郭 凱，黃衛(wèi)華，曹 霞

（中國(guó)瑞林工程技術(shù)有限公司，江西南昌330031）

硫酸工藝計(jì)算軟件的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

郭 凱，黃衛(wèi)華，曹 霞

（中國(guó)瑞林工程技術(shù)有限公司，江西南昌330031）

硫酸工藝設(shè)計(jì)計(jì)算存在參數(shù)多、計(jì)算量大的特點(diǎn)。采用計(jì)算機(jī)編程技術(shù)編制硫酸工藝設(shè)計(jì)計(jì)算軟件,為硫酸工藝設(shè)計(jì)時(shí)大量的計(jì)算提供電子化服務(wù),以方便快捷的計(jì)算機(jī)計(jì)算代替了傳統(tǒng)的手工計(jì)算,充分發(fā)揮了計(jì)算機(jī)技術(shù)的優(yōu)勢(shì),把人從繁雜和重復(fù)的計(jì)算勞動(dòng)中解放出來,有效地降低設(shè)計(jì)成本,大幅減少了設(shè)計(jì)周期,提高了工作效率。

硫酸工藝設(shè)計(jì)；計(jì)算機(jī)編程；軟件計(jì)算

1 硫酸工藝設(shè)計(jì)計(jì)算軟件開發(fā)的背景

硫酸裝置的工程設(shè)計(jì)以工藝專業(yè)設(shè)計(jì)為主導(dǎo),由工藝、設(shè)備、儀表、電氣、給排水、總圖、結(jié)構(gòu)、建筑等相關(guān)聯(lián)的多個(gè)專業(yè)設(shè)計(jì)綜合而成。工藝計(jì)算是硫酸工藝設(shè)計(jì)的前提和必要條件,硫酸工藝計(jì)算需要根據(jù)不同的設(shè)計(jì)條件和生產(chǎn)規(guī)模,選擇相應(yīng)的工藝流程,進(jìn)行物料和能量的衡算,并確定設(shè)備和管道的尺寸。以往硫酸工藝設(shè)計(jì)主要依賴于設(shè)計(jì)人員手工計(jì)算,由于各種參數(shù)多、計(jì)算量大,采用手工計(jì)算耗費(fèi)大量時(shí)間且易出錯(cuò),從而導(dǎo)致設(shè)計(jì)周期長(zhǎng)、效率低。針對(duì)硫酸工藝計(jì)算的特點(diǎn),如何采用計(jì)算機(jī)編程技術(shù)編制一個(gè)實(shí)用的計(jì)算軟件,充分地利用計(jì)算機(jī)的優(yōu)勢(shì),為硫酸工藝計(jì)算提供高效的電子化服務(wù),把設(shè)計(jì)人員從大量的手動(dòng)計(jì)算工作中解放出來,從而有效地降低成本,減少設(shè)計(jì)周期,提高工作效率,是硫酸工藝設(shè)計(jì)研究中一個(gè)非常有意義和挑戰(zhàn)性的課題。

經(jīng)過多年設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)的積累和準(zhǔn)備,由中國(guó)瑞林工程技術(shù)有限公司(以下簡(jiǎn)稱中國(guó)瑞林)和南昌大學(xué)網(wǎng)絡(luò)中心合作開發(fā),中國(guó)瑞林擁有獨(dú)立知識(shí)產(chǎn)權(quán)的硫酸工藝計(jì)算軟件,在幾年的實(shí)際應(yīng)用中不斷的完善更新,前后更新了數(shù)個(gè)版本,已進(jìn)入實(shí)質(zhì)應(yīng)用階段,雖然軟件還存在一些不足,但在工作中已經(jīng)證明軟件的計(jì)算是成熟可靠的,在設(shè)計(jì)中起到了重要的作用,節(jié)省了大量人力和時(shí)間。

2 硫酸工藝設(shè)計(jì)過程的主要計(jì)算內(nèi)容

整個(gè)硫酸生產(chǎn)流程可分為煙氣凈化、煙氣干燥和SO3吸收、SO2轉(zhuǎn)化等3個(gè)系統(tǒng)。在硫酸工藝計(jì)算中,需要根據(jù)不同的煙氣條件和相關(guān)參數(shù),對(duì)3個(gè)系統(tǒng)的生產(chǎn)過程進(jìn)行物料和熱量的平衡計(jì)算,根據(jù)計(jì)算結(jié)果,選擇合適的工藝流程和設(shè)備規(guī)格。

2.1 物料衡算

硫酸工藝計(jì)算中的物料衡算,可分為氣相部分和液相部分。氣相主要是根據(jù)煙氣的溫度、壓力、系統(tǒng)的轉(zhuǎn)化率、吸收率等條件,計(jì)算出不同設(shè)備處煙氣的成份。液相主要是根據(jù)煙氣中H2O、SO3等成分、酸濃度等條件,計(jì)算不同設(shè)備處的酸量或水量。

2.2 熱量衡算

熱量衡算也分為氣相和液相。主要是根據(jù)相關(guān)的條件,計(jì)算不同設(shè)備處的煙氣及酸、水的溫度。

2.3 主要設(shè)備計(jì)算

各類主要設(shè)備計(jì)算：1)塔類設(shè)備：根據(jù)處理煙氣量等基本條件,選擇合適的工藝參數(shù),進(jìn)行設(shè)備選型計(jì)算。2)換熱類設(shè)備：根據(jù)熱量衡算得出設(shè)備換熱量,選擇合適的換熱系數(shù),初步估算換熱面積。3)泵類設(shè)備：根據(jù)塔類設(shè)備處理煙氣量,選擇合適的液氣比,計(jì)算出泵的規(guī)格。4)槽類設(shè)備：根據(jù)循環(huán)液量,選擇合適的停留時(shí)間,確定槽類設(shè)備規(guī)格。

2.4 硫酸工藝計(jì)算的特點(diǎn)

硫酸工藝計(jì)算的特點(diǎn)：1)計(jì)算公式多且復(fù)雜,大部分參數(shù)為非線性變量,計(jì)算工作量大。2)許多設(shè)計(jì)參數(shù)的查詢范圍較廣,經(jīng)常需要試差計(jì)算,進(jìn)行反復(fù)比較、調(diào)整。

3 硫酸工藝設(shè)計(jì)計(jì)算軟件的設(shè)計(jì)

3.1 設(shè)計(jì)原則和目標(biāo)

程序的整合部分采用模塊化設(shè)計(jì),各模塊與主程序的一個(gè)接口相連,按設(shè)定的接口參數(shù)進(jìn)行傳遞。對(duì)于程序中的一些共同過程操作,設(shè)計(jì)為通用模塊,使用時(shí)只需簡(jiǎn)單調(diào)用。軟件的設(shè)計(jì)目標(biāo)：1)易用性。用戶能夠方便快捷的安裝、使用本軟件;2)實(shí)用性。將以前需要耗費(fèi)大量人力重復(fù)計(jì)算的過程由軟件完成; 3)擴(kuò)展性。硫酸制造工藝的流程比較多,如干吸工藝分為3塔2槽、3塔3槽,有些工程需要生產(chǎn)發(fā)煙硫酸等;又如轉(zhuǎn)化工段分1轉(zhuǎn)1吸、2轉(zhuǎn)2吸,2轉(zhuǎn)2吸又分4段轉(zhuǎn)化或5段轉(zhuǎn)化等。因此,在設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)考慮其擴(kuò)展性。

3.2 軟件架構(gòu)

如前所述,一個(gè)典型的硫酸工藝流程主要包括凈化、干吸、轉(zhuǎn)化3個(gè)系統(tǒng)。因此,將軟件分為系統(tǒng)參數(shù)管理、凈化計(jì)算、干吸計(jì)算、轉(zhuǎn)化計(jì)算等4大模塊。凈化計(jì)算、干吸計(jì)算、轉(zhuǎn)化計(jì)算3個(gè)模塊接收輸入的初始條件參數(shù),通過數(shù)據(jù)接口從建立的物化數(shù)據(jù)庫(kù)取得所需的計(jì)算數(shù)據(jù),根據(jù)已經(jīng)設(shè)定好的系統(tǒng)參數(shù)進(jìn)行物料衡算、熱量衡算和設(shè)備選型并輸出結(jié)果。

3.3 數(shù)據(jù)庫(kù)的建立和查找

在硫酸工藝計(jì)算中需要經(jīng)常用到許多化合物的物性數(shù)據(jù),如密度、蒸汽壓、熱容量、熱含量、反應(yīng)熱、不同濃度硫酸的混合熱和稀釋熱等等。在軟件編制之初,對(duì)這些數(shù)據(jù)分類進(jìn)行錄入作為數(shù)據(jù)庫(kù),在計(jì)算中經(jīng)常會(huì)發(fā)現(xiàn)需要用到的物性數(shù)據(jù)在數(shù)據(jù)庫(kù)中不能直接查找得到,只能根據(jù)已有的數(shù)據(jù)通過計(jì)算獲得。在本軟件中,對(duì)此類型數(shù)據(jù)采用線性假設(shè)后,用內(nèi)插法進(jìn)行求取,如需63℃,10%硫酸密度,在數(shù)據(jù)庫(kù)中只能查到60℃和70℃的10%硫酸密度,則假設(shè)硫酸密度在60℃～70℃之間是線性變化,軟件在數(shù)據(jù)庫(kù)中讀取60℃和70℃的密度數(shù)據(jù),通過線性計(jì)算求得63℃的密度。物化數(shù)據(jù)的查找根據(jù)一個(gè)或兩個(gè)參數(shù)進(jìn)行。如某種氣體的平均分子熱容量由溫度來查找,硫酸的熱含量由硫酸的濃度和硫酸的溫度來查找。

3.4 常用公式的整理

有些計(jì)算需要頻繁的使用,因此整理出一些常用公式,在軟件編制時(shí)套用。例如：

式中：x為每小時(shí)氣體的量,mol/h;Tp為氣體溫度;Cp為1標(biāo)準(zhǔn)大氣壓下,從0℃到Tp℃溫度的氣體平均分子熱容量J/(mol·K)。

式中：Q為稀釋熱;n為對(duì)于1 mol H2SO4所用水的摩爾數(shù)。

3.5 主要對(duì)象或單元的計(jì)算方法

計(jì)算中可以把整個(gè)硫酸系統(tǒng)拆分為多個(gè)對(duì)象或單元,分別進(jìn)行計(jì)算,以下例舉幾個(gè)主要的計(jì)算對(duì)象或單元,對(duì)其計(jì)算方法和過程進(jìn)行簡(jiǎn)要說明。

1)洗滌器。作用：通過噴淋一定濃度的稀硫酸,將煙氣溫度冷卻到絕熱飽和溫度。通過噴淋,煙氣中的熱量將稀硫酸中的水蒸發(fā)到煙氣中。已知條件：入口煙氣成分、溫度。計(jì)算結(jié)果：出口煙氣成分、溫度。計(jì)算方法和流程：(1)根據(jù)入口煙氣成分和溫度t1,計(jì)算出入口煙氣的熱含量Q1;(2)利用試差法,先假設(shè)出口飽和溫度t2,得到t2下的飽和水蒸汽含量,從而得到出口煙氣的熱含量Q2;(3)根據(jù)進(jìn)出口煙氣的水分差算出蒸發(fā)水的熱量Q3;(4)比較Q1與Q2+Q3之間的差值,通過不斷調(diào)整和試差,得到最終的洗滌器出口煙氣溫度t2。

2)干燥塔。作用：通過噴淋一定濃度的濃硫酸吸收煙氣中所含的H2O。已知條件：入口煙氣成分、溫度;噴淋酸濃度、溫度。計(jì)算結(jié)果：出口煙氣成分、溫度;出塔酸濃度、溫度。計(jì)算方法和流程：(1)根據(jù)入塔煙氣成分、溫度,噴淋酸濃度、溫度,計(jì)算出入塔煙氣的熱含量Q1和噴淋酸熱含量Q2;(2)再根據(jù)3.4節(jié)公式(硫酸稀釋熱)計(jì)算出噴淋酸吸收水份之后放出的熱量Q3;(3)由Q2+Q3計(jì)算出塔酸的熱量，由此得到出塔酸溫。

3)干吸串酸與酸水平衡。說明：干燥塔的噴淋酸吸收水分后酸濃降低,吸收塔的噴淋酸吸收SO3后酸濃增加,為維持整個(gè)系統(tǒng)的酸濃平衡,在生產(chǎn)過程中將兩個(gè)塔的酸互相加到對(duì)方的循環(huán)系統(tǒng)中,這個(gè)過程稱為串酸。在干吸工段設(shè)計(jì)時(shí)因?yàn)楦辉Ｏ禂?shù),將產(chǎn)酸的濃度設(shè)為高于目的值,因此需要在干吸工段中加水降低酸濃度。加水量根據(jù)干燥中吸收的水量和成品酸帶走的水量計(jì)算。串酸與加水量的計(jì)算通常在一塊進(jìn)行。已知條件：成品酸濃度、吸收率、轉(zhuǎn)化率;干燥噴淋酸濃度、吸收噴淋酸濃度。計(jì)算結(jié)果：干吸加水量、干燥串酸量、吸收串酸量。計(jì)算方法和流程：(1)根據(jù)轉(zhuǎn)化率和吸收率算出進(jìn)入吸收系統(tǒng)的SO3量S1,和100%成品硫酸產(chǎn)量S2;(2)根據(jù)成品酸濃度得出成品酸含水量H1,根據(jù)凈化進(jìn)入干吸的水量H2,計(jì)算出干吸加水量H3=H1-H2;(3)設(shè)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,則有公式（1）為：0.98×W1=0.95×W2+S2以及公式 （2）為：W1=W2+S1+H3;(4)2個(gè)公式合并解出串酸量W1和W2。

4)轉(zhuǎn)化熱交換器。說明：轉(zhuǎn)化工段中最基本的運(yùn)算是對(duì)煙氣熱交換器的計(jì)算。一個(gè)熱交換器有4個(gè)進(jìn)出口,分別為殼程入口、殼程出口、管程入口和管程出口,用于對(duì)轉(zhuǎn)化工段煙氣進(jìn)行換熱。已知條件：其中3個(gè)口的煙氣成分、溫度。計(jì)算結(jié)果：第4個(gè)口的煙氣成分、溫度。計(jì)算方法和流程：(1)根據(jù)煙氣量和溫度,查數(shù)據(jù)庫(kù)得到煙氣各個(gè)成分(如SO2、O2、N2等)的分子平均熱容量;(2)使用3.4節(jié)公式(氣體熱含量)計(jì)算得到已知3個(gè)換熱器接口(例如已知為殼程入口,殼程出口、管程入口)煙氣的熱量Q殼入、Q殼出、Q管入。則可得到換熱器的換熱量△Q=Q殼出-Q殼入。(3)繼而根據(jù)△Q=Q管出-Q管入算出第4個(gè)口的煙氣熱量Q管出,從而得到管程出口的煙氣溫度。

4 硫酸工藝設(shè)計(jì)計(jì)算軟件的實(shí)現(xiàn)

4.1 開發(fā)平臺(tái)

主要采用 Microsoft Visual Studio.NET的成員VB.NET作為開發(fā)平臺(tái),數(shù)據(jù)庫(kù)使用Microsoft Access,不需要用戶安裝數(shù)據(jù)庫(kù)服務(wù)器,直接驅(qū)動(dòng)即可使用。系統(tǒng)采用圖形用戶界面(GUI)的設(shè)計(jì),具有易用性強(qiáng)、高效性、可維護(hù)性、可擴(kuò)充性等特點(diǎn)。

4.2 主要功能

主要功能為：1)文件管理：如果是計(jì)算一個(gè)新的項(xiàng)目,則程序運(yùn)行后用戶選擇需要計(jì)算的工段模塊，輸入所需要計(jì)算的參數(shù)開始計(jì)算,如果是核算或調(diào)用以前的項(xiàng)目,則打開原來保存過的項(xiàng)目文件載入?yún)?shù)。2)系統(tǒng)參數(shù)設(shè)置：對(duì)一些計(jì)算需要的常用參數(shù)進(jìn)行設(shè)置管理。3)凈化、干吸、轉(zhuǎn)化3大模塊：軟件將硫酸工藝的3個(gè)系統(tǒng)凈化、干吸和轉(zhuǎn)化設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)為相對(duì)獨(dú)立又有關(guān)聯(lián)的3個(gè)功能模塊。每個(gè)功能模塊既可以獨(dú)立實(shí)現(xiàn)計(jì)算,也可以利用其它模塊所計(jì)算得到的結(jié)果,如干吸的入口煙氣成分可以調(diào)用凈化的出口煙氣成分。4)結(jié)果顯示和導(dǎo)出：軟件設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了計(jì)算結(jié)果的導(dǎo)出功能,當(dāng)一個(gè)系統(tǒng)的計(jì)算結(jié)束后,軟件顯示出各主要的對(duì)象和環(huán)節(jié)的詳細(xì)計(jì)算結(jié)果和參數(shù),用戶可以將計(jì)算結(jié)果導(dǎo)出,導(dǎo)出的文件以HTML格式保存,各計(jì)算結(jié)果和參數(shù)以表格形式的顯示,用戶可方便的查看和瀏覽相關(guān)數(shù)據(jù)。5)常用計(jì)算工具：在工藝設(shè)計(jì)時(shí),時(shí)常需要對(duì)部分特定的環(huán)節(jié)進(jìn)行單獨(dú)計(jì)算,因此本軟件對(duì)常用的對(duì)象或單元設(shè)置了單元計(jì)算工具,可以在軟件中獨(dú)立調(diào)出并實(shí)現(xiàn)各自獨(dú)立的計(jì)算。6)軟件使用單機(jī)版的模式設(shè)計(jì),不會(huì)出現(xiàn)過期和無權(quán)限等異常情況。

4.3 軟件的運(yùn)行截圖

1)主界面。軟件運(yùn)行后主界面,如圖1所示。

圖1 軟件運(yùn)行主界面

2)測(cè)試示例。在硫酸工藝設(shè)計(jì)中,干吸工段的流程和計(jì)算是較為復(fù)雜和靈活的,以下以干吸工段計(jì)算為例,介紹軟件的測(cè)試與使用。

(1)點(diǎn)擊主界面中“干吸工段計(jì)算”按鈕(如圖2),輸入各項(xiàng)參數(shù)后點(diǎn)擊右上角的“計(jì)算”按鈕。

圖2 干吸工段計(jì)算主界面

(2)程序會(huì)自動(dòng)對(duì)輸入的參數(shù)進(jìn)行檢查(如圖3),如果輸入?yún)?shù)有誤,點(diǎn)擊“計(jì)算”按鈕后,程序會(huì)對(duì)輸入有誤的參數(shù)進(jìn)行提示。

圖3 對(duì)輸入?yún)?shù)做合法性檢查

(3)完成計(jì)算和顯示計(jì)算結(jié)果(如圖4)。

圖4 顯示計(jì)算結(jié)果

(4)導(dǎo)出計(jì)算結(jié)果如圖5。

4.4 軟件的實(shí)際應(yīng)用

本軟件的開發(fā)從2010年立項(xiàng),幾年來結(jié)合實(shí)際的工程項(xiàng)目,在測(cè)試和驗(yàn)證的過程中不斷地進(jìn)行修改和完善,目前已經(jīng)比較成熟可靠,對(duì)于設(shè)計(jì)工作起到了非常重要的作用。例如俄羅斯卡拉巴什銅廠煙氣制酸項(xiàng)目,是中國(guó)瑞林化工事業(yè)部第一個(gè)境外的硫酸總承包工程,項(xiàng)目規(guī)模大,設(shè)計(jì)條件復(fù)雜,從工藝設(shè)計(jì)階段到基本設(shè)計(jì),項(xiàng)目的方案變更了多次,其中僅轉(zhuǎn)化工段的觸媒方案前后就多達(dá)十幾種,如果依靠傳統(tǒng)的手工計(jì)算,無疑將耗費(fèi)大量的時(shí)間。在該項(xiàng)目的設(shè)計(jì)過程中,使用了硫酸工藝計(jì)算軟件進(jìn)行計(jì)算，快速地處理了大量計(jì)算內(nèi)容,經(jīng)校核證明,計(jì)算結(jié)果準(zhǔn)確可靠。

5 總結(jié)

硫酸工藝計(jì)算軟件利用Microsoft VB.NET結(jié)合Microsoft Access開發(fā)。對(duì)硫酸工藝流程中的凈化、干吸、轉(zhuǎn)化3個(gè)工段的主要對(duì)象或環(huán)節(jié)的進(jìn)行了分析與設(shè)計(jì),實(shí)現(xiàn)了對(duì)硫酸制造工藝設(shè)計(jì)方便快捷的計(jì)算,發(fā)揮了計(jì)算機(jī)技術(shù)的優(yōu)勢(shì),把人們從繁雜和重復(fù)的計(jì)算勞動(dòng)中解放出來,能夠有效地降低硫酸工藝設(shè)計(jì)成本,減少設(shè)計(jì)周期,提高工作效率。

本軟件的特色與優(yōu)點(diǎn)：1)軟件針對(duì)用戶習(xí)慣,簡(jiǎn)單實(shí)用,只需要輸入初始參數(shù)輕點(diǎn)鼠標(biāo)即可得到所需要的結(jié)果;2)改進(jìn)了物化數(shù)據(jù)的查找和計(jì)算流程,提高了軟件的計(jì)算效率;3)詳細(xì)的計(jì)算結(jié)果輸出，軟件實(shí)現(xiàn)了計(jì)算過程中各主要對(duì)象和環(huán)節(jié)的詳細(xì)的參數(shù)和結(jié)果的輸出,為進(jìn)一步的工藝設(shè)計(jì)與設(shè)備選擇提供了依據(jù)。

目前系統(tǒng)也存在一些不足：1)軟件的智能性還不足夠,在一些計(jì)算環(huán)節(jié)需要人為調(diào)整和修正；2)計(jì)算對(duì)象和環(huán)節(jié)還不完善,只能針對(duì)硫酸工藝設(shè)計(jì)中常見的流程進(jìn)行計(jì)算,對(duì)于一些不太常見的工藝流程適應(yīng)性不強(qiáng)。本軟件的開發(fā)還有很多方面可加以擴(kuò)展和改進(jìn),希望在以后的工作中能夠逐步完善和實(shí)現(xiàn)。

[1] 劉玉波,安伯忠,明玉杰,等.淺談?dòng)?jì)算機(jī)軟件技術(shù)在化工工程設(shè)計(jì)中的應(yīng)用[J].技術(shù)與市場(chǎng),2008(12)：23-24.

[2] 萬學(xué)達(dá).計(jì)算機(jī)在化工設(shè)計(jì)中的應(yīng)用進(jìn)展[J].化工設(shè)計(jì),2007(2)：43-47.

[3] 王明達(dá),周洋,王冬梅.計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)在化工工藝中的作用[J].黑龍江科技信息,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 凱(1975—),男,工程師,主要從事化工工藝設(shè)計(jì)與研究工作。