已知條件：來水流量Q=1m³/h，來水含油≤100mg/L,含懸浮物≤100mg/L,處理后出水含有≤20mg/L，含懸浮物≤20mg/L^[1]。

1.1濾料粒徑

    濾料粒徑對連續(xù)式砂濾器的處理效果有重要影響，連續(xù)式砂濾器一般采用單一粒徑的石英砂濾料。根據(jù)相關(guān)文獻^[2]，處理含油廢水及含有易粘結(jié)物質(zhì)的原水時，通常使用有效直徑為1.2mm、均質(zhì)系數(shù)為1.4的均質(zhì)石英砂。

1.2濾層高度

    砂層過低會導致一些微絮體及與濾料結(jié)合力較弱的物質(zhì)不能被砂層截留，隨出水流出；砂層過高易形成沙錐，堵住洗沙器的出砂口，反應(yīng)器內(nèi)的砂沖洗不完全，后期出水SS濃度偏高。為達到有效的過濾高度，濾床厚度可取0.8-1.4m。^[1]本設(shè)計選擇0.8m。

1.3濾速

    根據(jù)相關(guān)文獻^{[2] [3]}，建議內(nèi)循環(huán)連續(xù)式砂濾器的過濾速度小于12m/h。本設(shè)計選擇濾速ν=8 m/h。

1.4砂循環(huán)速率

    指石英砂濾料在過濾器內(nèi)單位時間的下移距離，單位是mm/min。這對于濾層的清潔及穩(wěn)定工作至關(guān)重要。相關(guān)研究表明^[4]，砂循環(huán)速率在2-4mm/min時，過濾出水水質(zhì)穩(wěn)定。

1.5壓縮空氣氣壓、氣量對出水水質(zhì)的影響

   當壓縮空氣壓力在0.3-0.5MPa時，保證提砂管內(nèi)的氣水比為9-11時，砂濾器可以處于一種穩(wěn)定的運行狀態(tài)，濾料得到有效的清洗，反沖洗水量合理，處理出水水質(zhì)較好^[3]。

1.6 反沖洗水量確定^[5]

    相關(guān)研究結(jié)論，沖洗水量是提砂量的1.5-2倍，濾料的清洗效果較好。為保證過濾效果及裝置運行的經(jīng)濟性，在滿足對濾料有效清洗的條件下，沖洗水的流量應(yīng)在過濾水量的5%-10%。

    根據(jù)相關(guān)研究數(shù)據(jù)標明，空氣壓力為0.3MPa時，空氣量為0.48 m³/h，提砂水量為0.052 m³/h，，氣水比為9.2；故此實驗選擇空氣壓力為0.3MPa，空氣量為0.48 m³/h，提砂水量為0058 m³/h。

2.流砂過濾器設(shè)計計算書

2.1 流砂過濾器選擇

外循環(huán)式砂濾器簡化了內(nèi)部結(jié)構(gòu)，增大了過濾面積，便于檢查和維修，提砂管不易堵塞。但耗費能量較大。

本設(shè)計采取內(nèi)循環(huán)式砂濾器。

2.2 內(nèi)循環(huán)流砂過濾器主體尺寸計算

2.2.1 砂濾器直徑和截面積計算

ν=Q/A                              (2-1)

式中：ν：濾速，m/h，ν=8 m/h；

      Q：設(shè)計流量，m³/h，Q=1 m³/h;

      A: 濾罐橫截面積，m²。

       則A=Q/ν=1/8=0.125 m²

      又 A=0.785Ф²                                                      (2-2)

          Ф²=A/0.785

          Ф=0.399m

  圓整后取Ф=0.4m

由以上計算得，設(shè)計的流砂過濾器的直徑Ф=400mm。

2.2.2 流砂過濾器高度計算

高度石油各部分的高度值和來確定的，從結(jié)構(gòu)上看，砂濾器由支腿、下封頭、上封頭和罐體這四部分組成^[6]。

2.2.2.1 下封頭尺寸計算

根據(jù)《JB/T 4746-2002 鋼制壓力容器用封頭》的規(guī)定以及本砂濾器的設(shè)計要求，選擇折邊錐形封頭CHB，由砂濾器直徑Ф=400mm可CHB型封頭總高度為H₁=250mm，容積V=0.0145m³。根據(jù)相關(guān)文獻^[8]，砂濾器的錐殼半頂角應(yīng)小于60^。，本設(shè)計選擇錐殼半頂角α=45^。。封頭與罐體采用法蘭螺栓連接方式，便于內(nèi)部檢修。見下圖2-1。

圖2-1 CHB折邊錐形封頭

2.2.2.2 支腿的高度計算

根據(jù)《JB/T 4713-1992 腿式支座》的規(guī)定以及本砂濾器的設(shè)計要求，得知砂濾器的支腿最大支撐高度為800mm，本設(shè)計選擇H₂=500mm。選擇A型腿式支座，設(shè)置3個支腿，呈120⁰布置。具體尺寸見圖2-2。支腿的上端應(yīng)與砂濾器罐體的下封頭斜邊中間位置焊接。

2.2.2.3 上封蓋的設(shè)計計算

    為便于檢維修及場地情況，上封頭采取平板封蓋，頂上有開孔，與罐體采用螺栓連接。平板封頭的厚度要比罐體的壁厚大一些，定為比壁厚大3mm。

    砂濾器為壓力容器，材料選擇Q235A-F，其最小厚度δ_min主要是考慮工藝要求和運輸安裝過程中的剛度要求，根據(jù)《GB150-1998 鋼制壓力容器》內(nèi)壓圓通壓力容器的計算壁厚公式：

                                          （2-3）

式中： P：計算壓力，MPa，P=0.6Mpa；

      Ф：圓筒直徑，mm；

      ：設(shè)計溫度下圓筒材料的需用壓力，MPa， =113MPa；

：焊接接頭系數(shù)，對熱套圓筒取 =1.0 ；

δ：圓筒的計算厚度，mm。

根據(jù)相關(guān)文獻規(guī)定，輕微腐蝕，腐蝕速率在0.05-0.13mm/a，腐蝕裕量≥1mm。此處選擇該砂濾器的腐蝕裕量為C₁=1mm。

則設(shè)計厚度δ_d=δ+C₁=1.065+1=2.065mm

考慮材料的負偏差后，取設(shè)計厚度δ_d=3mm。

由此可得，上封蓋的厚度H₃=δ_d+3=6mm。

2.2.2.4 砂濾器的罐體高度計算

罐體的高度由其內(nèi)部的各部分高度確定。

砂濾器的內(nèi)部由空氣提升泵、布水器、濾床、洗砂器、洗砂出水口、進水口、濾液出口等部分組成。

2.2.2.4.1 導砂器

導砂器為圓錐結(jié)構(gòu)，起到均勻布砂的作用，底面與砂濾器罐體底部之間有著一定的距離，該距離為200mm為宜。結(jié)合砂濾器直徑，定導砂器底面直徑為Ф₁=280mm。

導砂器高度

則此部分高度H₄=h+200=280mm。

2.2.2.4.2 濾床高度計算

濾料選擇石英砂，濾料層為單層，石英砂粒徑為0.5-1.2mm，根據(jù)相關(guān)文獻，濾層高度一般是粒徑的700-900倍，故本設(shè)計選擇濾床高度H₅=800mm。

2.2.2.4.3 洗砂器設(shè)計及計算

在濾床的上面有濾料反洗膨脹層，該高度一般為濾料層的1/2。故此部分高度H₆=400mm，此部分設(shè)有洗砂器和砂水分離器，砂水分離器位于洗砂器上方，上面與頂蓋留出一部分距離，以保證頂部空氣提砂管與濾后出水不互相影響，定為留出H₇=50mm的高度。其中洗砂器高度H₈=300mm，直徑DN₁=80，在洗砂器內(nèi)部由交叉的薄板焊接而成，材料選擇不銹鋼，薄板寬度為21mm，向下傾斜45^。。

2.2.2.4.4 砂水分離器（洗砂槽）設(shè)計及計算

洗砂槽的直徑DN₂=200mm，高度H₈=100mm，洗砂槽處理過的廢水經(jīng)過一個反洗堰由反洗出水管流出，反洗堰為一個底面為邊長L=60mm的正方形的長方體，處理水從洗砂槽經(jīng)過高為60mm的濾網(wǎng)流出反洗堰，然后從反洗出水管排出。見圖2-5。

流砂過濾器高度：H=H₂+H₃+H₄+H₅+H₆+H₇=500+6+280+800+400+50=2036mm

為了保護砂濾器的正常運行，濾床的高度應(yīng)相對高出其設(shè)計高度，所以可以加高砂濾器的罐體高度，最后確定砂濾器總高度H=2200mm。

所以，設(shè)計的內(nèi)循環(huán)流砂過濾器的直徑Ф=400mm，高H=2200mm。

2.3 進、出水管線、反洗出水管線及環(huán)空流道設(shè)計及計算

2.3.1 進、出水管線及反洗出水管線設(shè)計

2.3.1.1 進水管線

    進水管線位于罐體側(cè)面，距頂端280mm處，根據(jù)流量Q=1 m³/h，查《給水排水設(shè)計手冊 第1冊 常用資料》，選擇進水管線尺寸為DN40。并在管線合適位置安裝流量計、壓力表等。

2.3.1.2 濾后出水管線

與進水管線尺寸相同都為DN40，位于進水管線上方150mm處，與過濾出水堰連接，出水堰高度設(shè)為100mm，半圓弧形結(jié)構(gòu)，寬度為80mm。

2.3.1.3 反洗出水管

選擇反洗出水管尺寸為DN32，與罐頂相距216mm，與反洗出水堰連接，且與濾后出水管線相對布置。

2.3.2 提砂管及環(huán)空流道設(shè)計

2.3.2.1 提砂管設(shè)計

根據(jù)相關(guān)文獻^[12]，提升裝置管徑與過濾器直徑之比在1:18-1:25之間時提砂效果最好。本設(shè)計過濾器直徑Ф=400mm，所以提砂管的直徑D=16-22mm，此處選擇D=20mm。即提砂管的直徑D=20mm。長度根據(jù)實際進行選擇，本設(shè)計選為1744mm。

2.3.2.2進水環(huán)空流道設(shè)計

    進水量布滿在進水環(huán)空流道內(nèi)，為了滿足管道的流量和流速的設(shè)計。應(yīng)滿足下式：

              （2-4）

其中，提砂管直徑D=20mm；進水管直徑D_進水=40mm。

則

圓整后取D₁=50mm。

即 進水換空流道直徑為50mm，長度根據(jù)實際選為735mm。

2.4 布水器設(shè)計計算

    布水器是在一定的工作面積上按照一定規(guī)律布置水量，常見的布水器有噴頭、穿孔管、旋轉(zhuǎn)布水器。本設(shè)計結(jié)合實際選擇穿孔管布水器。穿孔管布水器由干管、支管、布水孔組成^[13]，其中支管呈十字形分布，以干管為中心放射狀鋪開，布水孔的孔徑等大并沿筒體徑向孔距逐漸減小。

2.4.1 干管

干管流量即為進水管流量Q=1m³/h。

2.4.2 支管

       單個支管流量：q=Q/4=1/4=0.25m³/h=6.9×10^-5m³/s    (2-5)

       支管直徑選擇dz=20mm

       支管的橫截面積Sz=0.785dz²=0.000314m²             (2-6)

       支管流速v=q/Sz=0.22m/s                         (2-7)

2.4.3 布水孔設(shè)計及計算

2.4.3.1布水孔相關(guān)計算

         濾床的橫截面直徑Ф=400mm。

布水器中間環(huán)管直徑為50mm。

則過濾總面積S₀：

       (2-8)

開孔率β：支管布水孔的總面積與過濾總面積之比。根據(jù)相關(guān)文獻^[14]，β一般在0.2%-0.28%或者0.2%-0.25%之間，本設(shè)計選取β=0.24%。

布水孔的總面積S_b=β×S₀=0.24%×123637.5mm² =296.73    (2-9)

布水孔直徑d_b=6mm

則 單個布水孔面積S_b1=0.785×d_b²=28.26mm²       (2-10)

由此可得：

布水孔總數(shù)N=S_b/ S_b1=296.73/28.28=10.5=10個  (2-11)

則每根支管布孔數(shù)n=N/4=2.5                    (2-12)

圓整后取n=3個。

2.4.3.2 布水孔設(shè)置

假設(shè)污水在每個布水孔的速率相等，則每個孔的出水量相等，要使濾層橫截面上布水均勻，那么每個布水孔所分配的濾層橫截面的面積相等^[8]。也即第一圈布水孔與環(huán)形流道所含面積之差應(yīng)與第二圈布水孔與第一圈布水孔所含面積之差相等，并等于第三圈布水孔與第二圈布水孔所含面積之差。

S₁=S₀/3=123637.5/3=41212.5              (2-13)

                           (2-14)

                           (2-15)

D₁₁：第一圈布水孔所圍成圓的直徑，mm；

D₂₂：第二圈布水孔所圍成圓的直徑，mm；

D₃₃：第三圈布水孔所圍成圓的直徑，mm，D₃₃=Ф=400mm；

則可知：

D₁₁=234.52=234mm

D₂₂=327.49=328mm

每個布水孔距離圓心的距離分別為：

d₁₁= （D₁₁+D₁）/4=(234+50)/4=71mm

d₂₂= (D₁₁+ D₂₂)/4=(234+328)/4=140.5=141mm

d₃₃=(Ф+ D₂₂)/4=(400+328)/4=182mm

布水孔的具體位置見圖2-6。

在實際制作砂濾罐時，可以將布水孔數(shù)量適當增加以滿足實驗要求。

2.5 空壓機及氣管線設(shè)計計算

2.5.1 空壓機選擇

根據(jù)相關(guān)研究數(shù)據(jù)標明，空氣壓力為0.3MPa時，空氣量為0.48 m³/h，提砂水量為0.052 m³/h，，氣水比為9.2；故此實驗選擇空氣壓力為0.3MPa，空氣量為0.48 m³/h，提砂水量為0058 m³/h。

    選擇空壓機壓力范圍為0-1.0MPa，流量范圍為0-1m³/h。

2.5.2 氣管線設(shè)計

    使用氣嘴進行釋放氣體時易造成氣嘴堵塞，本設(shè)計不使用氣嘴，直接將供氣管線與提砂管連接，供氣管線選擇DN10，與提砂管縱向成30⁰夾角安裝，以防止空氣在提砂管內(nèi)向下流動從而降低提砂效率。

3 材料表

4 設(shè)備表