餐飲油水分離裝置性能研究及優化設計

宋天楚，王錦洋，覃子珍，李宴儒，萬雷

（哈爾濱工程大學，黑龍江 哈爾濱 150000）

0 引言

隨著全球人口基數的不斷增長和人們生活水平的提高，餐廚垃圾的排放量日益增大。大量的餐廚垃圾一方面帶來了嚴重的污染，另一方面造成了巨大的浪費，給各國帶來很大的困擾。這些含有豐富生物質能的餐廚垃圾如果能進一步資源化利用，既有利于環境保護，也可增加人類對可再生資源的利用程度，符合可持續發展、循環經濟的發展方向，為此餐廚垃圾處理系統應運而生。油水分離裝置作為餐廚垃圾系統中不可或缺的一部分，可以將餐廚廢油從來流廢水中分離出來進一步處理以達到檢測廢油去向及準備生物柴油等目的。

油水分離方式主要分為重力分離、離心分離、吸附分離等方法。重力分離利用油脂與水的密度差及互不相溶性，使水沉降，油浮于水上形成浮油層。離心分離利用油水兩相密度差，通過高速旋轉使油與水因離心力不同從而分離。吸附分離利用多孔性固相物質吸著分離水中污染物的過程[1-2]。其中，重力分離由于實施成本低、結構簡單而廣泛應用于餐廚垃圾的油水分離。

迄今為止，對于餐飲油水分離的研究多數集中于實驗，缺乏基于數值仿真的性能研究，因此通過數值仿真方法對餐廚垃圾油水分離裝置進行性能研究、優化設計是必要的。

1 三維模型

1.1 結構原理

利用SOLIDWORKS軟件建立油水分離裝置三維模型如圖1所示，裝置內部結構如圖2所示，工作原理如圖3所示。

圖1 三維模型示意圖

圖2 內部結構示意圖

圖3 油水分離裝置工作原理圖

1.2 計算模型建立

根據實際模型建立計算域，幾何模型中省去液位調節管道以獲得更具普適性的計算結果，同時可以獲得更精準的計算結果，幾何模型如圖4所示。其中，模型整體高度為622mm，直徑470mm，出油盤直徑180mm，出油管道直徑44mm，來流管道直徑為58mm，來流入口與水相出口位于同一高度H。使用ANSYS ICEM軟件對幾何模型進行網格劃分，采用四面體非結構化網格，并對來流入口、油相出口、出油盤進行加密，網格數量在50萬左右，網格劃分如圖5所示。

圖4 仿真計算模型示意圖

圖5 網格劃分示意圖

1.3 邊界條件

本文數值仿真計算采用ANSYS Fluent穩態求解器。油水分離裝置入口為油水混合物，其中水的體積分數較大設為90%，油的體積分數較小設為10%，油滴粒徑為D。多相模型選用MIXTURE模型，計算采用標準k-ε模型。油水混合物體積流量為Q。計算模型入口采用速度入口，油相出口與水相出口均設置為outflow。算法采用SIMPLEC算法，計算采用標準格式，其他設置為快速格式[3]。

1.4 模擬計算方案

通過數值模擬探究來流入口高度H對油水分離過程的整體流場的影響，H設置高度選取100mm、200mm。數值模擬從來流入口流速、油滴粒徑兩方面對穩態油水分離過程的除油率進行分析。

表1 不同入口流速時模擬方案

表2 不同油滴粒徑時模擬方案

2 模擬結果及分析

2.1 油水分離過程整體流場分析

對裝置內部流動情況進行數值模擬，得到油水混合物流動速度矢量圖。由圖6可以看出，下部流速較大，是由于油水混合物來流入口位于裝置下部；左側流速較大并存在旋流是由于來流與桶壁碰撞后轉向；由圖7得知，桶內其余部分相對來說流速非常小。從計算結果得知，水相出口體積流量為0.92759L/s，油相出口體積流量為0.10018L/s，這與設定的油水分流比吻合[4]。

圖6 整體流動速度矢量圖

圖7 中間截面速度矢量圖

2.2 入口高度H對整體流場影響分析

圖8 與圖9為不同入口高度時對應的油水分離裝置中間截面速度矢量圖。對比兩圖可以看出，降低入口高度并沒有很好地改善左側整體流速大的問題，但對裝置內部整體流動情況有很好的改善。降低入口高度后，裝置中部及右側小流速區域流動更加穩定。旋流現象大大減弱，有助于維持穩定的浮油層，保證油水分離效果。

圖8 H=100mm中間截面速度矢量圖

圖9 H=200mm中間截面速度矢量圖

2.3 來流入口流速對除油率影響分析

圖10 、圖11、圖12分別為油水分離裝置在來流入口流速為0.38m/s、0.57m/s、0.76m/s時穩態流動狀態下的中間截面密度分布云圖。其中，藍色為密度小處，代表含油量大的區域即浮油層；橙色為油水混合區域；紅色代表幾乎不含油的區域即水層。從圖中可以看出，浮油層厚度隨著流速增大而逐漸增大，但同時浮油層整體密度也更大，且下部水層也逐漸減少。

圖10 中間截面密度分布（V=0.38m/s）

圖11 中間截面密度分布（V=0.57m/s）

圖12 中間截面密度分布（V=0.76m/s）

通過Fluent軟件計算來流入口及油相出口的油相質量流量并計算除油率，除油率計算公式為：

其中，C——除油率，%；

通過計算得到如下不同入口流速及除油率的對應關系：

表3 不同入口流速下的除油率

對比三種入口流速對應的密度分布云圖及除油率，可以定性得出結論：隨著入口流速增大，油水分離效果逐漸變差，且裝置內部流動情況逐漸惡劣。

2.4 油滴粒徑對除油率影響分析

通過計算得到如下油滴粒徑及除油率的對應關系：

表4 不同油滴粒徑時的除油率

對比三種油滴粒徑對應的的除油率，可以定性得出結論：隨著油滴粒徑增大，除油率逐漸增大。

3 結語

本文利用數值仿真方法對餐飲油水分離進行數值模擬且對計算結果進行分析，同時探究結構優化設計方案，并得到以下結論：（1）油水分離裝置分離效果隨來流入口流速變化明顯。來流流速增大，除油率降低，且內部流動混亂程度增加。因此，在滿足處理需求的前提下，要盡量減小來流入口流速。（2）油水分離裝置分離效果隨油滴粒徑變化明顯。油滴粒徑增大，除油率提高。因此，在設計油水分離裝置時，可以加裝聚結構件以增大油滴粒徑，增強油水分離效果。（3）油水分離裝置各部分布置情況對分離效果也有較大影響。合理的布置可以極大程度改善裝置內部流動情況，改善方法如盡可能降低來流入口高度以獲得更加穩定的內部流場。再如，加裝軸向整流板[5]也能在一定程度上減弱旋流現象，但會使油水分離裝置下端流動狀態更加混亂，降低浮油層液位穩定能力。因此，在設計油水分離裝置時要根據需求合理安排內部布置。