國(guó)亞?wèn)|，付翠亭，劉國(guó)榮，劉春爽

(中國(guó)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(guò)濾器，而深床過(guò)濾器過(guò)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(duì)濾料的局部有效果，容易產(chǎn)生清洗死角，導(dǎo)致過(guò)濾器的過(guò)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(shí)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(zhǎng)過(guò)濾器運(yùn)行時(shí)間，節(jié)約運(yùn)行成本，帶來(lái)較好的經(jīng)濟(jì)和社會(huì)效益。

作者在此基于國(guó)內(nèi)油田常用的核桃殼過(guò)濾器，對(duì)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(duì)于其它類型過(guò)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(duì)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(jì)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(guò)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(guò)濾流量計(jì) 6.測(cè)壓板 7.過(guò)濾器 8.超聲波換能器 9.濾料補(bǔ)充口 10.反沖洗儲(chǔ)水箱 11.反沖洗流量計(jì) 12.反沖洗泵

圖1中，超聲波換能器固定于過(guò)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(guò)濾器過(guò)濾壓降達(dá)到760 mmHg時(shí)結(jié)束過(guò)濾過(guò)程，開始濾料反沖洗再生。以反沖洗后初始過(guò)濾壓降作為評(píng)價(jià)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(guò)切換超聲波換能器來(lái)實(shí)現(xiàn)，而反沖洗強(qiáng)度的調(diào)節(jié)則由反沖洗閥門來(lái)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(duì)初始過(guò)濾壓降的影響(圖2)

圖2 反沖洗強(qiáng)度對(duì)初始過(guò)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(guò)濾壓降不斷下降。反沖洗時(shí)間為3 min和6 min時(shí)，隨著反沖洗強(qiáng)度的增大，初始過(guò)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(shí)間較短，脫落下來(lái)的雜質(zhì)還未及時(shí)排出到過(guò)濾器外，反沖洗過(guò)程就已經(jīng)結(jié)束；當(dāng)反沖洗時(shí)間超過(guò)9 min時(shí)，隨著反沖洗強(qiáng)度的增大，初始過(guò)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(shí)，初始過(guò)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(duì)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(dòng)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(shí)間對(duì)初始過(guò)濾壓降的影響(圖3)

圖3 反沖洗時(shí)間對(duì)初始過(guò)濾壓降的影響

由圖3可以看出，隨著反沖洗時(shí)間的延長(zhǎng)，初始過(guò)濾壓降逐漸下降。反沖洗時(shí)間為3～9 min時(shí)，初始過(guò)濾壓降下降極為明顯；但當(dāng)反沖洗時(shí)間超過(guò)9 min后，初始過(guò)濾壓降變化不大。說(shuō)明反沖洗9 min左右時(shí)，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(guò)濾器，繼續(xù)延長(zhǎng)反沖洗時(shí)間對(duì)濾料表面雜質(zhì)的去除效果十分微弱，并且較長(zhǎng)的反沖洗時(shí)間也會(huì)造成反沖洗水的大量浪費(fèi)。

綜合考慮反沖洗時(shí)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(shí)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(guò)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(guò)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(duì)初始過(guò)濾壓降影響大小依次為：反沖洗時(shí)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(shí)間，否則會(huì)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(guò)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(duì)濾料雜質(zhì)的去除有利，但對(duì)過(guò)濾器的損害亦較大，所以在評(píng)價(jià)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(duì)初始過(guò)濾壓降的影響較弱。2#、3#、5#實(shí)驗(yàn)的初始過(guò)濾壓降較低。尤以3#實(shí)驗(yàn)的初始過(guò)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(guò)濾壓降相差不大，考慮到較低的超聲波頻率對(duì)過(guò)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(shí)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(duì)超聲波輔助反沖洗與單獨(dú)水反沖洗后的初始過(guò)濾壓降進(jìn)行了比較，結(jié)果見圖4。

圖4 反沖洗方式對(duì)初始過(guò)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(guò)濾壓降明顯低于單獨(dú)水反沖洗的初始過(guò)濾壓降，即濾料得到更加徹底的清洗，過(guò)濾器的納污能力得到增強(qiáng)，同時(shí)過(guò)濾周期延長(zhǎng)30%以上，產(chǎn)水量增加。

3 結(jié)論

基于國(guó)內(nèi)油田常用的核桃殼過(guò)濾器，對(duì)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(shí)間為10 min、反沖洗強(qiáng)度為12 m3·h-1，但對(duì)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(shí)間為12 min、反沖洗強(qiáng)度為8 m3·h-1；并對(duì)兩種方式的反沖洗效果進(jìn)行了對(duì)比，發(fā)現(xiàn)超聲波輔助反沖洗初始過(guò)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(zhǎng)過(guò)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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