【摘 要】
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近年来油田过滤技术不断发展,精细滤床在油田污水处理中发挥了重要的作用。然而目前滤床结构一般依照工程经验设计,未能较好的与过滤模型关联,忽视了过滤模型的指导作用。立足于油田水处理需求和油田滤床视角,建立适用于油田水处理的过滤模型,探究滤床结构对过滤效能的影响规律,剖析精细滤床结构的优势原因,具有非常重要的工程价值和理论研究意义。基于Yao-Tien轨迹模型,以沉淀、拦截、扩散三种主要过滤机制为理论基
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近年来油田过滤技术不断发展,精细滤床在油田污水处理中发挥了重要的作用。然而目前滤床结构一般依照工程经验设计,未能较好的与过滤模型关联,忽视了过滤模型的指导作用。立足于油田水处理需求和油田滤床视角,建立适用于油田水处理的过滤模型,探究滤床结构对过滤效能的影响规律,剖析精细滤床结构的优势原因,具有非常重要的工程价值和理论研究意义。基于Yao-Tien轨迹模型,以沉淀、拦截、扩散三种主要过滤机制为理论基础,构建滤床结构等参数与滤床过滤效率和过滤精度的函数关系,用数学求导和模拟计算方法分析过滤模型响应规律;基于Fluent-DPM模拟方法,对颗粒在微观滤床孔隙通道中的迁移过程进行了仿真模拟,考察沉淀机制、拦截机制、扩散机制以及耦合机制作用下L/dc值（滤床高度/滤料粒径）、滤速、颗粒粒径、颗粒密度和流体粘度等滤床参数对滤床过滤效能的影响,对比讨论模拟结果与过滤模型分析之间的异同。依托大庆某油田污水处理站,考察不同滤床结构和滤速下精细滤床对油田污水的过滤效能,分析其主导过滤机制和过滤效能控制因素。过滤模型理论研究表明,滤床过滤效率和过滤精度与滤床结构L/dy相关,耦合机制作用下y介于1～3之间。拦截机制作用下y=3,过滤精度取决于滤床L/dc结构形式,滤料粒径由1 mm降低至0.2 mm,过滤精度显著减小。L/dc大于1000时,过滤精度变化率变小。沉淀机制作用下y=1,过滤精度与L/dc绝对值和滤速有关,与L/dc的组合形式无关。L/dc大于1000时,过滤精度变化率减小,且难以达到油田滤床的过滤精度要求。扩散机制作用下y=5/3,扩散机制失效过滤精度取决于滤速和L/dc的结构形式,降低滤速,提高L/dc值,能显著提高扩散机制的作用范围。拦截机制和沉淀机制过滤精度影响出水粒径分布为0的粒径值,耦合机制的失效过滤精度和进水粒径分布影响出水粒径中值。耦合机制作用下过滤效率最低的最不利颗粒粒径为1μm;滤速越大,过滤效率下降变化率越小,滤料粒径越小,过滤效率的上升变化率越大,为选择滤料粒径和滤速提供了理论依据。沉淀机制和拦截机制的耦合程度与颗粒粒径无关,随着滤料粒径的减小和滤速的提高,滤床主导过滤机制转化规律为从沉淀机制转化为耦合机制再转化为拦截机制。模拟研究表明,耦合机制下1μm颗粒的去除率最低,随着颗粒粒径增大去除率显著提高。随着滤速提高,滤床过滤效能下降,存在曲线斜率变小的临界滤速为7 m/h。密度比水大的无机颗粒的去除率高于密度比水小的油,随着流体粘度的提高和颗粒密度的减小,滤床过滤效率下降。随着滤层级数增加,滤床过滤效能提高,曲线斜率逐渐减小,提高L/dc较容易使过滤效率达标,但较难使过滤精度达标。模拟结果曲线趋势符合过滤模型预测,考虑了孔喉作用的多球外部流模型的过滤效率比基于单球外部流模型的传统过滤模型预测值高。细滤料在单位滤床体积上有更多数量的孔喉结构,细滤料薄滤层的结构形式更合理。油田现场试验研究表明,L（1300mm）/dc（0.2 mm）金刚砂精细滤床的悬浮物平均去除率为88.5%,油平均去除率为84.1%,比L（600mm）/dc（0.2 mm）金刚砂滤床分别提高32.2%和40.6%。L（1300mm）/dc（0.2 mm）金刚砂精细滤床在2.5～3.3 m/h滤速下对悬浮物的去除率高于90%,对油的去除率高于87%,过滤精度为1.5μm。随着滤速升高至4.5 m/h,对油和悬浮物的过滤效率下降至67%。试验结果结合过滤模型分析,颗粒脱附是油田精细滤床过滤效能的重要控制因素,滤床L/dc值已经趋近饱和,为减少颗粒脱附,滤速应控制在4 m/h以内。油田精细滤床随着粒径减小,粒径比dp/dc的增大,主导过滤机制呈现出从拦截机制向筛分机制的转化规律,有一定的膜滤特征。滤料粒径、进水浓度、运行时间之间存在一个函数关系,可用来评估滤床成熟和已沉积颗粒对过滤的影响程度。
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