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/L^[1]。

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ν=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

ν=Q/A                              (2-1)

式中：ν：滤速，m/h，ν=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/ν=1/8=0.125 m²

      又 A=0.785Ф²                                                      (2-2)

          Ф²=A/0.785

          Ф=0.399m

  圆整后取Ф=0.4m

由以上计算得，设计的流砂过滤器的直径Ф=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Ф=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α=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

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。

2.2.2.3 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δ_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；

      Ф：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 ；

δ：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δ_d=δ+C₁=1.065+1=2.065mm

考虑材料的负偏差后，取设计厚度δ_d=3mm。

由此可得，上封盖的厚度H₃=δ_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Ф₁=280mm。

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^。。

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。

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Ф=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Ф=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=6.9×10^-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Ф=400mm。

布水器中间环管直径为50mm。

则过滤总面积S₀：

       (2-8)

开孔率β：支管布水孔的总面积与过滤总面积之比。根据相关文献^[14]，β一般在0.2%-0.28%或者0.2%-0.25%之间，本设计选取β=0.24%。

布水孔的总面积S_b=β×S₀=0.24%×123637.5mm² =296.73    (2-9)

布水孔直径d_b=6mm

则 单个布水孔面积S_b1=0.785×d_b²=28.26mm²       (2-10)

由此可得：

布水孔总数N=S_b/ S_b1=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=Ф=400mm；

则可知：

D₁₁=234.52=234mm

D₂₂=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=71mm

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

d₃₃=(Ф+ D₂₂)/4=(400+328)/4=182mm

布水孔的具体位置见图2-6。

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从而降低提砂效率。

3 材料表

4 设备表