核桃壳滤料粒径对油田污水过滤的影响研究Word格式.docx

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洗再生方面进行了大量的研究"

J,但对过滤机理

研究很少,特别是核桃壳滤料粒径对过滤的影响方

面研究几乎为空白,在粒径的选择上存在一些明显

的误区.事实上,滤料粒径对过滤的影响,对过滤

工艺的发展以及对在实际工程中合理选择过滤的方

式,有着非常重要的意义.较小核桃壳滤料粒径对

保证滤后水质有利,但可能导致水流剪力,水头损

失增长过快,滤层的纳污量低,过滤周期短,滤速

低,产水量小等问题.而粒径过大,则难以保证过

滤水质.

一

般石英砂过滤采用均质滤料,均质滤料不同

于均粒滤料.当石英砂新装人时,这种滤层称为均

质滤层,滤料则称为均质滤料,这就是说,均质滤

料并不要求所有的滤料粒径相同,而是要求整个滤

料层自上而下的组成条件都相同,满足均质滤料反

冲洗时不出现水力分级现象].由于核桃壳在反

洗再生时,必须通过水力反冲和机械搅拌使滤床充

分流态化,这种再生反洗方式容易出现水力分级现

象.为避免这种情况,核桃壳滤料应尽可能选择单

粒径,而不是同石英砂一样满足均质滤料就可

以.换言之,在核桃壳过滤中,对粒径的选择不能

停留在原有认识上,应该引起人们的重视.

核桃壳滤料粒径与

滤层各参数的关系

I.核桃壳滤料粒径与清洁滤层的孔隙率

假定核桃壳滤料颗粒是球形的,大小都一样,

可以证明,此时清洁滤层的孔隙率只与滤料颗粒的

排列方式有关,而与滤料的粒径无关,也就是说,

对于不同粒径滤料的滤层,清洁滤层的孔隙率都相

差不大,例如,石英砂滤料滤层的孔隙率一般在

42%左右.实际滤层的滤料是由大小不同的颗粒组

成的,并且也不是严格球形的,尽管如此,实际工

?

本项目为中石化胜利油田有限公司东辛采油厂"

东辛油田污水工艺配套技术研究"

的部分内容.

24～石油机械2005年第33卷第7期

程中使用的滤床,其滤层的孔隙率也基本在42%

左右.粒状滤料滤层滤料颗粒的大小对滤层孔隙率

的影响是不大的.

2.核桃壳滤料粒径与滤层孔隙尺寸

滤层的孔隙可以看作是由很多相互连通的孔构

成的,如果把所有的孔按照长度和体积不变的原则

换算成等截面的圆形孔,其直径称作孔隙的当量直

径,记为,清洁滤层的孔隙当量尺寸记为,

则与滤料粒径d成正比关系,即

d,o=kd

（1）

式中卜比例系数,无量纲;

——

清洁滤层孑L隙当量尺寸,×

10～m;

d——滤料粒径,×

10～m.

3.核桃壳滤料粒径与滤层滤料的总比表面积

设滤层的体积为,则有

.

—

（1一mo）A

nas]——一

V（1一mo）126（1一m0）——一

式中——滤料总比表面积,m;

滤层的体积,m;

孔隙的体积,m;

单个滤料颗粒的体积,m;

（2）

单个滤料颗粒比表面积,m;

滤料颗粒总数;

m.——清洁滤层的孔隙率.

由式

（2）可知,对于给定处理量的过滤器,

其滤层的体积一定,而且滤层孔隙率一般也变化不

大,所以,滤层颗粒总比表面积这时主要取决于滤

料粒径d,且与d呈反比关系.

4.核桃壳滤料粒径对滤料颗粒与水中悬浮颗

粒接触的影响

悬浮颗粒要被滤层截留,必须与滤料表面接

触.假定某一悬浮颗粒穿过滤层而不被滤层截留,

其与滤料颗粒所具有的接触次数称作为悬浮颗粒与

滤层可能的接触次数,悬浮颗粒与滤层可能的接触

次数越多,被滤层截留的可能性越大.设悬浮颗粒

穿过单位滤层与滤层可能的接触次数为,,,与很

多因素有关,滤层的比表面积越大,,越大;

滤层

的孔隙尺寸越小,,越大.此外,厂与滤速,温度,

悬浮颗粒本身的特性等因素也有关.由于在容积不

变的条件下,滤料的比表面积随着滤料粒径的减小

而增大,滤层的孔隙尺寸随着滤料粒径的减小而减

小,所以,在其它条件不变的情况下,悬浮颗粒与

滤层可能的接触次数随着滤料粒径的减小而增大.

核桃壳滤料粒径对过滤过程的影响

1.对水流剪力的影响

过滤过程中的水流剪力可简化表示如下【5

=

k,（3）'

mac'

式中——水流剪力,N;

k.——系数,无量纲;

水的运动粘度,Pa?

s;

t空床流速,m/s;

m——滤层孔隙率,百分数,无量纲.

从式（3）可以看出,其它条件不变时,'

水流

剪力的大小和滤层孔隙率与孔隙当量直径的乘积成

反比,假定滤层的孔隙率不变,则水流剪力与孔

隙当量直径关系如图1所示.

图1水流剪力与孔隙当量直径的关系

水流剪力的大小与滤层孔隙当量直径成反比关

系.以.和分别表示清洁滤层的水流剪力和孔

隙尺寸,以和分别表示被吸附的悬浮颗粒从

滤料表面脱附时的水流剪力和孔隙尺寸.当滤料颗

粒的尺寸较小时,清洁滤层的孔隙尺寸比较小,清

洁滤层的水流剪力大.根据反比关系的特点,在

d比较小时,的减小,将引起的快速增加,

会很快使得超过,,过滤失效.如果滤料尺寸过

小,在保持一定的滤速的条件下,可能一开始水流

剪力就会超过,,过滤不能进行.因此,如果滤

料的颗粒尺寸较小,清洁滤层的水流剪力大,并

且,随着过滤的进行,水流剪力增加很快.

2.对滤层水头损失的影响

滤层的水头损失可简化表示为

h=kz（4）

"

yma~

式中——水头损失,m;

2005年第33卷第7期李相远等:

后——系数,无量纲;

广水的密度,kg/m;

f-滤层厚度,m.

由式（4）可以看出,滤料颗粒尺寸对水头损

失的影响与对水流剪力的影响相似,并且,由于

与滤层孔隙当量直径的平方成正比,滤料颗粒尺寸

对水头损失的影响比对水流剪力的影响还要大.

即:

滤料颗粒尺寸小,将使得清洁滤层的水头损失

大,而且,随着过滤的进行,滤层的水头损失增加

很快,会导致过滤很快终止.

3.对含污层厚度与滤层含污量的影响

设悬浮颗粒与滤层可能接触的总次数为,悬

浮颗粒被滤层截留的可能性记为P,则P与有一

定的关系.越大,P越大.从粒径对滤料颗粒与

水中悬浮颗粒接触的影响一节的讨论中可知

T=（5）

如果保持一定,由于滤料颗粒尺寸越小,厂越

大,所需要的滤层厚度就越小.也就是说,滤料颗

粒尺寸越小,悬浮颗粒可能穿过的滤层深度就越

小,从而,滤层含污层厚度就越小,滤层的纳污量

也越小.

4.对过滤周期,滤速,产水量的影响

在滤速,水质等条件不变的情况下,滤料粒径

越小,水流剪力,水头损失增长越快,滤层的含污

量越低,过滤周期就越短.如果要求的水头损失一

定,滤料粒径越小,从式（4）可知,就要降低滤

速.由于滤料粒径越小,滤层的纳污量越低,在进

水水质一定的条件下,可过滤的水量越小,也就是

产水量越小.

5.对滤后水质的影响

在其它条件一定的情况下,悬浮颗粒被滤层截

留的可能性P与悬浮颗粒与滤层可能的接触总次

数是相关的,如果滤层厚度一定,从式（5）可

以看出,取决于厂的大小.而厂是随着滤料粒径

的减小而增大的,因此,在滤层厚度一定的条件

下,减小滤料粒径,有助于保证滤后水质.

核桃壳滤料粒径的选

择与滤层厚度的确定

1.滤料粒径的选择

由上述讨论可知,从保证滤后水质的角度出

发,较小的滤料粒径是有利的.但滤料粒径较小,

对提高滤速,延长过滤周期,提高滤层的产水量,

减缓水头损失的增长都是不利的.因此笔者认为,

尽管目前均质大粒径滤料过滤受到关注,但小粒径

滤料有它的优点,不能无条件地强调使用大粒径滤

料.选择滤料粒径的原则是在保证水质的条件下,

尽量选择较大粒径的滤料.采用较大粒径的滤料可

能出现滤后水质问题,可以采取适当增加滤层厚度

的办法来弥补.就滤层从上至下滤料粒径大小的分

布而言,滤料粒径沿水流方向由大趋小比较好,这

也是目前一致公认的看法,尽管由于实际工程中这

样做还存在一些问题,滤料粒径的这种分布是有它

的优势的.这样做有利于悬浮颗粒进入滤层的较深

处,并且,由于大部分悬浮颗粒被截留在上部孔隙

尺寸比较大的滤层,有利于减缓水头损失的增长.

此外,较小粒径的滤料分布在下层,也有利于保证

滤后水质.就滤料的均匀性而言,当所采用的滤料

粒径比较小时,过分强调粒径的均匀意义不是很

大.因为这种滤料在反冲时,表层的滤料粒径小,

过滤时,只需表层不太厚的滤层发挥作用.笔者认

为,所选择的滤料平均粒径越小,不均匀系数可以

越大,所选择的滤料平均粒径越大,不均匀系数要

越小.

2.滤层厚度

从前面的讨论可看出,滤层厚度与滤料粒径的

关系很大.一般滤料粒径越大,由于单位厚度的滤

料与悬浮颗粒可能的接触次数越小,要求滤层的厚

度就越大.滤料粒径越小,滤层的厚度可以越小.

尽管从理论上讲,采用较大粒径的滤料,可以采取

增加滤层厚度的方法来保证滤后水质,但滤料粒径

过大,含污层过深,反冲洗困难,并且造成滤罐高

度超高,没有多大的实际意义.目前,较大粒径的

均匀滤料粒径大多在0.8～1.2rnnl之间,不均匀

系数后加在1.1～1.3之间,滤层厚1m左右.

结束语

通过以上的讨论,可得出以下几点看法:

（1）提出悬浮颗粒与单位厚度的滤层可能的

接触次数厂这一概念,并指出,悬浮颗粒被滤层截

留的可能性与厂呈正相关系;

（2）较小核桃壳滤料粒径对保证滤后水质有

利,但可能导致水流剪力,水头损失增长过快,产

生滤层的含污量低,过滤周期短,滤速低,产水量

小等问题,一般不利于过滤的进行;

（下转第4o页）

—?

40—?

——石油机械2005年第33卷第7期

图4反洗试验除尘率与粒径分析图

从图3可以看出,过滤分离器对天然气除尘粒

径5ttm的除尘率在85%以上,大粒径的粉尘基本

可以完全除去.由于受到现场条件的影响,试验结

果开始略有波动,经过稳定运行后处理结果稳定,

表明装置运行良好.从图4可以看出,过滤分离器

经过2个月的运行,反冲洗处理过滤分离器后,天

然气除尘粒径在5ttm的除尘率在93%以上,基本

达到滤芯反洗再生的目的,说明过滤分离器的反洗

再生能力强,所选用的滤芯再生性能好.

结论

现场试验表明,可反洗再生天然气过滤分离器

与常规天然气过滤分离器相比,具有以下优点:

（1）新型过滤分离器体积是卧式过滤器的,

质量是卧式过滤器的,制造成本大为下降.

（2）处理能力强.井口来气经过一级旋风分

离器后,在来气气体杂质质量浓度7～8mg/m条

件下,进入可反洗再生天然气过滤分离器处理后,

天然气气体杂质质量浓度仅2～3mg/m,分离效

率达到85%以上.该过滤分离器的应用可大大提

高后续设备脱硫装置的稳定性,避免脱硫装置由于

气体杂质含量过高造成的吸收液发泡,冲塔的事

故,从而保证了脱硫装置的正常运行.,

（3）反洗再生能力强,再生效果好.经过半

年多的正常运行,再生工艺系统运行正常,当进出

口压差达到0.1MPa时,经气水反冲洗再生,进出

口压差恢复到0.O1MPa,达到了滤芯再生的效果,

克服了以往滤芯无法再生的缺点.

据国家计委宏观经济研究院预测,作为清洁能

源之一的天然气将有很大程度的增长,天然气在能

源需求总量中的比例将由1999年的2.8%增长到

2015年的8.2%,在这一前景下,依托于天然气净

化系统和天然气管道输送系统的新型可反洗再生天

然气过滤分离器,其应用前景和经济效益无疑是十

分巨大的.

参考文献

1伍远平,程雁,周孙彪等.油田含油污水精细过滤技

术及装置研究.石油机械,2003,31（增刊）:

5～7

作者简介:

李斌,工程师,生于1968年,1991年毕

业于沈阳建筑工程学院,现从事油田污水处理装备的设计

和销售工作.地址:

（434000）湖北省荆州市沙市区.电

话:

（0716）8121502.

收稿日期:

2加5一o4—15

（本文编辑王志权）

（上接第25页）

（3）在保证滤后水质的条件下,宜选择较大3

粒径的核桃壳滤料;

（4）滤层的厚度随核桃壳滤料粒径的增大而

增大;

（5）核桃壳滤料的平均粒径越小,不均匀系

数可以越大,核桃壳滤料的平均粒径越大,不均匀

系数要越小;

（6）提高滤层的孔隙率对过滤过程是有利的,

但核桃壳粒状滤料的孔隙率在粒径均匀的前提下,主

要取决于滤料颗粒的排列方式,与粒径的关系不大.

1封莉,石杨,陈文兵等.核桃壳滤料用于处理含

油,含浊废水的试验研究.安全与环境,2003,3

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的试验研究.包头钢铁学院,2001,20

（2）:

174

～

177

李相远,工程师,生于1972年,1995年毕

业于石油大学（华东）采油工程专业,现从事技术与投资

管理工作.地址:

（257000）山东省东营市.电话:

（O546）8551033.

2005—04—13

（本文编辑李学富）