已知條件：來水流量Q=1m³/h，來水含油≤100mg/L,含懸浮物≤100mg/L,處理后出水含有≤20mg/L，含懸浮物≤20mg/L^[1]。

1.1濾料粒徑

    濾料粒徑對連續式砂濾器的處理效果有重要影響，連續式砂濾器一般采用單一粒徑的石英砂濾料。根據相關文獻^[2]，處理含油廢水及含有易粘結物質的原水時，通常使用有效直徑為1.2mm、均質系數為1.4的均質石英砂。

1.2濾層高度

    砂層過低會導致一些微絮體及與濾料結合力較弱的物質不能被砂層截留，隨出水流出；砂層過高易形成沙錐，堵住洗沙器的出砂口，反應器內的砂沖洗不完全，后期出水SS濃度偏高。為達到有效的過濾高度，濾床厚度可取0.8-1.4m。^[1]本設計選擇0.8m。

1.3濾速

    根據相關文獻^{[2] [3]}，建議內循環連續式砂濾器的過濾速度小于12m/h。本設計選擇濾速ν=8 m/h。

1.4砂循環速率

    指石英砂濾料在過濾器內單位時間的下移距離，單位是mm/min。這對于濾層的清潔及穩定工作至關重要。相關研究表明^[4]，砂循環速率在2-4mm/min時，過濾出水水質穩定。

1.5壓縮空氣氣壓、氣量對出水水質的影響

   當壓縮空氣壓力在0.3-0.5MPa時，保證提砂管內的氣水比為9-11時，砂濾器可以處于一種穩定的運行狀態，濾料得到有效的清洗，反沖洗水量合理，處理出水水質較好^[3]。

1.6 反沖洗水量確定^[5]

    相關研究結論，沖洗水量是提砂量的1.5-2倍，濾料的清洗效果較好。為保證過濾效果及裝置運行的經濟性，在滿足對濾料有效清洗的條件下，沖洗水的流量應在過濾水量的5%-10%。

    根據相關研究數據標明，空氣壓力為0.3MPa時，空氣量為0.48 m³/h，提砂水量為0.052 m³/h，，氣水比為9.2；故此實驗選擇空氣壓力為0.3MPa，空氣量為0.48 m³/h，提砂水量為0058 m³/h。

2.流砂過濾器設計計算書

2.1 流砂過濾器選擇

外循環式砂濾器簡化了內部結構，增大了過濾面積，便于檢查和維修，提砂管不易堵塞。但耗費能量較大。

本設計采取內循環式砂濾器。

2.2 內循環流砂過濾器主體尺寸計算

2.2.1 砂濾器直徑和截面積計算

ν=Q/A                              (2-1)

式中：ν：濾速，m/h，ν=8 m/h；

      Q：設計流量，m³/h，Q=1 m³/h;

      A: 濾罐橫截面積，m²。

       則A=Q/ν=1/8=0.125 m²

      又 A=0.785Ф²                                                      (2-2)

          Ф²=A/0.785

          Ф=0.399m

  圓整后取Ф=0.4m

由以上計算得，設計的流砂過濾器的直徑Ф=400mm。

2.2.2 流砂過濾器高度計算

高度石油各部分的高度值和來確定的，從結構上看，砂濾器由支腿、下封頭、上封頭和罐體這四部分組成^[6]。

2.2.2.1 下封頭尺寸計算

根據《JB/T 4746-2002 鋼制壓力容器用封頭》的規定以及本砂濾器的設計要求，選擇折邊錐形封頭CHB，由砂濾器直徑Ф=400mm可CHB型封頭總高度為H₁=250mm，容積V=0.0145m³。根據相關文獻^[8]，砂濾器的錐殼半頂角應小于60^。，本設計選擇錐殼半頂角α=45^。。封頭與罐體采用法蘭螺栓連接方式，便于內部檢修。見下圖2-1。

圖2-1 CHB折邊錐形封頭

2.2.2.2 支腿的高度計算

根據《JB/T 4713-1992 腿式支座》的規定以及本砂濾器的設計要求，得知砂濾器的支腿最大支撐高度為800mm，本設計選擇H₂=500mm。選擇A型腿式支座，設置3個支腿，呈120⁰布置。具體尺寸見圖2-2。支腿的上端應與砂濾器罐體的下封頭斜邊中間位置焊接。

2.2.2.3 上封蓋的設計計算

    為便于檢維修及場地情況，上封頭采取平板封蓋，頂上有開孔，與罐體采用螺栓連接。平板封頭的厚度要比罐體的壁厚大一些，定為比壁厚大3mm。

    砂濾器為壓力容器，材料選擇Q235A-F，其最小厚度δ_min主要是考慮工藝要求和運輸安裝過程中的剛度要求，根據《GB150-1998 鋼制壓力容器》內壓圓通壓力容器的計算壁厚公式：

                                          （2-3）

式中： P：計算壓力，MPa，P=0.6Mpa；

      Ф：圓筒直徑，mm；

      ：設計溫度下圓筒材料的需用壓力，MPa， =113MPa；

：焊接接頭系數，對熱套圓筒取 =1.0 ；

δ：圓筒的計算厚度，mm。

根據相關文獻規定，輕微腐蝕，腐蝕速率在0.05-0.13mm/a，腐蝕裕量≥1mm。此處選擇該砂濾器的腐蝕裕量為C₁=1mm。

則設計厚度δ_d=δ+C₁=1.065+1=2.065mm

考慮材料的負偏差后，取設計厚度δ_d=3mm。

由此可得，上封蓋的厚度H₃=δ_d+3=6mm。

2.2.2.4 砂濾器的罐體高度計算

罐體的高度由其內部的各部分高度確定。

砂濾器的內部由空氣提升泵、布水器、濾床、洗砂器、洗砂出水口、進水口、濾液出口等部分組成。

2.2.2.4.1 導砂器

導砂器為圓錐結構，起到均勻布砂的作用，底面與砂濾器罐體底部之間有著一定的距離，該距離為200mm為宜。結合砂濾器直徑，定導砂器底面直徑為Ф₁=280mm。

導砂器高度

則此部分高度H₄=h+200=280mm。

2.2.2.4.2 濾床高度計算

濾料選擇石英砂，濾料層為單層，石英砂粒徑為0.5-1.2mm，根據相關文獻，濾層高度一般是粒徑的700-900倍，故本設計選擇濾床高度H₅=800mm。

2.2.2.4.3 洗砂器設計及計算

在濾床的上面有濾料反洗膨脹層，該高度一般為濾料層的1/2。故此部分高度H₆=400mm，此部分設有洗砂器和砂水分離器，砂水分離器位于洗砂器上方，上面與頂蓋留出一部分距離，以保證頂部空氣提砂管與濾后出水不互相影響，定為留出H₇=50mm的高度。其中洗砂器高度H₈=300mm，直徑DN₁=80，在洗砂器內部由交叉的薄板焊接而成，材料選擇不銹鋼，薄板寬度為21mm，向下傾斜45^。。

2.2.2.4.4 砂水分離器（洗砂槽）設計及計算

洗砂槽的直徑DN₂=200mm，高度H₈=100mm，洗砂槽處理過的廢水經過一個反洗堰由反洗出水管流出，反洗堰為一個底面為邊長L=60mm的正方形的長方體，處理水從洗砂槽經過高為60mm的濾網流出反洗堰，然后從反洗出水管排出。見圖2-5。

流砂過濾器高度：H=H₂+H₃+H₄+H₅+H₆+H₇=500+6+280+800+400+50=2036mm

為了保護砂濾器的正常運行，濾床的高度應相對高出其設計高度，所以可以加高砂濾器的罐體高度，最后確定砂濾器總高度H=2200mm。

所以，設計的內循環流砂過濾器的直徑Ф=400mm，高H=2200mm。

2.3 進、出水管線、反洗出水管線及環空流道設計及計算

2.3.1 進、出水管線及反洗出水管線設計

2.3.1.1 進水管線

    進水管線位于罐體側面，距頂端280mm處，根據流量Q=1 m³/h，查《給水排水設計手冊 第1冊 常用資料》，選擇進水管線尺寸為DN40。并在管線合適位置安裝流量計、壓力表等。

2.3.1.2 濾后出水管線

與進水管線尺寸相同都為DN40，位于進水管線上方150mm處，與過濾出水堰連接，出水堰高度設為100mm，半圓弧形結構，寬度為80mm。

2.3.1.3 反洗出水管

選擇反洗出水管尺寸為DN32，與罐頂相距216mm，與反洗出水堰連接，且與濾后出水管線相對布置。

2.3.2 提砂管及環空流道設計

2.3.2.1 提砂管設計

根據相關文獻^[12]，提升裝置管徑與過濾器直徑之比在1:18-1:25之間時提砂效果最好。本設計過濾器直徑Ф=400mm，所以提砂管的直徑D=16-22mm，此處選擇D=20mm。即提砂管的直徑D=20mm。長度根據實際進行選擇，本設計選為1744mm。

2.3.2.2進水環空流道設計

    進水量布滿在進水環空流道內，為了滿足管道的流量和流速的設計。應滿足下式：

              （2-4）

其中，提砂管直徑D=20mm；進水管直徑D_進水=40mm。

則

圓整后取D₁=50mm。

即 進水換空流道直徑為50mm，長度根據實際選為735mm。

2.4 布水器設計計算

    布水器是在一定的工作面積上按照一定規律布置水量，常見的布水器有噴頭、穿孔管、旋轉布水器。本設計結合實際選擇穿孔管布水器。穿孔管布水器由干管、支管、布水孔組成^[13]，其中支管呈十字形分布，以干管為中心放射狀鋪開，布水孔的孔徑等大并沿筒體徑向孔距逐漸減小。

2.4.1 干管

干管流量即為進水管流量Q=1m³/h。

2.4.2 支管

       單個支管流量：q=Q/4=1/4=0.25m³/h=6.9×10^-5m³/s    (2-5)

       支管直徑選擇dz=20mm

       支管的橫截面積Sz=0.785dz²=0.000314m²             (2-6)

       支管流速v=q/Sz=0.22m/s                         (2-7)

2.4.3 布水孔設計及計算

2.4.3.1布水孔相關計算

         濾床的橫截面直徑Ф=400mm。

布水器中間環管直徑為50mm。

則過濾總面積S₀：

       (2-8)

開孔率β：支管布水孔的總面積與過濾總面積之比。根據相關文獻^[14]，β一般在0.2%-0.28%或者0.2%-0.25%之間，本設計選取β=0.24%。

布水孔的總面積S_b=β×S₀=0.24%×123637.5mm² =296.73    (2-9)

布水孔直徑d_b=6mm

則 單個布水孔面積S_b1=0.785×d_b²=28.26mm²       (2-10)

由此可得：

布水孔總數N=S_b/ S_b1=296.73/28.28=10.5=10個  (2-11)

則每根支管布孔數n=N/4=2.5                    (2-12)

圓整后取n=3個。

2.4.3.2 布水孔設置

假設污水在每個布水孔的速率相等，則每個孔的出水量相等，要使濾層橫截面上布水均勻，那么每個布水孔所分配的濾層橫截面的面積相等^[8]。也即第一圈布水孔與環形流道所含面積之差應與第二圈布水孔與第一圈布水孔所含面積之差相等，并等于第三圈布水孔與第二圈布水孔所含面積之差。

S₁=S₀/3=123637.5/3=41212.5              (2-13)

                           (2-14)

                           (2-15)

D₁₁：第一圈布水孔所圍成圓的直徑，mm；

D₂₂：第二圈布水孔所圍成圓的直徑，mm；

D₃₃：第三圈布水孔所圍成圓的直徑，mm，D₃₃=Ф=400mm；

則可知：

D₁₁=234.52=234mm

D₂₂=327.49=328mm

每個布水孔距離圓心的距離分別為：

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

布水孔的具體位置見圖2-6。

在實際制作砂濾罐時，可以將布水孔數量適當增加以滿足實驗要求。

2.5 空壓機及氣管線設計計算

2.5.1 空壓機選擇

根據相關研究數據標明，空氣壓力為0.3MPa時，空氣量為0.48 m³/h，提砂水量為0.052 m³/h，，氣水比為9.2；故此實驗選擇空氣壓力為0.3MPa，空氣量為0.48 m³/h，提砂水量為0058 m³/h。

    選擇空壓機壓力范圍為0-1.0MPa，流量范圍為0-1m³/h。

2.5.2 氣管線設計

    使用氣嘴進行釋放氣體時易造成氣嘴堵塞，本設計不使用氣嘴，直接將供氣管線與提砂管連接，供氣管線選擇DN10，與提砂管縱向成30⁰夾角安裝，以防止空氣在提砂管內向下流動從而降低提砂效率。

3 材料表

4 設備表