硫酸工艺计算软件的设计与实现

郭 凯，黄卫华，曹 霞

（中国瑞林工程技术有限公司，江西南昌330031）

硫酸工艺计算软件的设计与实现

郭 凯，黄卫华，曹 霞

（中国瑞林工程技术有限公司，江西南昌330031）

硫酸工艺设计计算存在参数多、计算量大的特点。采用计算机编程技术编制硫酸工艺设计计算软件,为硫酸工艺设计时大量的计算提供电子化服务,以方便快捷的计算机计算代替了传统的手工计算,充分发挥了计算机技术的优势,把人从繁杂和重复的计算劳动中解放出来,有效地降低设计成本,大幅减少了设计周期,提高了工作效率。

硫酸工艺设计；计算机编程；软件计算

1 硫酸工艺设计计算软件开发的背景

硫酸装置的工程设计以工艺专业设计为主导,由工艺、设备、仪表、电气、给排水、总图、结构、建筑等相关联的多个专业设计综合而成。工艺计算是硫酸工艺设计的前提和必要条件,硫酸工艺计算需要根据不同的设计条件和生产规模,选择相应的工艺流程,进行物料和能量的衡算,并确定设备和管道的尺寸。以往硫酸工艺设计主要依赖于设计人员手工计算,由于各种参数多、计算量大,采用手工计算耗费大量时间且易出错,从而导致设计周期长、效率低。针对硫酸工艺计算的特点,如何采用计算机编程技术编制一个实用的计算软件,充分地利用计算机的优势,为硫酸工艺计算提供高效的电子化服务,把设计人员从大量的手动计算工作中解放出来,从而有效地降低成本,减少设计周期,提高工作效率,是硫酸工艺设计研究中一个非常有意义和挑战性的课题。

经过多年设计经验的积累和准备,由中国瑞林工程技术有限公司(以下简称中国瑞林)和南昌大学网络中心合作开发,中国瑞林拥有独立知识产权的硫酸工艺计算软件,在几年的实际应用中不断的完善更新,前后更新了数个版本,已进入实质应用阶段,虽然软件还存在一些不足,但在工作中已经证明软件的计算是成熟可靠的,在设计中起到了重要的作用,节省了大量人力和时间。

2 硫酸工艺设计过程的主要计算内容

整个硫酸生产流程可分为烟气净化、烟气干燥和SO3吸收、SO2转化等3个系统。在硫酸工艺计算中,需要根据不同的烟气条件和相关参数,对3个系统的生产过程进行物料和热量的平衡计算,根据计算结果,选择合适的工艺流程和设备规格。

2.1 物料衡算

硫酸工艺计算中的物料衡算,可分为气相部分和液相部分。气相主要是根据烟气的温度、压力、系统的转化率、吸收率等条件,计算出不同设备处烟气的成份。液相主要是根据烟气中H2O、SO3等成分、酸浓度等条件,计算不同设备处的酸量或水量。

2.2 热量衡算

热量衡算也分为气相和液相。主要是根据相关的条件,计算不同设备处的烟气及酸、水的温度。

2.3 主要设备计算

各类主要设备计算：1)塔类设备：根据处理烟气量等基本条件,选择合适的工艺参数,进行设备选型计算。2)换热类设备：根据热量衡算得出设备换热量,选择合适的换热系数,初步估算换热面积。3)泵类设备：根据塔类设备处理烟气量,选择合适的液气比,计算出泵的规格。4)槽类设备：根据循环液量,选择合适的停留时间,确定槽类设备规格。

2.4 硫酸工艺计算的特点

硫酸工艺计算的特点：1)计算公式多且复杂,大部分参数为非线性变量,计算工作量大。2)许多设计参数的查询范围较广,经常需要试差计算,进行反复比较、调整。

3 硫酸工艺设计计算软件的设计

3.1 设计原则和目标

程序的整合部分采用模块化设计,各模块与主程序的一个接口相连,按设定的接口参数进行传递。对于程序中的一些共同过程操作,设计为通用模块,使用时只需简单调用。软件的设计目标：1)易用性。用户能够方便快捷的安装、使用本软件;2)实用性。将以前需要耗费大量人力重复计算的过程由软件完成; 3)扩展性。硫酸制造工艺的流程比较多,如干吸工艺分为3塔2槽、3塔3槽,有些工程需要生产发烟硫酸等;又如转化工段分1转1吸、2转2吸,2转2吸又分4段转化或5段转化等。因此,在设计时应考虑其扩展性。

3.2 软件架构

如前所述,一个典型的硫酸工艺流程主要包括净化、干吸、转化3个系统。因此,将软件分为系统参数管理、净化计算、干吸计算、转化计算等4大模块。净化计算、干吸计算、转化计算3个模块接收输入的初始条件参数,通过数据接口从建立的物化数据库取得所需的计算数据,根据已经设定好的系统参数进行物料衡算、热量衡算和设备选型并输出结果。

3.3 数据库的建立和查找

在硫酸工艺计算中需要经常用到许多化合物的物性数据,如密度、蒸汽压、热容量、热含量、反应热、不同浓度硫酸的混合热和稀释热等等。在软件编制之初,对这些数据分类进行录入作为数据库,在计算中经常会发现需要用到的物性数据在数据库中不能直接查找得到,只能根据已有的数据通过计算获得。在本软件中,对此类型数据采用线性假设后,用内插法进行求取,如需63℃,10%硫酸密度,在数据库中只能查到60℃和70℃的10%硫酸密度,则假设硫酸密度在60℃～70℃之间是线性变化,软件在数据库中读取60℃和70℃的密度数据,通过线性计算求得63℃的密度。物化数据的查找根据一个或两个参数进行。如某种气体的平均分子热容量由温度来查找,硫酸的热含量由硫酸的浓度和硫酸的温度来查找。

3.4 常用公式的整理

有些计算需要频繁的使用,因此整理出一些常用公式,在软件编制时套用。例如：

式中：x为每小时气体的量,mol/h;Tp为气体温度;Cp为1标准大气压下,从0℃到Tp℃温度的气体平均分子热容量J/(mol·K)。

式中：Q为稀释热;n为对于1 mol H2SO4所用水的摩尔数。

3.5 主要对象或单元的计算方法

计算中可以把整个硫酸系统拆分为多个对象或单元,分别进行计算,以下例举几个主要的计算对象或单元,对其计算方法和过程进行简要说明。

1)洗涤器。作用：通过喷淋一定浓度的稀硫酸,将烟气温度冷却到绝热饱和温度。通过喷淋,烟气中的热量将稀硫酸中的水蒸发到烟气中。已知条件：入口烟气成分、温度。计算结果：出口烟气成分、温度。计算方法和流程：(1)根据入口烟气成分和温度t1,计算出入口烟气的热含量Q1;(2)利用试差法,先假设出口饱和温度t2,得到t2下的饱和水蒸汽含量,从而得到出口烟气的热含量Q2;(3)根据进出口烟气的水分差算出蒸发水的热量Q3;(4)比较Q1与Q2+Q3之间的差值,通过不断调整和试差,得到最终的洗涤器出口烟气温度t2。

2)干燥塔。作用：通过喷淋一定浓度的浓硫酸吸收烟气中所含的H2O。已知条件：入口烟气成分、温度;喷淋酸浓度、温度。计算结果：出口烟气成分、温度;出塔酸浓度、温度。计算方法和流程：(1)根据入塔烟气成分、温度,喷淋酸浓度、温度,计算出入塔烟气的热含量Q1和喷淋酸热含量Q2;(2)再根据3.4节公式(硫酸稀释热)计算出喷淋酸吸收水份之后放出的热量Q3;(3)由Q2+Q3计算出塔酸的热量，由此得到出塔酸温。

3)干吸串酸与酸水平衡。说明：干燥塔的喷淋酸吸收水分后酸浓降低,吸收塔的喷淋酸吸收SO3后酸浓增加,为维持整个系统的酸浓平衡,在生产过程中将两个塔的酸互相加到对方的循环系统中,这个过程称为串酸。在干吸工段设计时因为富裕系数,将产酸的浓度设为高于目的值,因此需要在干吸工段中加水降低酸浓度。加水量根据干燥中吸收的水量和成品酸带走的水量计算。串酸与加水量的计算通常在一块进行。已知条件：成品酸浓度、吸收率、转化率;干燥喷淋酸浓度、吸收喷淋酸浓度。计算结果：干吸加水量、干燥串酸量、吸收串酸量。计算方法和流程：(1)根据转化率和吸收率算出进入吸收系统的SO3量S1,和100%成品硫酸产量S2;(2)根据成品酸浓度得出成品酸含水量H1,根据净化进入干吸的水量H2,计算出干吸加水量H3=H1-H2;(3)设吸收串入干燥的98%硫酸量等于W1,干燥串入吸收的95%硫酸量等于W2,则有公式（1）为：0.98×W1=0.95×W2+S2以及公式 （2）为：W1=W2+S1+H3;(4)2个公式合并解出串酸量W1和W2。

4)转化热交换器。说明：转化工段中最基本的运算是对烟气热交换器的计算。一个热交换器有4个进出口,分别为壳程入口、壳程出口、管程入口和管程出口,用于对转化工段烟气进行换热。已知条件：其中3个口的烟气成分、温度。计算结果：第4个口的烟气成分、温度。计算方法和流程：(1)根据烟气量和温度,查数据库得到烟气各个成分(如SO2、O2、N2等)的分子平均热容量;(2)使用3.4节公式(气体热含量)计算得到已知3个换热器接口(例如已知为壳程入口,壳程出口、管程入口)烟气的热量Q壳入、Q壳出、Q管入。则可得到换热器的换热量△Q=Q壳出-Q壳入。(3)继而根据△Q=Q管出-Q管入算出第4个口的烟气热量Q管出,从而得到管程出口的烟气温度。

4 硫酸工艺设计计算软件的实现

4.1 开发平台

主要采用 Microsoft Visual Studio.NET的成员VB.NET作为开发平台,数据库使用Microsoft Access,不需要用户安装数据库服务器,直接驱动即可使用。系统采用图形用户界面(GUI)的设计,具有易用性强、高效性、可维护性、可扩充性等特点。

4.2 主要功能

主要功能为：1)文件管理：如果是计算一个新的项目,则程序运行后用户选择需要计算的工段模块，输入所需要计算的参数开始计算,如果是核算或调用以前的项目,则打开原来保存过的项目文件载入参数。2)系统参数设置：对一些计算需要的常用参数进行设置管理。3)净化、干吸、转化3大模块：软件将硫酸工艺的3个系统净化、干吸和转化设计实现为相对独立又有关联的3个功能模块。每个功能模块既可以独立实现计算,也可以利用其它模块所计算得到的结果,如干吸的入口烟气成分可以调用净化的出口烟气成分。4)结果显示和导出：软件设计实现了计算结果的导出功能,当一个系统的计算结束后,软件显示出各主要的对象和环节的详细计算结果和参数,用户可以将计算结果导出,导出的文件以HTML格式保存,各计算结果和参数以表格形式的显示,用户可方便的查看和浏览相关数据。5)常用计算工具：在工艺设计时,时常需要对部分特定的环节进行单独计算,因此本软件对常用的对象或单元设置了单元计算工具,可以在软件中独立调出并实现各自独立的计算。6)软件使用单机版的模式设计,不会出现过期和无权限等异常情况。

4.3 软件的运行截图

1)主界面。软件运行后主界面,如图1所示。

图1 软件运行主界面

2)测试示例。在硫酸工艺设计中,干吸工段的流程和计算是较为复杂和灵活的,以下以干吸工段计算为例,介绍软件的测试与使用。

(1)点击主界面中“干吸工段计算”按钮(如图2),输入各项参数后点击右上角的“计算”按钮。

图2 干吸工段计算主界面

(2)程序会自动对输入的参数进行检查(如图3),如果输入参数有误,点击“计算”按钮后,程序会对输入有误的参数进行提示。

图3 对输入参数做合法性检查

(3)完成计算和显示计算结果(如图4)。

图4 显示计算结果

(4)导出计算结果如图5。

4.4 软件的实际应用

本软件的开发从2010年立项,几年来结合实际的工程项目,在测试和验证的过程中不断地进行修改和完善,目前已经比较成熟可靠,对于设计工作起到了非常重要的作用。例如俄罗斯卡拉巴什铜厂烟气制酸项目,是中国瑞林化工事业部第一个境外的硫酸总承包工程,项目规模大,设计条件复杂,从工艺设计阶段到基本设计,项目的方案变更了多次,其中仅转化工段的触媒方案前后就多达十几种,如果依靠传统的手工计算,无疑将耗费大量的时间。在该项目的设计过程中,使用了硫酸工艺计算软件进行计算，快速地处理了大量计算内容,经校核证明,计算结果准确可靠。

5 总结

硫酸工艺计算软件利用Microsoft VB.NET结合Microsoft Access开发。对硫酸工艺流程中的净化、干吸、转化3个工段的主要对象或环节的进行了分析与设计,实现了对硫酸制造工艺设计方便快捷的计算,发挥了计算机技术的优势,把人们从繁杂和重复的计算劳动中解放出来,能够有效地降低硫酸工艺设计成本,减少设计周期,提高工作效率。

本软件的特色与优点：1)软件针对用户习惯,简单实用,只需要输入初始参数轻点鼠标即可得到所需要的结果;2)改进了物化数据的查找和计算流程,提高了软件的计算效率;3)详细的计算结果输出，软件实现了计算过程中各主要对象和环节的详细的参数和结果的输出,为进一步的工艺设计与设备选择提供了依据。

目前系统也存在一些不足：1)软件的智能性还不足够,在一些计算环节需要人为调整和修正；2)计算对象和环节还不完善,只能针对硫酸工艺设计中常见的流程进行计算,对于一些不太常见的工艺流程适应性不强。本软件的开发还有很多方面可加以扩展和改进,希望在以后的工作中能够逐步完善和实现。

[1] 刘玉波,安伯忠,明玉杰,等.浅谈计算机软件技术在化工工程设计中的应用[J].技术与市场,2008(12)：23-24.

[2] 万学达.计算机在化工设计中的应用进展[J].化工设计,2007(2)：43-47.

[3] 王明达,周洋,王冬梅.计算机辅助设计在化工工艺中的作用[J].黑龙江科技信息,2008(2)：47-47.

Design and Realization of Sulfuric Acid Process Calculation Software

GUO Kai,HUANG Weihua,CAO Xia

(China Nerin Engineering Co.,Ltd.,Nanchang,Jiangxi 330031,China)

Sulfuric acid process design calculation is featured by many parameters and huge calculated amount.Formulate sulfuric acid process design calculation software by using computer programming technique,which can provide electronic-service when huge calculation needed for sulfuric acid design.Therefore,convenient and swift computer calculation take place traditional hand computation,which gives fully play to superiority of computer technology.Emancipate people from miscellaneous and repeated calculation so as to reduce the design cost,decrease the design cycle sharply and improve the work efficiency.

sulfuric acid process design;computer programming;software calculation

TQ015.9

B

1004-4345(2014)05-0046-04

2014-07-02

郭 凯(1975—),男,工程师,主要从事化工工艺设计与研究工作。