核桃壳过滤器反冲洗过程数值模拟及参数优化
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摘 要：核桃壳过滤滤层的反冲洗，是实现滤料再生的有效途径，为了对反冲洗过程流场进行分析，并确定合理的反冲洗强度，基于拽力理论，建立了核桃壳过滤器反冲洗数学模型，分别模拟了7种反冲洗强度（6、7.5、9、10.5、12、13.5、15 L·s-1·m-2）条件下的反冲洗流程，分析了反冲洗出水含油量、悬浮固体杂质含量随时间的变化关系，以最小耗水量为目标，最终确定了最优的反冲洗强度。
关 键 词：核桃壳过滤器;模拟;反冲洗强度
中图分类号：TE8 文献标识码： A 文章编号： 1671-0460（2020）05-0907-03
Abstract： The backwashing of the walnut shell filter layer is an effective way to realize the regeneration of the filter material. In order to analyze the flow field of the backwashing process and determine the reasonable backwashing intensity， based on the drag theory， the backwashing mathematical model of the walnut shell filter was established. The backwashing process under seven kinds of backwashing intensity conditions （6， 7.5， 9， 10.5， 12， 13.5， 15 L·s-1·m-2） was respectively simulated by the model. The relationship between the oil content of the backwashing effluent and the content of suspended solid impurities with time was analyzed. Taking the minimum water consumption as the target， the optimal backwashing intensity was finally determined.
Key words： Walnut shell filter; Simulation; Backwashing intensity
核桃殼过滤器是油田污水处理系统最常用的水处理设备。核桃壳滤层的反冲洗，是实现核桃壳滤料再生的一个有效途径[1]。
一直以来，核桃壳过滤器反冲洗参数选择主要根据现场经验，对于反洗过程的影响因素认识不清楚，缺乏科学依据，导致反冲洗效果不佳[2]。
本文将拽力理论与Mixture模型相结合，建立了核桃壳滤层的反冲洗模型，采用Fluent模拟软件，对核桃壳过滤器反冲洗过程进行了多相瞬态模拟，分析了不同反洗强度的耗水量，最终得出最佳反冲洗强度。为核桃壳过滤器的研究提供基础理论和研究方法。
1 核桃壳过滤器几何模型
以油田常用直径为4 m的核桃壳过滤器为原型，其结构如图1（a）所示。主体过滤部分包括过滤层和承托层，过滤层填设一定粒径和厚度组合的滤料，集水筛管下方的承托层则由大粒径的砾石进行填充，反冲洗水通过过滤器底部集水管汇入，滤后水则从过滤器顶部布水管汇集排出。为了研究反洗强度对反洗效果的影响规律并简化分析，假设过滤器反冲洗水可实现在底部集水管均匀布水，建立如图1（b）所示的简化三维几何模型，滤层高度取1.3 m。
2 核桃壳过滤器反冲洗动力学模型
2.1 模拟模型的建立
核桃壳过滤器的反冲洗过程是由水、油滴、悬浮固体杂质和核桃壳组成的固液多相流体系，采用Mixture模型能够较准确的模拟其内部流场[3]。核桃壳滤料在反冲洗过程中，当沉积在滤料表面的油滴和悬浮固体杂质所受的水力剪切作用大于油滴和悬浮固体杂质与滤料表面的结合强度时，油滴和悬浮固体杂质将发生剥离，为了准确描述油滴和悬浮固体杂质的受力和运动过程，将拽力理论与Mixture模型相结合，得到反冲洗模拟模型。
2.2 几何模型及算法设置
利用ICEM生成上述过滤器物理模型的结构网格，同时，在网格划分中，对滤料层区域的网格进行适度加密，以充分地再现过滤流场的分布与演变特征，网格数152 642个，并对网格进行了无关性验证，如图2所示为过滤器的网格剖分。
根据污水反冲洗过程实际特征，模拟计算时，反冲洗水给定速度入口，出口边界采用自由出口;选择Fluent软件中的SIMPLE算法。另外，对于过滤过程模拟中流场特征量的计算采用有限体积法进行离散[7]。
根据《油田水处理过滤器》（SY/T 0523-2008），核桃壳过滤器反冲洗强度推荐取值范围为6～15 L·s-1·m-2，故本文模拟了7种反冲洗强度（6、7.5、9、10.5、12、13.5、15 L·s-1·m-2）条件下的反冲洗流程。
3 反洗过程数值模拟
3.1 反洗出水水质特性
基于建立的核桃壳过滤器反冲洗过程的数学模型，借助FLUENT软件的计算，得到核桃壳过滤器的油滴杂质分布云图和悬浮固体杂质分布云图分别如图3和图4所示。可以看出，滤层中的油滴和悬浮固体杂质被反冲洗水冲起，并聚集在过滤器反冲洗水出口，随着反洗时间的增加，过滤器内油滴和悬浮固体杂质的体积分数在减小，符合现场实际情况。 3.2 反冲洗强度优化
在验证模型可靠性的基础上，开展了反洗强度对反洗效果的影响情况分析，分别模拟了7种反洗强度（6、7.5、9、10.5、12、13.5、15 L·s-1·m-2）条件下的反洗流程，得到了不同反洗强度核桃壳过滤器出口断面含油量、悬浮固体杂质含量随时间的变化关系分别如图5和图6所示，随反洗强度的增加，反洗水出口断面含油量和悬浮固体含量降低。
当出水含油量低于100 mg/L（体积分数为1.25×10-4 m3/m3）且悬浮固体杂质含量低于50 mg/L（体积分数为5.0×10-5 m3/m3）时，认为滤层清洁干净。综合考虑含油量、悬浮固体颗粒的要求，确定了不同反洗强度下核桃壳过滤器的耗水量如表1所示。随反洗强度的增加，耗水量逐渐增大。反洗强度为6.0～7.5 L·s-1·m-2时，耗水量较小，为72 345～84 780 L。基于單个反洗周期的耗水量对不同反洗强度核桃壳过滤器的过滤效果进行评价，最终得到核桃壳过滤器的最优反洗强度为6.0～7.5 L·s-1·m-2。
4 结 论
（1）基于拽力理论，考虑核桃壳滤料与油滴、悬浮固体杂质间的相互作用，建立了核桃壳过滤器反冲洗数学模型。
（2）随反冲洗进行，反冲洗出水中油滴和悬浮固体杂质体积分数逐渐较小且主要聚集在反冲洗水出口处。反冲洗强度增加，过滤器内残留油滴和悬浮固体颗粒浓度减小，但反冲洗耗水量增加。
（3）基于单个反洗周期的耗水量对不同反洗强度核桃壳过滤器的过滤效果进行评价，最终得到核桃壳过滤器的最优反洗强度为6.0～7.5 L·s-1·m-2，为核桃壳过滤器反冲洗参数的选择提供了科学依据。
参考文献：
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[4]李景海， 刘清霞， 翟国亮， 蔡九茂， 张文正. 基于颗粒流理论的微灌砂滤层反冲洗过程砂粒速度场模拟[J]. 农业工程学报， 2018， 34（22）： 78-83.
[5]李景海， 蔡九茂， 翟国亮， 刘清霞， 张文正. 基于砂滤层内水体积分数瞬态模拟的反冲洗速度优选[J]. 农业工程学报， 2018， 34（02）： 83-89.
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