核桃殼過濾器反沖洗過程數值模擬及參數優化

安申法 王軻 王剛

摘 ? ? ?要：核桃殼過濾濾層的反沖洗，是實現濾料再生的有效途徑，為了對反沖洗過程流場進行分析，并確定合理的反沖洗強度，基于拽力理論，建立了核桃殼過濾器反沖洗數學模型，分別模擬了7種反沖洗強度（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、懸浮固體雜質含量隨時間的變化關系，以最小耗水量為目標，最終確定了最優的反沖洗強度。

關 ?鍵 ?詞：核桃殼過濾器;模擬;反沖洗強度

中圖分類號：TE8 ? ? ? 文獻標識碼： A ? ? ? 文章編號： 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最常用的水處理設備。核桃殼濾層的反沖洗，是實現核桃殼濾料再生的一個有效途徑[1]。

一直以來，核桃殼過濾器反沖洗參數選擇主要根據現場經驗，對于反洗過程的影響因素認識不清楚，缺乏科學依據，導致反沖洗效果不佳[2]。

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

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，其結構如圖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。為了研究反洗強度對反洗效果的影響規律并簡化分析，假設過濾器反沖洗水可實現在底部集水管均勻布水，建立如圖1（b）所示的簡化三維幾何模型，濾層高度取1.3 m。

2 ?核桃殼過濾器反沖洗動力學模型

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、懸浮固體雜質和核桃殼組成的固液多相流體系，采用Mixture模型能夠較準確的模擬其內部流場[3]。核桃殼濾料在反沖洗過程中，當沉積在濾料表面的油滴和懸浮固體雜質所受的水力剪切作用大于油滴和懸浮固體雜質與濾料表面的結合強度時，油滴和懸浮固體雜質將發生剝離，為了準確描述油滴和懸浮固體雜質的受力和運動過程，將拽力理論與Mixture模型相結合，得到反沖洗模擬模型。

2.2 ?幾何模型及算法設置

利用ICEM生成上述過濾器物理模型的結構網格，同時，在網格劃分中，對濾料層區域的網格進行適度加密，以充分地再現過濾流場的分布與演變特征，網格數152 642個，并對網格進行了無關性驗證，如圖2所示為過濾器的網格剖分。

根據污水反沖洗過程實際特征，模擬計算時，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，對于過濾過程模擬中流場特征量的計算采用有限體積法進行離散[7]。

根據《油田水處理過濾器》（SY/T 0523-2008），核桃殼過濾器反沖洗強度推薦取值范圍為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 ?反洗過程數值模擬

3.1 ?反洗出水水質特性

基于建立的核桃殼過濾器反沖洗過程的數學模型，借助FLUENT軟件的計算，得到核桃殼過濾器的油滴雜質分布云圖和懸浮固體雜質分布云圖分別如圖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，隨著反洗時間的增加，過濾器內油滴和懸浮固體雜質的體積分數在減小，符合現場實際情況。

3.2 ?反沖洗強度優化

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

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

4 ?結 論

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

（2）隨反沖洗進行，反沖洗出水中油滴和懸浮固體雜質體積分數逐漸較小且主要聚集在反沖洗水出口處。反沖洗強度增加，過濾器內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）基于單個反洗周期的耗水量對不同反洗強度核桃殼過濾器的過濾效果進行評價，最終得到核桃殼過濾器的最優反洗強度為6.0～7.5 L·s-1·m-2，為核桃殼過濾器反沖洗參數的選擇提供了科學依據。

參考文獻：

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[2] 于忠臣， 李轉， 牛源麟， 鐘柳波， 周穎， 張嶸元， 孫聰. 顆粒濾料反沖洗技術現狀與應用進展[J]. 當代化工， 2016， 45（01）：78-80.

[3] 賀靖峰. 基于歐拉-歐拉模型的空氣重介質流化床多相流體動力學的數值模擬[D]. 北京：中國礦業大學，2012：25-26.

[4]李景海， 劉清霞， 翟國亮， 蔡九茂， 張文正. 基于顆粒流理論的微灌砂濾層反沖洗過程砂粒速度場模擬[J]. 農業工程學報， 2018， 34（22）： 78-83.

[5]李景海， 蔡九茂， 翟國亮， 劉清霞， 張文正. 基于砂濾層內水體積分數瞬態模擬的反沖洗速度優選[J]. 農業工程學報， 2018， 34（02）： 83-89.

[6]Gidaspow D. Hydrodynamics of fluidization and heat transfer： Supercom- puter modeling[J]. Applied Mechanics Reviews， 1986， 39（1）： 1-22.

[7]李景海， 翟國亮， 黃修橋， 馮俊杰， 劉楊. 微灌石英砂過濾器反沖洗數值模擬驗證與流場分析[J]. 農業工程學報， 2016， 32（09）： 74-82.