趙德喜,曹學文,任大偉,李鵬程

(1.天津科技大學,天津300452;2.中國石油大學(華東)儲運與建筑工程學院,山東 青島266580;3.中海油研究總院,北京100027)

流砂過濾器試驗研究與結構優(yōu)化

趙德喜1,曹學文2,任大偉2,李鵬程3

(1.天津科技大學,天津300452;2.中國石油大學(華東)儲運與建筑工程學院,山東 青島266580;3.中海油研究總院,北京100027)

對自主研發(fā)的流砂過濾器運行參數進行了試驗研究,并通過數值模擬對過濾器的結構提出了改進建議。試驗結果表明:當空氣壓力為0.3 MPa,流量為0.25～0.80 m3/h時,提砂管中可形成穩(wěn)定的節(jié)涌床,能達到最好的提砂效果;所用濾料的最佳循環(huán)速度為7～9 mm/min。模擬結果表明:布水器的設計宜采用支管上小孔均勻分布的形式,并可從增大過濾器入口管徑、減少入口處彎管的使用、增大布水器支管上小孔孔徑、優(yōu)選濾料等方面對結構進行優(yōu)化;過濾器對顆粒的過濾效率可達88.5%。

流砂過濾器;試驗;運行參數;數值模擬

油田污水處理過程中,過濾是較為關鍵的環(huán)節(jié)[1-2]。常用的壓力過濾器存在較多的缺陷,例如濾料反沖洗過程中沖洗不徹底、濾層較容易堵塞、常需停機反沖洗等。為克服這些問題,自主研制了一種新型流砂過濾器。該過濾器內的濾料是連續(xù)運動的,氣、水對濾料進行清洗使得其一直保持清潔,濾層不易被堵塞?？蛇B續(xù)運行而無須停機反沖洗,從而解決了污水處理中過濾環(huán)節(jié)存在的突出問題[3-4]。依據過濾原理及流體動力學理論,對該外循環(huán)式流砂過濾器進行了試驗研究,獲得合理的運行參數范圍,并通過數值模擬對其結構改進提出了合理的建議。

1 結構與原理

圖1為研制的外循環(huán)式流砂過濾器。主體結構由洗砂器、布水器、提砂裝置及提砂管等組成。設計直徑為500 mm,高2 500 mm,濾層高度為1 250～1 500 mm,提砂管有效直徑為28 mm。該過濾器采用逆向過濾方式,原水從底部進入向上運動,濾層則以一定的速度向下運動。

圖1 流砂過濾器總體結構

布水器采用放射狀結構,共包含8根布水支管,22個小孔均勻分布于各支管的下部,原水通過小孔以層流狀態(tài)均勻地進入濾層。洗砂器采用切向進口方式,利用離心力將濾料與懸浮物等分離,分離后濾料回填到濾層中。濾料進行污水處理后,經由提砂裝置提升到洗砂器中進行清洗,為避免提砂管在過濾器停機時被堵塞,采用了水平氣嘴。過濾器運行工況下,提砂管內同時存在懸浮物、濾料、空氣、水等,其中流型的控制尤為重要,合適的流型是過濾器正常運行的關鍵。

2 試驗研究

2.1 試驗流程

試驗流程如圖2所示。試驗所需原水為自來水加入中位粒徑為50μm的粉塵,在高位水箱中配置而成,經過濾后與洗砂廢水回到儲罐,再經由離心泵送入高位水箱以形成循環(huán)試驗流程。為保證懸浮物濃度穩(wěn)定,高位水箱中攪拌器需持續(xù)攪拌。采用平均粒徑為1.0 mm的石英砂濾料,試驗前對其清洗以保持潔凈。

2.2 提砂性能

圖2 流砂過濾器試驗工藝流程

過濾停止工況下,當水平氣嘴空氣壓力較小時(0.1～0.2 MPa),較低空氣流量難以提砂。以0.1 MPa為例,直到空氣流量為0.4 m3/h時才開始出現砂循環(huán)。過濾進行工況下,由于水的流動使得濾層變得疏松,提砂能力與停止工況相比顯著提高,0.2、0.3與0.4 MPa下提砂能力相似。綜合考慮,選取0.3 MPa為水平氣嘴工作壓力。

提砂管內流型是過濾器正常運行的關鍵[5]。在氣壓為0.3 MPa時,不同進氣量下的流型如表1(氣量小于0.1 m3/h時,不能提砂)。各流型下提砂情況如表2。

理論分析表明,若氣體與濾料間能夠進行劇烈的摩擦,則能得到更好的清洗效果。從試驗結果看,當流型為湍動床時,此時床層湍動劇烈,可得到較好的效果。但形成湍動床需要的壓縮空氣流量較大,在此運行狀況下,砂循環(huán)速度(定義見第2.3節(jié))較大,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較為穩(wěn)定的節(jié)涌床流型,可達到更好提砂效果。

表1 不同進氣量下提砂管流型的變化

表2 不同流型提砂狀況

2.3 過濾性能

砂循環(huán)速度是指在一定時間內,提砂裝置所提取砂量在濾層中所占據的高度,其單位為mm/min,合理的砂循環(huán)速度能夠提高過濾器的過濾性能?？衫檬?1)進行砂循環(huán)速度的計算。

式中:v為砂循環(huán)速度,mm/min;m為提砂量,kg/min;ρ為過濾介質的密度,kg/m3;s為濾層的截面積,m2。

當原水以層流狀態(tài)進入濾層時,有利于污水中懸浮物的吸附過濾。層流狀態(tài)下原水流量與入口壓力有關,由于高位攪拌罐的安裝受制于試驗室高度,故而取入口壓力為0.015 MPa,此時原水流量為2.0 m3/h。因此,在壓縮空氣壓力0.3 MPa,原水流量2.0 m3/h,濁度21.3 NTU的試驗條件下,利用濁度儀測試出水濁度,不同砂循環(huán)速度下的試驗結果如圖3。

從圖3看出,砂循環(huán)速度為7～9 mm/min時,濾出水濁度最低,約為2 NTU,此時過濾效果最好;低于7 mm/min時,濾料得不到較為及時的清洗,出現濁度穿透,使得出水濁度較高,循環(huán)速度越小其濁度值越高;大于9 mm/min時,提砂量過大,在洗砂器中濾料得不到完全清洗,使得濾料將污染物帶回到過濾器中從而污染過濾水,出水濁度值也較高,循環(huán)速度越大其濁度值越高。

圖3 不同砂循環(huán)速度時的出水濁度

3 數值模擬研究

通過數值模擬研究,了解過濾器內壓力及流場分布,檢驗該過濾器結構設計是否合理。應用TGrid網格劃分方法對幾何體劃分非結構化的Tet/Hybrid網格[6]。在連續(xù)性方程和動量方程的基礎上,運用標準k-ε湍流模型、多孔介質模型模擬不同過濾速度時過濾器內的壓力分布和流場分布。并采用DPM模型追蹤顆粒的軌跡以了解顆粒捕集效率(即過濾效率)[7]。

3.1 壓力分布

依據不同過濾速度時的縱剖面壓力分布圖得到過濾器內各點的壓力損失及過濾器內的總壓力損失,如圖4～5。

可以看出,過濾速度的增大,使得壓力損失也增大。過濾器中幾處存在明顯的壓力損失:①彎管段,此處壓力損失可達到入口壓力的一半;②漩渦處;③支管上小孔處,局部壓力損失最大處;④濾層中。各壓力損失點中,壓力損失從大到小依次為:濾層、小孔處、彎管處、漩渦處。

圖4 不同過濾速度時各點的壓力損失

圖5 不同過濾速度時過濾器內總壓力損失

依據壓力分布及損失特征,為獲得較為均勻的壓力分布,并減小壓力損失,可從以下幾個方面對其結構進行改進:①結構中盡量采用曲率半徑較大結構,減少彎管的使用,以減小局部摩阻;②增大進口管徑,避免漩渦的產生,減小由于漩渦而引起的摩阻損失;③增大小孔直徑(位于布水器支管下部),減小局部摩阻;④優(yōu)選濾料。

3.2 流場分布

模擬結果發(fā)現,各過濾速度時所得到的過濾器內部流場分布非常近似。以過濾速度10 m/h為例,對內部流場進行分析(如圖6～7):入口直徑較小使得入口段流速較大,彎管處的局部流速可達到0.9 m/s;由于流體對于管壁的沖擊作用,在直管段上部會有明顯的漩渦出現,布水器直管段中流場分布均勻;小孔處流速很大,各個小孔的流速和流量均大致相同(如圖8),并未出現越靠近布水器中心流量越大的情況。布水器中存在較大的速度梯度,不利于過濾效果,可進行結構改進而獲得均勻流場;濾層中流場分布比較均勻,各點的流速均小于0.05 m/s,處于層流狀態(tài),有利于增強過濾效果。說明布水器支管上小孔的布置形式是合理的。

圖6 布水器直管段上部速度矢量

圖7 過濾器縱剖面速度矢量

圖8 不同流速對布水器支管小孔流量的影響

圖9 顆粒軌跡

3.3 顆粒追蹤

對顆粒進行跟蹤,可計算得到顆粒的捕集率(捕集率=捕捉到的顆粒數/跟蹤顆?？倲?,從而了解過濾器的過濾效果。以過濾速度10 m/h為例,其中1個顆粒的軌跡如圖9所示。從軌跡圖可以看出,顆粒可發(fā)生遷移、旋轉等多種運動行為,且速度并不穩(wěn)定。但當其與濾料接觸,濾料對其進行截留吸附作用,使得懸浮顆粒被去除。模擬時共跟蹤從入口平面上釋放的26個顆粒,捕捉到其中23個,可得到捕集率為88.5%,即過濾效率為88.5%。

4 結論

1) 氣壓為0.3 MPa,氣體流量為0.25～0.80 m3/h時,過濾器提砂管中流態(tài)為節(jié)涌流,有利于實現最佳砂水分離效果;過濾器合理的砂循環(huán)速度為7～9 mm/min。

2) 壓力場分布及流場分布表明,布水器支管上小孔的布置形式是合理的,但布水器結構尚可以從以下幾個方面進行改進:①增大過濾器入口管徑,減小局部阻力;②入口減少彎管的使用,避免產生漩渦;③增大布水器支管上小孔的孔徑,減小此處過大的局部壓力損失。也可從濾料方面考慮,優(yōu)選濾料,減小濾層中的壓力損失。

3) 該過濾器的過濾效率可以達到88.5%。

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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

趙德喜(1972-),男,天津人,工程師,研究方向為石油開發(fā)、開采技術,E-mail:zhaodx@cnooc.com.cn。