紙機干燥部稀油潤滑油箱內油水分離效率數值模擬研究

韓鵬高 張鋒

摘 要：針對目前紙機干燥部傳統稀油潤滑系統油箱內除水效率低的問題，本課題采用二維簡化模型，利用Fluent軟件對傳統油箱內的油水分離過程進行仿真模擬。通過對油品流動速度和兩相體積分數分析，設計了幾種不同的擋板來改善油品的流動狀態。本課題分別從擋板的數量和角度進行數值模擬，找出最適合簡化后二維模型的擋板位置和角度，有效提高了油和水兩相分離效率。

關鍵詞：干燥部；潤滑油箱；油水分離

中圖分類號：TS737

文獻標識碼：A

DOI：10.11980/j.issn.0254508X.2018.01.008

Numerical Simulation Study on Oilwater Separation Efficiency of Oil Tank in Paper Machine Dryer Section

HAN Penggao* ZHANG Feng

（Mechanical and Electrical Engineering College，Shannxi University of Science & Technology，Xian，Shannxi Province，710021）

（*Email：18706715474@163.com）

Abstract：To improve the low efficiency of oilwater separation of the lubrication system in paper machines dryer section，utilizing Fluent to imitate the separation process of the flow field in a 2dimension rectangular simplified oil tank. Various baffles plates were designed to improve the flow condition of the oil based on the analysis of flow velocity and volume fraction of oil. Numerical simulation was conducted from the numbers and angles of baffle plates respectively. Then， find out the most suitable parameters to improve the separation efficiency of oilwater.

Key words：dryer section； lubrication fuel tank； oilwater separation

目前，國內有些紙機干燥部的稀油潤滑系統中，由于密封問題，會有部分烘缸蒸汽進入到里面冷凝成液態水滴，形成油包水的環境，嚴重影響潤滑性能。一般的解決方法是潤滑油經循環后由回油口進入到箱內進行重力沉降，將油品中的雜物（如液滴水、鐵屑）除去，經過沉降的潤滑油再次回到潤滑管道中進行工作。然而，部分長網紙機的油箱結構較簡單，除水效率低，使得油品在箱體內存在死角，導致潤滑油流動性很差。因此，油品往往要經過長的重力沉降作用后才能進入下次循環，甚至有些潤滑油還未來得及沉降處理，就直接被排出，大大降低了油品的循環效率。針對以上問題，本課題以造紙工業稀油潤滑系統的油箱為例，對其內部結構進行了擋板設計，采用Fluent軟件模擬其流動狀態，分析內部構件對油品的速度分布、湍動程度的影響，探討擋板的設置對油水分離效果的影響規律，為油箱內部擋板設計提供參考。

擋板分離技術目前已經廣泛應用于兩相分離設備，尤其是油水分離方面。國內外許多專家從理論上對該技術進行過了深入研究。如鄭州輕工業學院的戚俊清團隊從數學模型上對該技術進行研究，建立了數學模型。崔艷艷對液滴撞擊擋板平面的過程做了研究。河南油氣田的陸耀軍等人對進口及內部的擋板構件進行了實驗優選。美國學者Gregory G. Aymong等人對進液口處的擋板傾角和形式也進行了研究。以上實驗結果均表明，一定參數擋板的設置能改善設備內部液流速度，提高設備利用率和油水分離效率[1]。

1 實驗對象

潤滑油在重力式油箱內部進行油水分離時，油和水都可看作不可壓縮的連續相流體，流體的流動近似是定常流動，分離過程看成絕熱過程。目前的高速紙機正常運行時，潤滑系統中液態水體積分數不能超過7%[2]。本課題研究了當液態水的體積分數為5%時，如何設置擋板位置和角度，以提高油水分離效率。

根據相似性理論，簡化后傳統油箱模型尺寸為：長1800 mm，寬500 mm，高700 mm。進、出口圓口直徑為100 mm，其二維示意圖如圖1所示，進口位于箱體的上方，出口位于箱體的右上方，設定出口距箱頂部的距離為100 mm。采用Fluent進行模擬其內部流場。在油箱中將油水混合物中的各相均看成是連續介質，采用歐拉—歐拉的方法進行求解，選用VOF模型，不同的流體組分共用一套動量方程，計算流場的每個單元，分別記錄下各相的體積分數。

潤滑油的性能受溫度的影響很大。在進入油箱時溫度為50℃的工況下，潤滑油的密度為800 kg/m3，黏度為0.23 Pa·s。水的密度為992.2 kg/m3，黏度為0.55 mPa·s。模型的進口邊界條件：velocityinlet，潤滑油在油箱內處理時間15 min，入口速度0.2 m/s。出口邊界條件：pressureoutlet，流體類型選用kε標準湍流模型。

2 結果與討論

首先，對紙機干燥部傳統的油箱進行數值模擬分析，針對結構存在的問題，本課題結合理論分析提出可行的改進方法，對改進后的模型進行驗證性的仿真模擬實驗，當油箱內沒有擋板時，油水進入40 s時水相體積分數分布與油水速度分布結果如圖2所示。

從圖2可看出水相在油箱中的分布，液相初次到達最低點的時間為16.5 s，之后開始上翹，在整個沉降過程中都未形成連續水相，且在油箱中部形成了較大面積的內部環流，最后散亂地充滿整個油箱。因此，出口的潤滑油中就會含有大量的液態水，不能達到油水分離的效果。

為提高油水兩相的分離效率，本課題從兩方面考慮，首先，改變進口混合物的流動特性，使油水混合物能緊貼油箱內壁沿重力方向沉降以縮短沉降路徑。其次，沉降過程中適當增加混合液的湍動能，加快小液滴的聚結過程，在箱底部形成連續水相。本課題中水相的沉降過程可以看做低雷諾數下球形液滴的運動。液滴在極短的時間內完成加速，隨后由于阻力、重力、浮力三者間的平衡，運動趨于穩定[3]。實際應用中一般忽略液滴初始階段加速過程，采用液滴的終端速度進行計算。當兩相的作用區域處于低雷諾數時，液滴的終端速度是隨著雷諾數增加近似成線性的關系，當處于大雷諾數范圍時，液滴的終端速度隨雷諾數增加反而會減小[4]。因此當作用區處于低雷諾數時，增加適當的湍動能既可以增加油相中的液滴碰撞幾率，又有利于加快液滴的沉降過程。另外，本課題可根據從箱底形成連續水相所需的時間長短判斷出油水分離效率的高低。

為控制油水混合液進入箱體后的分離，在入口處設計了擋板裝置以提高水滴聚結效率及箱內流體的流動性。根據前人研究文獻，初步沿與進口齊平的位置初步設置3個擋板：擋板長200 mm，擋板間距130 mm，距頂部130 mm，和箱底成45° [2]。其他設置不變，油水混合物進入油箱40 s后，結果如圖3所示。

從圖3（a）可以看出，這種方法對水相的聚結過程有促進作用，在油箱內也未形成內部環流，但是水相最后仍然散亂地充滿了整個油箱，并未起到好的分離效果。從圖3（b）可看出，油水混合物進入后，被擋板分流，到達底部后呈上翹趨勢。

根據歐拉歐拉算法對其求解之后發現，由于水相達到油箱底部后，速度呈現上翹的趨勢不利于水相的沉降。因此，在箱底的擋板不能改變液體流向的速度，這樣可防止速度的改

變引起劇烈湍動，破壞兩相的分離過程。為了防止液相到達底部后上翹，擋板數增加到4塊，其中第二塊較其他3塊長一倍，這樣可發揮出擋板的導流作用，有利于保持油水混合物達到箱底部微湍動的同時，防止流體大幅度上翹。因此設置擋板距離頂部100 mm，擋板間隔100 mm，油水混合物進入油箱16 s后，結果如圖4所示。

由圖4（a）可知，油水混合液和擋板發生了一定的碰撞作用，加劇了水相的分散，導致液相在油箱中分布很散亂無法分離油水，達不到分離要求。另外，由圖4（b）可知，油水混合物在油箱的內部速度為0.037 m/s左右。

為減小擋板對進口液體的分流作用，防止液體與擋板的碰撞，現保持擋板距離頂部和間隔不變，將擋板分別設置距離進口內側120、130、140 mm，發現分別在7.5、7.3和6.5 s時就到達箱底并逐漸形成連續的水層。另外當擋板位置距進口內側為120、130 mm時，分離效果開始變差，速度嚴重偏向擋板側，達到箱底后，速度上翹程度大，水相在箱體內分布凌亂。

當擋板距進口內側為140 mm時，出現了較大的轉變，油水分離結果較為明顯，得到模擬結果如圖5和圖6所示。由圖6可以看出，當分離時間為6.5 s時，在箱底形成連續水相，水相層的厚度隨著分離過程逐漸增加，兩相間出現了明顯的相界面。在相界面的上方只漂有極少量的離散水相。在此過程中，相界面一直保持穩定，箱體內油品的整體流動速度為0.063 m/s左右，速度明顯增大。

隨著分離時間達到70 s時，油水相體積分數及油水速度如圖5（c）和圖5（d）所示，由圖5（c）和圖5（d）可知，油水分離效果已完全達到實驗要求。

綜合以上仿真模擬結果發現，擋板的位置很大程度決定了油箱內油水相分離的效率，當其距離入口內側的距離在120～150 mm時，在緊臨擋板后方會形成逆時針方向的局部環流，環流左側的潤滑油經過擋板從下側逆流至擋板上側，與進口處的混合液接觸作用，加劇了液滴的湍動程度，且逆流的潤滑油沿水平負方向對油水混合物產生擠壓效果，使其順著油箱左壁面豎直下落，沉降過程中水滴相互碰撞聚結融成大水滴，在箱底開始形成連續水相[6]。經上述實驗結果分析可知，擋板的最優位置為距進口內側距離140 mm時，油水分離效果最佳，形成連續水相的時間最短。

當只改變擋板與箱底的夾角，并探討其對分離結果的影響，分別選取30°和60°進行模擬分析，結果如圖7所示。

從圖7可以得到，擋板呈30°和60°時，油水分離情況并不理想。從進口到油箱底部的時間較長，均超過了10 s。當擋板與箱底之間成30°時，較多的油水混合物進到擋板之間，通過擋板后擴散在油箱里無法形成連續的水相。當擋板角度呈30°或60°時，擋板后幾乎未形成環流，沒有液體經過擋板回流，導致進口處的混合物速度嚴重向擋板側偏斜，降落過程中速度緩慢，且不易形成連續水相。綜合比較來看，擋板角度與箱底呈45°時，對進口流體的分流效果最好。

3 結 論

針對紙機干燥部傳統潤滑油箱油水分離效率低問題，本文對其內部的油水分離現狀進行分析研究。研究表明，當擋板距進口內側距離為140 mm，并與箱底呈45°時，很好地改善了潤滑油箱內部流體的流動性，促進了油水的分離，形成連續水相的時間最短。因此，在矩形油箱合適部位添加擋板能改變混合液的流動特性，增加其湍動能，有效縮短了油水分離的時間。

參 考 文 獻

[1] Gregory G Aymong， Port Jefferson Station N Y. OilWater Separation， US： 4722800[P]. 1998.

[2] QIU ronghua. The use of oil analytic technique in the break down of paper machines dryer section[D]. Nanjing： Nanjing Forestry University， 2009.

邱榮華. 油液分析技術在紙機干燥部故障診斷中的應用[D]. 南京： 南京林業大學， 2009.

[3] DAI Gance， CHEN Minheng. Chemical Engineering Fluid Dynamics[M]. Beijing： Chemical Engineering Publishing Company， 2006.

戴干策， 陳敏恒. 化工流體力學[M]. 北京： 化工出版社， 2006.

[4] ZHANG Min， YUAN Huixin. The theory method and use of coalescence separation[J]. Filtration and Separation， 2003（1）： 44.

張 敏， 袁惠新. 聚結分離過程的機理、方法及應用[J]. 過濾與分離， 2003（1）： 44.

[5] Sirignano W A. Fluid Dynamics and Transport of Droplets and Sprays[J]. Cambridge Universit Press， 1999.

[6] WEI Tao， ZHANG Feng. Design of Experiment Device for Oilair Lubrication of the Bearings in the Highspeed Paper Machine Dryer Section[J]. China Pulp & Paper， 2015， 34（4）： 52.

魏 濤， 張 鋒. 高速紙機干燥部油氣潤滑實驗裝置的設計[J]. 中國造紙， 2015， 34（4）： 52.

（責任編輯：吳博士）