繪圖模板而且允許用戶自己定制模板。用戶可以自定義數(shù)學(xué)函數(shù)、圖形樣式和繪圖模板；可以和各種數(shù)據(jù)庫軟件、辦公軟件、圖像處理軟件等方便的連接；可導(dǎo)入包括ASCII、Excel、pClamp在內(nèi)的多種數(shù)據(jù)；可以把Origin圖形輸出到多種格式的圖像文件，譬如JPEG、GIF、EPS、TIFF等等。Origin窗口Origin圖形在Word中的編輯6.2分子模擬軟件6.2.1HyperCam6.2.2ChemOffice6.2.3Gaussian6.2.4GAMESS6.2分子模擬軟件6.2.1HyperCam

HyperCam

是一款以高質(zhì)量，靈活易操作而聞名的分子模擬軟件。通過利用3D對量子化學(xué)計算，分子力學(xué)及動力學(xué)進行模擬動畫，HyperCam

為您提供比其它Windows軟件更多的模擬工具。圖形界面，有半經(jīng)驗方法(AM1，PM3等)，UHF，RHF和CI和7.0版新增加的密度泛函?？蛇M行單點能，幾何優(yōu)化，分子軌道分析，預(yù)測可見-紫外光譜，蒙特卡羅和分子力學(xué)計算。功能包括：

1.結(jié)構(gòu)輸入和對分子操作。

2.顯示分子。

3.化學(xué)計算。用量子化學(xué)或經(jīng)典勢能曲面方法，進行單點、幾何優(yōu)化和過渡態(tài)尋找計算。可以進行的計算類型有：單點能，幾何優(yōu)化，計算振動頻率得到簡正模式，過渡態(tài)尋找，分子動力學(xué)模擬Langevin

動力學(xué)模擬，MetropolisMonteCarlo模擬。支持的計算方法有：從頭計算，半經(jīng)驗方法，分子力學(xué)，混合計算。

4.可以用來研究的分子特性有：同位素的相對穩(wěn)定性；生成熱；活化能；原子電荷；HOMO-LUMO能量間隔；電離勢；電子親和力；偶極矩；電子能級；MP2電子相關(guān)能；CI激發(fā)態(tài)能量；過渡態(tài)結(jié)構(gòu)和能量；非鍵相互作用能；UV-VIS吸收譜；IR吸收譜；同位素對振動的影響；對結(jié)構(gòu)特性的碰撞影響；團簇的穩(wěn)定性。6.2.1HyperCam

5.支持用戶定制的外部程序。

6.其它模塊：RAYTRACE模塊，RMSFit，SEQUENCE編輯器，晶體構(gòu)造器；糖類構(gòu)造器，構(gòu)像搜尋，QSAR特性，腳本編輯器。

7.新的力場方法：Amber2，Amber3，用于糖類的Amber，Amber94，Amber96。

8.ESR譜（電子自旋共振）。

9.電極化率。

10.二維和三維勢能圖。

11.蛋白質(zhì)設(shè)計。

12.電場。

13.梯度的圖形顯示。

14.新增功能：密度泛函理論(DFT)計算；NMR模擬；數(shù)據(jù)庫；Charmm

蛋白質(zhì)模擬；半經(jīng)驗方法TNDO；磁場中分子計算；激發(fā)態(tài)幾何優(yōu)化；MP2相關(guān)結(jié)構(gòu)優(yōu)化；新的芳香環(huán)圖；交互式參數(shù)控制；增強的聚合物構(gòu)造功能；新增基組。

HyperCam窗口6.2.2ChemOffice

Chemoffice分為功能不同的幾個版本。其ChemOfficeUltra版本包含了：ChemDrawUltra(化學(xué)結(jié)構(gòu)繪圖)、Chem3DUltra(分子模型及仿真)和ChemFinderPro(化學(xué)信息搜尋整合系統(tǒng))。此外還加入了E-NotebookUltra8.0，BioAssayPro8.0，量化軟件MOPAC、Gaussian和GAMESS的界面，ChemSARServerExcel,CLogP,CombiChem/Excel等等，ChemOfficePro還包含了全套ChemInfo數(shù)據(jù)庫，有ChemACX和ChemACX-SC，Merck索引和ChemMSDX。ChemOffice的功能(1)1.ChemDraw

(是世界上最受歡迎的化學(xué)結(jié)構(gòu)繪圖軟件)

AutoNom：它可自動依照IUPAC的標(biāo)準(zhǔn)命名化學(xué)結(jié)構(gòu)。

ChemNMR：在ChemDraw

內(nèi)預(yù)測13C和1H的NMR光譜。

ChemProp：預(yù)測BP、MP、臨界溫度、臨界氣壓、吉布斯自由能、logP、折射率、熱結(jié)構(gòu)等性質(zhì)。

ChemSpec：可輸入JCAMP及SPC頻譜資料，用以比較ChemNMR預(yù)測的結(jié)果。

ClipArt：高品質(zhì)的實驗室玻璃儀器圖庫，可搭配ChemDraw使用。

Name=Struct：輸入IUPAC（國際純粹與應(yīng)用化學(xué)聯(lián)合會）化學(xué)名稱后就可自動產(chǎn)生ChemDraw結(jié)構(gòu)。ChemOffice的功能(2)2.Chem3D

提供工作站級的3D分子輪廓圖及分子軌道特性分析，并和數(shù)種量子化學(xué)軟件結(jié)合在一起。

ChemProp：預(yù)測BP、MP、臨界溫度、臨界氣壓、吉布斯自由能、logP、折射率、熱結(jié)構(gòu)等性質(zhì)。

ExcelAdd-on：與微軟的Excel完全整合，并可連結(jié)ChemFinder。

GaussianClient：量子化學(xué)計算軟件Gaussian的客戶端界面，直接在Chem3D運行Gaussian，并提供數(shù)種坐標(biāo)格式。

CSGAMESS：量子化學(xué)計算軟件GAMESS的客戶端界面，直接在Chem3D運行GAMESS的計算。

MOPACPro：Fujitsu的量子化學(xué)計算軟件MOPAC已內(nèi)含在Chem3DUltra內(nèi)，搭配Chem3D的圖形界面。可以計算瞬時的幾何形狀及物理特性等。ChemOffice的功能(3)3.ChemFinder

化學(xué)信息搜尋整合系統(tǒng)，可以建立化學(xué)數(shù)據(jù)庫、儲存及搜索，或搭配ChemDraw、Chem3D使用，也可以使用現(xiàn)成的化學(xué)數(shù)據(jù)庫。ChemFinder是一個智能型的快速化學(xué)搜尋引擎，所提供的ChemInfo是目前世界上最豐富的數(shù)據(jù)庫之一，包含ChemACX、ChemINDEX、ChemRXN、ChemMSDX，并不斷有新的數(shù)據(jù)庫加入。ChemFinder可以從本機或網(wǎng)上搜尋Word，Excel，Powerpoint，ChemDraw，ISIS格式的分子結(jié)構(gòu)文件。還可以與微軟的Excel結(jié)合，可連結(jié)的關(guān)連式數(shù)據(jù)庫包括Oracle及Access，輸入的格式包括ChemDraw、MDLISISSD及RD文件。

ChemOffice窗口6.2.3Gaussian

Gaussian是一個功能強大的量子化學(xué)綜合軟件包。其可執(zhí)行程序可在不同型號的大型計算機，超級計算機，工作站和個人計算機上運行，并相應(yīng)有不同的版本。高斯功能：分子能量和結(jié)構(gòu)、過渡態(tài)能量和結(jié)構(gòu)、鍵和反應(yīng)能量、分子軌道、多重矩、原子電荷和電勢、振動頻率、紅外和拉曼光譜、核磁性質(zhì)、極化率和超極化率、熱力學(xué)性質(zhì)、反應(yīng)路徑。計算可以對體系的基態(tài)或激發(fā)態(tài)執(zhí)行?？梢灶A(yù)測周期體系的能量，結(jié)構(gòu)和分子軌道。因此，Gaussian可以作為功能強大的工具，用于研究許多化學(xué)領(lǐng)域的課題，例如取代基的影響，化學(xué)反應(yīng)機理，勢能曲面和激發(fā)能等等。

Gaussian窗口6.2.4GAMESS

GAMESS是從頭計算量子化學(xué)程序。可以從RHF，ROHF，UHF，GVB和MCSCF計算波函，其中一些使用CI和MP2修正。自恰場的分析梯度用于自動幾何優(yōu)化，過渡態(tài)尋找，跟蹤反應(yīng)路徑。能量hessian的計算允許預(yù)測振動頻率?？梢杂嬎愦罅康姆肿犹匦裕瑥暮唵蔚呐紭O矩到含頻率超級極化率。內(nèi)部儲存了大量基組和有效核勢，分子中可以包含到Ra的所有元素。幾個圖形程序用于顯示最終結(jié)果。

GAMESS的功能(1)1.計算RHF，UHF，ROHF，GVB或MCSCF自恰場波函。2.計算自恰場能量的CI或MP2修正。3.半經(jīng)驗MNDO，AM1或PM3波函計算。4.對自恰場波函計算分析能量梯度，加上閉殼層MP2或CI。5.使用能量梯度，按照笛卡爾或內(nèi)坐標(biāo)優(yōu)化分子結(jié)構(gòu)。6.尋找勢能曲面和鞍點。7.計算能量hessian，得到簡正模式，振動頻率和紅外強度。8.追蹤反應(yīng)路徑。9.計算輻射躍遷特性。10.計算自旋-軌道耦合波函。GAMESS的功能(2)11.計算以下分子特性：

a.偶極、四極、八極距

b.靜電勢

c.電場和電場梯度

d.電子密度和自旋密度

e.Mulliken和Lowdin布居數(shù)分析

f.維里定理和能量成分12.模擬溶劑影響，使用：

a.有效片斷勢(EFP)

b.極化連續(xù)模型(PCM)

c.自恰反應(yīng)場(SCRF)13.自旋-軌道組態(tài)相互作用計算14.自旋-軌道多組態(tài)準(zhǔn)簡并微擾理論（SO-MCQDPT）GAMESS窗口6.3輔助設(shè)計軟件CAD計算機輔助設(shè)計指利用計算機及其圖形設(shè)備幫助設(shè)計人員進行設(shè)計工作。簡稱CAD。在工程和產(chǎn)品設(shè)計中，計算機可以幫助設(shè)計人員擔(dān)負(fù)計算、信息存儲和制圖等項工作。在設(shè)計中通常要用計算機對不同方案進行大量的計算、分析和比較，以決定最優(yōu)方案；各種設(shè)計信息，不論是數(shù)字的、文字的或圖形的，都能存放在計算機的內(nèi)存或外存里，并能快速地檢索；設(shè)計人員通常用草圖開始設(shè)計，將草圖變?yōu)楣ぷ鲌D的繁重工作可以交給計算機完成；由計算機自動產(chǎn)生的設(shè)計結(jié)果，可以快速作出圖形顯示出來，使設(shè)計人員及時對設(shè)計作出判斷和修改；利用計算機可以進行與圖形的編輯、放大、縮小、平移和旋轉(zhuǎn)等有關(guān)的圖形數(shù)據(jù)加工工作。CAD能夠減輕設(shè)計人員的勞動，縮短設(shè)計周期和提高設(shè)計質(zhì)量。

CAD系統(tǒng)的主要功能(1)設(shè)計組件重用

(2)簡易的設(shè)計修改和版本控制功能(3)設(shè)計的標(biāo)準(zhǔn)組件的自動產(chǎn)生(4)設(shè)計是否滿足要求和實際規(guī)則的檢驗(5)無需建立物理原型的設(shè)計模擬(6)裝配件(一堆零件或者其它裝配件)的自動設(shè)計(7)工程文檔的輸出，例如制造圖紙，材料明細(xì)表(8)設(shè)計到生產(chǎn)設(shè)備的直接輸出(9)到快速原型或快速制造工業(yè)原型的機器的直接輸出AutoCAD窗口6.4過程模擬軟件6.4.1AspenPlus6.4.2PRO/II6.4.3ChemCAD6.4.4HYSIS6.4.5ECSS-STAR6.4.1AspenPlus

AspenPlus是大型通用流程模擬系統(tǒng)，源于美國能源部七十年代后期在麻省理工學(xué)院（MIT）組織的會戰(zhàn)，開發(fā)新型第三代流程模擬軟件。該項目稱為“過程工程的先進系統(tǒng)”（AdvancedSystemforProcessEngineering，簡稱ASPEN），并于1981年底完成。1982年為了將其商品化，成立了AspenTech公司，并稱之為AspenPlus。該軟件經(jīng)過20多年來不斷地改進、擴充和提高，已先后推出了十多個版本，成為舉世公認(rèn)的標(biāo)準(zhǔn)大型流程模擬軟件，應(yīng)用案例數(shù)以百萬計。全球各大化工、石化、煉油等過程工業(yè)制造企業(yè)及著名的工程公司都是AspenPlus的用戶。

“如果你不能對你的工藝進行建模，你就不能了解它。如果你不了解它，你就不能改進它。而且，如果你不能改進它，你在21世紀(jì)就不會具有競爭力?！盇spenPlus的主要功能

1.過程模擬

2.流程設(shè)計

3.裝置設(shè)計

4.過程優(yōu)化

5.經(jīng)濟分析

6.物性數(shù)據(jù)計算

AspenPlus的物性數(shù)據(jù)庫

1.純組分?jǐn)?shù)據(jù)庫，將近6000種化合物的參數(shù)。

2.電解質(zhì)水溶液數(shù)據(jù)庫，約900種離子和分子溶質(zhì)。

3.固體數(shù)據(jù)庫，約3314種固體的固體模型參數(shù)。

4.Henry常數(shù)庫，水溶液中61種化合物的Henry常數(shù)。

5.二元交互作用參數(shù)庫，常用狀態(tài)方程的二元交互作用參數(shù)約40,000多個，涉及5,000種雙元混合物。

6.PURE10數(shù)據(jù)庫，1727種純化物的物性數(shù)據(jù)。

7.無機物數(shù)據(jù)庫，2450種組分的熱化學(xué)參數(shù)。

8.燃燒數(shù)據(jù)庫，燃燒產(chǎn)物中常見的59種組分和自由基的參數(shù)。AspenPlus的主要功能模塊1.氣/液系統(tǒng)通用混合、物流分流模塊，閃蒸模塊，熱交換器模塊，液液單級傾析器，基于收率的、化學(xué)計量系數(shù)和平衡的反應(yīng)器，連續(xù)攪拌釜、柱塞流、間歇反應(yīng)器，單級和多級壓縮和透平，物流放大、拷貝、選擇和傳遞模塊，壓力釋放計算。2.精餾模型簡捷精餾，嚴(yán)格多級精餾，多塔模型，石油煉制分餾塔，板式塔、散堆和規(guī)整填料塔的設(shè)計和校核。3.對于固體系統(tǒng)文丘里滌氣器、靜電除塵器、纖維過濾器、篩選器、旋風(fēng)分離器、水力旋風(fēng)分離器、離心過濾器、轉(zhuǎn)鼓過濾器、固體洗滌器、逆流傾析器、連續(xù)結(jié)晶器等4.模型分析工具收斂分析，計算模式，靈敏度分析，案例研究，設(shè)計規(guī)定能力，數(shù)據(jù)擬合，優(yōu)化功能。AspenPlus的窗口6.4.2PRO/II

PRO/II是一個通用性的化工穩(wěn)態(tài)流程模擬軟件，由美國SimSci

開發(fā)，廣泛應(yīng)用于各種化學(xué)化工過程的嚴(yán)格的質(zhì)量和能量平衡計算，流程的穩(wěn)態(tài)模擬、物性計算、設(shè)備設(shè)計、費用估算/經(jīng)濟評價、環(huán)保評測以及其它計算?？赡M油氣加工、煉油、化學(xué)、化工、聚合物、精細(xì)化工/制藥等行業(yè)的整個生產(chǎn)廠從包括管道、閥門到復(fù)雜的反應(yīng)與分離過程在內(nèi)的幾乎所有裝置和流程。

PRO/II可廣泛應(yīng)用于工廠設(shè)計、工藝方案比較、老裝置改造、裝置標(biāo)定、開車指導(dǎo)、可行性研究、脫瓶頸分析、工程技術(shù)人員和操作人員的培訓(xùn)等領(lǐng)域。PRO/II的推廣使用，可達(dá)到優(yōu)化生產(chǎn)裝置、降低生產(chǎn)成本和操作費用、節(jié)能降耗等目的，能產(chǎn)生巨大的經(jīng)濟效益。PRO/II的窗口6.4.3ChemCAD

ChemCAD是由Chemstations公司推出的一款極具應(yīng)用和推廣價值的軟件，其應(yīng)用范圍包含了化學(xué)工業(yè)細(xì)分出來的多個方面，如煉油、石化、氣體、工業(yè)安全、特化、制藥、生化、污染防治、清潔生產(chǎn)等。它可以對這些領(lǐng)域中的工藝過程進行計算機模擬并為實際生產(chǎn)提供參考和指導(dǎo)。ChemCAD內(nèi)置了功能強大的標(biāo)準(zhǔn)物性數(shù)據(jù)庫，可對連續(xù)操作單元進行物料平衡和能量平衡核算?？赡M裝置的穩(wěn)態(tài)和動態(tài)運行，為工藝開發(fā)、工程設(shè)計以及優(yōu)化操作提供理論指導(dǎo)。ChemCAD的窗口6.4.4HYSYS

HYSYS系統(tǒng)是Hyprotech公司推出的一款功能強大的石油化工模擬軟件，廣泛應(yīng)用于石油開采、儲運、天然氣加工、石油化工、精細(xì)化工、制藥、煉制等領(lǐng)域的過程模擬、優(yōu)化和設(shè)計。具有強大的物性計算功能和數(shù)據(jù)回歸能力，并可與DCS系統(tǒng)鏈接實現(xiàn)在線優(yōu)化控制、

生產(chǎn)指導(dǎo)、

生產(chǎn)培訓(xùn)和

儀表設(shè)計系統(tǒng)的離線調(diào)試。HYSYS的窗口6.4.5ECSS-STAR

ECSS-STAR是青島科技大學(xué)伊科思軟件技術(shù)有限公司開發(fā)的一套綜合流程模擬軟件系統(tǒng)，可用于天然氣加工、石油煉制、石油化工、化學(xué)工業(yè)及輕工等過程工業(yè)的新過程設(shè)計、流程篩選、流程改造（擴產(chǎn)、節(jié)能、節(jié)水等）、發(fā)現(xiàn)過程瓶頸及去瓶頸分析、過程最優(yōu)化、過程環(huán)境影響評價和化工設(shè)備的設(shè)計及核算等。

該公司的系列軟件還有：ECSS-MDISMDI流程模擬系統(tǒng)、ECS