毕业设计（论文）-小处理量泵压反冲洗式过滤器设计.docx

本科毕业设计（论文）说明书小处理量泵压反冲洗式过滤器设计学 院 机械与汽车工程学院专 业 过程装备与控制工程学生姓名 学生学号 指导教师 提交日期 2014年 6月 4 号 摘 要 化工行业中一般对大部分油田采出水进行回注地层，用于采油，以便节省清洁水资源少量在处理达标之后进行外排。由于油田采出水含有大量的原油、固体悬浮物、矿物盐、微生物、藻类等杂质，在回注地层之前必须进行净化处理，且需要根据不同地层渗透率的要求进行不同精度的过滤。过滤器是油田采出水处理流程中的关键设备，位于普通三段式流程的末端，对水质起到决定性的作用。油田采出水过滤器在经过多年的发展后，已基本能满足当前的需求。但依然存在设备耐冲击差、滤料易损坏板结、反洗效果差、容易憋压等问题。本文系统的阐述了不同类型过滤器的特点并进行了泵压反冲洗式核桃壳滤料过滤器的详细设计。泵压反冲洗式过滤器与普通过滤器的不同之处在于，其滤床的洗涤方式主要靠旋流冲洗装置对流化态的滤料进行冲洗搅拌。相对于桨叶式的搅拌方式，旋流冲洗的水流能够大幅度降低滤料被破坏的几率，此外，这种洗涤方式的结构要比搅拌式更为简单，过滤器的整体设计更容易实现。泵压反冲洗式过滤器的设计包括罐体的设计、滤料的选择，过滤工艺的计算，滤料反洗工序的设计计算以及附属设备的选型计算。罐体的设计符合压力容器的设计规范。过滤和滤料反洗的计算根据给水排水理论、流体力学以及行业中的研究成果进行。关键词：油田采出水，核桃壳，过滤器，泵压反冲洗全套设计加扣 3012250582AbstractIn the chemical industry, most of sewage is disposed and injected into stratum for mining oil. Oilfield produced water contains amount of oil, suspended solid, mineral salt, microbe, Algae and so on. Before injected into stratum, it must be disposed based on different penetrance of oil layers.Filter is a key equipment of water treatment, which belongs to the end of ordinary procedure, the property of filter will directly decide the water quality. After years of development, the newest filter can basically meet the demand; while, there are still many problems need be solved. Such as the impact strength and backwashing result are not good enough, filter material is fragile and so on.This thesis systematically introduced the features of different kind of filters and provided a detailed procedure of designing a walnut shell filter, which could be washed by swirl nozzle. There is a main difference between the kind of filter and normal agitator filter. The filter bed is washed by swirl nozzle in water-pumped filter; while in agitator filter, its achieved mainly by stirring blades. Compared to agitator filter, water comes out of swirl nozzle will make less damage to filter material; also it is easier to design the structure of filter. Pump-pressed backwashing filter contains a lot of parts. It contains the design of tank, the choice of filter material and accessories, the calculation of filter technique and backwashing technique. The tank is designed according to related national standard; the other parts are all based on related theories and experience.Keywords: oilfield produced water, walnut filter, pump-pressed backwashingII目录摘要Abstract第一章 绪论11.1课题研究的背景和意义11.1.1课题研究的背景11.1.2课题研究的意义21.2过滤器的研究与发展21.2.1过滤技术的发展21.2.2滤料反洗技术的发展31.3过滤技术的发展趋势31.4课题研究的主要内容41.4.1基本设计要求41.4.2课题主要工作4第二章 过滤器结构参数的确定62.1 设计条件与规范62.1.1 设计数据和要求62.1.2 设计依据62.2设备各尺寸及滤层的膨胀厚度的计算62.2.1 过滤器的公称直径62.2.2 封头与支座的确定72.2.3 罐体高度的确定82.2.4 过滤器壁厚的设计122.3 过滤器内部结构的设计132.3.1 表面冲洗装置的设计132.3.2 布水筛管的设计142.4 过滤器各进出水管管径的确定及法兰选型152.4.1 各接管管径的确定152.4.2 管汇法兰的选型162.5 过滤器附件的选用172.5.1 视镜的选型172.5.2 吊耳选型182.6 开孔补强192.7 本章小结20第三章 过滤及反洗性能参数的确定213.1 过滤器负荷及操作周期的计算213.1.1 单个过滤周期污水处理量213.1.2 过滤周期的计算213.2 过滤压降的计算213.2.1 过滤初始时的压降213.2.2 过滤终了时的压降223.3 滤料反洗操作223.3.1 滤料反洗方式223.3.2 滤料反洗的操作流程243.3.3 滤料反洗总耗水量的计算253.3.4 滤料反洗压降的计算263.4 本章小结26第四章 泵的选型计算274.1 过滤器反洗的供水方式274.1.1 反冲洗供水泵的选型274.1.2 旋流冲洗供水泵的选型304.2 本章小结31第五章 装备质量及附件受力校核325.1 过滤器总质量的计算325.2 支座及吊耳的受力校核335.2.1 支座的受力安全分析335.2.2 吊耳的受力分析335.3 本章小结34结论35参考文献37致谢39附件4042第一章 绪 论1.1 课题研究的背景与意义1.1.1课题研究的背景我国大部分油田已经进入了三次开采期，采出原油的含水率已达 70%以上，有的油田甚至高达90%1。油水分离产生大量的含油污水，如不经处理直接排放，会对环境造成污染和危害，严重时将威胁人民的生命安全，造成经济损失。24。油田污水具有一下特点：污水中含有一定数量的油。水温较高，在4060之间。含有各种盐类，含盐度差别很大，少的可低于5000mg/L，多的可高于22104mg/L（海水的平均含盐度为3.5104mg/L），污水中还含有非溶性固体悬浮物。含有细菌，主要是硫酸盐还原菌、铁细菌和黏液菌等，这些菌促进金属的腐蚀。在密闭集输系统中，污水中所含的H2S、和CO2等会对金属产生腐蚀5。油田污水因其量大且污染物含量高，若不进行处理，将会对环境产生严重污染。据统计大庆油田每天采出的含油污水达到 142.5104m3，全国每年大约有十几亿t油田采油污水需要处理，这些污水在处理达标以后，大部分要作为开采注入水回注地层，一小部分向自然环境中排放6。采用注水采油方式的油田，大部分注入水都随原油被一起采出，有的区域采油含水量甚至达到了90%的含量，采油污水已成为油田的主要注水水源。油田采出水用于回注相较于淡水具有以下特点：（1）油田采出水含有表面活性剂且温度比较高，能增强洗油能力。水的矿化度越高，驱油的效率越高。矿化度与地层最接近的采出水，其驱油的效率最高。（2）高矿化度的水注入油层之后，不会引起粘土颗粒的膨胀而降低油层的渗透率。（3）采出水质稳定，与油层相混时不会产生沉淀7。二段和三段式处理工艺师当前化工行业主要应用的处理方式。三段式污水处理流程的主要构筑物是一次除油罐、二次混凝除油罐、压力过滤罐等8，处理流程见图 1-1。图1-1 三段式污水处理流程图图1-2 微絮凝污水处理流程图1.1.2 课题研究的意义过滤工艺是经典三段式流程图的最后一步，决定着处理后的污水（净化水）能够被应用于何处。一般来说净化水都会用于回注地层，不同油田不同地层的渗透率不同，随着油层的含油率不断降低，为使净化水能顺利地注入地层，并延长注水系统的寿命，显然应控制净化水内悬浮固体总量、含油量。这就对过滤器的性能产生较高的要求。过滤工艺是对污水中油污、固体悬浮物的截留过程。由核桃壳等滤料铺垫的具有一定厚度的滤床，具有一定的空隙率。固体悬浮颗粒由于直径大于滤床空隙直径而被截留，而油污则被吸附在滤料颗粒的表面。特别是核桃壳和改性纤维球滤料等亲油性滤料表面对油污的吸附能力更强，处理的效果也更好。随着过滤的持续进行，滤床的压降增至最大允许值时，需用净化水进行反冲洗，清除滤料截留的污水杂质，回复滤床的活性。“小处理量泵压反冲洗式过滤器”正是应用于污水的末级处理，采取用泵增压洁净水对滤层进行反冲洗和旋流冲洗的方式清洗滤层。1.2 过滤器的研究与发展1.2.1 过滤技术的发展过滤技术在油田污水处理中的应用始于100多年以前的美国宾西法尼亚某油田。从上世纪四十年代开始，油田水驱采油开始大面积推广，过滤工艺也在油田得到了广泛应用。所用的过滤器主要有：清水型粗过滤器，精过滤器，以及污水型过滤器。早期主要以石英砂过滤器为主，其对悬浮物具有较好的去除效果，但除油能力不高。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（可达20m/h以上）、截污能力强、水洗强度低（68L/sm2）等优点，反洗时辅助以机械搅拌，反冲洗效果好。核桃壳作为亲油物质，对油的去除能力极强，因此该过滤器已经被广泛用于一级过滤910。后来又相继开发出如改性纤维球滤料等性能更好的滤料。改性纤维球滤料在过滤时对油滴具有亲油性，能够很好的将油滴吸毒在滤料表面，而在反洗时，滤料表面对油污的吸附性又能减小，从而最大程度的满足过滤的要求，因而具有良好的过滤效果。相比于核桃壳滤料，改性纤维球滤料造价较高。过滤工艺的决定性因素在于滤料的选择。在选择滤料时应注意的要素如下：滤料的强度不能太小，否则容易在摩擦和碰撞中被破坏；有很好的化学稳定性，不增加水内的有害物质，有较好的抗腐蚀性；滤料颗粒的外形应接近球形，表面粗糙，有较大比表面积吸附和截留悬浮物；滤速高；再生容易，具有亲水性；价格合理，货源充足。在较长一段时间内，石英砂和无烟煤为油田过滤器常用的滤料11。近年来，滤料的发展很快，开发了性能更好的核桃壳、陶粒、涤纶纤维球、涤纶纤维束等新型滤料。过滤器一般分为两类：压力过滤器和深度净化过滤器。压力过滤器又包括：常规压力过滤器和核桃壳过滤器。常规压力过滤器的净化性能除与滤料性质有关外，还随进料水质和沿罐体截面配水的均匀程度、滤速、反冲洗周期和强度有关。一般能满足中高渗透率油层回注水的水质要求。核桃壳过滤器滤一般只有一层滤床，且滤料颗粒的粒径基本相同。由于核桃壳本身带有孔隙、比表面积大、吸附能力强、有较强的亲水性、反洗再生好等优点而被广泛应用。深度过滤器是针对低渗透和特低渗透率油层而开发的过滤器，主要有：纤维球过滤器、烧结滤芯过滤器、陶瓷膜过滤器、活性炭过滤器等。1.2.2 滤料反洗技术的发展过滤器在经过一个完整的过滤周期时，由于污水中的液体及固体杂质不断的被滤层吸附，导致滤层的过滤压降越来越大，以至于过滤无法进行。这时必须对滤料层进行洗涤，去除杂质，使滤层重新获得吸纳的能力。滤料的反洗方式可以归为两类：水洗、水洗加气洗。水洗是通过滤料在流动的水流中不断受到摩擦力、剪切力和离心力的作用，使得滤料表面吸附的污渍得以去除。滤料的水洗一般又可分为反冲洗和搓洗。反冲洗是通过在滤料层下部向上以一定的冲洗强度冲洗滤层，使滤层处于完全流化的状态，再辅以搅拌机的搅拌作用，达到滤料的清洗目的。而搓洗是通过将滤料输送至专设的搓洗中，在高速水流的冲击下，滤料在搓洗器中高速旋转摩擦，油污由于密度较小，在旋转中逐渐上浮，悬浮固体颗粒由于密度较大而逐渐下沉，从而达到污渍的分离，这一过程类似于旋风分离器的工作过程。搓洗设备科内置也可外置。这种方式适合于滤料与污渍之间密度差较大的情况。水洗加气洗与前者的不同之处在于，将搅拌桨换成高压空气。加压空气鼓入已经流化的滤池可加强滤料的翻滚摩擦，充分的搅动滤层。水洗与气洗的相结合可以减少反冲的用水量，并能取得比单纯用水反冲洗好的效果。1.3 过滤技术的发展趋势综合目前的行业情况来看，油田的一次出油率越来越低，如聚合物驱油技术等新型驱油材料的加入，将使得油田采出水的处理更为艰难。因此开发新型滤料将会是未来着重的研究方向，改性纤维球滤料的研制便证明了这一点。开发吸附性能和反洗性能更好的滤料，如何防止滤料的变性和损失，降低滤料成本，这对油田采出水精细过滤技术来说是关键的一步。目前对于过滤技术的相关研究集中在以下几个方面：（1）滤料的选择。不同滤料的表面吸附特性、密度、球形度以及机械强度等都大不相同，因而其对污渍的截留和吸纳能力也就各不相同。现有滤料种类繁多，如石英砂、核桃壳、无烟煤、改性纤维球、磁铁矿等。在使用中，应根据不同的油田污水特性具体的选择滤料的类型，以获得最好的过滤效果。（2）新型过滤器的研制。油田污水水质的变化，尤其是聚合物驱油技术的使用，导致原有的过滤器无法满足过滤要求，如无法去除某项杂质、过滤不稳定、反洗压力升高等问题。因此要对过滤器重新设计，才能解决现有问题，改善过滤效果。（3）过滤工艺的改进。在污水进入过滤器之前，对污水增加微絮凝反应，改变悬浮物和油滴的粒径，从而可大大提高悬浮固体颗粒和油滴的去除率。此外，现代石油工业的工程规模和开工环境对设备的要求越来越严酷，高运行负荷、大处理量、以及高程度自动化将会是未来的研究趋势。1.4 课题研究的主要内容1.4.1基本设计要求过滤器是属于化工行业的大型化工设备，关于设计准则，很多方面没有国家的统一标准，仅在行业内有部分企业标准。过滤器的物理组成包括：过滤器罐体、滤料层、砾石垫料层、集水系统、筛管配水系统、各进出水接管、离心泵等。过滤器罐体属于压力容器，应当按照GB150-1998规范进行设计。滤料和垫料按照CJT43-2005和GB50428-2007油田采出水处理设计规范进行选择设计。接管和离心泵可按相关的国标和机械行业标准进行选择。集配水系统按推荐的企业标准进行选型设计。而过滤工艺部分，水流过清洁滤层所产生的水头损失以及反冲洗强度时仅有的两个可以计算的项目。本设计中在没有相关行业标准的情况下，均根据以往的经验公式进行设计。1.4.2课题主要工作过滤器的处理效果受一系列的因素影响，如水量、水质、滤料的粒径滤层的高度、反冲洗的性能等。在进行具体的设计计算之前，应先对这些因素进行具体分析。下面给出设计过程的主要流程：1）根据油田采出水处理设计规范和油田采出水处理设备选用手册，对过滤的整体结构进行初步的设计。2）根据流体力学原理设计滤料层的高度，确定过滤器罐体的总体尺寸。3）应用经验公式计算过滤压降及反冲洗流程的相关参数。4）根据反冲洗及旋流冲洗的用水量进行泵的选型计算、并对过滤器各选用零件进行工作条件的校核。5）绘制过滤的总装工程图和零件工程图。第二章 过滤器结构参数的确定2.1设计条件与规范2.1.1设计数据和要求处理量：50m3/h；设计压力：0.6MPa；设计温度：80；滤前水质指标：含油50mg/L,悬浮物100mg/L；滤后水质指标：含油10mg/L,悬浮物5mg/L。2.1.2设计依据本章将根据选定的参数和设计要求，对过滤器主体结构尺寸进行计算，这一部分主要涉及到：过滤器的筒体直径、过滤器的高度、封头的设计、滤料的高度及膨胀高度、接管管径的确定、管路法兰的选择、支座的设计、壁厚等物理参数的计算等。设计依据标准：SYT0523-2008油田水处理过滤器GB 50428-2007 油田采出水处理设计规范JB/T 4746-2002 钢制压力容器封头JB/T 4712-2007 支承式压力容器支座JB4708 钢制压力容器焊接工艺评定2.2设备各尺寸及滤层的膨胀厚度的计算2.2.1 过滤器公称直径根据GB 50428-2007 油田采出水处理设计规范推荐值，滤速一般为1525m/h，选定设计滤速为20m/h， （2-1）式中：设计滤速，m/h；过滤器单罐处理量，m3/h；筒体横截面积，m2；则， （2-2）得过滤器的直径为：，根据油田采出水处理设备选用手册表3-9的推荐值，选取过滤器的公称直径DN=1800mm图2-1 过滤器结构示意简图2.2.2 封头与支座的确定从过滤器的结构简图来看，过滤器的总高度，主要可以分为以下几个部分：下封头、上封头、支座、罐体这四部分组成1) 封头的选择根据JB/T 4746-2002 钢制压力容器封头的规定及本核桃壳过滤器的要求，选用EHA型标准椭圆形封头，其尺寸结构如图2-2所示：图2-2 标准椭圆形封头结构示意图图中各尺寸参数之间的关系为：，。可得：。2) 支座的选型支座的设计主要是用来支承容器的重量，固定容器的位置，并使容器在运行时保持稳定。一般可分为立式容器支座和卧式容器支座本过滤器属于立式容器，立式容器支座一般有腿式、支承式、耳式支座三种。腿式支座适用的压力容器的公称直径DN在400mm1600mm之间，故不符合要求。支承式支座一般适用于高度不大于10m且离地面又比较低的立式容器，可分为由数块钢板焊接而成的A型（适合800mmDN3000mm）和由钢管与钢板焊接而成的B型（适合800mmDN4000mm）两种。考虑到过滤器的直径大小和使用方式，选择A型支承式支座，按照JB/T 4712-2007的标准进行选用。其结构关系如图2-3：图2-3 A型支承式支座结构图筒体的公称直径DN=1800mm，根据表压力容器支座表2 A型支座尺寸系列参数，可知，h=460mm，l2=240mm。2.2.3 罐体高度的确定过滤器罐体内部，从下至上的结构包括：砾石垫料层、集水器、核桃壳滤料层、表面冲洗装置、防膨挡板、上筛管布水器。1）砾石垫料层厚度h1砾石垫料层是位于过滤器底部的结构，用来支撑集水器和核桃壳滤料层，避免核桃壳滤料层对布水器形成直接的挤压，也对滤料层起到了一个承托的作用，其覆盖高度一般要高过布水器上水平面510mm，以阻止核桃壳滤料在过滤进行时对集水器孔口造成堵塞。本设计中根据GB50428-2007中的推荐值，取上覆盖高度为100mm，砾石粒径取4mm。砾石垫料层直接填充满整个椭圆形封头，集水器的下水平面与椭圆部分边缘齐平。2）集水器的选型与设计集水器是过滤器中的核心结构，在过滤正常进行时，污水经核桃壳滤层过滤后，由集水器上密集的孔口汇聚，集水器母管与过滤器的出水口以法兰相连；在进行反冲洗时，反冲洗水以一定的压强和流速从集水器中流出，进而对滤料产生冲洗作用。集水器的选择根据HB2003-4号标准进行选择：图2-4 集水器结构图筒体直径DN=1800mm,根据标准选取，可知集水器规格为RYZP-180。母管的规格DN=100mm，由于选取的设计流量为小流量，因此可选较小规格的管径，支管的规格为DN=32mm，支管的个数为8根，沿母管轴向均匀分布。3）滤料层的参数确定核桃壳滤料具有亲水疏油性、吸附截污能力强、除油率高、耐磨性好、硬度高、抗压能力强等优点。对采油废水可实现高速(2030 m3h)的过滤处理。而较低的颗粒密度(1.25103 kgm3)，易于进行水力反冲洗，且反冲洗强度较低，再生效果好。因而以核桃壳为滤料的过滤器广泛用于油田含油废水处理工程中12。本设计选用核桃壳滤料作为过滤媒介，根据GB50428-2007表C-1，选择核桃壳滤料的粒径规格为1.2mm，填装厚度为1.2m。核桃壳作为过滤介质主要优点在于其密度小，约为1.25103kg/m3。较低的反冲洗压力便可实现滤料的流化，节省清水，反洗效果好。随着过滤的进行，大量轻质的油污和悬浮物附着在核桃壳表面，使其相对密度降低。粘附有杂质的核桃壳滤料其密度约为1.05103kg/m3，滤层的膨胀高度与滤料的密度成反比，随着污渍的累积，滤料的相对密度不断减小，当达到临界值时，当前的反冲洗强度边足以使滤床流化。滤床在急剧的膨胀过程中，滤料和油污直接进入了布水筛管与罐顶之间死角，造成筛管堵塞，致使反洗压力急剧上升，反洗出水量急剧下降，滤料反洗难以继续进行，产生憋压现象。在反洗结束后，黏附于罐顶的大量油污落下，又进一步加剧了布水筛管的堵塞。同时由于反冲洗压力升高，部分筛管出现断裂，造成过滤器滤料流失13。针对上文提出的问题，在设计中药特别注意控制滤床的膨胀高度。下表给出对应粒径核桃壳滤料的理化性能参数14表2-1 核桃壳的物理化学参数参数/kg/m3D/mmmf数值1.251.20.630.390.52在进行过滤器的反洗时，先打开反冲洗进水阀门和罐顶的出水口，反冲洗水经由过滤器底部的集水装置均匀布水，通过砾石垫层，水流更加均匀，随着冲洗强度的增大，滤床达到完全流化的临界状态 15，该冲洗流速可以根据Ergun理论进行推导16， （2-3）式中：最小流化态的冲洗流速，m/s； 滤料直径，mm； 形状系数； 重力加速度，m/s2；滤料的密度，kg/m3；水的密度，kg/m3；最小流化态滤料孔隙率；水的动力粘度Pas；设计温度为80，查化工原理附录三得，此时水的密度S=971.8kg/m3，动力粘度=0.357mPas。将这些数据和表1中的参数代入式（2-3）得，最小流化态冲洗流速Umf=7.6610-3m/s，即7.66L/(sm2)。SYT0523-2008油田水处理过滤器给出了实际的冲洗强度范围，由于核桃壳密度较小，属于轻质滤料，反冲洗强度的建议范围为615 L/(sm2)。对于核桃壳这种轻质的过滤介质，过滤器的反洗强度值为8 L/(sm2)左右17。为了防止滤料过度膨胀，根据建议范围，选择反冲洗强度为Usexp=8 L/(sm2)。为了确保反冲洗时砾石不会被冲起与核桃壳滤料发生混合，工作状态下的反冲洗流速应小于砾石颗粒的最小流化速度。前面已经选定砾石颗粒的直径为D=4mm，按市售砾石滤料的规格，其形状系数=0.75，密度s=2750kg/m3,最小流化态孔隙率mf=0.695。将以上数据代入式（2-3），得：砾石滤料的最小流化冲洗速度为3.2m/s，远大于工作状态下的反冲洗流速，因此Usexp=8 L/(sm2)是合理的。在反冲洗时，水通过集水器和砾石垫料层均匀的向上流动。最初，当反冲洗水流的强度比较小时，不会对过滤器产生影响，此时，整个滤床维持在一个稳定的状态。随着反冲洗强度的增加，一部分滤料不再保持稳定，滤料之间会发生互相摩擦。伴随反冲洗强度的进一步增加，滤料层整体开始膨胀。当反冲洗强度达到一个临界值时，绝大部分的滤料会各自独立的移动。因此，滤床的膨胀高度取决于反冲洗的强度和滤料的密度。反冲洗的数学模型如下： （2-4）其中：实验状态下反冲洗流速，cm/s； 滤料密度，kg/m3； 水的密度，kg/m3；实验状态下滤料孔隙率；重力加速度，N/kg；动力粘度，mPas；滤料直径，m； 反冲洗强度、滤料密度和滤床膨胀高度之间的关系如下16： （2-5）其中：L滤床膨胀后的高度，mm；L0滤料的高度，mm；将工作状态下的冲洗流速Usexp的值代入式（2-5），得滤床膨胀后的高度L：对应的滤床膨胀率为：反冲洗时，滤床增加的高度为L- L0=2.62-1.2=1.42m。4）防膨挡板的设计防膨挡板是为了防止滤料在反冲洗时因堵塞布水筛管产生憋压现象而设置的，防膨挡板是由表面分布均匀的微孔金属网状结构制作而成的锥形结构。防膨挡板不仅能够起到阻挡滤料流失的作用，还能在正常过滤时起到对滤前水的均匀分布作用。防膨挡板的设计根据上海爱帆金属制品有限公司提供的材料卷制而成，板体微孔经冲孔形成。材料选择不锈钢，为了更好的阻挡滤料又能避免冲孔的堵塞，板材的冲孔形状为方形。规格：卷板厚1.5mm，孔径1.0mm。锥体直径为900mm，高设为200mm。防膨挡板的底部与滤料层的最大膨胀高度之间保留安全高度h0为50mm，顶部与筛管布水器的底部相接，并与封头焊缝设置在同一高度。由以上的所得尺寸值即可计算整个容器的长度：设容器总高为H0(不包含支座和伸出管的长度)，封头不含直边高度为H1，集水器母管直径为d1，滤料层厚度H2，滤料层膨胀高度H3，防膨挡板高度为H4。则容器总高度为：H0=2H1+d1+10+H2+H3+h0+H4=2450+100+50+1200+1420+100+200=3970mm。2.2.4 过滤器壁厚的设计1) 过滤器筒体壁厚的设计小处理量泵压式反冲洗式过滤器本质上属于压力容器。压力容器的最小壁厚主要是考虑工艺要求以及运输安装过程中的刚度要求18，根据国家标准GB150-1998钢制压力容器 ，内压圆筒的壁厚计算公式为： （2-6）式中：计算壁厚，mm；内部工作压力，MPa；容器的公称直径，mm；筒体材料设计温度下的许用应力，MPa；焊缝的接头系数；本设计中=0.6MPa，设计温度t=80，容器内部压力较小，筒体材料科选择常见的Q345R，考虑到油田污水具有一定的腐蚀性，取腐蚀裕量C2为2mm，焊接接头的形式为双面对接接头和相当于双面焊的全熔透对接接头19，对应的焊接接头系数=0.85。查钢板标准GB713，设计温度下，在厚度为316mm的范围时，=189MPa。容器公称直径=1800mm，高H0=3970mm。假设过滤器内部全部充满水，液柱的静压近似等于0.0397MPa，大于设计压力的5%，故应当计入计算压力中，则=0.6+0.0397=0.6397MPa。设计厚度假设容器的壁厚在316mm的范围内，计算得筒体的厚度为：设计厚度。对于Q345R,钢板负偏差=0.3mm，根据钢板标准，可取名义厚度=6mm。检查=6mm时，没有发生变化，故名义厚度取6mm是合适的。2) 椭圆形封头厚度的设计筒体两端各采用标准椭圆形封头1个。查化工设备机械基础表13（EHA椭圆形封头内表面积、容积），选封头的公称直径为DN=1800mm。其尺寸如下表：公称直径1800mm的椭圆形封头的成品的尺寸（mm）。表2-2 EHA型椭圆形封头尺寸表公称直径曲面高度直边高度内表面积容积厚度1800450253.6540.82782.3过滤器内部结构的设计2.3.1表面冲洗装置的设计表面冲洗指从滤层的上部，用喷射水流向下对滤料进行清洗的操作。表面冲洗设备有固定式和旋转式两种。二者都是利用喷嘴射出的高速水流产生的冲击力，对流化床进行冲击搅拌。喷嘴孔径一般为36mm，喷口压力约5个大气压，冲洗强度为1.42.8 L/(sm2)。喷嘴孔眼与水平方向呈4520。本设计中，表面冲洗装置被设计为由三根成120夹角的支管组成，喷嘴轴线垂直于支管轴线，每根支管沿轴线方向均布三个喷嘴。喷嘴孔径为5mm，与水平方向成45夹角。表面冲洗装置与反冲洗过程相结合，能够使滤料得到充分的洗涤。在设计中，先以一定的反冲洗速度将滤料层流化，此时为了使得表面冲洗装置的效果最大化，喷嘴的位置设计在滤层膨胀后离上表面四分之一整体高度处。此时，喷嘴中高速射出的水流一边沿切线方向冲击圆周上流化的滤料，致使滤料沿圆周加速运动；同时，水流的竖向速度带动流化态的滤料层做上下的翻滚运动。表面冲洗进水管需要承受较大的液体压力，管径不能过大，根据常用钢管规格型号一览表，选取支管类型为低压流体焊接输送钢管，DN=25mm，壁厚为3.25mm；母管规格为DN=50mm，壁厚为3.5mm。2.3.2布水筛管的设计过滤器的布水筛管位于上封头进液管部分，布水筛管在过滤器的运行中承担着两个功能：一个是在过滤时均布滤前水的作用，另一个是在滤料反洗时作为反洗水的出口。筛管的设计遵循SY5182-87标准，筛管由筛桶（包含筋条和绕丝）和接头组成，其结构形式如图2-7：图2-7 筛管机构图d筛管内径，mm；D筛管外径，mm；Di接头外径（Di=D+2）;L筛管长度，mm；t缝隙宽度，mm缝隙宽度系列如下：表2-3 缝隙宽度系列（mm）0.10.150.20.250.30.350.40.450.50.751.01.251.52.0表2-4 筛管规格尺寸表筛管规格mm筛筒内径mm筛管最大外径mm基管外径mm筋条数目条6063.17660.3187375.88973.0208991.710588.924102104.4117101.628114117.2130114.330127130.3143127.034140142.7155139.736168717.6184168.344178181.1194177.846194197.2210193.750219222.7235219.156245248.5261244.558273278.0291273.060340345.0358339.780419424.0437419.1100根据浙江金龙自控设备公司的设计标准，在过滤器公称直径DN=3600mm时，选用筛管规格为89mm，本设计为小处理量过滤器，筒体公称直径DN=1800mm，则选用规格为60mm的筛管，性能是能够满足要求的，筛管缝隙宽度为1.0mm。2.4过滤器各进出水管管径的确定及法兰选择2.4.1各接管管径的确定过滤器的进出水水管在能确保输送能力的前提下，管径可以在一定范围能浮动，根据油田采出水处理设备选用手册给出的经验值，设计处理能力为50m3/h时，进水管管径为DN=80mm，出水管管径DN=100mm。旋流反冲洗进水管根据之前的设计为DN=50mm。放空管安装在过滤器下封头处，处于过滤器内部一侧安装有水帽，水帽的作用是放空容器底部的污水和气体时保证砾石垫料不会流失。水帽的类型选用单头管式水帽，单头管式水帽流通面积大、使用寿命长、耐压性好、不易老化。其结构图如下：图2-8 单头管式水帽结构图单头管式水帽部分尺寸系列见下表:表2-5 水帽尺寸规格序号型号缝隙外形尺寸通流面积mm2DHLM1TYS57-1-A0.2-0.5452580M252802TYS57-1-B0.2-0.5453590M253903TYS57-1-C0.2-0.54545100M255004TYS57-1-A0.2-0.5353590M25450根据设计处理量的大小及过滤器的公称直径，选用TYS70-4-B型单头管式水帽，对应接管公称直径DN=32mm。人孔也称为检修孔，在设计中被用来对过滤器进行检修换料等工作，人孔的设计遵循HG/T21516-2005设计标准。选用回转盖人孔，其结构如下：图2-9 回转盖人孔结构图对应的尺寸系列如下表：表2-6 回转盖人孔的尺寸系列本设计中，人孔位于过滤器中部，即筒体1/2高度处，选用回转盖人孔，规格为DN=450mm，壁厚与过滤器筒体保持一致，即dws=480mm6mm。2.4.2管汇法兰的选型板式平焊法兰结构简单，适用于压力4MPa的场合。本设计中的主要接管均可采用板式平焊法兰连接，而人孔的孔径较大，人孔盖在工作状态为受压面，设计中选取法兰类型为带颈平焊型法兰。密封面为凸面M型，其中钢管型号以B型为准，具体参见HG20592-2009最新法兰标准。图2-10 板式平焊法兰结构示意图表2-7 板式平焊法兰尺寸系列进水管DN=80mm，出水管DN=100mm，射流进水母管DN=50mm，支管DN=25mm，放空管DN=25mm。2.5 过滤器附件的选用2.5.1视镜的选型视镜焊接在过滤器筒体上，当过滤器正常运行时，可以通过视镜观察到过滤器内部的工作情况，及早发现存在的一些问题。视镜作为标准组合部件，由视镜玻璃、视镜座、密封垫、压紧环、螺母和螺柱等组成，具体参照HGJ50150286标准。其基本型式如图2-11所示：1视镜玻璃；2视镜座；3密封垫；4压紧环；5螺母；6双头螺柱图2-11 视镜结构示意图表2-8 视镜尺寸系列2.5.2吊耳选型吊耳是安装在设备上用于提升的吊点结构，是大型压力容器进行安装时不可少的组件。吊耳需要有很好的承载能力和稳定性。按所安装的部位不同可分为顶部板式吊耳（TP型、TPP型）、卧式容器板式吊耳（HP型）、侧壁板式吊耳（SP型）、轴式吊耳（AXA型、AXB型、AXC型）、尾部吊耳（AP型）。具体选型按HG21574-2008化工设备吊耳及工程技术要求操作。根据各型吊耳的适用场合可知，本设计应选择顶部板式吊耳TPP型。其结构简图如下：图2-12 吊耳结构简图根据过滤器公称直径选择第七系列TPP吊耳，具体尺寸系列见标准中表6.2-1。2.6开孔补强的计算壳体开孔后，除削弱器壁的强度外，在壳体和接管的连接处，因结构的连续性被破坏，会产生很高的局部应力，给容器的安全操作带来隐患21。本设计中进出水管及人孔都开在器壁上，必须要考虑开孔的不强问题。开孔不强最常用的设计准则是等面积补强法，认为壳体因开孔被削弱的承载面积，须有补强材料在离孔边一定距离范围内予以等面积补偿。根据GB150规定，当同时满足以下几条时可不另行补强：（1）设计压力小于或等于2.5MPa的壳体上开孔；（2）两相邻开孔中心的间距大于两孔径之和的两倍；（3）接管公称外径小于等于89mm时；（4）接管最小壁厚采用253.5，323.5，383.5；454.0，484.0；575.0，655.0；766.0，896.0。视镜是直接焊接在器壁上，由于h3很大，符合不另行补强的条件，过滤进水管和射流进水管的管径均符合不另行补强的条件。补强圈坡口为C型，各尺寸关系如下图12：按化工设备机械基础补强计算得要求，补强圈内径为D1，外径为D2，补强圈厚度为c，接管外径为d0。已知壳体的名义厚n=6mm，封头的名义厚度n=8mm。其中D1= d0+2n+35。GB1501998规定，补强圈厚度c1.5n，人孔补强，DN=450mm，查表121得D2=760，D1= 480+26 +3=495mm。c1.5n=9mm，按给定规格取补强圈厚度c=8mm。过滤出水管补强，DN=100mm，查表得D2=200，D1= 105+28 +3=124mm。c1.5n=12mm，按规格取补强圈厚度c=12mm。图2-12 C型补强圈尺寸关系图2.7本章小结本章根据课题要求先选定过滤器处理量的大小和污水处理指标，进而根据油田采出水处理设计规范确定了过滤器的公称直径和设计滤速。这三个参数是过滤器的最基本参数。过滤器的总高度由许多因素决定，而滤料的选择和处理量的大小是决定性因素。在选定滤料的类型和填充高度之后，本章随即计算出了滤料反冲洗的膨胀高度和反冲洗的强度。这一部分的计算参考行业内的研究理论，并对这些理论做出对应的分析，以确保理论的适用性。过滤器的附件包括：集水器、配水筛管、旋流冲洗装置、人孔、视镜、水帽、吊耳、支座、防膨挡板等。各个附件均根据相关的标准进行选型，并给出了对应的标准号。确定这些结构尺寸是进行工程图与零件图绘制的前提。第三章 过滤及反洗性能参数3.1过滤器负荷及操作周期的计算3.1.1 单个过滤周期污水处理量给定进水中的固体悬浮物颗粒浓度脱除率，由床层负荷即可确定一个过滤周期所处理的污水量QF，见式（3-1）22： (3-1)其中：过滤器负荷，kg/m3滤料；固体悬浮颗粒脱除率，%；C0水中固体悬浮物初始浓度，mg/L；DF过滤器公称直径，mm；L 滤层高度，mm；根据设计参数，固体悬浮颗粒滤前浓度为100mg/L，滤后浓度为5mg/L，则脱除率为：过滤器负荷是表示滤料在过滤周期结束时每单位体积的污渍截留量，根据辽河油田核桃壳过滤器的试验结果23可知，核桃壳过滤器的过滤器负荷=18kg/m324，则：578.6m33.1.2 过滤周期的计算过滤器的设计处理量q=50m3/h过滤周期设为tF，则：tF=11.6h。3.2过滤压降的计算：3.2.1 过滤初始时压降计算滤床床层的压降可由Ergun公式13推导得出，如式（3-2）22： （3-2） 其中：空床滤层孔隙率；设计滤速，m/s；滤料球度系数，对核桃壳滤料可取0.7；空床滤层空隙率前文已给出，L=1.2m，=20m/h，=0.35710-3Pas，Dp=1.2mm，代入式（3-2）得：3.2.2 过滤终了时的压降过滤时，悬浮固体颗粒不断的被截留在滤床的空隙中，滤床的孔隙率逐渐下降，因此床层的过滤压降也在不断的变化。床层压降的增加量随水中的固体悬浮物的含量、滤速以及过滤时间的变化而变化，在无条件进行模拟实验的情况下，过滤终了时的压降可按下式计算22： （3-3）式中：过滤终了时滤料截留的固体悬浮物体积所占滤料总体积的分率。一个过滤周期内处理的污水量=578.6m3，固体悬浮颗粒的初始含量为100mg/L，去除率为95%。则滤层截留的悬浮固体总质量MF为：悬浮固体的粒径常为1-100 ，主要包括：泥沙、0.05-4粒径的粘土、4-60 的粉砂和大于60 的细砂；各种腐蚀产妇，如、 、等。这些物质的密度与石英砂的密度很接近，可用