（化学工程与技术专业论文）连续砂滤器的设计与研究.pdf

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d i s t n b u t e dw i t hw a t e ra n ds oo na r e w e l ls o l v e di nt h ep r o j e c t t h ep r o j e c ts i 瑚【u l a t e st h ek e yn o wf i e l db y u s i n gc f ds o r w a l e i t p r o v i d e se v i d e n c et ot h er a t i o n a l i t yo fs a n dw a s h e r ss t l l l c t u r e o p t i m i z e d d i s t r i b u t i o nd e s i g ni sm a d eb ya n a l y s i so fn o wf i e l d t h ep r 硝e c t s i m u l a t e sg a sa n dl i q u i dt w o - p h a s en o wf i e l do fg e y s e rp u r n pb yv o f m o d e l ，p r o v e sm a tg e y s e rp u m pi sm o r es u p e r i o rt h a na i rp u m pa tt h e p r o p e r t i e s o fl i f ts a n db ym e a n so fs i m u l a t i o no fg e n e r a t i o na n d d i s 印p e a r a n c eo ft a 【y l o rb u b b l ea 1 1 da n a l y s i so ff l o wf i e l d k e yw o i m s ：c o m i n u o u ss a n d f i l t e r ， g e y s e rp u m p ， n u m e r i c a l s i m u l a t i o n ，t a y l o r b u b b l e i v 1 ：! ：! ：! ：； 4 z i 1 5 课题的研究方法5 1 5 1 计算流体力学简介。5 1 5 2f u j e n t 分析软件简介5 1 6 本课题研究的意义5 第二章连续砂滤器的应用与进展7 2 1 国内外连续砂滤器技术的简介一7 2 1 1 国外砂滤技术的应用7 2 1 2 国内砂滤技术的应用1 2 2 1 3 原始提砂系统的应用1 3 2 2 几种新型砂滤器的比较1 4 2 2 1 两种砂滤器简介1 4 2 2 2 砂滤器的比较1 5 2 3 连续砂滤器的发展改进1 6 2 3 1 双重砂滤1 6 2 3 2 外循环砂滤1 7 2 4 提砂系统的概述1 8 2 4 1 内循环提砂系统的改进1 8 2 4 2 外循环提砂系统的改进1 9 2 5 本章小结2 0 v 北京化工大学硕士学位论文 第三章连续砂滤器的总体设计。2 l 3 1 污水过滤方法及过滤理论2 1 3 1 1 污水处理方法2 1 3 1 2 过滤理论2 2 3 2 滤床的模型2 3 3 2 1 滤料选取2 3 3 2 2 滤床压降的数学模型2 5 3 2 3 滤床过滤的数学模型2 6 3 3 连续砂滤器的设计2 7 3 3 1 连续砂滤器结构设计2 7 3 3 2 连续砂滤器的设计校核2 9 3 4 重要零件的设计3 0 3 4 1 砂水分离器的设计3 0 3 4 2 洗砂器的设计3 1 3 4 3 布水器的设计3 2 3 5 本章小结3 6 第四章连续砂滤器提砂系统改进3 7 4 1 提砂的原理3 7 4 1 1 提砂管中流态的三相流模型3 7 4 1 2 两相流模型3 8 4 2 盖瑟泵概述3 8 4 2 1 空气泵的简介3 8 4 2 2 盖瑟泵的发明3 9 4 3 盖瑟泵的结构与原理介绍3 9 4 3 1 盖瑟泵简介。3 9 4 3 2 盖瑟泵的类型4 0 4 4 盖瑟泵的性能分析4 2 4 4 1 盖瑟泵的理论分析4 2 4 4 2 弹状流与泰勒气泡4 3 4 4 3 盖瑟泵对空气泵的性能优势4 3 v i 目录 4 5 本章小结4 4 第五章数值分析4 5 5 1 基本物理模型4 5 5 1 1 连续与动量方程4 5 5 1 2 物理模型4 6 5 2 洗砂器的优化计算4 8 5 2 1 模型的建立4 8 5 2 2 网格的划分4 9 5 2 3 数值模拟5 1 5 2 4 计算结果的后处理与优化5 2 5 3 洗砂器中不同因素对冲洗滤砂排水流量的影响5 6 5 3 1 液位差对冲洗滤砂排水流量的影响5 6 5 3 2 洗砂器栅格数量对冲洗滤砂排水流量的影响5 7 5 4 布水器数值分析5 9 5 4 1 等孔径的数值计算5 9 5 4 2 不等孔径的数值计算6 3 5 5 盖瑟泵的数值分析6 6 5 5 1 盖瑟泵的前处理6 6 5 5 2 盖瑟泵的求解器求解6 8 5 5 3 盖瑟泵的计算结果与分析6 8 5 6 本章小结7 3 第六章结论与展望7 5 6 1 结论7 5 6 2 展望7 6 参考文献7 7 致谢8 1 v i l 北京化工大学硕士学位论文 研究成果及发表的学术论文8 3 作者和导师简介8 5 1 ：! ：! ：! ：； 4 z l ! ； 1 5 1h 1 们d u c t i o no fc o m p u t a t i o n a ln u i dd ) ，i l 锄i c s 5 1 5 2 d u c t i o no fc f xs o r w a r c 5 1 6t h ec o n t 饥t so fs t u d y 5 c h a p t e r2a p p u c a t i o na n dp r o g r e s so fc o n t i n u o u ss a n d f i l t e r 。7 2 1 出l c t i o no f d o m e s t i c 觚df o r e i g nt e c l l l l o l o g y 。7 2 1 1a p p l i c a t i o no ff o r e i 印t e c h n o l o g y 7 2 1 2a p p l i c a t i o no fd o m e s t i ct e c h n o l o g y 。1 2 2 1 3a p p l i c a t i o no f o r i 百n a l1 讯s a i l ds y s t e m 1 3 2 2c o i i 】l p a r i s o no f c o n t i r m o u ss a n d 矗l t e ra i l do t h e rs a n d 矗l t e f 1 4 2 2 1h l t r o d l j 嘶o no f t w ot y p eo f s a n d 矗l t e r 。1 4 2 2 2c o m p a r i s o no f s a n df i l t e r 1 5 2 3d e 、，e l o p m a l to fc o n t i n u o u ss 觚df i l t e r 一16 2 3 1d o l l b l ec o n t i m l o u ss a l l d 矗l t e r 1 6 2 3 2s 扛e i l 劬c h e c ko f c o n t i n u o u ss a i l df i l t e r 1 7 2 4c 、，e r v i e wo f1 i rs a n ds v s t e m 18 2 4 1i i l l p r o v e i i l a l to fi n t e n l a l1 i rs 鼬ds y s t 锄1 8 2 4 2i i i l p r o v a n e n to fe x t e m a ll i rs a i l ds y s t a n 1 9 2 5c o n c l u s i o n s 2 0 i x 北京化工大学硕十学位论文 c h a p t e r3g e n e r a ld e s i g no fc o n t i n u o u ss a n d f i l t e r ”2 1 3 1s e w a g ef i l t r a t i o nm e t h o da 1 1 df i l 仃a t i o nm e o 叫2 1 3 1 1s e w a g ef i l t r a t i o nm e t h o d 2 1 3 1 2f i l 廿a t i o nt h e o r y 2 2 3 2m o d e lo ff i l t e rb e d 2 3 3 2 1s e l e c t i o no f f i l t e rm a t e r i a l 2 3 3 2 2m o d e lo ff i l t e rb e dp r e s s u r el o s e 2 5 3 2 3m o d e lo f f i t e rb e df i t e r a t i o n 2 6 3 3d e s i 舀lo f c o n t i m l o u ss a n d6 l t e r 2 7 3 3 1s t m c t u l 旧d e s i 星皿o f c 0 n t i m l o u ss 龇l df i l t e r 2 7 3 3 2s t r e n 星mc _ h e c ko f c o n t i m l o u ss a n df i l t c r 2 9 3 4d e s i g no f i m p o r t a i l tp a r t s 3 0 3 4 1d e s i g no fs e 目e g a t o ro fs 锄d 砌w a t e 3 0 3 4 2d e s i 窒皿o fs 锄dw 弱h e r 3 1 3 4 3d e s i 匦o fd i s t r i b u t o r 。3 2 3 5c o n c l u s i o n s 3 6 c h a p t e r4d e v e l o p m e n to fh f ts a n ds y s t e mo fc o n t i n u o u ss a n df i l t e r 3 7 4 11 1 1 c o r vo fl i ns a r l d 3 7 4 1 11 1 1 r e e p h a s ef l o wm o d e lo fl i ns a n dp i p e 3 7 4 1 21 w o - p h a s en o wm o d e l ”3 8 4 2o v e i e wo f g e y s e rp u m p 3 8 4 2 1i n t r o d u c t i o no fa i rp l l r n p 3 8 4 2 2h 铋t i o no fg e y s e rp l m l p 3 9 4 3s 协l c t l 鹏a n dt h e o r yo fg e y s e rp 硼叩3 9 4 3 1 陆仃o d u c t i o no f g e y s e rp u m p 3 9 4 3 27 i y p eo fg e y s e rp 眦p ”4 0 4 4f u l l “o na i l a l y s i so fg e y s e rp 咖叩。4 2 4 4 1t h e 0 巧a 1 1 a l y s i so fg e y s e rp u l 】叩4 2 4 4 2s 1 u gn o w 觚dt a y l o r b u b b l e 4 3 x c o n t e n t s 4 4 3f 蚰c t i o na d v a i l t a g eo f g e y s c rp 岫p 4 3 4 5c o n c l u s i o n s 。z h c h a p t e r5n u m e r i c a la n a l y s i s 4 5 5 1b a s i cp h y s i c a lm o d e l 4 5 5 1 1c o n t i n u o u s 趾dm o m e n te q u a t i o i l s 4 5 5 1 2p h y s i c a lm o d e l 4 6 5 2o p t i m i z a t i o nc a l c u l a t i o no fs a i l dw a s h e r 4 8 5 2 1c r e a t em o d e l 4 8 5 2 2m e s h i n g 。4 9 5 2 3n u n l 嘶c a ls i m u l a t i o n 5 1 5 2 4p o s t p r o c e s s i n g 觚do p t i m i z a t i o no fc a l 叫a t i o nr e s u l t s 5 2 5 3h l f l u e i l c eo fd i f f j 溯l tf 诎o r sw i n ld r a i n a g ed i s c h a r g ef i l t e ri i ls 锄dw 硒h e r 5 6 5 3 1i i l f l u e i l c co fl e v e ld i f 衙e n c ew i md r a j n a g ed i s c h a 曙ef i l t e ri ns 锄d w 嬲h e r 5 6 5 3 2h l n u e l l c eo f 嘶dn u “l b e r 丽ld r a i l l a g ed i s c h 叩弦f i l t e ri i ls 锄d w a s 】1 e r 5 7 5 4n u m 嘶c a la i l a l y s i so fd i s t r i b l l t o r 5 9 5 4 1n 啪甜c a la n a l y s i so f s 锄ea p e f t l 鹏5 9 5 4 2n u m 耐c a l 趾a l y s i so f d i 丘湘na p e n l 鹏6 3 5 5n u 】 i l e r i c a la i l a l y s i so f g e y s e rp i l m p 6 6 5 5 1p r 印r o c e s s o ro f g e y s e rp 啪p 6 6 5 5 2s o l u t i o no fg e y s e rp u m p 。6 8 5 5 3p o s t p r o c e s s o ro f g e y s e rp u m p 6 8 5 6 ( ：o n c l u s i o n s 7 3 c h a p t e r6c o n c l u s i o n sa n ds u g g e s t i o n s 。7 5 6 1m a i nc o n c l u s i o n s 7 5 6 2s u g g e s t i o n s 7 6 r e f e r e n c e s 7 7 北京化工大学硕士学位论文 a c k n o w l e d g e m e n t s 。 c o n t e n t so fp u b l i s h e dp a p e r so rp a t e n t s 。 b i o g r a p h y 8 5 x l l 污水滤速，嚷f 1 锥壳计算直径，m 研 计算压力，尸口 许用压力，胁 焊接接头系数 锥壳半顶角，o 干管的流量，聊3 j - 1 单个支管的的流量，朋3 s 。1 矿皿硝妒口圪巧 北京化工大学硕士学位论文 x 境污染，污水处理与回收措施的研究与实践开始全面展开。事实证明，污水处理 与回收利用既减轻了环境污染，又增加了经济与社会效益【2 1 。 国家环保总局在2 0 1 0 年底的一份统计数据显示，全国城镇共建成污水处理 厂2 6 3 0 座，每日污水处理能力达到1 2 2 亿立方米，而在建污水处理厂有1 8 4 9 座。污水处理率由2 0 0 0 年的3 4 提高到2 0 l o 年的7 0 以上，我国已经基本建 成适合我国国情的污水处理技术模式与管理体系。到2 0 0 8 年，全国废水排放总 量达到5 7 1 7 亿吨，比上年增加2 7 【3 】。国家对保护环境的重视程度与日俱增， 中国污水处理行业正在迅速发展，各个城市污水处理率不断提高。污水处理行业 是一个朝阳产业，发展前景十分良好。“十二五”期间，污水处理行业将继续保 持高速发展趋势，城镇污水处理设施建设资金总需约为1 5 3 9 6 9 亿元，中国污水 处理行业由此迎来高速发展蝌引。 以北京的污水行业为代表，目前北京有大型污水处理厂4 0 座，还有数量众 多的小型污水处理设施，污水处理率由2 0 0 5 年的6 2 达到现在9 2 以上。目前 北京的每日污水处理量达到3 0 0 万吨以上，每日回用水量1 7 0 万吨，这些再生水 直接用于城市的绿化、市政设施清洗、道路浇洒与厕所冲水【5 】。污水回用的对象 不仅有工业用水、城市生活用水，还可以是农业用水以及地表水。 对污水进行有效处理，既能有效的保护环境，又能够有效的解决水资源紧缺 这一严重问题。解决水资源的问题主要方式有两种，第一是增加水的来源，如我 国的南水北调，但是工程量很大。第二是节约用水，但是随着社会的发展，用水 需求的增长不可避免。因此污水的回收利用是解决水资源的有效方法之一。 以上为本课题研究的背景，概述了连续砂滤器在工业生产与居民生活中重要 作用，以及目前国内污水处理行业的现状、发展前景。 北京化工大学硕士学位论文 1 2 国液过滤分离简介 固液分离的工艺有过滤与分离两种形式。过滤是固液混合物经过过滤介质时 固相与液相分离，液相从过滤介质中通过而固相被过滤介质截留，截留有两种方 式，一种是固相被过滤介质表面截留，如滤布、滤网；另一种是固相被过滤介质 内部截留，如滤料与填料【6 】。 过滤的形式有重力过滤、真空过滤、加压过滤与离心过滤等。过滤分离还可 以分为连续与不连续的方式。连续砂滤器为连续形式的重力过滤。 连续砂滤器是一种深层床过滤器。深层次的过滤器的进料方式有两种分别为 泵送与重力【_ 7 1 。连续砂滤器的进料方式为泵送。 1 3 砂滤技术的概述 1 3 1 普通砂滤器的简介 近几十年，给排水领域的砂滤技术发展迅速，无论是对砂滤的理论研究还是 对过滤工艺的开发应用都有了长足的进展。这些开发研究主要在提高过滤速度、 延长砂滤的连续工作周期、减少冲洗滤砂的水量与改进管理操作自动化的水平这 几个方面进行的，出现了很多新滤型、新工艺、新滤料与新装置，取得了很好的 经济社会效益。 滤池作为砂滤的典型过滤方式，相对于慢滤池的概念，现代大部分给排水领 域使用的都是快滤技术的滤池。判断快滤池运行状况参数有两个：1 ) 出水浊度； 2 ) 水头损失。增加滤料对污水的纳污能力、降低出水浊度与降低整个过滤过程 的水头损失成为砂滤技术研究重心之一，对过滤过程各工序的自动化管理也是砂 滤技术发展的趋势。当滤池中的滤砂过滤一段时间后，滤砂的纳污能力达到饱和， 需要对滤砂进行定期冲洗以恢复滤砂的纳污能力。普通滤池( 图1 1 ) 在冲洗滤砂 的过程中，粒径较大的滤砂会由于水力筛分作用率先沉降到滤层的底部，而粒径 较小的滤砂会停留在滤床的顶部，因此滤层顶部滤砂之间的空隙变小，在这种情 况下滤层表面会截留更多的污染物，污水通过滤砂表层的水头损失会变大，大到 一定程度后就需要进入冲洗滤砂的环节，而在滤层中下部分的滤砂却得不到有效 的利用。为了能够使充分发挥滤层各部分的截污能力得到充分的利用，滤池中的 滤料变为滤砂粒径沿着水流的方向逐渐变小的级配滤料与均粒滤料，这两种滤池 均为单层滤料，同时市场上也出现了双层滤料滤池与三层滤料滤池。 2 第一章绪论 图1 1 普通快滤池的构造透视图 f i g 1 一ls 仇l c t 啪p e 糟p e c t i v eo f g 朗锨l 协tf i l t 盯 相对于普通的快滤池的一些优缺点，市场上又出现了许多快滤池的改进形式。 如1 ) 普通的快滤池有四个阀门，实现自动化管理较困难、操作繁琐，因此有双阀 滤池、单阀滤池、虹吸滤池与无阀滤池，这些滤池降低了造价与维修的工作量。 2 ) 普通的快滤池只有水冲洗的一种冲洗方式，而均粒滤料滤池具有气水反冲洗 与水表面扫洗两种洗砂方式，冲洗的效果有了显著的提高。3 ) 普通的快滤池以石 英砂作为滤料最为广泛，无烟煤与鹅卵石次之。但是随着滤料研究开发的进展， 滤料的发展趋势为从单层到多层、从天然到人工以及滤料材质的改变。诸如锰砂 滤料、沸石滤料、金刚砂滤料、瓷砂滤料、陶粒滤料等一大批先进的滤料涌现出 来，极大的提高过滤的性能。4 ) 此外根据一些具体的应用场合，为了能够满足 实际工艺的具体要求。移动罩滤池具有造价低、阀门设备少、池深浅、结构简单、 连续运行等诸多优点。无阀滤池可以批量化制造且自动化水平较高川。 1 3 2 连续砂滤器技术的现状 连续砂滤器是一种过滤与洗砂同时进行的固液分离设备。二十世纪七十年代 中期，a x e lj o l l i l s o n 研究所的d r h 锄sf l a r s s o n 和m r u l f h e l 舳e 两位设计人员 开始对连续砂滤器展开研究，对原有的砂滤器进行了改进，使连续砂滤器能对滤 料进行有效的清洗以及过滤后的清水与冲洗水不会相混合。连续砂滤器研制成功 后申请专利并进入了市场。 八十年代初期，美国的p 破s o n 公司引进这项技术后向北美地区推广，并对 连续砂滤器运行过程中出现的问题进行研究改进，开发出一系列的产品，并且申 北京化工大学硕上学位论文 请了专利。由于连续砂滤器占地面积小、结构简单、维修便捷以及自动化管理水 平高等优点，受到了欧美与日本等发达国家的广泛关注。这些国家的公司通过对 连续砂滤器的适用范围、过滤流向、布水方式、提砂系统与洗砂方式不断的改进， 最终在市场上形成了以p a r k s o n 公司为首的三大连续砂滤器的产品。 当连续砂滤器进入市场不久，我国机械部第二设计院受到启发，研制出适合 本国国情的连续砂滤器，在运行过程中充分体现出其自身优点【8 】。 1 3 3 连续砂滤器的性能特点 根据国外的连续砂滤器的连续运营的经验，连续砂滤器相对于普通的滤池有 以下六点优势： 第一，因为不需要停机冲洗滤料，既方便了污水处理工艺的管理，又减少人 工维护操作的不确定性，保证了供水的安全性，以经济的投资、方便的管理获得 合格并且稳定的水质。 第二，连续过滤器能够及时有效的对滤料清洗，使滤床一直保持有效工作状 态，因此滤出的水的水质会始终都达到稳定并且良好的状态。这就扩大了过滤时 的进水水质的范围，可以处理进水浊度远高于传统工艺沉淀的进水浊度，处理进 水的浊度可以达到1 0 0 度以上，而出水的浊度保持在5 度以下。解决了滤前水浊 度高带来的出水水质差、反冲洗频繁等问题。 第三，滤层处于稳定的工作状态，连续过滤系统对进水的流动状态有很好的 适应能力。 第四，连续砂滤器相对与传统砂滤器相比减少了冲洗滤砂过程，无机械传动 部件。操作比以前减少，设备运行是一种稳态过程，便于自控。 第五，辅助设备少，比普通砂滤池减少反洗槽、泵阀与仪表等易损部件。易 损件少，系统简单，维护方便，真正实现粗放管理。 第六，进水采用上流式，截污后的滤料在滤层底部被不断提升到洗砂器中进 行清洗，不会在滤层表面形成阻塞物而降低流速，使得所有滤料都能充分发挥过 滤作用。 1 4 课题的研究内容 本课题主要对连续砂滤器的发明及其应用发展做了较为全面的调研，比较详 细分析已经出现的各种类型的连续砂滤器的设计类型，总结这些连续砂滤器的特 点，在此基础上提出了一种连续砂滤器的整体设计方案。本课题所研究的连续砂 滤器吸收并发展了以往的连续砂滤器设计中的一些优点，同时也对连续砂滤器的 4 第一章绪论 一些不足之处进行不同程度上的改进。本课题不仅对连续砂滤器的结构进行了详 细的改进设计与局部创新，还利用计算流体软件a n s y sf l u e n t 模拟出连续砂 滤器中的流场，对其重要的组件进行优化设计，在目前没有连续砂滤器成熟理论 的情况下，这些研究工作为本课题中结构设计的可靠性提供了有力的依据。 1 5 课题的研究方法 1 5 1 计算流体力学简介 计算流体力学是通过计算机的数值计算对流体进行研究的一种方法与理论， 与分析法、实验论证法并列为三大研究流体力学的方法【9 】。计算流体力学的基本 思想是对流体模型进行离散化处理，离散后的模型分成有限个单元，每个单元都 有质量、能量等微分方程，对这些方程进行联立求解，模拟出整个流场的性质【l o 】。 计算流体力学软件可以用有限差分法、有限元法与有限体积法三种控制方程 离散方法对流体问题进行数值计算【1 1 1 。 1 5 2l i l u e n t 分析软件简介 f l u e n t 是目前世界上应用比较广泛的计算流体的软件，八十年代初由 f u j e n ti i l c 公司发布，2 0 0 6 年被a n s y sh l c 公司收购后不断推陈出新，在前 处理器与后处理器方面都有了很大的改进【1 2 1 。 f l u e n t 采用有限体积法对模型进行离散化分析，f l u e n t 可以支持各种 类型的网格，对复杂几何区域的流场分析具有很好的网格适应性【1 3 】。 本课题采用的版本是a n s y sf u j e n t1 2 o ，可以在w o 鼬e n c h 协同仿 真环境中运行。在w o 鼬( b e n c h 平台中，不需要g 蝴b i t 进行前处理，而是 用组件( a p i ) d m 与m e s h 进行建模与网格划分，求解器的输入界面也更加友 好，后处理器可以使用c f d p o s t ，提取求解结果的信息更加的便捷、功能更强 大。 1 6 本课题研究的意义 本课题研究的意义可以概括为以下三点： ( 1 ) 收集整理国内外关于过砂滤器现状的文献，比较各种连续砂滤器的特点， 回顾连续砂滤器的发展历程，明确研发并推广连续砂滤器的必要性和可行性。 ( 2 ) 详细设计一种结构合理、过滤效果好，性能优越、能耗更低、制造安装 北京化工大学硕士学位论文 方便的连续砂滤器。 ( 3 ) 对上述连续砂滤器的重要部件进行有限元分析及优化，用f l u e n t 模 拟出连续砂滤器的流场及参数，优化并改进了连续砂滤器重要零部件的结构。不 仅为本课题结构设计方案的可靠性提供了依据，而且对连续砂滤器的研究与改进 有一定的参考价值。 6 第二章连续砂滤器的应用与发展 第二章连续砂滤器的应用与进展 2 1 国内外连续砂滤器技术的简介 2