CN113101707A - 多级水力自脉冲反冲洗机构、精细过滤器及反冲洗方法 - Google Patents

多级水力自脉冲反冲洗机构、精细过滤器及反冲洗方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种多级水力自脉冲反冲洗机构、精细过滤器及反冲洗方法,其中的反冲洗机构采用多级哑铃型筒体变截面结构设计,产生了多级水力自脉冲反冲洗效应,强化了滤床内滤料颗粒间的碰撞和水流的剪切作用,实现了滤床的高效反冲洗,从而有效解决精细过滤器由于采用较小滤料和较深滤床不能进行有效反冲洗的问题。

Description

多级水力自脉冲反冲洗机构、精细过滤器及反冲洗方法
技术领域
本发明涉及含油污水处理装置及处理方法,尤其涉及一种油田化学驱污水精细过滤装置及方法。
背景技术
国内各主力油田相继进入有效开发中后期,采出液含水率大幅度提高,油田产量递减加速。为有效动用地下可采储量和延长油田经济开发周期,化学驱采油技术经过多年科研攻关和矿场试验,技术日趋成熟,已经在大庆油田推广应用,有效实现提高采收率和原油增产的目的,成为油田稳产的技术保障。
化学驱采出液油水界面张力降低、界面能增大,使油水乳化程度和稳定性增强、采出液中油粒分散微细化,粒径小于10.0um颗粒所占比例逐渐增大,导致油田常规过滤器的过滤效率降低,使水中油和悬浮物大幅度超标,难以达到大庆油田注水水质标准(SY/T5329-2012),是油田致力突破的技术瓶颈之一。
为提高过滤器的过滤精度和效率,采用较小滤料和较深滤床的精细过滤器,取得了较好的效果。然而,随之而来的问题是,常规水力反冲洗技术不能对这种精细滤床进行有效反冲洗,使得精细滤床在油田应用受到限制。
常规水力反冲洗技术是利用反向水流冲洗滤床,使滤床处于流化状态。滤料空间置换作用,产生碰撞和摩擦效应,不断对表面做功,使滤床得到清(冲)洗的技术。也就是,水中自身净重力在反冲洗过程中对外作功,使颗粒表面得到清(冲)洗。一般地,滤料水中自身净重力越大,滤床反冲洗效果越好,反之越差。主要是因为滤料自身净重力与其粒径立方成正比,因此随着滤料粒径减小,其自身净重力呈断崖式递减。因此,对于小粒径的精细滤床,滤料自身净重力较小。反冲洗时,自身净重力对滤料表面做功有限,使得滤料得不到有效清(冲)洗。
因此,寻求一种适合于油田化学驱污水的精细滤床的反冲洗方法,成为油田生产中亟待解决的问题,也是未来的发展趋势和攻关方向。
发明内容
有鉴于此,本发明提供一种水力自脉冲反冲洗机构,解决常规水力反冲洗技术不能对精细过滤器进行有效反冲洗的问题。
同时提供一种精细过滤器,可以实现有效的反冲洗技术。
另外,提供了一种反冲洗方法,应用于精细过滤器,实现对精细过滤器进行有效反冲洗的目的。
第一方面,所述的多级水力自脉冲反冲洗机构,其特征在于,包括:
中心筒体;
所述中心筒体由至少两个中心单元筒串联组成;
所述中心单元筒采用哑铃型结构;
所述哑铃型结构,用于构建水力自脉冲单元;
所述中心筒体串联以在轴向上创建多级所述哑铃型结构;
多级所述哑铃型结构,用于构建多级水力自脉冲体系以强化滤料颗粒间的碰撞和/或水流剪切。
进一步地,所述中心筒体外侧同心设置至少一个外筒体;
所述外筒体由至少两个外单元筒串联组成;
所述外单元筒采用哑铃型结构;
所述外筒体,用于在所述中心筒体的径向上串联至少一个多级哑铃型结构以形成类蜂窝状结构;
所述类蜂窝状结构,用于构建多个所述多级水力自脉冲体系。
进一步地,从所述中心单元筒至最外侧的所述外单元筒之间的径向间距依次缩小。
第二方面,一种精细过滤器,包括容器,其特征在于:
所述容器内设有所述的多级水力自脉冲反冲洗机构。
进一步地,所述容器内分为配水区、反冲洗区及集水区;
所述多级水力自脉冲反冲洗机构置于所述反冲洗区内;
所述配水区内设有配水机构;
所述配水机构,用于将反冲洗水均匀分配于所述容器内;
所述集水区内设有收集机构;
所述收集机构,用于收集并排除反冲洗废水。
进一步地,所述配水机构包括:
进水管及配水器;
所述进水管连接在所述容器的底部;
所述配水器与所述进水管连接,用于将输入所述进水管的所述反冲洗水均匀分配在所述容器内。
进一步地,所述配水器的上方设置筛板;
所述筛板,用于隔离所述容器内的滤料颗粒进入所述配水器。
进一步地,所述收集机构包括:
出水管及集水机构;
所述集水机构与所述出水管连接,用于收集所述反冲洗废水;
所述出水管,用于将所述反冲洗废水从所述容器上方排出;
以及/或,
所述容器,包括上封头、筒体及下封头;
所述水力自脉冲反冲洗机构安装在所述筒体内。
第三方面,一种反冲洗方法,其特征在于,包括:
所述的精细过滤器。
进一步地,利用所述精细过滤器内的所述水力自脉冲反冲洗机构构建至少一个所述多级水力自脉冲,以在滤床内形成亚流化与超流化的瞬变过渡状态;
所述亚流化与超流化的瞬变过渡状态,用于促进滤料颗粒间的碰撞和摩擦以使所述滤料得到有效冲洗。
本发明具有如下有益效果:
本发明的水力自脉冲反冲洗机构置于过滤器的反冲洗区,反冲洗区是滤床进行反冲洗的核心区域,由于反冲洗机构采用多级哑铃型筒体变截面结构设计,产生了多级水力自脉冲反冲洗效应,强化了滤床内滤料颗粒间的碰撞和水流的剪切作用,实现了滤床的高效反冲洗,从而有效解决精细过滤器由于采用较小滤料和较深滤床不能进行有效反冲洗的问题。
附图说明
通过以下参考附图对本发明实施例的描述,本发明的上述以及其它目的、特征和优点更为清楚,在附图中:
图1是本发明实施例精细过滤器的结构示意图;
图2是图1中的A-A剖视图;
图3是本发明实施例多级水力自脉冲反冲洗机构的结构示意图;
图4是本发明实施例中心单元筒构建水力自脉冲单元的原理示意图;
图5是本发明实施例水力自脉冲单元流速变化示意图;
图中:进水管1、下封头2、配水系统3、筛板4、筒体5、中心筒体6、第一外筒体7、第二外筒体8、滤料颗粒9、上封头10、集水系统11、出水管12;内部自脉冲区Ⅰ、中间自脉冲区Ⅱ和外部自脉冲区Ⅲ。
具体实施方式
以下基于实施例对本发明进行描述,但是值得说明的是,本发明并不限于这些实施例。在下文对本发明的细节描述中,详尽描述了一些特定的细节部分。然而,对于没有详尽描述的部分,本领域技术人员也可以完全理解本发明。
此外,本领域普通技术人员应当理解,所提供的附图只是为了说明本发明的目的、特征和优点,附图并不是实际按照比例绘制的。
同时,除非上下文明确要求,否则整个说明书和权利要求书中的“包括”、“包含”等类似词语应当解释为包含的含义而不是排他或穷举的含义;也就是说,是“包含但不限于”的含义。
图1是本发明实施例精细过滤器的结构示意图;图2是图1中的A-A剖视图;图3是本发明实施例多级水力自脉冲反冲洗机构的结构示意图;图3所示的本实施例的多级水力自脉冲反冲洗机构,应用在图1及图2所示的精细过滤器中。
具体地,结合图1-3所示,本实施例的多级水力自脉冲反冲洗机构,包括中心筒体6,该中心筒体6由多个中心单元筒串联组成,每个中心单元筒6采用哑铃型结构,哑铃型结构用于构建水力自脉冲单元;多个中心单元筒6相互串联形成多级所述哑铃型结构,而多级所述哑铃型结构可以在轴向上构建多级水力自脉冲体系,在多级水力自脉冲的作用下可以强化滤料颗粒间的碰撞和/或水流剪切,达到对滤床进行高效反冲洗目的,从而有效解决精细过滤器由于采用较小滤料和较深滤床不能进行有效反冲洗的问题。
在图1及图2中,在中心筒体6外侧,与中心筒体6同心设置有第一外筒体7及第二外筒体8;其中,第一外筒体7及第二外筒体8也分别由若干外单元筒串联组成,每个外单元筒的结构同样采用哑铃型结构;如此,在中心筒体6与第一外筒体7之间,及第一外筒体7与第二外筒体8之间,分别构建了第二个多级哑铃型结构及第三个多级哑铃型结构,这三个多级哑铃型结构在径向上相互串联而成为一种类蜂窝状结构,而这种类蜂窝状结构则相应构建了多个多级水力自脉冲体系,在多个多级水力自脉冲体系的作用下,可以达到更加高效的反冲洗目的。
图4是本发明实施例中心单元筒构建水力自脉冲单元的原理示意图;图5是本发明实施例水力自脉冲单元流速变化示意图;在图4及图5中,哑铃型结构的中心单元筒腔体,呈“两端粗、中间细”结构形态,具有上端口Y0及下端口-Y0,在上端口Y0及下端口-Y0之间为哑铃型结构的喉部;结合图1所示,在喉部处,反冲洗水流速达最大值V0;在上端口及下端口处,反冲洗水流速为最小值VM;在喉部上侧,反冲洗水流速逐渐减小,由最大值V0降到最小值VM;在喉部下侧,反冲洗水流速逐渐增大,由最小值VM升到最大值V0。
流态化滤床孔隙率ε与反冲洗水流速V间关系用Richardson-Zaki方程表达,即
Figure 113095DEST_PATH_IMAGE002
其中:VP为滤料颗粒在水中自由沉降速度,符合Stokes定律;n为与雷诺数Re有关的指数(2.39≤n≤4.45)。
因此,滤床孔隙率ε与反冲洗水流速V成正比关系。即在腔体喉部处,反冲洗水流速达最大值V0,滤床处于超流化状态,滤床孔隙率ε达最大值;在腔体上端口Y0及下端口-Y0处,反冲洗水流速处于最小值VM,滤床处于亚流化状态,滤床孔隙率ε为最小值;在喉部上侧的腔体内,由下至上滤床孔隙率ε逐渐减小,滤床流态化率降低,流化滤床整体密度增大;在中间喉部处,滤床孔隙率ε最大,滤床流态化率最大,流化滤床整体密度最小。
由于喉部上侧腔体内流化滤床密度大,喉部流化滤床密度小,因此形成了喉部上侧腔体和喉部处流化滤床间的密度差;同理,在喉部下侧腔体与喉部之间也形成了密度差。如此,反冲洗水流速在哑铃型腔体内呈先增大后减小的变化规律,使滤床处于亚流化和超流化的不稳定状态,其中,亚流化状态是指流化滤床膨胀程度低,处于未完全流态化状态,滤料颗粒接触紧密、颗粒碰撞剧烈。而超流化状态是指流化滤床膨胀程度较大,处于过度流态化状态,滤料颗粒呈离散分布、颗粒碰撞剧烈。由于滤床处于“亚流化-超流化-亚流化”瞬变过渡状态,形成了局部脉动微循环,构建了水力自脉冲单元。
由于边壁效应,流化滤床截面的中间流化程度较高,边壁流化程度较低,形成以截面的中心线为核心一簇脉动微循环,其左半区方向为顺时针方向,其右半区方向为逆时针方向。
由于每个哑铃型腔体均能建立水力自脉单元冲,因此,多个哑铃型腔体串联的空间结构布局,构建了多级水力自脉冲,极大地强化了滤料颗粒间碰撞和水流的剪切作用,从而使滤料获得高效的反冲洗。
在图1中,所述的多级水力自脉冲反冲洗机构,中心筒体6、第一外筒体7及第二外筒体8之间的间距依次缩小。
安装有多级水力自脉冲反冲洗机构的精细过滤器,如图1及图2所示,包括由上封头2、筒体5及下封头10组成的容器内,在该容器内分为空间上叠置的配水区、反冲洗区和集水区。
其中,配水区内,将反冲洗水均匀分配于滤床截面,防止流化床产生沟流和偏流现象;反冲洗区是滤床进行反冲洗的核心区域;集水区内将均匀收集和排除反冲洗废水。
在图1中,配水区设有配水机构,所述配水机构包括进水管1及配水器3;其中,进水管1连接在下封头10的底部,配水器3与进水管1的出口连接,配水器3将输入进水管1的反冲洗水均匀分配在容器内。
在图1中,配水器3的上方设置筛板4,所述筛板4的作用是隔离分布在容器内的滤料9的颗粒进入配水器3内,以免滤料9堵塞配水器3,影响配水器3的均匀配水效果。
在图1中,集水区设有收集机构,所示收集机构包括出水管12及集水机构13;集水机构13与出水管12的入口连接,集水机构13收集漂浮在容器内的反冲洗废水,并使反冲洗废水从上封头2的上方排出。
在图1中,所述容器包括上封头2、筒体5及下封头10,筒体5的中部为反冲洗区,在该反冲洗区设置所述的水力自脉冲反冲洗机构。
图1结合图2所示,所述反冲洗区内,在筒体5的中心设有中心筒体6,与该中心筒体6同心嵌套设有第一外筒体7及第二外筒体8。中心筒体6所辖柱状空间,构成内部自脉冲区Ⅰ;中心筒体6与第一外筒体7之间所辖环形空间,构成中间自脉冲区Ⅱ;第一外筒体7与第二外筒体8之间所辖环形空间,构成外部自脉冲区Ⅲ。内部自脉冲区Ⅰ、中间自脉冲区Ⅱ和外部自脉冲区Ⅲ的两端均与配水区和集水区自然融合,实现功能区的物质交换和水力联系。
在反冲洗区域,滤床宏观上处于流化状态,滤床整体膨胀度为25-35%。在局部区域上,由于中心筒体6采用多级哑铃型结构,其截面积在纵向上呈“大-小-大”的变化趋势,从而使此时滤床处于“亚流化-超流化-亚流化”的瞬变过渡状态,导致流化滤床膨胀程度不同,在滤床由“亚流化-超流化-亚流化”的过渡过程中,构建了多级水力自脉冲反冲洗循环系统,强化了滤料颗粒间的碰撞和摩擦作用。
另外,中心筒体6外的第一外筒体7及第二外筒体8也采用多级哑铃型结构,且各个筒体采用同心嵌套的布置形式,从而形成了立体蜂窝状结构;如此,在轴向上构建了多级水力自脉冲循环,在径向上分布有多个多级水力自脉冲循环,在多个多级水力自脉冲循环的作用下,使得滤床的反冲洗行为更加有组织、反冲洗效率更高、反冲洗效果更好。
以上所述实施例仅为表达本发明的实施方式,其描述较为具体和详细,但并不能因此而理解为对本发明专利范围的限制。应当指出的是,对本领域的普通技术人员来说,在不脱离本发明构思的前提下,还可以做出若干变形、同等替换、改进等,这些都属于本发明的保护范围。因此,本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (10)

1.一种多级水力自脉冲反冲洗机构,其特征在于,包括:
中心筒体;
所述中心筒体由至少两个中心单元筒串联组成;
所述中心单元筒采用哑铃型结构;
所述哑铃型结构,用于构建水力自脉冲单元;
所述中心筒体串联以在轴向上创建多级所述哑铃型结构;
多级所述哑铃型结构,用于构建多级水力自脉冲体系以强化滤料颗粒间的碰撞和/或水流剪切。
2.根据权利要求1所述的水力自脉冲反冲洗机构,其特征在于:
所述中心筒体外侧同心设置至少一个外筒体;
所述外筒体由至少两个外单元筒串联组成;
所述外单元筒采用哑铃型结构;
所述外筒体,用于在所述中心筒体的径向上串联至少一个多级哑铃型结构以形成类蜂窝状结构;
所述类蜂窝状结构,用于构建多个所述多级水力自脉冲体系。
3.根据权利要求2所述的水力自脉冲反冲洗机构,其特征在于:
从所述中心单元筒至最外侧的所述外单元筒之间的径向间距依次缩小。
4.一种精细过滤器,包括容器,其特征在于:
所述容器内设有权利要求1-3所述的多级水力自脉冲反冲洗机构。
5.根据权利要求4所述的精细过滤器,其特征在于:
所述容器内分为配水区、反冲洗区及集水区;
所述多级水力自脉冲反冲洗机构置于所述反冲洗区内;
所述配水区内设有配水机构;
所述配水机构,用于将反冲洗水均匀分配于所述容器内;
所述集水区内设有收集机构;
所述收集机构,用于收集并排除反冲洗废水。
6.根据权利要求5所述的精细过滤器,其特征在于,所述配水机构包括:
进水管(1)及配水器(3);
所述进水管(1)连接在所述容器的底部;
所述配水器(3)与所述进水管(1)连接,用于将输入所述进水管(1)的所述反冲洗水均匀分配在所述容器内。
7.根据权利要求5所述的精细过滤器,其特征在于:
所述配水器(3)的上方设置筛板(4);
所述筛板(4),用于隔离所述容器内的滤料颗粒进入所述配水器(3)。
8.根据权利要求5-7任一项所述的精细过滤器,其特征在于,所述收集机构包括:
出水管(12)及集水机构(13);
所述集水机构(13)与所述出水管(12)连接,用于收集所述反冲洗废水;
所述出水管(12),用于将所述反冲洗废水从所述容器上方排出;
以及/或,
所述容器,包括上封头(2)、筒体(5)及下封头(10);
所述水力自脉冲反冲洗机构安装在所述筒体(5)内。
9.一种反冲洗方法,其特征在于,包括:
权利要求5-8任一项所述的精细过滤器。
10.根据权利要求9所述的反冲洗方法,其特征在于:
利用所述精细过滤器构建至少一个所述多级水力自脉冲,以在滤床内形成亚流化与超流化的瞬变过渡状态;
所述亚流化与超流化的瞬变过渡状态,用于促进滤料(9)颗粒间的碰撞和摩擦以使所述滤料(9)得到有效冲洗。
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