硫磺噴槍的傳熱模擬及結構優(yōu)化

楊紅，高志遠，羅丹丹，胡爽策，徐青山

1.武漢工程大學機電工程學院，湖北 武漢 430205；2.化工裝備強化與本質安全湖北省重點實驗室（武漢工程大學），湖北 武漢 430205

硫磺噴槍的傳熱模擬及結構優(yōu)化

楊紅，高志遠，羅丹丹，胡爽策，徐青山

1.武漢工程大學機電工程學院，湖北 武漢 430205；2.化工裝備強化與本質安全湖北省重點實驗室（武漢工程大學），湖北 武漢 430205

夾套結構是硫磺噴槍中常用的保溫結構，是液硫正常輸送和噴射的重要保障.以整個槍體長度上溫度分布均勻為目標，對硫磺噴槍夾套進行了結構優(yōu)化和傳熱模擬.在常用的蒸汽同側進出單層夾套結構基礎上，對兩側進出單層夾套、同側進出雙層夾套三種結構進行了對比模擬分析.進口以飽和蒸汽和液硫質量流量為基準，出口采用壓力出口.選用k－omega湍流模型并開啟能量方程，采用壓力－速度耦合方程求解，并選用PISO算法.模擬結果表明，兩側進出單層夾套的保溫均勻性明顯優(yōu)越于同側進出單層夾套，而同側進出雙層夾套既有良好的保溫均勻性，又能滿足蒸汽同側進出的工藝要求，是一種優(yōu)化的噴槍傳熱結構.

硫磺噴槍；傳熱結構；流固耦合；數(shù)值模擬；結構優(yōu)化

0 引言

硫磺是生產硫酸的理想原料，國外硫酸工業(yè)80%以上是以硫磺為原料［1］.制酸工藝中，硫磺噴槍是硫磺制酸生產中熔融硫磺噴射入爐的主要設備.主要作用是將液態(tài)硫噴射入焚燒爐內，使液態(tài)硫細化為小粒徑液體能夠充分完全燃燒［2］.目前國內企業(yè)所用的液體硫磺制酸的噴槍存在的主要問題是噴流量較少，機械霧化效果差，保溫效果不好，飽和蒸汽溫度不均勻，液硫通道管壁面溫度不均勻，液磺顆粒變大，噴嘴容易堵塞［3］.

蒸汽保溫效果不理想，影響液體硫磺的粘度和霧化效果，使硫磺的燃燒率大大降低.噴槍的環(huán)境溫度變化大，使噴槍變形嚴重，應力波動變化大，引起噴槍腐蝕穿孔［4］.蒸汽工藝溫度不穩(wěn)，使得硫磺霧化效果差，硫磺燃燒不充分，造成系統(tǒng)升華硫大量存在設備系統(tǒng)內生成酸泥，設備腐蝕嚴重，增加了設備的維修費用和硫磺制酸的生產成本.其次是噴槍的使用壽命短，更換噴槍的次數(shù)多，造成生產非計劃停車多.本文利用計算流體力學計算軟件ANSYS FLUENT對硫磺噴槍夾套進行傳熱模擬，分析硫磺噴槍夾套的結構優(yōu)化，對保溫效果的影響［5］.

1 模擬對象與建模

1.1 模擬對象

硫磺噴槍結構如圖1所示.以某公司的機械霧化噴槍為例，對硫磺噴槍夾套進行了結構優(yōu)化，對比單層夾套結構與雙層夾套結構保溫效果.基本尺寸如表1所示.

圖1 硫磺噴槍Fig.1 Sulfur spray gun

表1 模擬對象基本尺寸Table 1 Basic sizes of simulated object mm

給定的工藝參數(shù)：硫槍的硫磺噴射量為5 800 kg／h，液硫速度1m／s，飽和蒸汽進口速度5m／s.其物料的物性參數(shù)如表2所示.

表2 物性參數(shù)Table 2 Parameters of physical property

1.2 CFD模型建立

利用CFD的前處理軟件Gambit進行三維建模，根據(jù)現(xiàn)有硫磺噴槍的結構參數(shù)在槍體上建立單層蒸汽夾套和雙層蒸汽夾套的模型.運用布爾運算將整個硫磺噴槍劃分成管程和殼程兩個區(qū)域：管程區(qū)域內通道走液體硫磺，殼程區(qū)域內通道走飽和蒸汽.由于流體具有黏性，近壁面黏性效應明顯及流場參數(shù)變化梯度較大的進出口區(qū)域進行邊界層網格劃分.為了增加對劃分網格的控制，提高網格質量，本模型將“體”進行分塊，做一個Φ45mm、長1 700mm的圓柱，用其圓柱面將套管與內管分開；做一個Φ90 mm、長1 750 mm的圓柱，用其圓柱面將進出口蒸汽通道與套管分開；做一個xy平面，在進出口蒸汽通道兩側分別切割，形成多段；做一個xz平面，將所有圓柱體分成上下兩部分；將幾何體切成22個幾何塊，除了飽和蒸汽進出口區(qū)域采用四面體網格，其余采用六面體網格，對飽和蒸汽進出口區(qū)域進行加密處理，細化網格提高計算精度.

硫磺噴槍傳熱數(shù)值模擬采用穩(wěn)態(tài)計算，由飽和蒸汽入口質量流量算出雷諾數(shù)為15 000，液硫進口質量流量算出雷諾數(shù)為4 500，進口以飽和蒸汽和液硫質量流量為基準，出口采用壓力出口，壁面設置熱流固耦合傳熱，選用k-omega湍流模型并開啟能量方程，采用壓力-速度耦合方程求解，選用PISO算法.空間離散格式中，壓力選用Standard格式，其他物理量采用QUICK格式［6］.

2 模擬結果及對比分析

以飽和蒸汽、液體硫磺為介質，蒸汽通道入口速度5m／s、液體硫磺通道入口速度為1m／s.工藝參數(shù)相同條件下，在常用的蒸汽同側進出單層夾套結構基礎上，改為兩側進出單層夾套和同側進出雙層夾套三種結構.圖2為同側進出單層夾套流體域對稱面溫度分布云圖.圖3為兩側進出單層夾套流體域對稱面溫度分布云圖.圖4為同側進出雙層夾套流體域溫度分布云圖.圖5為蒸汽同側進出單層夾套、兩側進出單層夾套、同側進出雙層夾套的管壁溫度線圖.

（1）由圖2與圖3流體域對稱面上的溫度分布云圖對比可知，同側進出單層夾套蒸汽工藝不穩(wěn)，溫度差變化較大，在夾套底部蒸汽幾乎不流動，引起溫度下降、硫磺凝固、噴槍堵塞.兩側進出單層夾套蒸汽工藝穩(wěn)定，溫度差小，蒸汽流動性好.

（2）由圖3與圖4溫度分布云圖對比可知，同側進出雙層夾套的保溫均勻性明顯比兩側進出單層夾套的保溫均勻性好，工藝結構合理.

（3）圖5不同結構的硫磺噴槍管壁溫度分布對比可知，兩側進出單層夾套的保溫均勻性明顯優(yōu)越于同側進出單層夾套，而同側進出雙層夾套既有良好的保溫均勻性，又能滿足蒸汽同側進出的工藝要求，是一種優(yōu)化的噴槍傳熱結構.

圖2 同側進出單層夾套流體域對稱面上的溫度分布云圖Fig.2 Temperature distribution on symmetric plane of fluid domain of single－jacketwith steam from the same side

圖3 兩側進出單層夾套流體域對稱面上的溫度分布云圖Fig.3 Temperature distribution on symmetric plane of fluid domain of single-jacketwith steam from both sides

圖4 同側進出雙層夾套流體域對稱面上的溫度分布云圖Fig.4 Temperature distribution on symmetric p lane of fluid domain of double-jacketwith steam from the same side

圖5 不同結構的噴槍管壁溫度對比圖Fig.5 Comparison of tube temperatures of spray gun with different structures

3 結語

以上對硫磺噴槍夾套進行了結構優(yōu)化和傳熱模擬，通過ANSYSFLUENT與Steady-state Thermal兩個模塊之間的調用，系統(tǒng)地分析了流體域溫度分布云圖、管壁溫度.研究表明，同側進出雙層夾套既有良好的保溫均勻性，又能滿足蒸汽同側進出的工藝要求.減少了應力腐蝕、變形、穿孔、堵塞，造成生產非計劃停車.延長了噴槍的使用壽命，提高硫磺的霧化效果.

［1］馮曉民.硫磺制硫酸工藝研究［J］.上?；?，2007，8（11）：26-27.

FENG Xiao-m in.Using sulfur to improve the sulfuric acid technical process［J］.ShanghaiChemical Industry，2007,8（11）：26-27.（in Chinese）

［2］劉安寧.一種硫磺噴槍的槍體：中國，200720123000.6［P］.2008-07-23.

LIU An-n ing.A kind of sulfur spray gun：CN， 200720123000.6［P］.2008-07-23.

［3］龐建銘.硫磺噴槍技術改造［J］.四川冶金，2007，4（27）：60-61.

PANG Jian-m in.Technical innovation of sulfur spray gun［J］.Si Chuan Metallurgy，2007,4（27）：60-61.（in Chinese）

［4］彭乃恩.一種液體硫磺噴槍：中國，201320691428.6［P］.2014-05-07.

PENG Nai-e n.A liquid sulfur spray gun.CN，201320691428.6［P］.2014-05-07.（in Chinese）

［5］朱紅鈞.ANSYS14.5熱流固耦合實戰(zhàn)指南［M］.北京：人民郵電出版社，2014（16）：318-440.

ZHU Hong-j un.ANSYS14.5 Heat flow-solid coup ling practical guide［M］.Beijing：Post and Telecom Press，2014（16）：318-440.（in Chinese）

［6］楊紅，肖臻，周彥，等.空氣霧化硫磺噴槍的數(shù)值模擬［J］.武漢工程大學學報，2013,35（12）：63-67.

YANG Hong,X IAO Zhen,Z HOU Yan,et al.Numerical simulation of air-atomizing sulfur gun［J］.Journal of Wuhan Institute of Technology，2013,35（2）：63-67.（in Chinese）

Process simulation and structure optim ization of heat transfer of sulfur spray gun

YANG Hong，GAO Zhi－yuan，LUO Dan－dan，HU Shuang－ce，XU Qing－shan
1.School of Mechanical and Electrical Engineering，Wuhan Institute of Technology，Wuhan 430205，China；2.Hubei Key Laboratory of Chemical Equipment Intensification and Intrinsic Safety（Wuhan Institute of Technology），Wuhan 430205，China

Jacketed structure is a thermal insulation structure，commonly used in the sulfur spray gun，which guarantees the normal transmission and injection of liquid sulfur.Aimed at the uniform temperature distribution on the whole length of the gun，the heat transfer simulation and structure optimization of the jacketed structure were explored.Jacketed structure of double-jacket with steam in and out from the same side and single-jacket with steam in and out from both sides were analyzed and compared with that of the commonly used single-jacketwith steam in and out from the same side.In the analysis process，themass flux of saturated vapor and liquid sulfur was used as the benchmark in the inlet，and the outlet adopt pressure-outlet.k-omega turbulence model was used to open the energy equation，and the pressure-velocity coupling equation was solved by using PISO algorithm.The simulation result shows that the thermal uniformity of the single-jacketed structure with steam in and out from both sides is significantly better than thatwith steam from the same side.However，the double-jacketed structure with steam from the same side is a kind of optimized structure，which not only has a better thermal uniformity，but also meets the technological requirement of steam in and out from the same side simultaneously.

sulfur spray gun；heat transfer structure；fluid structure coupling；numerical simulation；structure optimization

TQ027

A

10.3969/j.issn.1674-2869.2015.12.014

1674－2869（2015）12－0065－04

本文編輯：陳小平

2015－10－27

武漢工程大學研究生創(chuàng)新基金資助項目（CX2014033）

楊紅（1971-），男，湖北宜都人，教授，博士.研究方向：新型高效過程裝備技術、機械設備智能監(jiān)控、虛擬現(xiàn)實技術及應用等.