纸机干燥部稀油润滑油箱内油水分离效率数值模拟研究

韩鹏高 张锋

摘 要：针对目前纸机干燥部传统稀油润滑系统油箱内除水效率低的问题，本课题采用二维简化模型，利用Fluent软件对传统油箱内的油水分离过程进行仿真模拟。通过对油品流动速度和两相体积分数分析，设计了几种不同的挡板来改善油品的流动状态。本课题分别从挡板的数量和角度进行数值模拟，找出最适合简化后二维模型的挡板位置和角度，有效提高了油和水两相分离效率。

关键词：干燥部；润滑油箱；油水分离

中图分类号：TS737

文献标识码：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，国内有些纸机干燥部的稀油润滑系统中，由于密封问题，会有部分烘缸蒸汽进入到里面冷凝成液态水滴，形成油包水的环境，严重影响润滑性能。一般的解决方法是润滑油經循环后由回油口进入到箱内进行重力沉降，将油品中的杂物（如液滴水、铁屑）除去，经过沉降的润滑油再次回到润滑管道中进行工作。然而，部分长网纸机的油箱结构较简单，除水效率低，使得油品在箱体内存在死角，导致润滑油流动性很差。因此，油品往往要经过长的重力沉降作用后才能进入下次循环，甚至有些润滑油还未来得及沉降处理，就直接被排出，大大降低了油品的循环效率。针对以上问题，本课题以造纸工业稀油润滑系统的油箱为例，对其内部结构进行了挡板设计，采用Fluent软件模拟其流动状态，分析内部构件对油品的速度分布、湍动程度的影响，探讨挡板的设置对油水分离效果的影响规律，为油箱内部挡板设计提供参考。

挡板分离技术目前已经广泛应用于两相分离设备，尤其是油水分离方面。国内外许多专家从理论上对该技术进行过了深入研究。如郑州轻工业学院的戚俊清团队从数学模型上对该技术进行研究，建立了数学模型。崔艳艳对液滴撞击挡板平面的过程做了研究。河南油气田的陆耀军等人对进口及内部的挡板构件进行了实验优选。美国学者Gregory G. Aymong等人对进液口处的挡板倾角和形式也进行了研究。以上实验结果均表明，一定参数挡板的设置能改善设备内部液流速度，提高设备利用率和油水分离效率[1]。

1 实验对象

润滑油在重力式油箱内部进行油水分离时，油和水都可看作不可压缩的连续相流体，流体的流动近似是定常流动，分离过程看成绝热过程。目前的高速纸机正常运行时，润滑系统中液态水体积分数不能超过7%[2]。本课题研究了当液态水的体积分数为5%时，如何设置挡板位置和角度，以提高油水分离效率。

根据相似性理论，简化后传统油箱模型尺寸为：长1800 mm，宽500 mm，高700 mm。进、出口圆口直径为100 mm，其二维示意图如图1所示，进口位于箱体的上方，出口位于箱体的右上方，设定出口距箱顶部的距离为100 mm。采用Fluent进行模拟其内部流场。在油箱中将油水混合物中的各相均看成是连续介质，采用欧拉—欧拉的方法进行求解，选用VOF模型，不同的流体组分共用一套动量方程，计算流场的每个单元，分别记录下各相的体积分数。

润滑油的性能受温度的影响很大。在进入油箱时温度为50℃的工况下，润滑油的密度为800 kg/m3，黏度为0.23 Pa·s。水的密度为992.2 kg/m3，黏度为0.55 mPa·s。模型的进口边界条件：velocityinlet，润滑油在油箱内处理时间15 min，入口速度0.2 m/s。出口边界条件：pressureoutlet，流体类型选用kε标准湍流模型。

2 结果与讨论

首先，对纸机干燥部传统的油箱进行数值模拟分析，针对结构存在的问题，本课题结合理论分析提出可行的改进方法，对改进后的模型进行验证性的仿真模拟实验，当油箱内没有挡板时，油水进入40 s时水相体积分数分布与油水速度分布结果如图2所示。

从图2可看出水相在油箱中的分布，液相初次到达最低点的时间为16.5 s，之后开始上翘，在整个沉降过程中都未形成连续水相，且在油箱中部形成了较大面积的内部环流，最后散乱地充满整个油箱。因此，出口的润滑油中就会含有大量的液态水，不能达到油水分离的效果。

为提高油水两相的分离效率，本课题从两方面考虑，首先，改变进口混合物的流动特性，使油水混合物能紧贴油箱内壁沿重力方向沉降以缩短沉降路径。其次，沉降过程中适当增加混合液的湍动能，加快小液滴的聚结过程，在箱底部形成连续水相。本课题中水相的沉降过程可以看做低雷诺数下球形液滴的运动。液滴在极短的时间内完成加速，随后由于阻力、重力、浮力三者间的平衡，运动趋于稳定[3]。实际应用中一般忽略液滴初始阶段加速过程，采用液滴的终端速度进行计算。当两相的作用区域处于低雷诺数时，液滴的终端速度是随着雷诺数增加近似成线性的关系，当处于大雷诺数范围时，液滴的终端速度随雷诺数增加反而会减小[4]。因此当作用区处于低雷诺数时，增加适当的湍动能既可以增加油相中的液滴碰撞几率，又有利于加快液滴的沉降过程。另外，本课题可根据从箱底形成连续水相所需的时间长短判断出油水分离效率的高低。

为控制油水混合液进入箱体后的分离，在入口处设计了挡板装置以提高水滴聚结效率及箱内流体的流动性。根据前人研究文献，初步沿与进口齐平的位置初步设置3个挡板：挡板长200 mm，挡板间距130 mm，距顶部130 mm，和箱底成45° [2]。其他设置不变，油水混合物进入油箱40 s后，结果如图3所示。

从图3（a）可以看出，这种方法对水相的聚结过程有促进作用，在油箱内也未形成内部环流，但是水相最后仍然散乱地充满了整个油箱，并未起到好的分离效果。从图3（b）可看出，油水混合物进入后，被挡板分流，到达底部后呈上翘趋势。

根据欧拉欧拉算法对其求解之后发现，由于水相达到油箱底部后，速度呈现上翘的趋势不利于水相的沉降。因此，在箱底的挡板不能改变液体流向的速度，这样可防止速度的改

变引起剧烈湍动，破坏两相的分离过程。为了防止液相到达底部后上翘，挡板数增加到4块，其中第二块较其他3块长一倍，这样可发挥出挡板的导流作用，有利于保持油水混合物达到箱底部微湍动的同时，防止流体大幅度上翘。因此设置挡板距离顶部100 mm，挡板间隔100 mm，油水混合物进入油箱16 s后，结果如图4所示。

由图4（a）可知，油水混合液和挡板发生了一定的碰撞作用，加剧了水相的分散，导致液相在油箱中分布很散乱无法分离油水，达不到分离要求。另外，由图4（b）可知，油水混合物在油箱的内部速度为0.037 m/s左右。

为减小挡板对进口液体的分流作用，防止液体与挡板的碰撞，现保持挡板距离顶部和间隔不变，将挡板分别设置距离进口内侧120、130、140 mm，发现分别在7.5、7.3和6.5 s时就到达箱底并逐渐形成连续的水层。另外当挡板位置距进口内侧为120、130 mm时，分离效果开始变差，速度严重偏向挡板侧，达到箱底后，速度上翘程度大，水相在箱体内分布凌乱。

当挡板距进口内侧为140 mm时，出现了较大的转变，油水分离结果较为明显，得到模拟结果如图5和图6所示。由图6可以看出，当分离时间为6.5 s时，在箱底形成连续水相，水相层的厚度随着分离过程逐渐增加，两相间出现了明显的相界面。在相界面的上方只漂有极少量的离散水相。在此过程中，相界面一直保持稳定，箱体内油品的整体流动速度为0.063 m/s左右，速度明显增大。

随着分离时间达到70 s时，油水相体积分数及油水速度如图5（c）和图5（d）所示，由图5（c）和图5（d）可知，油水分离效果已完全达到实验要求。

综合以上仿真模拟结果发现，挡板的位置很大程度决定了油箱内油水相分离的效率，当其距离入口内侧的距离在120～150 mm时，在紧临挡板后方会形成逆时针方向的局部环流，环流左侧的润滑油经过挡板从下侧逆流至挡板上侧，与进口处的混合液接触作用，加剧了液滴的湍动程度，且逆流的润滑油沿水平负方向对油水混合物产生挤压效果，使其順着油箱左壁面竖直下落，沉降过程中水滴相互碰撞聚结融成大水滴，在箱底开始形成连续水相[6]。经上述实验结果分析可知，挡板的最优位置为距进口内侧距离140 mm时，油水分离效果最佳，形成连续水相的时间最短。

当只改变挡板与箱底的夹角，并探讨其对分离结果的影响，分别选取30°和60°进行模拟分析，结果如图7所示。

从图7可以得到，挡板呈30°和60°时，油水分离情况并不理想。从进口到油箱底部的时间较长，均超过了10 s。当挡板与箱底之间成30°时，较多的油水混合物进到挡板之间，通过挡板后扩散在油箱里无法形成连续的水相。当挡板角度呈30°或60°时，挡板后几乎未形成环流，没有液体经过挡板回流，导致进口处的混合物速度严重向挡板侧偏斜，降落过程中速度缓慢，且不易形成连续水相。综合比较来看，挡板角度与箱底呈45°时，对进口流体的分流效果最好。

3 结 论

针对纸机干燥部传统润滑油箱油水分离效率低问题，本文对其内部的油水分离现状进行分析研究。研究表明，当挡板距进口内侧距离为140 mm，并与箱底呈45°时，很好地改善了润滑油箱内部流体的流动性，促进了油水的分离，形成连续水相的时间最短。因此，在矩形油箱合适部位添加挡板能改变混合液的流动特性，增加其湍动能，有效缩短了油水分离的时间。

参 考 文 献

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

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

戴干策， 陈敏恒. 化工流体力学[M]. 北京： 化工出版社， 2006.

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（责任编辑：吴博士）