毕业设计（论文）-大处理量搅拌冲洗式过滤器设计.doc

本科毕业设计（论文） 题目：大处理量搅拌冲洗式过滤器设计题目：大处理量搅拌冲洗式过滤器设计 学学 院院 机械与汽车工程学院机械与汽车工程学院 专专 业业 过程装备与控制工程过程装备与控制工程 学生姓名学生姓名 学生学号学生学号 指导教师指导教师 提交日期提交日期 20142014 年年 6 6 月月 4 4 日日 I 摘要摘要 随着开采石油的不断深入，我国大多数油田已进入高产水期，一般的含水率在 80%以 上，在经过原油脱水工艺处理后,水中尚含有油、可溶性有机物、固体颗粒、细菌、无机 离子等，它们的存在使得采出水中悬浮物、油等含量偏高，不仅不能满足排放水质指标， 也没办法达到采出水回注地层的水质要求。这就意味着需要对油田采出水进行行之有效处 理才能使污水达到采出水回注的要求，因此，对油田污水过滤处理设备的设计便有着极大 的发展前景。 本文通过对大处理量搅拌冲洗式过滤器的设计，以期待能够在采出水处理工艺中有所 帮助。在本次过滤器设计中，经特殊处理的核桃壳，由于表面积大，吸附能力强，去除率 高等特点，被选为过滤器介质。通过查找相关资料及长期调研的过程中，发现在核桃壳过 滤器设置搅拌器能够非常有效地清洗掉滤料表面上的油污，它的作用是在低膨化率下，利 用搅拌桨能够破坏滤料的板结层，增强滤料之间的摩擦，使得滤料上的悬浮物和油污与滤 料剥离开来。 本次设计中，通过对核桃壳滤料厚度、布水器、集水器的设计以及对搅拌器的设计及 校核等的计算，确定了过滤器的型号大小及其过滤和清洗效果。过滤器具体结构以通过 AutoCAD 绘图的形式绘。 总之，该论文研究对搅拌冲洗式过滤器的分析和改进具有较高的参考价值。 通过搅拌的方式清洗滤料上的油污和悬浮物是行之有效的方法。 关键词：关键词：污油；过滤；核桃壳；搅拌；AutoCAD 全套设计加扣 3012250582 II II Abstract With the deepening of petroleum exploitation, Most oilfields in China have entered into high water period, General water general rate in more than80%, After the crude oil dehydration process, The water still contains oil, dissolved organic matter, solid particles, inorganic ions, bacteria, etc. Their presence makes the recovery of oil in water, high suspended solids content, cant meet the discharge water quality index, and cant meet the quality requirements of the produced water reinjection. This implies the need of oilfield produced water can be effectively carried out treatment to produced achieve water reinjection requirements, therefore, the design of oil field sewage filtering equipment will have great prospects for development. In this paper, by stirring washing type filter design for large scale, in order to help the oil produced water treatment process. In the design of the walnut shell filter, special treatment, due to its large surface area, strong adsorption capacity, and higher removal rate, was selected as the filter medium. The process through long-term research and find relevant information, found that set the stirrer on the walnut shell filter can effectively clean the oil filter material surface, its role is to achieve low expansion rate, the stirring paddle increase the friction between the filter, filter material harden layer damage, the oil pollution and suspended solids and filter separation filter the. In this design, the design and calculation of the walnut shell filter thickness, water distributor, collector and agitator design and checking, determine the filter size and filtering and cleaning effect. Filter specific structure by Auto CAD drawing in the form of painting. In conclusion, the thesis studies on the analysis and improvement of stirring washing filter has high reference value. By mixing way to clean the oil pollution and suspended solids in the filter is an effective method. Keyword: Waste oil, Filter，Walnut shell，Stir，AutoCAD I 目录目录 摘要摘要.I ABSTRACTABSTRACTII 第一章第一章 绪绪 论论.1 1.1 课题研究的背景 .1 1.2 课题研究的方向及进展情况 .2 1.2.1 课题研究的方向 .2 1.2.2 课题研究的进展情况 3 1.3 课题研究存在的问题及解决方案 .3 1.3.1 课题研究存在的问题 .3 1.3.2 课题研究的解决方案 .4 1.4 课题研究设备的工作原理 .5 1.5 课题研究的工作内容6 第二章第二章 过滤器的工艺理论计算过滤器的工艺理论计算7 2.1 过滤器设计参数的确定 .7 2.2 过滤器工艺计算 .8 2.2.1 过滤器直径的计算8 2.2.2 过滤器的负荷及操作周期的计算8 2.2.3 滤料承托层的选择 .9 2.2.4 过滤初始时压降9 2.2.5 过滤终了时的压降 .9 2.2.6 启动阶段.10 2.2.7 搅拌阶段.11 2.2.8 冲洗阶段.11 2.3 本章小结 14 第三章第三章 主要设备的计算与选型主要设备的计算与选型.15 3.1 容器结构的选型设计.15 3.1.1 筒体筒壁壁厚的计算.15 3.1.2 封头选型 16 3.1.3 管件选择.17 3.1.4 法兰.17 3.1.5 人孔.18 3.1.6 视镜.20 3.1.7 支座.20 3.1.8 开孔补强设计.21 3.2 冲洗与反冲洗结构部件的选择.22 3.2.1 集水器及布水器筛管.22 3.2.2 进口旋流器.23 II 3.2.3 泵的选型.24 3.3 筒体高度的设计计算.24 3.4 本章小结.24 第四章第四章 搅拌设备的计算与选型搅拌设备的计算与选型.26 4.1 搅拌器的选择设计.26 4.2 搅拌附件.28 4.3 搅拌轴的设计与校核.29 4.4 传动装置选型.35 4.4.1 搅拌轴轴封的选择.35 4.4.2 轴承的选择.36 4.4.3 电动机和减速器的选用：.37 4.4.5 机架的选择.39 4.5 本章小结.40 结论结论42 参考文献参考文献44 致谢致谢45 1 第一章第一章 绪绪 论论 1.1 课题研究的背景课题研究的背景 我国多数油田已进入石油开采的中后期，使用注水的方法开采原油，使得原油含水率 逐年上升，油田含水率达到80%到90%之间，我国如今在含油污水大处理上，仍然是一个很 严重的问题。当前对于采出水的处理问题上，多数使用了在除油段使用过滤的工艺模式。 所以，怎样根据我国现阶段开发适合油田处理的实际情况、能够非常有效地对油田含油水 处理及其回注技术，达到降耗、节能、保护环境、重复利用水资源的目的，成为建立污水 处理站及改造面临的严峻问题1。 油田采出水处理出来的水再回注到油井中，成为了减少环境污染，提升油田经济效益 的一个重要途径。目前国内各油田多采用隔油除油混凝过滤三段处理工艺，再加以 阻垢、缓蚀、杀菌、膜处理或生化法处理的方法。油田一般情况下使用核桃壳过滤器和石 英砂过滤器来处理油田采出水，应用后效果明显。使用一段时间后，滤料表面会带有油类 等悬浮物，易使得滤料被堵塞而造成失效，滤料需要定期清洗再生，废弃滤料的随意丢弃 会对环境造成非常大的污染。 1.过滤器的工作原理及指标: 典型过滤设备的一般会有结构有过滤层和承托层。过滤介质拦截悬浮物的方法有吸附 作用和筛除作用。筛除作用是主要针对较大的悬浮颗粒，因其不能通过滤层而被截留在滤 层的表面；而较小的悬浮颗粒虽可以进入滤层，但这些颗粒在过滤层的时候接触到介质时 在滤层中被去除，只有在滤料吸附悬浮物的力大于水流拖曳悬浮颗粒力时才有可能发生吸 附。性能指标针对于过滤器有滤料包括材料来源、种类、尺寸与物化性质，滤床包括孔隙 率、高度和纳污能力、过滤器包括滤速、过滤周期和水头损失。采出水处理的过滤器分别 有重力式和压力式两种。现在我国油田一般采用的是压力式。采出水处理既需要处理水中 的油类，同时需要做到去除水中含有的悬浮物、有机物与硫化物等物质。它对注入水基本 要求是不应结垢，对于水处理设备、注水设备和输水管线的腐蚀性要小，不应该携带超标 悬浮物和油等。总的来说既要满足注水要求，又要达到外排水的标准2 。 2.过滤器种类： 双滤料过滤器：双滤料过滤器是由早期的单一石英砂过滤器发展而来。由于石英砂过 滤器仅对悬浮物有较好处理效果，一般用于清水的过滤，而对含油污水则没有良好处理效 果。对于石英砂过滤器的问题，研究人员设计出了能够同时对油和悬浮物都有良好去除效 果的双滤料过滤器。 2 核桃壳过滤器：核桃壳过滤器是 80 年代中后期在国内发展起来，该技术具有滤速高、 截污能力强、水洗强度低等优点，在反洗时辅以机械搅拌，反冲洗效果会更好，对油的去 除能力更强，因此此过滤器被广泛用于一级过滤。 改性纤维束过滤器：改性纤维束过滤器是为了满足油田使用要求，其由在清水工况下 通过使用的 TCL 型超精细过滤器发展而来，经在滤料和结构上的改进，应用在油田含油污 水精细过滤。 膜过滤器：膜过滤器的核心元件是滤膜，制作滤膜的材料很多，被分为有机膜和无机 膜。膜过滤器的过滤精度高，粒径控制较稳定。 石英砂、核桃壳过滤器是我国油田污水处理中应用最广、处理效果较好的两种过滤器 。它们的过滤原理和基本结构大体相同 , 但是这两种过滤器的滤料粒径小,会使反洗易流 失。核桃壳过滤器同石英砂过滤器相比,具有以下优点: 滤料易于再生、过滤速度快、不 易破损、反冲洗容易、亲油性能好、生产管理方便,但是反洗时须加入清洗剂,增加了反洗 水处理的负担。石英砂过滤器具有密度大、使用年限长、来源广泛、机械强度高、价格低 廉等优点。在油田采出水过滤过程中,也会常采用几种过滤器混合进行多级过滤。比如青 海油田采油厂就采用了压力过滤罐(石英砂滤料)银带过滤器(核桃壳滤料)中央过滤器 (纤维滤料)的过滤工艺,对石油类、COD 的平均去除率有明显提高,出水水质达到了国家排 放标准要求。 1.2 课题研究的方向及进展情况课题研究的方向及进展情况 1.2.11.2.1 课题研究的方向课题研究的方向 本次研究的是通过设计搅拌桨搅拌清洗滤料过滤过程中所沉积下来的油性污垢。 过滤介质污染后的清洗再生是过滤器设计最为关键的环节。当过滤器运行持续一定时 间之后，随着截留物累积量了一定程度后，过滤器的性能会下降。主要体现在滤速的下降 和过滤精度的降低上，这时就需要进行反冲洗操作来清除截留物，恢复其过滤性能3。 清洗原理，反冲洗的原理实际是过滤的逆过程。对筛除作用的截留物，用过滤水流的 逆向流动便可以清除；但对吸附作用的截留物，即使反洗强度再大，逆向的水流在孔隙内 仍就处于层流状态，曳力大小受到了一定限制，不能完全地改变吸附状态。因此，对吸附 截留物的清洗，必须针对具体装置的吸附特点采用合适的脱附办法，一般是通过解除形成 的微孔隙来脱附。 有的时候，反冲洗不佳会直接导致水滤后水质下降，出水不达标的情况，搅拌式过滤 器可以在低反冲洗强度下把滤料清洗干净，从根本上解决了石英砂过滤器滤料板结和滤料 流失等问题，反冲洗压力的升高情况也得到了有效改善，从而保证了其反冲洗时能够提供 3 足够的水量。对于重质滤料，足够多的水量是其反洗的决定因素。比较低的压力有利于对 设施防护，高强度水流有利于滤料反洗，而搅拌强化了对滤料脱附所需要的脱附力。从而 粘附在滤料表面的油污和悬浮物得到彻底的清洗，反洗过的滤料相较普通过滤器反洗的滤 料干净，且彼此分散。因此在反冲洗过程中，要达到和改造前相同的水量条件下，反冲洗 水的泵功率远远要小于改造前。 搅拌式过滤器研制的必要性：在经过长期调研和设计的过程中，针对核桃壳过滤器存 在问题，采用耐磨搅拌齿对核桃壳过滤器内部的结构进行了设计，研制出了低压稳流核桃 壳过滤器，以彻底解决了核桃壳滤料再生的难题。 1.2.21.2.2 课题研究的进展情况课题研究的进展情况 在过滤罐内增设搅拌器。其作用是实现在低膨化率下，通过利用搅拌桨的转动，增加 滤料之间的摩擦及破坏滤料间的板结层，使得滤料上的悬浮物和油污与滤料脱离。同时它 也能对低温下所形成的板结层具有破极强的破坏力，从而能够克服低温下过滤器反冲洗难 的问题4。 在过滤器的顶端安装集油器，用来收集过滤器顶端的浮油，加之增设布水系统，使布 水更加均匀，且有利于反冲洗的出水，对于反冲洗水量较大时，可以用变频来调节反冲洗 水量以提高反冲洗的速度。这时，不需很大的反冲洗强度，即可将滤料清洗干净；也可用 大强度反洗，从而缩短了反冲洗的时间。在有限空间内，不仅降低了集水器高度，还相对 增加了滤料膨化的空间。 搅拌式过滤器的设计有效解决了原过滤器反冲洗跑料、憋压的问题，搅拌作用能有效 地破坏滤料的板结层，特别是在冷输期，提高了反冲洗效果，而高效的反冲洗是过滤得以 正常运行的基础。搅拌式过滤提高了过滤的精度，过滤后水质含油量达到 2mg/L 以下。平 均油去除率为 99%。悬浮物含量为 50mg/L 左右，去除率平均为 75%。而未改造的过滤罐出 水油和悬浮物的含量平均分别为 12 m g /L 和 20 m g /L ，可见改造后油和悬浮物的去除 率有明显的提高 1.3 课题研究存在的问题及解决方案课题研究存在的问题及解决方案 1.3.11.3.1 课题研究存在的问题课题研究存在的问题 通过观察和分析发现造成污水水质变差的主要是因为滤料污染严重，反洗时不能保质 保量而导致滤料的再生不彻底，其主要表现在以下几个方面5。 冲洗流程的不合理：一是使用过滤前的水进行反冲洗，也就是说，用不合格的处理水 4 作为反冲洗水，反冲洗本身便又是一个滤料污染的过程，二是冲洗水的出口还是使用经过 进水筛管出罐，而没有单独设置的污水出口，这样截留在过滤罐内的杂质和油污不容易通 过孔隙很小的筛管，导致滞留在过滤罐内，并且油和杂质很容易堵塞筛管的孔隙，使得反 冲洗的强度降低。三是由于原油沉降来水含油量比较高，粗粒化斜管沉降罐、压力斜管沉 降罐除油效果都不好，污水含油较量高容易污染滤料。 滤料搅拌清洗时的流场结构不合理：在启动搅拌机进行滤料清洗时，流场有死 角， 有三分之一的滤料不能被搅起，且在搅拌时不能够使滤料各位置清洗均匀，滤料洗涤不完 全，滤料再生没有达到要求。 冲洗时，没有增设清洗剂的加药流程，使洗涤效果达不到要求。 对搅拌桨的设计要求高：搅拌桨在旋转时需要极大的扭矩，这对选择搅拌桨时需要考 虑到其材料的选择问题，其次对轴承的密封性能，强度要求也极其讲究。 在用搅拌器搅拌时，可能会易造成滤料的损坏。 由于以上几个方面的原因，造成滤料的污染严重，在目前的设备和条件下，在过滤罐 内很难让滤料得到彻底的清洗，必须进行相应的技术改造。 以上问题也是本次设计内容的关键所在，在本次设计中应尽量改善，将搅拌冲洗式过 滤器发挥其最大的作用。 1.3.21.3.2 课题研究的解决方案课题研究的解决方案 油田污水成分比较复杂，油含量跟油在水中存在形式不相同，而且在多数情况下常与 其他废水相混合，所以单一方法处理往往会效果不佳。在实际使用中通常是用两三种方法 联合起来，使出水的水质达到排放标准。另外，各个油田的生产方式、环境要求和处理水 的用途的都不同，使得油田污水处理的工艺差别较大。在、这些工艺流程中，较常见的一 级处理有浮选及离心分离、重力分离。主要除去浮油以及油湿固体;二级处理有过滤、化 学处理、粗粒化等，主要是用于破乳和去除分散油;深度处理有活性炭吸附、超滤、生化 处理等，主要是去除溶解油。 我国现今除油段主要采用以下方法去除油污： 1.物理法：采用重力分离去除浮油，自然沉降混凝沉降过滤出水； 2.化学法：去除分散油； 3.气浮法：去除污水中颗粒，粒径为 0.2525m 的乳化油、分散油及悬浮颗粒，含油污 水气浮装置过滤出水； 4.旋流分离技术：去除浮油（将密度较小的油滴从水中分离出去） ，含油污水旋流分离 器过滤出水。由于上述的方法各有其局限性，在实际的应用中通常是两三种方法联合 使用，使出水水质达到排放标准。 5 油田污水处理工艺流程图如图6： 图 1-1 以液体为主体的搅拌操作，通常将被的搅物料分为液液、气液、固液、气液 固等四种情况。搅拌是以促进混合为主要目的，比如进行液液混合、气液分散、固 液悬浮、液液分散及液液乳化等；又常常是完成其它操作的必要手段，以促进其传 热、传质、化学反应为主要目的，比如在搅拌设备内部进行流体的加热和冷却、萃取、吸 收、溶解、结晶、聚合等操作。 1.4 课题研究设备的工作原理课题研究设备的工作原理 含油污水使用过滤技术处理是对含油污水处理方法的新趋势，主要用于分离通过除油 池时不能自然上浮的细分散乳化油。水中细分散乳化油的旋流分离法，也被称为粗粒化附 聚。此法是通过油珠对滤料表面的疏水附聚作用、使滤料表面形成油膜，随后被滤层孔隙 水流剪力洗刷掉，形成粗颗粒油珠上浮而分离。 根据物理跟化学的浮聚动力学原理，水中细分散油珠对过滤滤料介质附聚力(F)的大 小，取决于水中的油珠粒径(r)和油水的两相界面间界面张力()，并形成以下关系： F=4r ，由此可见，水中油珠粒径(r)越大，油水的两相界面间的界面张力()越大， 对粗粒化越有利。提高水中无机盐的含量，可使界面张力增大。 核桃壳过滤器正是利用上述原理及经过较特殊处理的野生核桃壳，表面积大、孔多， 将污水中的悬浮物和油珠拦截在滤料层表面或者吸附在滤料表面，运行一段时间后，即滤 料饱和出水的水质恶化时，停止进水进行反洗，使滤料恢复原有特性，而反洗水将截留物 带走，最终实现过滤油和机械杂质的效果。（核桃壳过滤器结构图见附录 1） 滤料核桃壳装入过滤器前，全部需经过预处理及进行一次粒径的筛选，并可根据对进 出口水质的要求对粒径进行级配，针对性强。 反冲洗采用过滤后加水反洗，同时在选用搅拌机，整个过滤器内反洗时，水流状况好， 滤料之间互相搓擦碰撞几率变高。改变了常规的气、水洗涤作为机械式强洗涤方式，解决 6 了滤料板结、生物结块、油沾结等反冲洗的技术难题。 1.5 课题研究的工作内容课题研究的工作内容 1、对过滤器处理量的选定，包括对其搅拌物料，进料物性，过滤滤速，生产能力的 计算。 2、对过滤机的选用，过滤机的选型主要根据滤浆的过滤特性、滤浆的物性及生产规 模等因素综合考虑。 3、对搅拌器的选用，分为三种的参考标准： 第一，以搅拌器的用途选用，分为高黏流体用搅拌器和低黏流体用搅拌器； 第二，以搅拌桨叶的结构选用，可根据安装时要求分为整体式和剖分式结构； 第三，按照流体的流动形态可分为径向流搅拌器和轴向流搅拌器。 4、搅拌附件的选择：为改善搅拌器内液体的流动状态而增加的构件，如导流筒、挡 板、稳定器以及插入容器内的进出料管、温度计、液体分布器等。 5、传动装置的选用：搅拌设备的传动装置系统一般包括电动机、泵、联轴机、搅拌 轴（传动轴） 、机架机凸缘法兰等。 6、轴封的选用：由于使用环境的特殊性，不是所用的动密封装置都适用于搅拌设备， 通常的轴封结构有填料密封、液封和机械密封等形式。 7 第二章第二章 过滤器的工艺理论计算过滤器的工艺理论计算 2.1 过滤器设计参数的确定过滤器设计参数的确定 核桃壳滤料具有亲水性好、抗油浸、除 油 率高( 85 %90 %)、吸附截污能力强(吸 附率 27 %59 %)、硬度高、抗压能力强、耐磨性好、化学稳定性好等良好性能,因此核 桃壳过滤器可以同时除去含油污水中的大颗粒物质及大部分的油类物质。 本次设计选择核桃壳过滤器，由于核桃壳具有亲水而不亲油的性质，在反洗的时候采 用搅拌的方式使核桃壳在运动时相互磨擦，因而使得再生能力强，脱附能力强，化学稳定 性好，利于过滤器性能的长期稳定。设备用深床过滤的方法，可大大提高其截污能力。 根据查找资料7其中所需选择的参数为: 处理量：200m3/h，设计压力：0.6MPa,设计温度：80。 水质标准:一般对于油田污水来说，进水中含油量不要超过 50mg/L,悬浮物含量一般 在 100mg/L 以下，在这样的条件下，脱除效率在 90%以上。 本次设计选择水质标准为8： 进水含油量：30mg/L 悬浮物：50mg/L 滤料的选择： 本次大处理量搅拌冲洗式过滤器选择的滤料为一级的核桃壳， 根据查找相关资料7 的有关参数可知，核桃壳属于亲水介质，质量轻（密度为 1.261.4g/cm3） ，具有足够的 强度和韧性、吸附、截污能力，强且不粘块、反冲再生效果好和反冲洗水量小 （412L/(m2 s)）等优点。滤床厚度为 1.01.5m，粒径为 1.22.0mm9。由于充分发 挥了深床优势，滤速提高到 1540m/h。 根据所查资料要求规定本次设计参数如下表一： 表 1-1 核桃壳滤料物理特性 名称粒径规格 （mm） 密度 （g/cm3 ） 堆积密度 (kg/m3) 孔隙率球形度吸附率滤床深度 （m） 核桃壳滤 层 1.21.268000.390.4965%1.4 8 2.2 过滤器工艺计算过滤器工艺计算 2.2.12.2.1 过滤器直径的计算过滤器直径的计算 根据已知处理水量 q=200m3/h,初选定的滤速为 u=20m/h,可由以下公式10 DN= （2-1） u q 4 算得直径 DN=3.57m 圆筒直径圆整为 3.6m hm hm /2014 . 3 /2004 3 实际滤速按下式计算： （2-2） An Q V S ) 1( 式中：Qs设计计算水量(m3/h) V过滤器速度（m/s） n过滤器数量，n2 A单个过滤器的过滤面积（m2） 计算得： 在 420m/h 范围内，符合要求hmV/ 7 . 19 4 6 . 3 14 . 3 ) 12( 200 2 2.2.22.2.2 过滤器的负荷及操作周期的计算过滤器的负荷及操作周期的计算 对于核桃壳过滤器，其悬浮物脱除率95%，在给定进水中固体悬浮物粒度 Co及脱 除率，由床层的负荷便可确定一个过滤周期所能够处理的污水量 Q10。 （2-3） o C LDN Q 4 103 0 2 式中：过滤器负荷，kg/m3(滤料) 脱除效率，% Co水中固体悬浮物初始浓度，mg/L。 DN筒体直径 L0滤料厚度 经查得滤层的固体负荷12为=18kg/m3（将=95% Co=50mg/L 9 带入上式得： hmQ/36.5397 95 . 0 504 184 . 16 . 314 . 3 3 2 一个过滤周期所需的时间则为：h q Q t27 200 36.5397 2.2.32.2.3 滤料承托层的选择滤料承托层的选择 承托层的作用：阻挡滤料进入配水系统， 反冲洗时均匀配水， 主要是配合大阻力配水系统使用。 承托层选择鹅卵石，自上而下为填满封头底部13： 第一层：尺寸 24mm，厚度 100mm 第二层：尺寸 48mm，厚度 250mm 第三层：尺寸 816mm，厚度 300mm 第四层：尺寸 1632mm，厚度 300mm。 相对密度 2.6，孔隙率 50%，球形度 0.6，形状系数 1.67 当承托层某层的尺寸为 d1时，车大于 d1/6.5 的颗粒都不能通过本层间的孔隙。上述承托 层之间的过渡系数为 2，表明相邻的较细一层的颗粒尺寸为 d1/2，这远远大于 d1/6.5，说 明这些颗粒绝不可能进入本层内。 2.2.42.2.4 过滤初始时压降过滤初始时压降 过滤初始时，如果滤速50m/h，每立方米滤料的损失压头可以按照下式计算12： （2-4） 3 0 2 2 0 2 0 )1 ( 0187. 0H e d u 式中，H0每立方米滤料的损失压头，m 滤料的形状系数，是球形度 p的倒数 de滤料的当量直径，取平均直径 1.210-3m u滤速，m/s 水的粘度，Pas，取 20时的 1.00510-3Pas 0清洁滤料孔隙率 则，H0=1.765m。经计算，整个滤层初始时的压降为 P0=0.096MPa。 2.2.52.2.5 过滤终了时的压降过滤终了时的压降 过滤终了时的压头损失 He 与 H0的比值为： 10 （2-5） 23 0 0 2 0 0 0 1 1 ee ee d d H H 式中，为比沉积量，取 0.15 dee过滤终了时的滤料的当量直径，m 上式右边中，dedee。在滤层表面是，可以达到 0.2，这里计算时取 0.12。 则有，He/H0=3.58.所以，Pe=3.58P0=0.34MPa。 计算时，考虑到悬浮物不易进入承托层，所以比沉积量取 0.05 同样，利用上面的公式可以算出承托层过滤终了时的总压降压降为： Pc,e=1.23KPa 2.2.62.2.6 启动阶段启动阶段 反冲洗操作条件的确定： 由查找资料有14： （2-6） mf mf ws mf gD U 1150 )()( 3 2 式中，Umf最小流化态的冲洗流速，m/s D滤料直径，m 形状系数，即 p，取 0.49 g重力加速度，m/s2 s滤料密度，Kg/m w水密度，Kg/m mf最小流化态滤料孔隙率,取 0.48 则，Umf=1.8210-3m/s=1.82L/s 在达到最小流化态流速后, 若继续提高反冲洗时的速度, 滤料膨胀率将加大。冲洗强 度也越来越大, 滤料层膨胀率越来越大, 膨胀高度越来越高。为了使滤料处于完全流化并 且防止滤料的流失, 反冲洗强度可根据最小流化态时的流速可按下式确定: （2-7） mf kUq 式中：q反冲洗强度 k安全系数，均质滤料取 1.6 则 q=2.91L/s。 总水头损失包括配水系统、管道、滤料层以及承托层水头损失, 可按下式计算, H=h1+h2+h3+h4+h5 式中：h1反冲洗管到过滤器管道水头损失，mH2O; h2配水系统水头损失，mH2O 11 h3承托层水头损失 ，mH2O h4滤料层水头损失，mH2O h5保留水头损失，一般为 1.52 mH2O。 其中，承托层和滤料层压降取平均值，即 0.11MPa。而保留水头损失取 1.8m，即 0.018MPa。配水系统到过滤器管道的总压降取 0.06Mpa。 最终得到，在反冲洗强度为 3.38L/s，持续时间为 3min。 2.2.72.2.7 搅拌阶段搅拌阶段 反冲洗搅拌器转速计算： 在滤料完全膨化以后，关闭出水和进水阀，启动搅拌桨。这时候启动搅拌桨，既能减 小了启动阻力对搅拌轴的破坏，而且同时又能使滤料在较短时间内开始悬浮运动。 滤料在搅拌系统里要达到“完全离底悬浮”, 即搅拌的剪切力克服了滤料所受的重力 跟浮力之差, 颗粒浮起而离开罐的底部。滤料处在了离底悬浮状态，这样可以减少搅拌死 角, 增加了滤料之间的碰撞机会, 从而加大滤料 间碰撞冲击力, 提高反冲洗效果。滤料处于完全离底悬浮状态时的转速称作悬浮临界 转速, 可以根据 Zw ietering 公式计算14。 （2-8） 45 . 0 1 . 013 . 0 2 . 085 . 0 w ws c gXDKdN 式中，Nc完全悬浮临界转速，r/s K常数, 与搅拌器形式有关, 取 3.2; X固液质量比, % 液体运动粘度，1.00710-6/s d搅拌器直径，m D滤料直径，m 则 Nc=0.29r/s=17.4r/min 为了强化反冲洗效果, 在保正滤料的悬浮状态下提高搅拌器转速, 增加水流剪切力, 有利于滤料的清理。但是过高的转速会造成滤料的破坏, 根据实际的经验来确定反冲洗转 速的计算方法如下： （2-9） ccc NkN 0 式中：Nc0最佳转速，r/min Kc经验系数，取 2.53 则，Nco=45r/min。本阶段运行 10min。 2.2.82.2.8 冲洗阶段冲洗阶段 12 滤料层膨胀率的计算： 已知 0 0 1 L L 式中：L0滤料层膨胀冲洗前的厚度 L滤料层膨胀冲洗时的厚度 滤料层在未膨胀前的孔隙率 0 e滤料层膨胀时的孔隙率 滤料层的膨胀率公式为：%100 0 L LL e 可得出 e和 e 的关系为： 0 1 1 e e 根据查找资料可得经验公式15： （2-10） 26 . 0 )( t e W V （2-11） s s t d g W 3 122 )( 225 4 式中：V反冲洗流速(m/s) 滤料密度（g/cm3） s 水密度(g/cm3) g重力加速度(g/s2) 滤料颗粒代表直径(m) s d 水的粘度系数（g/cms） 初定冲洗强度为 7L/s 将已知参数带入公式有： 058 . 0 0012 . 0 1011000 81 . 9 )10001260( 225 4 3 1 3 22 t W 58 . 0 ) 058 . 0 007 . 0 ( 26 . 0 e 即滤料层膨胀率为： 0 1 1 e e% 9 . 68%100 39 . 0 1 58 . 0 1 13 由此可算得滤料层反洗膨胀后的高度为：meLL36 . 2 )689 . 0 1 (4 . 1)1 ( 0 冲洗强度计算： 要想求得在 xb的条件下的反洗速度，必须先计算临界流化速度。可以根据 Ergun 理 论进行推倒，按下式进行计算14： 1 （2-12） e ews gD U 1150 )()( 32 式中，U最小流化态的冲洗流速，m/s D滤料直径，m 形状系数，即 p，取 0.49 g重力加速度，m/s2 s滤料密度，Kg/m w水密度，Kg/m e膨化后滤料孔隙率,取 0.689 则 U=4.4610-3m/s=4.46L/s。为了保证冲洗彻底，反冲洗强度适当选择为 7L/s。 承托层流速检验： 通过查找资料按照下式计算承托层临界流化速度，反洗速率应不大于该流化速度。 承托层流化速度10： （2-13） u D u p 94 . 0 82 . 1 605 )()( 10488 . 6 式中，D60颗粒累积分布为 60%的颗粒直径，m s承托层密度，Kg/m 有式（2-13）可得: 承托层临界流化速度 Uf=5.47 m/s,所以，在水冲流速条件下，不会使承托层发生流 3 10 化，满足条件要求。 滤料高度检验： （2-14） hb LLxLb 式中，Lh承托层高度，m Lh=0.95m 则，滤料高度 Lb=3.31mLF-LC=3.81m 冲洗水量的计算： 通过参考 SYT 0523-2008 规定，反洗时间 tb可取为 20min。则反洗总需水量为： （2-15） bN tD U 4 60Q 2 14 则反洗总水量，Q=66.8m 冲洗时滤料压降的计算： 因反洗时滤料处于流化状态，故压降可由反洗时的孔隙度确定14。 （2-16）gL sbb )(1 (Pb 则，Pb=2.53KPa 所以整个反冲洗过程，持续 33min，反冲洗强度 2.91L/s 4.46L/s。 2.3 本章小结本章小结 1.根据过滤器设计需要确定了过滤器的处理量，过滤器工作的工作压力，工作温度， 及采出水的含油量、悬浮物含量。 2.不同的滤料对过滤会产生不同的效果，本章节确认了滤料为核桃壳滤料，并经查 找确认了核桃壳滤料的粒径、密度、球形度、孔隙率、堆积密度等参数。 3.通过对过滤及反冲洗过程的工艺计算，得到了以下工艺参数：过滤速度为 u=19.7m/h，过滤周期 t=27h，过滤初始时的压降为 0.096MPa，过滤终了时的压降为 0.34MPa，反冲洗时搅拌器的转速为 45r/min，滤料层膨胀率为 68.9%，反冲洗强度为 7L/m2s，反冲总洗水量为 66.8m3。 15 第三章第三章 主要设备的计算与选型主要设备的计算与选型 3.1 容器结构的选型设计容器结构的选型设计 3.1.13.1.1 筒体筒壁壁厚的计算筒体筒壁壁厚的计算 材料选用 16Mn 钢16。 壁厚 (3-1) C p pD t i 2 塔径，操作压力为 mmDi3600 MPap6 . 0 16Mn 的许用应力值 MPa t 4 . 134 对接接头，采用双面焊，采用 20% 的无损检测，系数=0.85 壁厚附加量 C：钢板的负偏差附加量，腐蚀裕度按单面腐蚀考mmC3 . 0 1 2 C 虑，其中，腐蚀余量 C2=0.076*20=1.52mm（年腐蚀量SYT5329-94*寿命）,取最小厚度 2mm，则,则mmCCC3 . 2 21 mm74.153 . 2 85. 085 . 0 4 .1342 360085 . 0 壁厚圆整取 16mm。 圆筒的外直径 Do = Di + 2n = 3600+32=3632mm 设计温度下圆筒的计算应力 t按照下式计算： (3-2) e eic t Dp 2 )( t= 32.05MPa,而 t=0.85134.4MPa=114.2MPa,tt，符合要求。 在设计温度下圆筒的最大允许工作压力pw, (3-3) )( 2 ei t e w D p pw = 2.01MPa 16 3.1.23.1.2 封头选型封头选型 根据 JB/T 1154-73，由筒体 DN=3600mm ，名义厚度 n=16mm，选择的上下两个封头参 数如下： 表 3-1 椭圆型封头 公称直径 Dg mm 曲面高度 h1 mm 直边高度 h2 mm 壁厚 S mm 内表面积 F （） 容积 V m3 质量 G Kg 3600900502014.66.622301.0 其结构如下图： 图 3-1 椭圆形封头 封头材料选为 16Mn，则 MPa t 4 . 134 封头的腐蚀裕度按单面腐蚀考虑，取设备内测腐蚀裕度 2 CmmC2 2 采用对接双面旱，接头形式为不带垫板单面的环向对接焊缝，取。6 . 0 操作压力MPap6 . 0 故封头厚度： (3-4) mm C p pD t i d 65.152 6 . 05 . 06 . 0 4 . 1342 3506 . 0 5 . 02 2 封头厚度圆整取 16mm 小于 20mm，可根据标准选择壁厚为 20mm。 17 3.1.33.1.3 管件选择管件选择 本次设计中，在过滤的进水口，过滤出水口，反冲洗进水口，反冲洗出水口各需要一 根管件，根据油田采出水处理设备选用手册对 YGL200/0.6-1 型号过滤器的要求，可 选择过滤进水管 d1=150mm，过滤出水管 d2=250mm，反冲洗进水管 d3=125mm，反冲洗出水 管 d4=250mm。 其参数见下表： 表 3-2 管径尺寸对应表 外径外径公称尺寸 DN I 系列II 系列 长度 公称尺寸 DN I 系列II 系列 长度 100114.310864800813820267 125141.313376850864267 150168.315989900914920267 200219.1219102950965305 250273.0273127100010161020305 300323.932515210501067305 3.1.43.1.4 法兰法兰 在过滤的进水口，过滤出水口，反冲洗进水口，反冲洗出水口各需要一组法兰根据 HG20594-97 的要求选择突面带颈平焊法兰。 其结构图如下： 图 3-2 突面带颈平焊法兰 18 其参数如下表： 3.1.53.1.5 人孔人孔 人孔是安装在筒体上的用于方便检查的通气装置，其不仅能避免因为突发时间的原因 19 造成罐内突然急剧超压或真空时，损坏到储罐而发生事故，而且又有起了到隔绝火的作用， 具备定压排放、定压吸入、开闭灵活、安全阻火、结构紧凑、密封性能好、安全可靠等优 点。 过滤器工作压力为 0.6MPa，根据 HG 21596-1999 标准要求选择回转盖不锈钢人孔，其 公称压力为 0.6MPa，工作温度为大于-20100。C o 其结构示意图如下： 图 3-3 回转盖不锈钢人孔 其参数如下表所示： 表 3-4 回转盖不锈钢人孔 PN=0.6MPa(HG 21596-1999) 螺栓质量密封面 形式 公称压 力 PN（MP a） 公称直径 DN（mm） 直径长度数量 螺母 数量 碳钢不锈 钢 总质量 突面 RF 0.6600M24110202015241193 尺寸（mm） dwsDD1ABLbb1H1H2d 6306755705410225300414024011420 20 3.1.63.1.6 视镜视镜 压力容器视镜又称设备视镜,是用来观察化工、石油、化妆、医药及其它工业设备容 器内介质变化情况的一种产品。 视镜的具体型号可参考 NB/T 47017-2011 选择。 其结构图如下所示： 图 3-4 视镜 其参数如下表： 表 3-5 视镜视镜片密封垫螺柱公 称 直 径 DN mm 公 称 压 力 PN MPa XDKGh1h2h3d1sdgidg0 数 量 n 螺纹 质量 kg 1501.0312250210185253025175201501778M16 201 3.1.73.1.7 支座支座 支承式支座是压力容器支座类型中的一种，应用于立式设备。 它的结构由一块底板，两块支承板（钢管）和一块垫板焊接而成。底板上有螺栓孔， 可用螺栓固定于地基之上。在设备周围一般均匀分布三个支承式支座。 根据筒体 DN=3600mm 的要求选用 B 型支承式支座，型号标记为：JB/T 4724-92,支座 B7。 21 B 型支座钢管材料钢号为 10，底板材料为 Q235-AF,采用单面连续焊，支座与容器 壳体的焊接采用连续焊。焊缝腰高要求约等于 0.7 倍的较薄板厚度，且不小于 4mm。 其结构图如下： 图 3-5 支承式支座 参数如下表： 表 3-6 支承式支座 底板钢管垫板地脚螺栓支 座 号 支座本 体允许 载荷 Q （kN） 适用 容器 公称 直径 DN 高 度 h b 1 d2 2 d3d4d5 规 格 D1 支座 质量 kg 每增 加 100mm 高度 的质 量 kg 支座 上限 值 hmax 750036004904102437794901647024M20242095.58.21000 3.1.83.1.8 开孔补强设计开孔补强设计 最大的开孔为人孔，筒节，厚度附加量，补强计算如下16：16 nt mm0.6Cmm 开孔直径 mmd 2 . 6016 . 02600 圆形封头因开孔削弱所需补强面积为： (3-5)1 (2 5 . 0 rntap fdA 式中对安放式接管，取 1.0 r f 按外压计算时确定的开孔处壳体的计算厚度，mm。 22 所以=4800166005 . 0A 有效补强区尺寸：mm 07.9816 2 . 601 1 dh mmdB 4 . 1202 2 . 60122 在有效补强区范围内，壳体承受内压所需设计厚度之外的多余金属面积为： (3-6) 1 ()()2()()(1) enter ABdCf 故44.8236)3 . 216( 2