连续式高效流砂过滤器原理及设计案例.doc

连续式高效流砂过滤器原理及设计案例1、作用原理1）概要连续式高效流砂过滤器是移动床向上流连续式高效流砂过滤器的简称。流砂过滤器与以往的固定床过滤器不同，无需每天停机1-2次，以便清洗滤床上的截留物。原水由过滤器底部进入滤床，并向上流与滤床充分接触，所含悬浮物被截留在滤床上，清水由顶部的出水堰溢流排放。截留污染物的石英砂通过底部的气提装置提升到顶部的洗砂装置中进行清洗。由于空气、水、砂子在压缩空气的作用下剧烈摩擦，使砂子截留的杂物洗脱。洗净后的砂因重力自上而下补充到滤床中，洗砂水则通过单独的排污管排放，完成整个洗砂过程。流砂过滤器与以往的连续过滤器不同，操作员可以直接观察洗砂过程，并根据运行情况进行调节，以达最佳过滤效果。维护管理简单，操作方便。2）过滤过程 原水从进水管（1）进入到锥型的引水道（2），再进到滤床（3）。原水经过滤床时悬浮物被砂子截留变成干净的过滤水。过滤水经过溢流堰（4），由出水管（5）流出过滤器外。 原水的种类及性质不同，过滤器用的砂子也有所不同。通常用的有效直径0.9mm，均匀系数1.4的均质石英砂。含油废水或含有易黏结物的原水，则用有效直径1.2mm，均匀系数1.4的均质石英砂，相应地，提砂泵所需空气量亦要增加1.5-2倍。1321011945121387613 3）洗砂过程被悬浮物污染的砂子，通过锥形的砂分配器（6）与过滤器的倾斜面形成的通道，下到集砂箱（7）。被集砂箱收集的砂子，由提砂泵（8）输送到上部洗涤槽（10）的洗砂装置中。被污染的砂子在提升过程中先与水和空气剧烈摩擦，在空气分离器（9）中空气与砂、水分离，砂子则因重力通过洗砂装置的通道（11）下降，清洗水（部分过滤水）则通过清洗水管从洗砂装置的下部流到通道内。两者相对接触，砂子被洗净。干净的砂子重新均匀分布到滤床中央。洗净后的污水通过排水装置排出。洗净排水量可通过上下调节排水装置的调节堰，使其达到最适合的量。如前所述，洗净后的砂子（回到滤床上部的）操作员可以直接观察，因此洗砂过程的进行及管理都很及时方便。滤床表面的砂子曲度实测值通常是32-33。自然存在的天然砂的曲度是约35，但因为均匀系数为1.4的过滤砂入角均一，很容易滑脱。4）原水的前处理如流入的原水中有较大的杂物或异物，会影响滤床的砂子移动，甚至会堵住进水管、提砂泵、洗砂装置等。因此，过滤器前面要根据水质情况添加前处理设备，对原水进行前处理。如水质较好，也可直接进入过滤器。5）集砂箱 过滤器倾斜面下方有集砂箱(7)，集砂箱包括与提砂泵相连的接管、筛网、排水阀及控制集砂箱进砂量的控制环。这个环的上部比倾斜部的下端稍高。因此，之间会形成砂膜，这个砂膜可防止倾斜部下端的磨损。控制环的材料为耐磨的增强聚乙烯，可以替换。6）提砂泵被污染的砂子收集到集砂箱，通过提砂泵提升到洗砂装置。提砂泵的下端插入集砂箱的接管，用橡胶管及管夹固定。提砂泵的下端有空气注入室，压缩空气注入后就形成砂子、水和空气的混合体，砂子被送到洗砂装置的空气分离器。空气分离器上面装有端盖，防止水和空气一起溢出。提砂泵的工作需要提供压缩空气。压缩空气所需压力是4-6kg/cm2 提砂管的材质为超高分子聚乙烯，与其他塑料管不同，不能用胶水粘合，只能用胶管和管夹来固定。7）洗砂装置 洗砂装置由外筒和内筒组成。外筒内侧有环（洗砂环），而内筒是外侧有环。洗砂装置的外筒装在上端洗净槽内，而内筒放在外筒内。内筒下端由下部导环、上端由上部导环支撑。上部导环上装有空气分离器。外筒的洗砂环与内筒的洗砂环相交叉，从而内外筒之间形成迷宫式通道。 被污染的砂子从集砂箱被提升到空气分离器分离空气，再进到迷宫式通道缓慢下降，去除砂子表面的污物。滤床上部的过滤水通过洗净水管，由洗净装置的下部进到迷宫式通道。这部分洗净水在通道内从下往上流，洗净缓慢下降的砂子。流砂过滤器的洗砂装置与以往的连续过滤器不同，其长度较长，洗砂环的角度也上下不一。因此用少量的洗净水就可达到很好的清洗效果。洗净水之所以能从滤床上部流到洗砂装置，是因为水面与调节堰的水位差。流砂过滤器的洗砂装置与以往的过滤器相比通道宽，水量损失少，用较少的水位差就可以洗净砂子。提砂量与洗净水量根据水中悬浮物的浓度及性质来调整。如提砂速度过快，通道内的砂子量会增多，导致洗砂装置的压力损失严重；如提砂量过少，原水中的悬浮物不能充分过滤。如清洗水量过少，则不能充分洗净砂子；如清洗水量过多，则会造成洗净水流出过多。8）空气控制装置空气控制装置一般供应压力为4kg/cm2以上（通常取5-7kg/cm2）的压缩空气。压缩空气不能含有水或油。空气控制装置中设有压力调节装置。压力调节装置的压力，通常设定如下：型号压力P-05 P-10152 kg/cm2P-15 P-5534 kg/cm2调压的空气经过电磁阀进到空气流量计（附有调节阀）。如只有1台砂滤机，可将压力开关设在可以检测电磁阀入口压力的位置。这样当压缩空气的压力低于设定值时，压力开关启动并报警，同时停止压缩空气的供应。另外，当压力控制阀或电磁阀出现故障时，也可以报警并停止压缩空气的供应。2、填砂 过滤砂通常用0.83-0.85m3的塑料袋装运。为防止带进袋子里的残留物及线头等，装砂时要用10mm以下的筛网筛选。 过滤器开始运转后，滤床会收缩，填砂高度也会下降一些。3、空气控制系统的安装空气控制系统要放在方便操作的地方，并装显示盘。压力调节器接水分离器排水管。4kg/cm2以上（通常5-7kg/cm2）压缩空气接到空气控制系统。空气控制系统的空气分配器按需要接至过滤器。4、运转准备及试运转1）清水的注入最开始注水时要用清水。一开始就用污水，会堵塞滤床的筛孔，因为洗砂装置还未启动。2）滤床下降速度的测定及提砂量的调整用有刻度的测量杆测量滤床（砂堆）的下降速度。把测量杆塞进砂层深处100-200mm，测量杆会随滤床下降。以过滤器侧壁的上部为基准，记录测量杆下降2分钟内的速度。请检测砂层是否以平均3-6mm/min的速度在下降。虽然，过滤器的大小不同，基准点也不一样，但一般选离过滤器侧壁约150-300mm的内测点3-4个，或者是离过滤器中心200-500mm的外测点3-4个。砂层的下降速度一般是过滤机中心附近比周围快。如发现砂在某个地方停止下降，一定要参考故障和对策处理。如果过滤器的过滤面积为1m2，砂层下降速度为平均4mm/min时，提砂泵的提砂量是4L x 1=4L/min。过滤器注满水之后，给提砂泵供应空气。提砂量与空气的供应量有关。首先，要调整空气量，使每1m2的提砂量达到3-6L/min。提砂泵的提砂量确定方法如下：从空气分离器拆下提砂管前端，用适当的容器测量单位时间（秒）内的提砂量。这里所指的提砂量，是提升的砂子和水中的砂子部分。测量多次，取平均值作为提砂量。3） 洗净排水量 标准洗净排水量是提砂量的约1-3倍（一般是2.0倍），但原水中的悬浮物浓度高（污染严重）的情况，需要更多的洗净水。如原水中的悬浮物浓度低（污染小）的情况，则需小的洗净水。测量洗净排水量：关闭洗净排水主管的管阀，打开测量洗净排水管的管阀，把排水接到适当的容器，测量单位时间（秒）内的洗净排水量。如排水装置装有排水量测量器，则直接用该测量器测量排水量。（一般无需测量，方便起见可不设测量阀及测量器。）4）过滤砂的清洗 新的砂子有泥等污物，应先用干净的原水或清水运转过滤器，以便清洗砂子。即给滤床上部供应充足的清水，使清水溢出洗净槽，启动过滤器。根据新砂子的污染程度，洗砂时间有所不同。一般需清洗2-4个周期，才能达到洗净的目的。一个洗净周期约需要6-10小时以上。5）原水供应量的调整将电气控制盘的转换开关打到开启档，同时运转供水泵。慢慢打开各个过滤器的原水进入管的管阀（最初是OFF位），供应少量水，逐步加大供水量，最终调整到适合的供应量。以上步骤一切正常即可进入正常运转。5、故障和对策1）空气流量计显示很小或者接近“0”，提砂泵不提砂或提砂量很少的情况（1）检查空气控制装置是否有压缩空气供应，并检查空气供应管的水分离器是否正常运转。 （2）如压缩空气按所需压力正常供应的话，检查以下几点。A检查压力阀、电磁阀等是否有故障。B如空气控制装置的零部件没有损坏，则检查空气流量计与提砂泵的空气注入室之间的连接管是否漏气。如空气管已破损并漏气，就换一个新的空气管。 C如空气管完好，就将空气管从空气注入室拆下。空气管中如没有充足的空气出来，很有可能是空气管堵塞引起的。因此，将原空气管换掉即可。 （注：拆空气管时注意将空气流量计完全关闭。） D如空气管没有问题，请检查空气注入室。打开集砂箱的排水阀，将过滤器内的水排掉。先将提砂管从集砂箱上拆下，再将空气注入室从提砂管拆下来。后清洗空气注入室内的筛网或者换一个新的，再将空气注入室装在提砂管上。2）空气流量计显示正常流量，但提砂泵不提砂或提砂量很少的情况（1）检查过滤器前处理工程的设备是否正常转、原水过滤装置是否正常。有可能前处理过程中大量的悬浮物及污泥等进到过滤器，或者杂物从过滤器上部进入到滤床。（2）过滤器里有大量的悬浮物及污泥，造成滤床堵塞的情况：先将原水进入管的管阀关闭，再向过滤器上部供应清水并启动提砂泵。另外，将铁棒从滤床上部插入，捣松堵塞的砂层，从而实现砂子的循环。（3）过滤器有杂物进入时，很可能因为异物到达过滤器底部而造成提砂泵吸口的堵塞。这种情况采取下列方法：A、停机并打开提砂箱的阀门，将过滤器内的水排掉。过滤器大小不同，排空时间也有所不同。通常需要8-10小时（H）。B、先将提砂泵从集砂箱上拆除。请注意：如过滤器内的水排除不干净，过滤器底部就会有大量的砂子流出。这种情况，在过滤器底部和滤床之间加一圆筒（PVC管），以防砂子流出。检查集砂箱，如有异物将它去除。把集砂箱重新放在过滤器底部，装上提砂泵。6、空气控制盘的操作1）初始状态（手动）1）确认压缩空气到控制盘时其压力至少有6kg/cm2以上。2）检查控制盘内部各件的安装情况,并将空气流量计的调节钮顺时针方向锁紧。3）调节压力开关，将压力调整至4kg/cm2 。4）打开手动阀，将空气调整器顺时针方向缓慢旋转，把压力调至与压力表一致。5）将控制盘面上的选择开关打到“手动”档。6）将电磁阀的“开（ON）”按钮按下，电磁阀打开。7）逆时针旋转空气流量计的调节钮，选择所需的空气量。8）向提砂泵供应空气，检查是否有砂子在提砂管移动。维持运行状态。流砂过滤器设计说明书目录1流砂过滤器设计说明书11.1滤料粒径11.2滤层高度11.3滤速11.4砂循环速率21.5压缩空气气压、气量对出水水质的影响21.6 反冲洗水量确定522.流砂过滤器设计计算书22.1 流砂过滤器选择22.2 内循环流砂过滤器主体尺寸计算32.2.1 砂滤器直径和截面积计算32.2.2 流砂过滤器高度计算32.3 进、出水管线、反洗出水管线及环空流道设计及计算102.3.1 进、出水管线及反洗出水管线设计102.3.2 提砂管及环空流道设计102.4 布水器设计计算112.4.1 干管112.4.2 支管122.4.3 布水孔设计及计算122.5 空压机及气管线设计计算142.5.1 空压机选择142.5.2 气管线设计143 材料表154 设备表175 图纸176参考文献17已知条件：来水流量Q=1m3/h，来水含油100mg/L,含悬浮物100mg/L,处理后出水含有20mg/L，含悬浮物20mg/L1。1.1滤料粒径 滤料粒径对连续式砂滤器的处理效果有重要影响，连续式砂滤器一般采用单一粒径的石英砂滤料。根据相关文献2，处理含油废水及含有易粘结物质的原水时，通常使用有效直径为1.2mm、均质系数为1.4的均质石英砂。1.2滤层高度 砂层过低会导致一些微絮体及与滤料结合力较弱的物质不能被砂层截留，随出水流出；砂层过高易形成沙锥，堵住洗沙器的出砂口，反应器内的砂冲洗不完全，后期出水SS浓度偏高。为达到有效的过滤高度，滤床厚度可取0.8-1.4m。1本设计选择0.8m。1.3滤速 根据相关文献2 3，建议内循环连续式砂滤器的过滤速度小于12m/h。本设计选择滤速=8 m/h。1.4砂循环速率 指石英砂滤料在过滤器内单位时间的下移距离，单位是mm/min。这对于滤层的清洁及稳定工作至关重要。相关研究表明4，砂循环速率在2-4mm/min时，过滤出水水质稳定。1.5压缩空气气压、气量对出水水质的影响 当压缩空气压力在0.3-0.5MPa时，保证提砂管内的气水比为9-11时，砂滤器可以处于一种稳定的运行状态，滤料得到有效的清洗，反冲洗水量合理，处理出水水质较好3。1.6 反冲洗水量确定5 相关研究结论，冲洗水量是提砂量的1.5-2倍，滤料的清洗效果较好。为保证过滤效果及装置运行的经济性，在满足对滤料有效清洗的条件下，冲洗水的流量应在过滤水量的5%-10%。 根据相关研究数据标明，空气压力为0.3MPa时，空气量为0.48 m3/h，提砂水量为0.052 m3/h，气水比为9.2；故此实验选择空气压力为0.3MPa，空气量为0.48 m3/h，提砂水量为0058 m3/h。2.流砂过滤器设计计算书2.1 流砂过滤器选择外循环式砂滤器简化了内部结构，增大了过滤面积，便于检查和维修，提砂管不易堵塞。但耗费能量较大。本设计采取内循环式砂滤器。2.2 内循环流砂过滤器主体尺寸计算2.2.1 砂滤器直径和截面积计算=Q/A (2-1)式中：滤速，m/h，=8 m/h； Q：设计流量，m3/h，Q=1 m3/h; A: 滤罐横截面积，m2。 则A=Q/=1/8=0.125 m2 又 A=0.7852 (2-2) 2=A/0.785 =0.399m 圆整后取=0.4m由以上计算得，设计的流砂过滤器的直径=400mm。2.2.2 流砂过滤器高度计算高度石油各部分的高度值和来确定的，从结构上看，砂滤器由支腿、下封头、上封头和罐体这四部分组成6。2.2.2.1 下封头尺寸计算根据JB/T 4746-2002 钢制压力容器用封头的规定以及本砂滤器的设计要求，选择折边锥形封头CHB，由砂滤器直径=400mm可CHB型封头总高度为H1=250mm，容积V=0.0145m3。根据相关文献8，砂滤器的锥壳半顶角应小于60。，本设计选择锥壳半顶角=45。封头与罐体采用法兰螺栓连接方式，便于内部检修。见下图2-1。图2-1 CHB折边锥形封头Di=DN=400mmr=0.15DN=60mmh=40mmH=250mmH=265mm=45。=3mm，与罐体壁厚相同2.2.2.2 支腿的高度计算根据JB/T 4713-1992 腿式支座的规定以及本砂滤器的设计要求，得知砂滤器的支腿最大支撑高度为800mm，本设计选择H2=500mm。选择A型腿式支座，设置3个支腿，呈1200布置。具体尺寸见图2-2。支腿的上端应与砂滤器罐体的下封头斜边中间位置焊接。图2-2 A型腿式支座支承最大高度Hmax=800mm，此处选择Hmax=500mm规格bbd=63638长度LH=924 H2=940焊缝长度h=90 底板边长B=103底板厚度=16 盖板边长l=160垫板宽度Ak=180 垫板长度Ac=140地脚螺栓孔径db=24地脚螺栓规格M20地脚螺栓中心圆参数D=362，直径Db=D+22.2.2.3 上封盖的设计计算 为便于检维修及场地情况，上封头采取平板封盖，顶上有开孔，与罐体采用螺栓连接。平板封头的厚度要比罐体的壁厚大一些，定为比壁厚大3mm。 砂滤器为压力容器，材料选择Q235A-F，其最小厚度min主要是考虑工艺要求和运输安装过程中的刚度要求，根据GB150-1998 钢制压力容器内压圆通压力容器的计算壁厚公式： （2-3）式中： P：计算压力，MPa，P=0.6Mpa； ：圆筒直径，mm； ：设计温度下圆筒材料的需用压力，MPa，=113MPa；：焊接接头系数，对热套圆筒取=1.0 ；：圆筒的计算厚度，mm。=根据相关文献规定，轻微腐蚀，腐蚀速率在0.05-0.13mm/a，腐蚀裕量1mm。此处选择该砂滤器的腐蚀裕量为C1=1mm。则设计厚度d=+C1=1.065+1=2.065mm考虑材料的负偏差后，取设计厚度d=3mm。由此可得，上封盖的厚度H3=d+3=6mm。2.2.2.4 砂滤器的罐体高度计算罐体的高度由其内部的各部分高度确定。砂滤器的内部由空气提升泵、布水器、滤床、洗砂器、洗砂出水口、进水口、滤液出口等部分组成。2.2.2.4.1 导砂器导砂器为圆锥结构，起到均匀布砂的作用，底面与砂滤器罐体底部之间有着一定的距离，该距离为200mm为宜。结合砂滤器直径，定导砂器底面直径为1=280mm。结构见图2-3。图2-3 导砂器h导砂器高度则此部分高度H4=h+200=280mm。2.2.2.4.2 滤床高度计算滤料选择石英砂，滤料层为单层，石英砂粒径为0.5-1.2mm，根据相关文献，滤层高度一般是粒径的700-900倍，故本设计选择滤床高度H5=800mm。2.2.2.4.3 洗砂器设计及计算在滤床的上面有滤料反洗膨胀层，该高度一般为滤料层的1/2。故此部分高度H6=400mm，此部分设有洗砂器和砂水分离器，砂水分离器位于洗砂器上方，上面与顶盖留出一部分距离，以保证顶部空气提砂管与滤后出水不互相影响，定为留出H7=50mm的高度。其中洗砂器高度H8=300mm，直径DN1=80，在洗砂器内部由交叉的薄板焊接而成，材料选择不锈钢，薄板宽度为21mm，向下倾斜45。见图2-4。图2-4 洗砂器2.2.2.4.4 砂水分离器（洗砂槽）设计及计算洗砂槽的直径DN2=200mm，高度H8=100mm，洗砂槽处理过的废水经过一个反洗堰由反洗出水管流出，反洗堰为一个底面为边长L=60mm的正方形的长方体，处理水从洗砂槽经过高为60mm的滤网流出反洗堰，然后从反洗出水管排出。见图2-5。 图2-5 砂水分离器流砂过滤器高度：H=H2+H3+H4+H5+H6+H7=500+6+280+800+400+50=2036mm为了保护砂滤器的正常运行，滤床的高度应相对高出其设计高度，所以可以加高砂滤器的罐体高度，最后确定砂滤器总高度H=2200mm。所以，设计的内循环流砂过滤器的直径=400mm，高H=2200mm。2.3 进、出水管线、反洗出水管线及环空流道设计及计算2.3.1 进、出水管线及反洗出水管线设计2.3.1.1 进水管线 进水管线位于罐体侧面，距顶端280mm处，根据流量Q=1 m3/h，查给水排水设计手册 第1册 常用资料，选择进水管线尺寸为DN40。并在管线合适位置安装流量计、压力表等。2.3.1.2 滤后出水管线与进水管线尺寸相同都为DN40，位于进水管线上方150mm处，与过滤出水堰连接，出水堰高度设为100mm，半圆弧形结构，宽度为80mm。2.3.1.3 反洗出水管选择反洗出水管尺寸为DN32，与罐顶相距216mm，与反洗出水堰连接，且与滤后出水管线相对布置。2.3.2 提砂管及环空流道设计2.3.2.1 提砂管设计根据相关文献12，提升装置管径与过滤器直径之比在1:18-1:25之间时提砂效果最好。本设计过滤器直径=400mm，所以提砂管的直径D=16-22mm，此处选择D=20mm。即提砂管的直径D=20mm。长度根据实际进行选择，本设计选为1744mm。2.3.2.2进水环空流道设计 进水量布满在进水环空流道内，为了满足管道的流量和流速的设计。应满足下式： （2-4）其中，提砂管直径D=20mm；进水管直径D进水=40mm。则圆整后取D1=50mm。即 进水换空流道直径为50mm，长度根据实际选为735mm。2.4 布水器设计计算 布水器是在一定的工作面积上按照一定规律布置水量，常见的布水器有喷头、穿孔管、旋转布水器。本设计结合实际选择穿孔管布水器。穿孔管布水器由干管、支管、布水孔组成13，其中支管呈十字形分布，以干管为中心放射状铺开，布水孔的孔径等大并沿筒体径向孔距逐渐减小。2.4.1 干管干管流量即为进水管流量Q=1m3/h。2.4.2 支管 单个支管流量：q=Q/4=1/4=0.25m3/h=6.910-5m3/s (2-5) 支管直径选择dz=20mm 支管的横截面积Sz=0.785dz2=0.000314m2 (2-6) 支管流速v=q/Sz=0.22m/s (2-7)2.4.3 布水孔设计及计算2.4.3.1布水孔相关计算 滤床的横截面直径=400mm。布水器中间环管直径为50mm。则过滤总面积S0： (2-8)开孔率：支管布水孔的总面积与过滤总面积之比。根据相关文献14，一般在0.2%-0.28%或者0.2%-0.25%之间，本设计选取=0.24%。布水孔的总面积Sb=S0=0.24%123637.5mm2 =296.73 (2-9)布水孔直径db=6mm则 单个布水孔面积Sb1=0.785db2=28.26mm2 (2-10)由此可得：布水孔总数N=Sb/ Sb1=296.73/28.28=10.5=10个 (2-11)则每根支管布孔数n=N/4=2.5 (2-12)圆整后取n=3个。2.4.3.2 布水孔设置假设污水在每个布水孔的速率相等，则每个孔的出水量相等，要使滤层横截面上布水均匀，那么每个布水孔所分配的滤层横截面的面积相等8。也即第一圈布水孔与环形流道所含面积之差应与第二圈布水孔与第一圈布水孔所含面积之差相等，并等于第三圈布水孔与第二圈布水孔所含面积之差。S1=S0/3=123637.5/3=41212.5 (2-13) (2-14) (2-15)D11：第一圈布水孔所围成圆的直径，mm；D22：第二圈布水孔所围成圆的直径，mm；D33：第三圈布水孔所围成圆的直径，mm，D33=400mm；则可知：D11=234.52=234mmD22=327.49=328mm每个布水孔距离圆心的距离分别为：d11= （D11+D1）/4=(234+50)/4=71mmd22= (D11+ D22)/4=(234+328)/4=140.5=141mmd33=(+ D22)/4=(400+328)/4=182mm布水孔的具体位置见图2-6。图2-6 布水孔位置在实际制作砂滤罐时，可以将布水孔数量适当增加以满足实验要求。2.5 空压机及气管线设计计算2.5.1 空压机选择根据相关研究数据标明，空气压力为0.3MPa时，空气量为0.48 m3/h，提砂水量为0.052 m3/h，气水比为9.2；故此实验选择空气压力为0.3MPa，空气量为0.48 m3/h，提砂水量为0058 m3/h。 选择空压机压力范围为0-1.0MPa，流量范围为0-1m3/h。2.5.2 气管线设计 使用气嘴进行释放气体时易造成气嘴堵塞，本设计不使用气嘴，直接将供气管线与提砂管连接，供气管线选择DN10，与提砂管纵向成300夹角安装，以防止空气在提砂管内向下流动