宋天楚，王錦洋，覃子珍，李宴儒，萬雷

（哈爾濱工程大學(xué)，黑龍江 哈爾濱 150000）

0 引言

隨著全球人口基數(shù)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(yán)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(zhì)能的餐廚垃圾如果能進(jìn)一步資源化利用，既有利于環(huán)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(xù)發(fā)展、循環(huán)經(jīng)濟的發(fā)展方向，為此餐廚垃圾處理系統(tǒng)應(yīng)運而生。油水分離裝置作為餐廚垃圾系統(tǒng)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(jìn)一步處理以達(dá)到檢測廢油去向及準(zhǔn)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(zhuǎn)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(zhì)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(jié)構(gòu)簡單而廣泛應(yīng)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(shù)集中于實驗，缺乏基于數(shù)值仿真的性能研究，因此通過數(shù)值仿真方法對餐廚垃圾油水分離裝置進(jìn)行性能研究、優(yōu)化設(shè)計是必要的。

1 三維模型

1.1 結(jié)構(gòu)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(nèi)部結(jié)構(gòu)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(nèi)部結(jié)構(gòu)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(jù)實際模型建立計算域，幾何模型中省去液位調(diào)節(jié)管道以獲得更具普適性的計算結(jié)果，同時可以獲得更精準(zhǔn)的計算結(jié)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(jìn)行網(wǎng)格劃分，采用四面體非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格，并對來流入口、油相出口、出油盤進(jìn)行加密，網(wǎng)格數(shù)量在50萬左右，網(wǎng)格劃分如圖5所示。

圖4 仿真計算模型示意圖

圖5 網(wǎng)格劃分示意圖

1.3 邊界條件

本文數(shù)值仿真計算采用ANSYS Fluent穩(wěn)態(tài)求解器。油水分離裝置入口為油水混合物，其中水的體積分?jǐn)?shù)較大設(shè)為90%，油的體積分?jǐn)?shù)較小設(shè)為10%，油滴粒徑為D。多相模型選用MIXTURE模型，計算采用標(biāo)準(zhǔn)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(shè)置為outflow。算法采用SIMPLEC算法，計算采用標(biāo)準(zhǔn)格式，其他設(shè)置為快速格式[3]。

1.4 模擬計算方案

通過數(shù)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(shè)置高度選取100mm、200mm。數(shù)值模擬從來流入口流速、油滴粒徑兩方面對穩(wěn)態(tài)油水分離過程的除油率進(jìn)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(jié)果及分析

2.1 油水分離過程整體流場分析

對裝置內(nèi)部流動情況進(jìn)行數(shù)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(cè)流速較大并存在旋流是由于來流與桶壁碰撞后轉(zhuǎn)向；由圖7得知，桶內(nèi)其余部分相對來說流速非常小。從計算結(jié)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(shè)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(yīng)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(cè)整體流速大的問題，但對裝置內(nèi)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(cè)小流速區(qū)域流動更加穩(wěn)定。旋流現(xiàn)象大大減弱，有助于維持穩(wěn)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(wěn)態(tài)流動狀態(tài)下的中間截面密度分布云圖。其中，藍(lán)色為密度小處，代表含油量大的區(qū)域即浮油層；橙色為油水混合區(qū)域；紅色代表幾乎不含油的區(qū)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(zhì)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(yīng)關(guān)系：

表3 不同入口流速下的除油率

對比三種入口流速對應(yīng)的密度分布云圖及除油率，可以定性得出結(jié)論：隨著入口流速增大，油水分離效果逐漸變差，且裝置內(nèi)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(yīng)關(guān)系：

表4 不同油滴粒徑時的除油率

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

3 結(jié)語

本文利用數(shù)值仿真方法對餐飲油水分離進(jìn)行數(shù)值模擬且對計算結(jié)果進(jìn)行分析，同時探究結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計方案，并得到以下結(jié)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(nèi)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(shè)計油水分離裝置時，可以加裝聚結(jié)構(gòu)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(nèi)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(wěn)定的內(nèi)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(xiàn)象，但會使油水分離裝置下端流動狀態(tài)更加混亂，降低浮油層液位穩(wěn)定能力。因此，在設(shè)計油水分離裝置時要根據(jù)需求合理安排內(nèi)部布置。