基于油田组合滤料过滤器复合场反冲洗与过滤机制研究

发布时间：2020-04-25 20:13

【摘要】：核桃壳深床过滤工艺因其具有滤速高和滤床截油能力强的特点,而被油田广泛应用。但随着注聚开发在油田的推广应用,致使油田污水中聚合物浓度大幅度提高,这对核桃壳滤料的反冲洗再生带来极大地影响,主要表现在过滤效率降低、滤料再生不彻底、滤料流失、滤床过度膨胀和反冲洗压力高等问题。为解决这个问题,研究将旋流场加载于滤床的水力反冲洗过程,构建基于旋流场和重力场耦合的复合场反冲洗体系,提出一种复合场动态反冲洗滤料再生的新方法。研究基于旋流场理论和水力反冲洗理论构建复合场动态反冲洗模型。通过模型实验分析反冲洗强度、复合场作用和反冲洗时间的本构关系,建立复合场动态反冲洗的新方法。探讨反冲洗强度、反冲洗时间、聚合物浓度、水质冲击和溶液粘度等因素对复合场动态反冲洗滤料再生性能的影响规律;构建双滤床批次过滤作用函数,求解双滤床动态反冲洗的控制面;分析滤料反冲洗再生机制;确定理论反冲洗时间。同时,提出颗粒滤床过滤精度的概念,并建立不同机制作用的颗粒理论精度函数。结果表明,复合场动态反冲洗模式对滤料反洗再生程度影响最大,反冲洗强度影响次之。复合场动态反冲洗模式条件下,提高反冲洗强度滤床截留油去除率呈上升趋势,当反冲洗强度8.8L/s·m~2和反冲洗时间15min时,单滤床和Φ0.80~1.20mm/Φ0.30~0.50mm核桃壳/石英砂滤床截留油去除率基本稳定,为96.0%以上,滤料表面油去除率98.9%以上,滤床反冲洗再生彻底。同时经水质冲击、现场污染滤料、外加高浓度聚合物、现场老化聚合物、反冲洗水聚合物粘度变化和滤床结构耦合作用等情况综合评价,复合场动态反冲洗模式适应性强。即使在极端条件下,仍可以获得优良反冲洗效果,反洗后滤床截留油去除率为90.0%以上。此外,复合场动态反冲洗模式对污水聚合物浓度具有较好适应性,当聚合物浓度大于400mg/L时,反冲洗强度10.0 L/s·m~2和反冲洗时间20min时,滤床截留油去除率为86.7%以上,滤床仍然可以获得良好的反冲洗效果。假设滤床层依滤料颗粒成层排布,在沉淀机制作用下悬浮颗粒发生多次沉淀分离作用,其最不利条件的过滤精度函数为(?);同时,假设滤料颗粒紧密排列,颗粒间形成多维孔隙,依据编织纤维拦截作用建立滤床颗粒拦截机制作用的过滤精度函数为(?);此外,悬浮颗粒受到范德华力、静电力和毛细力叠加的粘附作用力,以及滤床内水流的剪切力作用,在合力作用下获得捕获悬浮颗粒粒径的极小值,即微观机制的过滤精度为(?)当L/d值1500和过滤速度12.0m/h条件下,沉淀机制、拦截和粘附机制的滤床过滤精度分别为4.08μm、2.57μm和0.84μm;此外,实验表明滤床结构及其耦合作用对滤床过滤效能影响较大,增加核桃壳滤床厚度,有利于提高油过滤效率,同时增加石英砂滤床厚度,有利于提高悬浮物过滤效率。聚合物浓度小于200mg/L时,Φ0.80~1.20mm×950mm/Φ0.30~0.50mm×750mm核桃壳/石英砂复合滤床,油和悬浮物去除率为94.3%和79.7%。聚合物浓度为400mg/L时,油和悬浮物去除率为95.8%和78.3%,聚合物浓度对其过滤效能影响较小。假设非理想实际滤床按滤料粒径线性堆积排列,其最不利条件的批次过滤作用力方程为(?)当滤料颗粒粒径0d_j2,批次过滤方程为减函数。因此,非理想实际滤床批次过滤作用力最大层是滤床最上层,则动态反冲洗过程的控制层是滤床最上层,即滤床最上层冲洗干净,整个滤床即可获得良好反洗再生。基于复合场内颗粒间碰撞和水流阻力作用,建立复合场动态反冲洗水力梯度函数为(?),获得复合场动态反冲洗水力梯度为G=2028.6s~(-1),远大于单独水洗和气洗的水力梯度。同时,以反冲洗过程中主反应区污染物为研究对象,建立复合场动态反冲洗理论时间的本构函数为(?)确定复合场理论反冲洗时间为15~18min,经模型实验验证,理论分析正确。同时,工业化试验表明复合场动态反冲洗技术具有较高过滤和滤料再生效能,其油和悬浮物去除率为86.9%以上,反洗后滤料表面油去除率为96.89%以上,取得了较好工业化试验成果。复合场动态反冲洗技术丰富和发展了滤料的水力反冲洗方法,为解决油田聚驱污水滤料反冲洗再生提供一种新的途径和方法,并为解决其他轻质滤床的滤料反洗再生问题提供借鉴意义。
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