餐饮油水分离装置性能研究及优化设计

宋天楚，王锦洋，覃子珍，李宴儒，万雷

（哈尔滨工程大学，黑龙江 哈尔滨 150000）

0 引言

随着全球人口基数的不断增长和人们生活水平的提高，餐厨垃圾的排放量日益增大。大量的餐厨垃圾一方面带来了严重的污染，另一方面造成了巨大的浪费，给各国带来很大的困扰。这些含有丰富生物质能的餐厨垃圾如果能进一步资源化利用，既有利于环境保护，也可增加人类对可再生资源的利用程度，符合可持续发展、循环经济的发展方向，为此餐厨垃圾处理系统应运而生。油水分离装置作为餐厨垃圾系统中不可或缺的一部分，可以将餐厨废油从来流废水中分离出来进一步处理以达到检测废油去向及准备生物柴油等目的。

油水分离方式主要分为重力分离、离心分离、吸附分离等方法。重力分离利用油脂与水的密度差及互不相溶性，使水沉降，油浮于水上形成浮油层。离心分离利用油水两相密度差，通过高速旋转使油与水因离心力不同从而分离。吸附分离利用多孔性固相物质吸着分离水中污染物的过程[1-2]。其中，重力分离由于实施成本低、结构简单而广泛应用于餐厨垃圾的油水分离。

迄今为止，对于餐饮油水分离的研究多数集中于实验，缺乏基于数值仿真的性能研究，因此通过数值仿真方法对餐厨垃圾油水分离装置进行性能研究、优化设计是必要的。

1 三维模型

1.1 结构原理

利用SOLIDWORKS软件建立油水分离装置三维模型如图1所示，装置内部结构如图2所示，工作原理如图3所示。

图1 三维模型示意图

图2 内部结构示意图

图3 油水分离装置工作原理图

1.2 计算模型建立

根据实际模型建立计算域，几何模型中省去液位调节管道以获得更具普适性的计算结果，同时可以获得更精准的计算结果，几何模型如图4所示。其中，模型整体高度为622mm，直径470mm，出油盘直径180mm，出油管道直径44mm，来流管道直径为58mm，来流入口与水相出口位于同一高度H。使用ANSYS ICEM软件对几何模型进行网格划分，采用四面体非结构化网格，并对来流入口、油相出口、出油盘进行加密，网格数量在50万左右，网格划分如图5所示。

图4 仿真计算模型示意图

图5 网格划分示意图

1.3 边界条件

本文数值仿真计算采用ANSYS Fluent稳态求解器。油水分离装置入口为油水混合物，其中水的体积分数较大设为90%，油的体积分数较小设为10%，油滴粒径为D。多相模型选用MIXTURE模型，计算采用标准k-ε模型。油水混合物体积流量为Q。计算模型入口采用速度入口，油相出口与水相出口均设置为outflow。算法采用SIMPLEC算法，计算采用标准格式，其他设置为快速格式[3]。

1.4 模拟计算方案

通过数值模拟探究来流入口高度H对油水分离过程的整体流场的影响，H设置高度选取100mm、200mm。数值模拟从来流入口流速、油滴粒径两方面对稳态油水分离过程的除油率进行分析。

表1 不同入口流速时模拟方案

表2 不同油滴粒径时模拟方案

2 模拟结果及分析

2.1 油水分离过程整体流场分析

对装置内部流动情况进行数值模拟，得到油水混合物流动速度矢量图。由图6可以看出，下部流速较大，是由于油水混合物来流入口位于装置下部；左侧流速较大并存在旋流是由于来流与桶壁碰撞后转向；由图7得知，桶内其余部分相对来说流速非常小。从计算结果得知，水相出口体积流量为0.92759L/s，油相出口体积流量为0.10018L/s，这与设定的油水分流比吻合[4]。

图6 整体流动速度矢量图

图7 中间截面速度矢量图

2.2 入口高度H对整体流场影响分析

图8 与图9为不同入口高度时对应的油水分离装置中间截面速度矢量图。对比两图可以看出，降低入口高度并没有很好地改善左侧整体流速大的问题，但对装置内部整体流动情况有很好的改善。降低入口高度后，装置中部及右侧小流速区域流动更加稳定。旋流现象大大减弱，有助于维持稳定的浮油层，保证油水分离效果。

图8 H=100mm中间截面速度矢量图

图9 H=200mm中间截面速度矢量图

2.3 来流入口流速对除油率影响分析

图10 、图11、图12分别为油水分离装置在来流入口流速为0.38m/s、0.57m/s、0.76m/s时稳态流动状态下的中间截面密度分布云图。其中，蓝色为密度小处，代表含油量大的区域即浮油层；橙色为油水混合区域；红色代表几乎不含油的区域即水层。从图中可以看出，浮油层厚度随着流速增大而逐渐增大，但同时浮油层整体密度也更大，且下部水层也逐渐减少。

图10 中间截面密度分布（V=0.38m/s）

图11 中间截面密度分布（V=0.57m/s）

图12 中间截面密度分布（V=0.76m/s）

通过Fluent软件计算来流入口及油相出口的油相质量流量并计算除油率，除油率计算公式为：

其中，C——除油率，%；

通过计算得到如下不同入口流速及除油率的对应关系：

表3 不同入口流速下的除油率

对比三种入口流速对应的密度分布云图及除油率，可以定性得出结论：随着入口流速增大，油水分离效果逐渐变差，且装置内部流动情况逐渐恶劣。

2.4 油滴粒径对除油率影响分析

通过计算得到如下油滴粒径及除油率的对应关系：

表4 不同油滴粒径时的除油率

对比三种油滴粒径对应的的除油率，可以定性得出结论：随着油滴粒径增大，除油率逐渐增大。

3 结语

本文利用数值仿真方法对餐饮油水分离进行数值模拟且对计算结果进行分析，同时探究结构优化设计方案，并得到以下结论：（1）油水分离装置分离效果随来流入口流速变化明显。来流流速增大，除油率降低，且内部流动混乱程度增加。因此，在满足处理需求的前提下，要尽量减小来流入口流速。（2）油水分离装置分离效果随油滴粒径变化明显。油滴粒径增大，除油率提高。因此，在设计油水分离装置时，可以加装聚结构件以增大油滴粒径，增强油水分离效果。（3）油水分离装置各部分布置情况对分离效果也有较大影响。合理的布置可以极大程度改善装置内部流动情况，改善方法如尽可能降低来流入口高度以获得更加稳定的内部流场。再如，加装轴向整流板[5]也能在一定程度上减弱旋流现象，但会使油水分离装置下端流动状态更加混乱，降低浮油层液位稳定能力。因此，在设计油水分离装置时要根据需求合理安排内部布置。