流砂过滤器试验研究与结构优化

赵德喜,曹学文,任大伟,李鹏程

(1.天津科技大学,天津300452;2.中国石油大学(华东)储运与建筑工程学院,山东 青岛266580;3.中海油研究总院,北京100027)

流砂过滤器试验研究与结构优化

赵德喜1,曹学文2,任大伟2,李鹏程3

(1.天津科技大学,天津300452;2.中国石油大学(华东)储运与建筑工程学院,山东 青岛266580;3.中海油研究总院,北京100027)

对自主研发的流砂过滤器运行参数进行了试验研究,并通过数值模拟对过滤器的结构提出了改进建议。试验结果表明:当空气压力为0.3 MPa,流量为0.25～0.80 m3/h时,提砂管中可形成稳定的节涌床,能达到最好的提砂效果;所用滤料的最佳循环速度为7～9 mm/min。模拟结果表明:布水器的设计宜采用支管上小孔均匀分布的形式,并可从增大过滤器入口管径、减少入口处弯管的使用、增大布水器支管上小孔孔径、优选滤料等方面对结构进行优化;过滤器对颗粒的过滤效率可达88.5%。

流砂过滤器;试验;运行参数;数值模拟

油田污水处理过程中,过滤是较为关键的环节[1-2]。常用的压力过滤器存在较多的缺陷,例如滤料反冲洗过程中冲洗不彻底、滤层较容易堵塞、常需停机反冲洗等。为克服这些问题,自主研制了一种新型流砂过滤器。该过滤器内的滤料是连续运动的,气、水对滤料进行清洗使得其一直保持清洁,滤层不易被堵塞。可连续运行而无须停机反冲洗,从而解决了污水处理中过滤环节存在的突出问题[3-4]。依据过滤原理及流体动力学理论,对该外循环式流砂过滤器进行了试验研究,获得合理的运行参数范围,并通过数值模拟对其结构改进提出了合理的建议。

1 结构与原理

图1为研制的外循环式流砂过滤器。主体结构由洗砂器、布水器、提砂装置及提砂管等组成。设计直径为500 mm,高2 500 mm,滤层高度为1 250～1 500 mm,提砂管有效直径为28 mm。该过滤器采用逆向过滤方式,原水从底部进入向上运动,滤层则以一定的速度向下运动。

图1 流砂过滤器总体结构

布水器采用放射状结构,共包含8根布水支管,22个小孔均匀分布于各支管的下部,原水通过小孔以层流状态均匀地进入滤层。洗砂器采用切向进口方式,利用离心力将滤料与悬浮物等分离,分离后滤料回填到滤层中。滤料进行污水处理后,经由提砂装置提升到洗砂器中进行清洗,为避免提砂管在过滤器停机时被堵塞,采用了水平气嘴。过滤器运行工况下,提砂管内同时存在悬浮物、滤料、空气、水等,其中流型的控制尤为重要,合适的流型是过滤器正常运行的关键。

2 试验研究

2.1 试验流程

试验流程如图2所示。试验所需原水为自来水加入中位粒径为50μm的粉尘,在高位水箱中配置而成,经过滤后与洗砂废水回到储罐,再经由离心泵送入高位水箱以形成循环试验流程。为保证悬浮物浓度稳定,高位水箱中搅拌器需持续搅拌。采用平均粒径为1.0 mm的石英砂滤料,试验前对其清洗以保持洁净。

2.2 提砂性能

图2 流砂过滤器试验工艺流程

过滤停止工况下,当水平气嘴空气压力较小时(0.1～0.2 MPa),较低空气流量难以提砂。以0.1 MPa为例,直到空气流量为0.4 m3/h时才开始出现砂循环。过滤进行工况下,由于水的流动使得滤层变得疏松,提砂能力与停止工况相比显著提高,0.2、0.3与0.4 MPa下提砂能力相似。综合考虑,选取0.3 MPa为水平气嘴工作压力。

提砂管内流型是过滤器正常运行的关键[5]。在气压为0.3 MPa时,不同进气量下的流型如表1(气量小于0.1 m3/h时,不能提砂)。各流型下提砂情况如表2。

理论分析表明,若气体与滤料间能够进行剧烈的摩擦,则能得到更好的清洗效果。从试验结果看,当流型为湍动床时,此时床层湍动剧烈,可得到较好的效果。但形成湍动床需要的压缩空气流量较大,在此运行状况下,砂循环速度(定义见第2.3节)较大,不易控制,且超出了洗砂器的清洗能力。故而采用易于控制且较为稳定的节涌床流型,可达到更好提砂效果。

表1 不同进气量下提砂管流型的变化

表2 不同流型提砂状况

2.3 过滤性能

砂循环速度是指在一定时间内,提砂装置所提取砂量在滤层中所占据的高度,其单位为mm/min,合理的砂循环速度能够提高过滤器的过滤性能。可利用式(1)进行砂循环速度的计算。

式中:v为砂循环速度,mm/min;m为提砂量,kg/min;ρ为过滤介质的密度,kg/m3;s为滤层的截面积,m2。

当原水以层流状态进入滤层时,有利于污水中悬浮物的吸附过滤。层流状态下原水流量与入口压力有关,由于高位搅拌罐的安装受制于试验室高度,故而取入口压力为0.015 MPa,此时原水流量为2.0 m3/h。因此,在压缩空气压力0.3 MPa,原水流量2.0 m3/h,浊度21.3 NTU的试验条件下,利用浊度仪测试出水浊度,不同砂循环速度下的试验结果如图3。

从图3看出,砂循环速度为7～9 mm/min时,滤出水浊度最低,约为2 NTU,此时过滤效果最好;低于7 mm/min时,滤料得不到较为及时的清洗,出现浊度穿透,使得出水浊度较高,循环速度越小其浊度值越高;大于9 mm/min时,提砂量过大,在洗砂器中滤料得不到完全清洗,使得滤料将污染物带回到过滤器中从而污染过滤水,出水浊度值也较高,循环速度越大其浊度值越高。

图3 不同砂循环速度时的出水浊度

3 数值模拟研究

通过数值模拟研究,了解过滤器内压力及流场分布,检验该过滤器结构设计是否合理。应用TGrid网格划分方法对几何体划分非结构化的Tet/Hybrid网格[6]。在连续性方程和动量方程的基础上,运用标准k-ε湍流模型、多孔介质模型模拟不同过滤速度时过滤器内的压力分布和流场分布。并采用DPM模型追踪颗粒的轨迹以了解颗粒捕集效率(即过滤效率)[7]。

3.1 压力分布

依据不同过滤速度时的纵剖面压力分布图得到过滤器内各点的压力损失及过滤器内的总压力损失,如图4～5。

可以看出,过滤速度的增大,使得压力损失也增大。过滤器中几处存在明显的压力损失:①弯管段,此处压力损失可达到入口压力的一半;②漩涡处;③支管上小孔处,局部压力损失最大处;④滤层中。各压力损失点中,压力损失从大到小依次为:滤层、小孔处、弯管处、漩涡处。

图4 不同过滤速度时各点的压力损失

图5 不同过滤速度时过滤器内总压力损失

依据压力分布及损失特征,为获得较为均匀的压力分布,并减小压力损失,可从以下几个方面对其结构进行改进:①结构中尽量采用曲率半径较大结构,减少弯管的使用,以减小局部摩阻;②增大进口管径,避免漩涡的产生,减小由于漩涡而引起的摩阻损失;③增大小孔直径(位于布水器支管下部),减小局部摩阻;④优选滤料。

3.2 流场分布

模拟结果发现,各过滤速度时所得到的过滤器内部流场分布非常近似。以过滤速度10 m/h为例,对内部流场进行分析(如图6～7):入口直径较小使得入口段流速较大,弯管处的局部流速可达到0.9 m/s;由于流体对于管壁的冲击作用,在直管段上部会有明显的漩涡出现,布水器直管段中流场分布均匀;小孔处流速很大,各个小孔的流速和流量均大致相同(如图8),并未出现越靠近布水器中心流量越大的情况。布水器中存在较大的速度梯度,不利于过滤效果,可进行结构改进而获得均匀流场;滤层中流场分布比较均匀,各点的流速均小于0.05 m/s,处于层流状态,有利于增强过滤效果。说明布水器支管上小孔的布置形式是合理的。

图6 布水器直管段上部速度矢量

图7 过滤器纵剖面速度矢量

图8 不同流速对布水器支管小孔流量的影响

图9 颗粒轨迹

3.3 颗粒追踪

对颗粒进行跟踪,可计算得到颗粒的捕集率(捕集率=捕捉到的颗粒数/跟踪颗粒总数),从而了解过滤器的过滤效果。以过滤速度10 m/h为例,其中1个颗粒的轨迹如图9所示。从轨迹图可以看出,颗粒可发生迁移、旋转等多种运动行为,且速度并不稳定。但当其与滤料接触,滤料对其进行截留吸附作用,使得悬浮颗粒被去除。模拟时共跟踪从入口平面上释放的26个颗粒,捕捉到其中23个,可得到捕集率为88.5%,即过滤效率为88.5%。

4 结论

1) 气压为0.3 MPa,气体流量为0.25～0.80 m3/h时,过滤器提砂管中流态为节涌流,有利于实现最佳砂水分离效果;过滤器合理的砂循环速度为7～9 mm/min。

2) 压力场分布及流场分布表明,布水器支管上小孔的布置形式是合理的,但布水器结构尚可以从以下几个方面进行改进:①增大过滤器入口管径,减小局部阻力;②入口减少弯管的使用,避免产生漩涡;③增大布水器支管上小孔的孔径,减小此处过大的局部压力损失。也可从滤料方面考虑,优选滤料,减小滤层中的压力损失。

3) 该过滤器的过滤效率可以达到88.5%。

[1] 蔡飞超,马涛,滕照峰.油水重力分离特性的数值研究[J].石油矿场机械,2009,38(2):24-27.

[2] 杨技,龚世彬,缑晓军,等.几种油田污水处理方法对比[J].石油矿场机械,2000,29(5):51-52.

[3] 郭二民,李海生,李明,等.传统过滤器改造连续动态过滤器的研究[J].环境科学研究,2005,18(5):56-58.

[4] Wu Chen.Deep Bed Filtration[J].Solids/liquid separation—Fundamentals and practice,2004,14(4):22-24.

[5] 张玉杰.连续流砂过滤器性能试验研究[D].北京:中国石油大学(北京),2007.

[6] 蔡桂英,袁竹林.用离散颗粒数值模拟对陶瓷过滤器过滤特性的研究[J].中国电机工程学报,2003,23(12):203-207.

[7] 于勇.Fluent入门与进阶教程[M].北京:北京理工大学出版社,2008.

Experiment Research and Structure Optimization to Continuous Sand Filter

ZHAO De-xi1,CAO Xue-wen2,REN Da-wei2,LI Peng-cheng3
(1.Tianjin University of Science&Technology,Tianjin 300452,China;2.College of Pipeline and Civil Engineering,China University of Petroleum(Huadong),Qingdao 266580,China;3.CNOOC Research Institude,Beijing 100027,China)

To get running parameters of continuous sand filter,experiments are carried out.The filter is developed independently and some proposals are put forward by simulation to improve the structure of the filter.Through experiment researches,some conclusions are found.When the pressure of air is 0.3 MPa,air flow rate is between 0.25～0.80 m3/h,sluggish flow is formed in sand extraction pipe,the performance of sand extraction system is best on this condition;the reasonable velocity of sand circulation in the filter is 7～9 mm/min.The simulation researches show that,proportional spacing is suitable to the distribution of the holes in the branch pipes of the distributor.increasing the filter inlet diameter,reducing the use of elbows at the entrance,increasing the diameter of holes in the branch pipes,preferring filter media,can help to improve the efficiency of this filter;the efficiency of this filter up to 88.5%.

continuous sand filter;experiment;running parameters;numerical simulation

TE973.9

A

1001-3482(2014)02-0029-05

2013-08-12

赵德喜(1972-),男,天津人,工程师,研究方向为石油开发、开采技术,E-mail:zhaodx@cnooc.com.cn。