核桃殼過濾器超聲波輔助反沖洗實驗研究

國亞東，付翠亭，劉國榮，劉春爽

(中國石油大學(華東)化學工程學院,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定和維持依靠反沖洗得以實現[1]。常用的反沖洗方式主要有機械攪拌、水力搓洗、氣體沸騰等，但都只對濾料的局部有效果，容易產生清洗死角，導致過濾器的過濾精度不能保持穩定，這就需要采取一定的措施強化反沖洗的效果[2]。應用最為廣泛的是氣水聯合反沖洗方式和機械攪拌聯合化學藥劑反沖洗方式，但仍然存在著一定的缺點[3～5]。隨著超聲波技術的日漸成熟及在清洗再生行業中的廣泛應用，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，達到比較徹底地去除濾床的雜質、強化濾料再生的效果，則可以延長過濾器運行時間，節約運行成本，帶來較好的經濟和社會效益。

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

1 實驗

為了系統地研究超聲波輔助反沖洗方式的影響因素、對比單獨水反沖洗與超聲波輔助反沖洗的再生效果，設計并制作了一套實驗裝置，該裝置由污水制備系統、污水過濾系統和濾料反沖洗再生系統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，當過濾器過濾壓降達到760 mmHg時結束過濾過程，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指標、以耗水量作為經濟指標，實驗中超聲波功率的調節由超聲波發生器控制，超聲波頻率的調節通過切換超聲波換能器來實現，而反沖洗強度的調節則由反沖洗閥門來完成。

2 結果與討論

2.1 單獨水反沖洗效果分析

2.1.1 反沖洗強度對初始過濾壓降的影響(圖2)

圖2 反沖洗強度對初始過濾壓降的影響

由圖2可以看出，隨著反沖洗強度的增大，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度，但由于反沖洗時間較短，脫落下來的雜質還未及時排出到過濾器外，反沖洗過程就已經結束；當反沖洗時間超過9 min時，隨著反沖洗強度的增大，初始過濾壓降下降極為明顯，但當反沖洗強度增至10～12 m3·h-1時，初始過濾壓降變化不大，其原因在于：盡管反沖洗強度增大，但濾床的孔隙率也相應增大，孔隙中的水流速度減慢，水流對濾料顆粒所產生的剪切力也就相應減小，雖然增大了濾床的膨脹率，單位液體中濾料的數量反而減少，濾料的運動速度加快，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，濾料之間的雜質以及在一定的反沖洗強度下脫除的濾料表面的部分雜質已經排出過濾器，繼續延長反沖洗時間對濾料表面雜質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。

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

2.2 超聲波輔助反沖洗效果分析

考慮到實驗規模較大，且超聲波換能器經濟投入過大，采用正交實驗確定超聲波輔助反沖洗方式應用于核桃殼過濾器的工藝參數，其正交實驗因素與水平見表1、結果與分析見表2。

表1 超聲波輔助反沖洗正交實驗因素與水平

表2 超聲波輔助反沖洗正交實驗結果與分析

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與濾料分離的雜質不能被帶出濾床，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，對濾料雜質的去除有利，但對過濾器的損害亦較大，所以在評價指標值相差不大的情況下應選擇較高的超聲波頻率。反沖洗強度和超聲波功率對初始過濾壓降的影響較弱。2#、3#、5#實驗的初始過濾壓降較低。尤以3#實驗的初始過濾壓降最低，3#實驗的耗水量最大，而2#、5#實驗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、反沖洗強度8 m3·h-1。

2.3 超聲波輔助反沖洗與單獨水反沖洗的效果比較

對超聲波輔助反沖洗與單獨水反沖洗后的初始過濾壓降進行了比較，結果見圖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，同時過濾周期延長30%以上，產水量增加。

3 結論

基于國內油田常用的核桃殼過濾器，對反沖洗進行了深入系統的實驗研究。確定單獨水反沖洗的反沖洗時間為10 min、反沖洗強度為12 m3·h-1，但對于濾料的再生效果不夠理想，且反沖洗強度較高、耗水量大；采用正交實驗，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、反沖洗強度為8 m3·h-1；并對兩種方式的反沖洗效果進行了對比，發現超聲波輔助反沖洗初始過濾壓降下降極為明顯，反沖洗效果優于單獨水反沖洗，并能延長過濾周期、減少反沖洗次數、節約能耗及用水量，應用前景廣闊。

[1] 韓洪森，汪龍眠.核桃殼濾料污染后的清洗再生[J].黑龍江科技信息，2008，(31)：8.

[2] 翟國亮，陳剛，趙武，等.微灌用石英砂濾料的過濾與反沖洗試驗[J].農業工程學報，2007，23(12)：46-49.

[3] 謝志剛，邱雪敏，趙燕玲.間歇式氣水聯合反沖洗生物炭池的試驗研究[J].環境科學，2012，33(1):124-127.

[4] 邱立平，陳京英，劉永正，等.曝氣生物濾池處理機理及反沖洗控制研究進展[J].濟南大學學報(自然科學版)，2010，24(2)：216-219.

[5] 喬鐵軍，孫國芬.飲用水生物濾池的反沖洗機理研究[J].凈水技術，2006，25(1)：39-41.