核桃殼過濾器超聲波輔助反沖洗實(shí)驗(yàn)研究

國亞東，付翠亭，劉國榮，劉春爽

(中國石油大學(xué)(華東)化學(xué)工程學(xué)院,山東 青島 266580)

目前各主要油田大多采用核桃殼或纖維球等作為濾料的深床過濾器，而深床過濾器過濾性能的穩(wěn)定和維持依靠反沖洗得以實(shí)現(xiàn)[1]。常用的反沖洗方式主要有機(jī)械攪拌、水力搓洗、氣體沸騰等，但都只對濾料的局部有效果，容易產(chǎn)生清洗死角，導(dǎo)致過濾器的過濾精度不能保持穩(wěn)定，這就需要采取一定的措施強(qiáng)化反沖洗的效果[2]。應(yīng)用最為廣泛的是氣水聯(lián)合反沖洗方式和機(jī)械攪拌聯(lián)合化學(xué)藥劑反沖洗方式，但仍然存在著一定的缺點(diǎn)[3～5]。隨著超聲波技術(shù)的日漸成熟及在清洗再生行業(yè)中的廣泛應(yīng)用，若在濾料反沖洗時輔助超聲波手段，利用其空化作用形成的高溫高壓沖擊波去除濾料表面的雜質(zhì)，達(dá)到比較徹底地去除濾床的雜質(zhì)、強(qiáng)化濾料再生的效果，則可以延長過濾器運(yùn)行時間，節(jié)約運(yùn)行成本，帶來較好的經(jīng)濟(jì)和社會效益。

作者在此基于國內(nèi)油田常用的核桃殼過濾器，對超聲波輔助反沖洗進(jìn)行了研究，優(yōu)化了操作參數(shù)，并與單獨(dú)水反沖洗進(jìn)行了比較。對于其它類型過濾設(shè)備的在線清洗也具有十分重要的借鑒意義。

1 實(shí)驗(yàn)

為了系統(tǒng)地研究超聲波輔助反沖洗方式的影響因素、對比單獨(dú)水反沖洗與超聲波輔助反沖洗的再生效果，設(shè)計并制作了一套實(shí)驗(yàn)裝置，該裝置由污水制備系統(tǒng)、污水過濾系統(tǒng)和濾料反沖洗再生系統(tǒng)3大部分組成，如圖1所示。

1.攪拌器 2.加料口 3.污水罐 4.提升泵 5.過濾流量計 6.測壓板 7.過濾器 8.超聲波換能器 9.濾料補(bǔ)充口 10.反沖洗儲水箱 11.反沖洗流量計 12.反沖洗泵

圖1中，超聲波換能器固定于過濾器中下部的筒壁上，超聲波的頻率范圍為20～40 kHz、功率范圍為0.5～1.5 kW。濾料為核桃殼，當(dāng)過濾器過濾壓降達(dá)到760 mmHg時結(jié)束過濾過程，開始濾料反沖洗再生。以反沖洗后初始過濾壓降作為評價反沖洗效果的技術(shù)指標(biāo)、以耗水量作為經(jīng)濟(jì)指標(biāo)，實(shí)驗(yàn)中超聲波功率的調(diào)節(jié)由超聲波發(fā)生器控制，超聲波頻率的調(diào)節(jié)通過切換超聲波換能器來實(shí)現(xiàn)，而反沖洗強(qiáng)度的調(diào)節(jié)則由反沖洗閥門來完成。

2 結(jié)果與討論

2.1 單獨(dú)水反沖洗效果分析

2.1.1 反沖洗強(qiáng)度對初始過濾壓降的影響(圖2)

圖2 反沖洗強(qiáng)度對初始過濾壓降的影響

由圖2可以看出，隨著反沖洗強(qiáng)度的增大，初始過濾壓降不斷下降。反沖洗時間為3 min和6 min時，隨著反沖洗強(qiáng)度的增大，初始過濾壓降雖然有所下降，但幅度不大，其原因在于雖然增大了反沖洗強(qiáng)度，但由于反沖洗時間較短，脫落下來的雜質(zhì)還未及時排出到過濾器外，反沖洗過程就已經(jīng)結(jié)束；當(dāng)反沖洗時間超過9 min時，隨著反沖洗強(qiáng)度的增大，初始過濾壓降下降極為明顯，但當(dāng)反沖洗強(qiáng)度增至10～12 m3·h-1時，初始過濾壓降變化不大，其原因在于：盡管反沖洗強(qiáng)度增大，但濾床的孔隙率也相應(yīng)增大，孔隙中的水流速度減慢，水流對濾料顆粒所產(chǎn)生的剪切力也就相應(yīng)減小，雖然增大了濾床的膨脹率，單位液體中濾料的數(shù)量反而減少，濾料的運(yùn)動速度加快，其平均碰撞幾率減小，所以碰撞摩擦作用有限，甚至不發(fā)生碰撞。

2.1.2 反沖洗時間對初始過濾壓降的影響(圖3)

圖3 反沖洗時間對初始過濾壓降的影響

由圖3可以看出，隨著反沖洗時間的延長，初始過濾壓降逐漸下降。反沖洗時間為3～9 min時，初始過濾壓降下降極為明顯；但當(dāng)反沖洗時間超過9 min后，初始過濾壓降變化不大。說明反沖洗9 min左右時，濾料之間的雜質(zhì)以及在一定的反沖洗強(qiáng)度下脫除的濾料表面的部分雜質(zhì)已經(jīng)排出過濾器，繼續(xù)延長反沖洗時間對濾料表面雜質(zhì)的去除效果十分微弱，并且較長的反沖洗時間也會造成反沖洗水的大量浪費(fèi)。

綜合考慮反沖洗時間和反沖洗強(qiáng)度,確定適宜的單獨(dú)水反沖洗的工藝參數(shù)如下：反沖洗時間10 min、反沖洗強(qiáng)度12 m3·h-1。

2.2 超聲波輔助反沖洗效果分析

考慮到實(shí)驗(yàn)規(guī)模較大，且超聲波換能器經(jīng)濟(jì)投入過大，采用正交實(shí)驗(yàn)確定超聲波輔助反沖洗方式應(yīng)用于核桃殼過濾器的工藝參數(shù)，其正交實(shí)驗(yàn)因素與水平見表1、結(jié)果與分析見表2。

表1 超聲波輔助反沖洗正交實(shí)驗(yàn)因素與水平

表2 超聲波輔助反沖洗正交實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

由表2可以看出，各因素對初始過濾壓降影響大小依次為：反沖洗時間>超聲波頻率>超聲波功率>反沖洗強(qiáng)度。要想將濾床沖洗干凈，必須保證足夠的反沖洗時間，否則會造成部分前一階段已經(jīng)與濾料分離的雜質(zhì)不能被帶出濾床，造成反沖洗后濾床的過濾壓降仍然較大。頻率較低的超聲波更容易形成空化作用，對濾料雜質(zhì)的去除有利，但對過濾器的損害亦較大，所以在評價指標(biāo)值相差不大的情況下應(yīng)選擇較高的超聲波頻率。反沖洗強(qiáng)度和超聲波功率對初始過濾壓降的影響較弱。2#、3#、5#實(shí)驗(yàn)的初始過濾壓降較低。尤以3#實(shí)驗(yàn)的初始過濾壓降最低，3#實(shí)驗(yàn)的耗水量最大，而2#、5#實(shí)驗(yàn)的初始過濾壓降相差不大，考慮到較低的超聲波頻率對過濾器造成一定的空化腐蝕，最終確定最優(yōu)的水平組合為A2B2C3D1(5#)，即：超聲波頻率30 kHz、超聲波功率0.7 kW、反沖洗時間12 min、反沖洗強(qiáng)度8 m3·h-1。

2.3 超聲波輔助反沖洗與單獨(dú)水反沖洗的效果比較

對超聲波輔助反沖洗與單獨(dú)水反沖洗后的初始過濾壓降進(jìn)行了比較，結(jié)果見圖4。

圖4 反沖洗方式對初始過濾壓降的影響

由圖4可以看出，超聲波輔助反沖洗后的初始過濾壓降明顯低于單獨(dú)水反沖洗的初始過濾壓降，即濾料得到更加徹底的清洗，過濾器的納污能力得到增強(qiáng)，同時過濾周期延長30%以上，產(chǎn)水量增加。

3 結(jié)論

基于國內(nèi)油田常用的核桃殼過濾器，對反沖洗進(jìn)行了深入系統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)研究。確定單獨(dú)水反沖洗的反沖洗時間為10 min、反沖洗強(qiáng)度為12 m3·h-1，但對于濾料的再生效果不夠理想，且反沖洗強(qiáng)度較高、耗水量大；采用正交實(shí)驗(yàn)，確定超聲波輔助反沖洗的超聲波頻率為30 kHz、超聲波功率為0.7 kW、反沖洗時間為12 min、反沖洗強(qiáng)度為8 m3·h-1；并對兩種方式的反沖洗效果進(jìn)行了對比，發(fā)現(xiàn)超聲波輔助反沖洗初始過濾壓降下降極為明顯，反沖洗效果優(yōu)于單獨(dú)水反沖洗，并能延長過濾周期、減少反沖洗次數(shù)、節(jié)約能耗及用水量，應(yīng)用前景廣闊。

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