《武汉工程大学学报》 2015年12期
65-68
出版日期：2016-01-14
ISSN:1674-2869
CN:42-1779/TQ
硫磺喷枪的传热模拟及结构优化
0 引 言硫磺是生产硫酸的理想原料，国外硫酸工业８０％以上是以硫磺为原料［１］．制酸工艺中，硫磺喷枪是硫磺制酸生产中熔融硫磺喷射入炉的主要设备．主要作用是将液态硫喷射入焚烧炉内，使液态硫细化为小粒径液体能够充分完全燃烧［２］．目前国内企业所用的液体硫磺制酸的喷枪存在的主要问题是喷流量较少，机械雾化效果差，保温效果不好，饱和蒸汽温度不均匀，液硫通道管壁面温度不均匀，液磺颗粒变大，喷嘴容易堵塞［３］．蒸汽保温效果不理想，影响液体硫磺的粘度和雾化效果，使硫磺的燃烧率大大降低．喷枪的环境温度变化大，使喷枪变形严重，应力波动变化大，引起喷枪腐蚀穿孔［４］．蒸汽工艺温度不稳，使得硫磺雾化效果差，硫磺燃烧不充分，造成系统升华硫大量存在设备系统内生成酸泥，设备腐蚀严重，增加了设备的维修费用和硫磺制酸的生产成本. 其次是喷枪的使用寿命短，更换喷枪的次数多，造成生产非计划停车多．本文利用计算流体力学计算软件ＡＮＳＹＳ ＦＬＵＥＮＴ对硫磺喷枪夹套进行传热模拟，分析硫磺喷枪夹套的结构优化，对保温效果的影响［5］．1 模拟对象与建模１．１ 模拟对象硫磺喷枪结构如图１所示．以某公司的机械雾化喷枪为例，对硫磺喷枪夹套进行了结构优化，对比单层夹套结构与双层夹套结构保温效果．基本尺寸如表１所示．图１ 硫磺喷枪Ｆｉｇ．１ Ｓｕｌｆｕｒ ｓｐｒａｙ ｇｕｎ表1 模拟对象基本尺寸 Table 1 Basic sizes of simulated object mm给定的工艺参数：硫枪的硫磺喷射量为５ ８００ ｋｇ／ｈ，液硫速度１ ｍ／ｓ，饱和蒸汽进口速度５ ｍ／ｓ．其物料的物性参数如表２所示．表2 物性参数Table 2 Parameters of physical property１．２ ＣＦＤ模型建立 利用ＣＦＤ的前处理软件Ｇａｍｂｉｔ进行三维建模，根据现有硫磺喷枪的结构参数在枪体上建立单层蒸汽夹套和双层蒸汽夹套的模型．运用布尔运算将整个硫磺喷枪划分成管程和壳程两个区域：管程区域内通道走液体硫磺，壳程区域内通道走饱和蒸汽．由于流体具有黏性，近壁面黏性效应明显及流场参数变化梯度较大的进出口区域进行边界层网格划分．为了增加对划分网格的控制，提高网格质量，本模型将“体”进行分块，做一个?椎４５ ｍｍ、长１ ７００ ｍｍ的圆柱，用其圆柱面将套管与内管分开；做一个?椎９０ ｍｍ、长１ ７５０ ｍｍ的圆柱，用其圆柱面将进出口蒸汽通道与套管分开；做一个ｘｙ平面，在进出口蒸汽通道两侧分别切割，形成多段；做一个ｘｚ平面，将所有圆柱体分成上下两部分；将几何体切成２２个几何块，除了饱和蒸汽进出口区域采用四面体网格，其余采用六面体网格，对饱和蒸汽进出口区域进行加密处理，细化网格提高计算精度．硫磺喷枪传热数值模拟采用稳态计算，由饱和蒸汽入口质量流量算出雷诺数为１５ ０００，液硫进口质量流量算出雷诺数为４ ５００，进口以饱和蒸汽和液硫质量流量为基准，出口采用压力出口，壁面设置热流固耦合传热，选用ｋ?鄄ｏｍｅｇａ湍流模型并开启能量方程，采用压力?鄄速度耦合方程求解，选用ＰＩＳＯ算法．空间离散格式中，压力选用Ｓｔａｎｄａｒｄ格式，其他物理量采用ＱＵＩＣＫ格式［6］．2 模拟结果及对比分析以饱和蒸汽、液体硫磺为介质，蒸汽通道入口速度５ ｍ／ｓ、液体硫磺通道入口速度为１ ｍ／ｓ．工艺参数相同条件下，在常用的蒸汽同侧进出单层夹套结构基础上，改为两侧进出单层夹套和同侧进出双层夹套三种结构． 图２为同侧进出单层夹套流体域对称面温度分布云图．图３为两侧进出单层夹套流体域对称面温度分布云图．图４为同侧进出双层夹套流体域温度分布云图．图５为蒸汽同侧进出单层夹套、两侧进出单层夹套、同侧进出双层夹套的管壁温度线图．（１）由图２与图３流体域对称面上的温度分布云图对比可知，同侧进出单层夹套蒸汽工艺不稳，温度差变化较大，在夹套底部蒸汽几乎不流动，引起温度下降、硫磺凝固、喷枪堵塞．两侧进出单层夹套蒸汽工艺稳定，温度差小，蒸汽流动性好．（２）由图３与图４温度分布云图对比可知，同侧进出双层夹套的保温均匀性明显比两侧进出单层夹套的保温均匀性好，工艺结构合理．（３）图５不同结构的硫磺喷枪管壁温度分布对比可知，两侧进出单层夹套的保温均匀性明显优越于同侧进出单层夹套，而同侧进出双层夹套既有良好的保温均匀性，又能满足蒸汽同侧进出的工艺要求，是一种优化的喷枪传热结构．图２ 同侧进出单层夹套流体域对称面上的温度分布云图Ｆｉｇ．２ Ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎ ｏｎ ｓｙｍｍｅｔｒｉｃ ｐｌａｎｅ ｏｆ ｆｌｕｉｄ ｄｏｍａｉｎ ｏｆ ｓｉｎｇｌｅ－ｊａｃｋｅｔ ｗｉｔｈ ｓｔｅａｍ ｆｒｏｍ ｔｈｅ ｓａｍｅ ｓｉｄｅ图３ 两侧进出单层夹套流体域对称面上的温度分布云图Ｆｉｇ．３ Ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎ ｏｎ ｓｙｍｍｅｔｒｉｃ ｐｌａｎｅ ｏｆ ｆｌｕｉｄ ｄｏｍａｉｎ ｏｆ ｓｉｎｇｌｅ?鄄ｊａｃｋｅｔ ｗｉｔｈ ｓｔｅａｍ ｆｒｏｍ ｂｏｔｈ ｓｉｄｅｓ图４ 同侧进出双层夹套流体域对称面上的温度分布云图Ｆｉｇ．４ Ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎ ｏｎ ｓｙｍｍｅｔｒｉｃ ｐｌａｎｅ ｏｆ ｆｌｕｉｄ ｄｏｍａｉｎ ｏｆ ｄｏｕｂｌｅ?鄄ｊａｃｋｅｔ ｗｉｔｈ ｓｔｅａｍ ｆｒｏｍ ｔｈｅ ｓａｍｅ ｓｉｄｅ图５ 不同结构的喷枪管壁温度对比图Ｆｉｇ．５ Ｃｏｍｐａｒｉｓｏｎ ｏｆ ｔｕｂｅ ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅｓ ｏｆ ｓｐｒａｙ ｇｕｎ ｗｉｔｈ ｄｉｆｆｅｒｅｎｔ ｓｔｒｕｃｔｕｒｅｓ3 结 语以上对硫磺喷枪夹套进行了结构优化和传热模拟，通过ＡＮＳＹＳ ＦＬＵＥＮＴ与Ｓｔｅａｄｙ?鄄ｓｔａｔｅ Ｔｈｅｒｍａｌ两个模块之间的调用，系统地分析了流体域温度分布云图、管壁温度．研究表明，同侧进出双层夹套既有良好的保温均匀性，又能满足蒸汽同侧进出的工艺要求．减少了应力腐蚀、变形、穿孔、堵塞，造成生产非计划停车．延长了喷枪的使用寿命，提高硫磺的雾化效果．