核桃殼過濾器反沖洗過程數(shù)值模擬及參數(shù)優(yōu)化

安申法 王軻 王剛

摘 ? ? ?要：核桃殼過濾濾層的反沖洗，是實(shí)現(xiàn)濾料再生的有效途徑，為了對(duì)反沖洗過程流場(chǎng)進(jìn)行分析，并確定合理的反沖洗強(qiáng)度，基于拽力理論，建立了核桃殼過濾器反沖洗數(shù)學(xué)模型，分別模擬了7種反沖洗強(qiáng)度（6、7.5、9、10.5、12、13.5、15 L·s-1·m-2）條件下的反沖洗流程，分析了反沖洗出水含油量、懸浮固體雜質(zhì)含量隨時(shí)間的變化關(guān)系，以最小耗水量為目標(biāo)，最終確定了最優(yōu)的反沖洗強(qiáng)度。

關(guān) ?鍵 ?詞：核桃殼過濾器;模擬;反沖洗強(qiáng)度

中圖分類號(hào)：TE8 ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A ? ? ? 文章編號(hào)： 1671-0460（2020）05-0907-03

Abstract： The backwashing of the walnut shell filter layer is an effective way to realize the regeneration of the filter material. In order to analyze the flow field of the backwashing process and determine the reasonable backwashing intensity， based on the drag theory， the backwashing mathematical model of the walnut shell filter was established. The backwashing process under seven kinds of backwashing intensity conditions （6， 7.5， 9， 10.5， 12， 13.5， 15 L·s-1·m-2） was respectively simulated by the model. The relationship between the oil content of the backwashing effluent and the content of suspended solid impurities with time was analyzed. Taking the minimum water consumption as the target， the optimal backwashing intensity was finally determined.

Key words： Walnut shell filter; Simulation; Backwashing intensity

核桃殼過濾器是油田污水處理系統(tǒng)最常用的水處理設(shè)備。核桃殼濾層的反沖洗，是實(shí)現(xiàn)核桃殼濾料再生的一個(gè)有效途徑[1]。

一直以來，核桃殼過濾器反沖洗參數(shù)選擇主要根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)經(jīng)驗(yàn)，對(duì)于反洗過程的影響因素認(rèn)識(shí)不清楚，缺乏科學(xué)依據(jù)，導(dǎo)致反沖洗效果不佳[2]。

本文將拽力理論與Mixture模型相結(jié)合，建立了核桃殼濾層的反沖洗模型，采用Fluent模擬軟件，對(duì)核桃殼過濾器反沖洗過程進(jìn)行了多相瞬態(tài)模擬，分析了不同反洗強(qiáng)度的耗水量，最終得出最佳反沖洗強(qiáng)度。為核桃殼過濾器的研究提供基礎(chǔ)理論和研究方法。

1 ?核桃殼過濾器幾何模型

以油田常用直徑為4 m的核桃殼過濾器為原型，其結(jié)構(gòu)如圖1（a）所示。主體過濾部分包括過濾層和承托層，過濾層填設(shè)一定粒徑和厚度組合的濾料，集水篩管下方的承托層則由大粒徑的礫石進(jìn)行填充，反沖洗水通過過濾器底部集水管匯入，濾后水則從過濾器頂部布水管匯集排出。為了研究反洗強(qiáng)度對(duì)反洗效果的影響規(guī)律并簡(jiǎn)化分析，假設(shè)過濾器反沖洗水可實(shí)現(xiàn)在底部集水管均勻布水，建立如圖1（b）所示的簡(jiǎn)化三維幾何模型，濾層高度取1.3 m。

2 ?核桃殼過濾器反沖洗動(dòng)力學(xué)模型

2.1 ?模擬模型的建立

核桃殼過濾器的反沖洗過程是由水、油滴、懸浮固體雜質(zhì)和核桃殼組成的固液多相流體系，采用Mixture模型能夠較準(zhǔn)確的模擬其內(nèi)部流場(chǎng)[3]。核桃殼濾料在反沖洗過程中，當(dāng)沉積在濾料表面的油滴和懸浮固體雜質(zhì)所受的水力剪切作用大于油滴和懸浮固體雜質(zhì)與濾料表面的結(jié)合強(qiáng)度時(shí)，油滴和懸浮固體雜質(zhì)將發(fā)生剝離，為了準(zhǔn)確描述油滴和懸浮固體雜質(zhì)的受力和運(yùn)動(dòng)過程，將拽力理論與Mixture模型相結(jié)合，得到反沖洗模擬模型。

2.2 ?幾何模型及算法設(shè)置

利用ICEM生成上述過濾器物理模型的結(jié)構(gòu)網(wǎng)格，同時(shí)，在網(wǎng)格劃分中，對(duì)濾料層區(qū)域的網(wǎng)格進(jìn)行適度加密，以充分地再現(xiàn)過濾流場(chǎng)的分布與演變特征，網(wǎng)格數(shù)152 642個(gè)，并對(duì)網(wǎng)格進(jìn)行了無(wú)關(guān)性驗(yàn)證，如圖2所示為過濾器的網(wǎng)格剖分。

根據(jù)污水反沖洗過程實(shí)際特征，模擬計(jì)算時(shí)，反沖洗水給定速度入口，出口邊界采用自由出口;選擇Fluent軟件中的SIMPLE算法。另外，對(duì)于過濾過程模擬中流場(chǎng)特征量的計(jì)算采用有限體積法進(jìn)行離散[7]。

根據(jù)《油田水處理過濾器》（SY/T 0523-2008），核桃殼過濾器反沖洗強(qiáng)度推薦取值范圍為6～15 L·s-1·m-2，故本文模擬了7種反沖洗強(qiáng)度（6、7.5、9、10.5、12、13.5、15 L·s-1·m-2）條件下的反沖洗流程。

3 ?反洗過程數(shù)值模擬

3.1 ?反洗出水水質(zhì)特性

基于建立的核桃殼過濾器反沖洗過程的數(shù)學(xué)模型，借助FLUENT軟件的計(jì)算，得到核桃殼過濾器的油滴雜質(zhì)分布云圖和懸浮固體雜質(zhì)分布云圖分別如圖3和圖4所示。可以看出，濾層中的油滴和懸浮固體雜質(zhì)被反沖洗水沖起，并聚集在過濾器反沖洗水出口，隨著反洗時(shí)間的增加，過濾器內(nèi)油滴和懸浮固體雜質(zhì)的體積分?jǐn)?shù)在減小，符合現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況。

3.2 ?反沖洗強(qiáng)度優(yōu)化

在驗(yàn)證模型可靠性的基礎(chǔ)上，開展了反洗強(qiáng)度對(duì)反洗效果的影響情況分析，分別模擬了7種反洗強(qiáng)度（6、7.5、9、10.5、12、13.5、15 L·s-1·m-2）條件下的反洗流程，得到了不同反洗強(qiáng)度核桃殼過濾器出口斷面含油量、懸浮固體雜質(zhì)含量隨時(shí)間的變化關(guān)系分別如圖5和圖6所示，隨反洗強(qiáng)度的增加，反洗水出口斷面含油量和懸浮固體含量降低。

當(dāng)出水含油量低于100 mg/L（體積分?jǐn)?shù)為1.25×10-4 m3/m3）且懸浮固體雜質(zhì)含量低于50 mg/L（體積分?jǐn)?shù)為5.0×10-5 m3/m3）時(shí)，認(rèn)為濾層清潔干凈。綜合考慮含油量、懸浮固體顆粒的要求，確定了不同反洗強(qiáng)度下核桃殼過濾器的耗水量如表1所示。隨反洗強(qiáng)度的增加，耗水量逐漸增大。反洗強(qiáng)度為6.0～7.5 L·s-1·m-2時(shí)，耗水量較小，為72 345～84 780 L。基于單個(gè)反洗周期的耗水量對(duì)不同反洗強(qiáng)度核桃殼過濾器的過濾效果進(jìn)行評(píng)價(jià)，最終得到核桃殼過濾器的最優(yōu)反洗強(qiáng)度為6.0～7.5 L·s-1·m-2。

4 ?結(jié) 論

（1）基于拽力理論，考慮核桃殼濾料與油滴、懸浮固體雜質(zhì)間的相互作用，建立了核桃殼過濾器反沖洗數(shù)學(xué)模型。

（2）隨反沖洗進(jìn)行，反沖洗出水中油滴和懸浮固體雜質(zhì)體積分?jǐn)?shù)逐漸較小且主要聚集在反沖洗水出口處。反沖洗強(qiáng)度增加，過濾器內(nèi)殘留油滴和懸浮固體顆粒濃度減小，但反沖洗耗水量增加。

（3）基于單個(gè)反洗周期的耗水量對(duì)不同反洗強(qiáng)度核桃殼過濾器的過濾效果進(jìn)行評(píng)價(jià)，最終得到核桃殼過濾器的最優(yōu)反洗強(qiáng)度為6.0～7.5 L·s-1·m-2，為核桃殼過濾器反沖洗參數(shù)的選擇提供了科學(xué)依據(jù)。

參考文獻(xiàn)：

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