卧式高效自清洗核桃壳过滤器的制作方法

1.本发明涉及油田水处理过滤技术领域，具体涉及卧式高效自清洗核桃壳过滤器。


背景技术：

2.核桃壳过滤器自发明应用于油田水处理过滤已有超百年历史，其独有的特性从未被其他过滤器完全取代。核桃壳过滤器是利用过滤分离原理研制成功的分离设备，采用亲水疏油滤材——野生山核桃壳作为过滤介质，利用核桃壳比表面积大、吸附力强、截污量大的特性，去除水中的油和悬浮物。
3.国内外标准规范化、产品系列化的核桃壳过滤器均为立式罐类型，滤料的清洗再生机构基本分为桨叶搅拌式、体外泵搓洗式、喷射气洗式等三种主流形式，有自动和手动两种控制方式。过滤时，水流自上而下，经布水器、滤料层、集水器，完成过滤。反洗时，水流自下而上，使滤料得到彻底清洗再生。通常受道路交通运输尺寸限制，核桃壳过滤器最大直径只能做到4m，受滤料物性特质和滤料床层配置的影响，有效滤速不能超过20m/h，因而立式核桃壳过滤器单台罐最大处理水量只能做到250m3/h，当处理量增加时就必须增加过滤器的数量。立式核桃壳过滤器普遍存在问题有，单台最大处理量受限，应用于海上平台时容易受到安装高度限制，反洗形式单一，表层滤料容易板结而失去再生性等等。
4.中国专利201821651146.2“一种卧式核桃壳过滤器”公开了一种卧式核桃壳过滤器，解决了单台核桃壳过滤器不能满足大处理水量的工况。但该卧式核桃壳过滤器采取单一的气水联合反冲洗和“丰”字型切缝布水集水管，存在滤料的自清洗再生还不够彻底，反洗消耗的清水量过多，滤料过水层尚欠均匀性和稳定性，反洗滤料堆塔形成过滤低效区或盲区等问题；同时，在公路运输限宽限高条件下，如何进一步提高单罐最大处理水量和处理效果，也是核桃壳过滤器需要进行技术革新换代的问题。


技术实现要素：

5.针对现有技术以上所述的问题和不足，本发明提供的卧式高效自清洗核桃壳过滤器，通过独有的内件布局及构件形式、配水与集水分布器上的流道设计形式、机械搅拌与气反洗组合联用的匹配控制工艺、利用反洗和正洗切换阶段水力逆转驱动偏心三角转轮叶片的巧妙机构、核桃壳滤料配方和垫层的组合选材形式等方案，解决背景技术中提出的技术问题。
6.本发明的技术方案是这样实现的：本发明提供一种卧式高效自清洗核桃壳过滤器，包括过滤器罐体，所述过滤器罐体中部为卧式圆筒形状、两端为半球形状，所述过滤器罐体顶部设有竖直设置的进水总管，所述过滤器罐体底部设有竖直设置的出水总管，所述过滤器罐体内部上方设有“丰”字型布水器与所述进水总管连接，所述过滤器罐体内部下方设有“丰”字型集水器与所述出水总管连接，所述“丰”字型布水器和“丰”字型集水器上均对称阵列分布有开缝筛管；所述过滤器罐体内部下方设有过滤介质层；所述进水总管同时作为反洗出水总管，所述出水总管同时
作为反洗进水总管；所述过滤器罐体还设有机械搅拌装置，所述机械搅拌装置的搅拌桨置于所述过滤介质中；所述过滤器罐体内部还设有滤料刮平机构。
7.进一步地，所述过滤器罐体顶部均布有2组或多组的进水总管，所述过滤器罐体底部均布有2组或多组出水总管，所述进水总管同时作为反洗出水总管，所述出水总管同时作为反洗进水总管。进水总管与出水总管的数量随着过滤器罐体长度增加而进行匹配。所述“丰”字型布水器和“丰”字型集水器，其上对称阵列分布开缝筛管的数量根据与其配接的进水总管和出水总管数量来配置组数。
8.进一步地，所述“丰”字型布水器和“丰”字型集水器，其上对称阵列分布的开缝筛管，为扇环锲形开缝筛管，具有倒梯形锲缝，用于阻力均匀布水和拦截滤料。扇环锲形开缝筛管比常规全环锲形开缝筛管有着更高的结构强度。且倒梯形锲缝能有效预防滤料卡壳堵塞流道，这样能持久有效保持滤料过水层的均匀性和稳定性。
9.进一步地，所述过滤介质层包括核桃壳滤料层和垫层滤料层，所述核桃壳滤料选用80%脱脂抛光野生山核桃壳与20%蒸脱轻质核桃壳组合滤料，所述垫层滤料为重密矿石与活性化介孔铝硅酸盐组合垫层。
10.进一步地，所述机械搅拌装置固定于所述过滤器罐体上，其中心传动轴穿过上部设置有柱形过渡管套的所述“丰”字型布水器伸向所述过滤介质层，所述机械搅拌装置上配置有更符合流体力学cfd计算和流场特性设计的高低长短双层叶片搅拌桨，置于所述过滤介质层的滤料纳污中间区，用于机械搅动使得滤料碰撞而脱油脱固体悬浮物。
11.进一步地，所述滤料刮平机构包括可旋三角刮平机、刮平机构侧大梁、联排支撑环，所述联排支撑环用于将所述刮平机构侧大梁活接固定于所述过滤器罐体内部，一系列沿所述过滤器罐体轴心方向均布的所述可旋三角刮平机通过转轴悬挂于两侧的所述刮平机构侧大梁内侧。
12.进一步地，所述可旋三角刮平机为三角柱体形状，垂直截面为正三角形，三角柱体的三个侧面由多组刮平板组成；所述可旋三角刮平机是一种重心微偏式设计。
13.进一步地，所述过滤器罐体上设置有多组石英透视镜、手孔、人孔。优选地，在可旋三角刮平机的上方设置有4组石英透视镜，用于观察反洗后的滤料刮平状况和布水情况，在所述过滤介质层的滤料纳污区中部设置有2组石英透视镜，用于在线观察滤料自清洗再生和罐内过滤效果状况，以便于生产调试反洗效果观测和设备工作运行参数值的判断设定。
14.进一步地，所述手孔、所述人孔分别位于所述过滤器罐体两侧封头的正中心和中心下方，分别用于设备内部的人工检修和更换滤料。
15.与现有技术相比，本发明取得的有益技术效果包括：1、通过设计机械搅拌装置与气反洗功能组合，匹配控制协同联用，实现滤料高效自清洗快速彻底再生，比传统形式大大节省反洗清水的消耗和反洗污水的产生；机械搅拌装置上配置的高低长短双层叶片搅拌桨更符合流体力学cfd计算和流场特性设计；2、通过罐体内部设置滤料刮平机构，解决反洗后滤料堆塔和形成过滤盲区的问题，保持滤料过水层的均匀性和稳定性；所提供的特殊力学机构——可旋三角刮平机是一种重心微偏式设计，能够在水力流向180度逆转时自动产生翻转，将堆塔的波峰滤料刮平；3、在公路运输限宽4m、海上平台夹层限高7m的限制条件下，核桃壳过滤器最大直径只能做到4m，而本发明提供的卧式过滤器罐体直径≤4m，长度可最大可达20m，实现单台
大处理量1600m3/h，远高于现有核桃壳过滤器单台最大处理量极限只能做到的250m3/h；4、通过合理设置适应透视镜，实现人为在线观察滤料自清洗再生和罐内过滤效果状况，解决生产调试和设备工作运行参数设定的直观判断依据的问题。
附图说明
16.为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
17.图1为本发明立体结构示意图；图2为本发明正面结构示意图；图3为本发明左侧结构示意图；图4为本发明倾斜角度立体结构示意图；图5为本发明俯视结构示意图；图6为本发明隐藏正面外壳的左侧结构示意图；图7为开缝筛管结构示意图，其中（1）为开缝筛管外部结构示意图，（2）为开缝筛管内部管壁局部示意图；图8为机械搅拌装置结构示意图；图9为气水反冲洗方式示意图。
18.图中标注说明：1、过滤器罐体；2、进水总管（反洗出水总管）；3、出水总管（反洗进水总管）；4、“丰”字型布水器；5、“丰”字型集水器；6、开缝筛管；61、倒梯形锲缝；7、过滤介质层； 8、机械搅拌装置；81、搅拌桨；9、滤料刮平机构；91、可旋三角刮平机；92、刮平机构侧大梁；93、联排支撑环；10、安全阀接管口；11、压力变送器接管口；12、污油排放接管口；13、罐底排空接管口；14、石英透视镜；15、手孔；16、人孔。
实施方式
19.下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
20.如图1-6所示，本发明提供一种卧式高效自清洗核桃壳过滤器，包括过滤器罐体1，所述过滤器罐体1中部为卧式圆筒形状、两端为半球形状，所述过滤器罐体1顶部设有竖直设置的进水总管2，所述过滤器罐体1底部设有竖直设置的出水总管3，所述过滤器罐体1内部上方设有“丰”字型布水器4与所述进水总管2连接，所述过滤器罐体1内部下方设有“丰”字型集水器5与所述出水总管3连接，所述“丰”字型布水器4和“丰”字型集水器5上均对称阵列分布有开缝筛管6；所述过滤器罐体1内部下方设有过滤介质层7；所述进水总管2同时作为反洗出水总管，所述出水总管3同时作为反洗进水总管；所述过滤器罐体1还设有机械搅拌装置8，所述机械搅拌装置8的搅拌桨81置于所述过滤介质7中；所述过滤器罐体1内部还设有滤料刮平机构9。
21.所述过滤器罐体1上方还设有安全阀接管口10、压力变送器接管口11、污油排放接管口12，下方还设有罐底排空接管口13。
22.如图1-2所示，所述过滤器罐体1顶部均布有2组的进水总管2，所述过滤器罐体1底部均布有2组出水总管3，所述进水总管2同时作为反洗出水总管，所述出水总管3同时作为反洗进水总管。
23.如图1、4所示，所述“丰”字型布水器4和“丰”字型集水器5，其上对称阵列分布的开缝筛管6,用于阻力均匀布水和拦截滤料。所述开缝筛管6如图7中的（1）所示，所述开缝筛管6为扇环锲形开缝筛管，其中管壁局部结构如图7中的（2）所示，具有倒梯形锲缝。扇环锲形开缝筛管比常规全环锲形开缝筛管有着更高的结构强度。且倒梯形锲缝能有效预防滤料卡壳堵塞流道，使得滤料不易卡在环缝处，能够轻易在反冲压力和流量冲击下，固体颗粒被及时冲出锲形筛管体,这样能持久有效保持滤料过水层的均匀性和稳定性。
24.如图2、3所示，所述过滤介质层7包括两层，分别为上层的核桃壳滤料层和底层的垫层滤料层，所述核桃壳滤料层选用80%脱脂抛光野生山核桃壳与20%蒸脱轻质核桃壳组合滤料，设置厚度为1100mm；所述垫层滤料为重密矿石与活性化介孔铝硅酸盐组合垫层，设置厚度为400mm，所述重密矿石为锰砂与磁铁矿，与传统技术采用的石英砂垫层和陶粒垫层相比，显著密度要大，反洗不易混层。试验证明上述过滤介质层的材料和工艺能将核桃壳过滤器上限滤速由常规的16m/h有效提升至20m/h，这就意味着同等过滤横截面积下，过滤器额定处理水量能增加25%，从根本上实现设备体积的缩减和重量的减轻，这对于空间和载重及其宝贵的海上生产平台来说是非常积极重大的革新。
25.如图1、2、4所示，所述机械搅拌装置8固定于所述过滤器罐体1上，其中心传动轴穿过上部设置有柱形过渡管套的所述“丰”字型布水器4伸向所述过滤介质层7，所述机械搅拌装置8上配置有更符合流体力学cfd计算和流场特性设计的高低长短双层叶片搅拌桨81，置于所述过滤介质层7的滤料纳污中间区，用于机械搅动使得滤料碰撞而脱油脱固体悬浮物。机械搅拌清洗的同时，外接的反洗气经出水总管3（反洗进水总管）入下部“丰”字型集水器5，在锲形开缝筛管6阻力分配作用下形成均布的高速冲击气流，直捣过滤介质层7，高动能的气流不断擦洗滤料表面，与机械搅拌一起协同加强作用，使滤料上的油污和固体悬浮物洗脱的更高效彻底，由于油水气表面张力和界面张力的不同，冲击气流扰动形成的密集气泡群更容易与已脱落的油滴和固体悬浮物结合成远小于水密度的联合体，加速反洗污物的上浮，经进水总管2（反洗出水总管）将反洗水排出。反洗时，经过反洗进水总管的先是反洗气，然后是反洗水，气水交替联合反洗，气水反冲洗方式如图9所示。反洗过程中，反洗进水总管可理解为气水联合反洗总管。
26.如图8所示，所述机械搅拌装置8配置有高低长短双层叶片搅拌桨81，所述高低长短双层叶片搅拌桨81分为两层叶片，上层叶片比下层叶片长。分层搅拌，能够控制滤料碰撞，提高滤料碰撞再生速度。所述机械搅拌装置8转速为60转/分。对于具有较大横截面积的卧式核桃壳过滤器来说，机械搅拌和气水联合反冲洗的方式，相比其他方式，滤料反洗更均匀，反洗再生速度更快，机构长期运行的可靠性和稳定性更好。
27.如图1-6所示，所述滤料刮平机构9包括可旋三角刮平机91、刮平机构侧大梁92、联排支撑环93，所述联排支撑环93用于将所述刮平机构侧大梁92活接固定于所述过滤器罐体1内部，一系列沿所述过滤器罐体1轴心方向均布的所述可旋三角刮平机91通过转轴悬挂于
两侧的所述刮平机构侧大梁92内侧。由于在机械搅拌和气擦洗共同作用下，滤料受到了极大的扰动产生湍流，当反洗结束时，滤料会因重力沉降恢复滤床，理论上不规则的湍流会形成局部的滤料堆塔现象和反洗过滤低效区或盲区，针对此问题的解决，设计了由联排支撑环、可旋三角刮平机、刮平机构侧大梁等共同组成的非传动力的滤料刮平机构。上述的活接固定，为可旋转的轴承连接，工作过程中，受到足够外力驱动时可产生旋转运动，一般情况下则为固定不动。
28.如图1-6所示，所述可旋三角刮平机91为三角柱体形状，垂直截面为正三角形，三角柱体的三个侧面由多组刮平板组成；所述可旋三角刮平机是一种重心微偏式设计，即其重心线不与截面正三角形的中心线重合，而是略有偏离。在反洗与正洗切换阶段，刚好是水力流向180度逆转之时，可旋三角刮平机巧妙利用了水力逆转和重心微偏的逆反力翻转，非对称的刮片能将堆塔的波峰滤料刮平，从而保障了滤床厚度的均匀，解决了反洗后滤料堆塔和形成过滤低效区和盲区的问题。这种重心微偏的可旋三角滤料刮平机构，相比结构复杂、产生机械故障难以检修的链式或带式机构，机械传动机构更加简单，可靠性提升，检修维护方便。
29.如图1-6所示，所述过滤器罐体1上设置有多组石英透视镜14、手孔15、人孔16。优选地，在可旋三角刮平机91的上方设置有4组石英透视镜14，用于观察反洗后的滤料刮平状况和布水情况，在所述过滤介质层7的滤料纳污区中部设置有2组石英透视镜14，用于在线观察滤料自清洗再生和罐内过滤效果状况，以便于生产调试反洗效果观测和设备工作运行参数值的判断设定。
30.所述手孔15、人孔16分别位于所述过滤器罐体1两侧封头的正中心和中心下方，分别用于设备内部的人工检修和更换滤料。
31.本发明提供的技术方案大幅提高了核桃壳过滤器单台最大处理量极限，具体分析如下：在公路运输限宽4m、海上平台夹层工作现场限高7m的双重限制条件下，核桃壳过滤器最大直径只能做到4m，有效过滤横截面积（直径方向）最大为12.56m2；受滤料物性特质和滤料床层配置的影响，有效滤速不能超过20m/h，因而立式核桃壳过滤器单台罐最大处理水量只能做到约250m3/h ，当处理量增加时就必须增加过滤器的数量。
32.本发明卧式滤罐虽然直径也不能超过4m，所述罐体采取与传统立式不同的卧罐形式，随着罐体长度增加，上方可设置有2组甚至均布多组的进水总管（反洗出水总管）和下方可设置有2组甚至均布多组的出水总管（反洗进水总管），在大处理量下显然此种布局形式并不会增加设备总高，但是其有效过滤面积（轴心横切方向）最大为12.56m2+ 4m
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t (t为筒体长度)，直径和筒体长度共同决定了有效处理量，筒体长度t最大可以做到20m。同时，本发明采用的过滤介质层材料和工艺能将核桃壳过滤器上限滤速由常规的16m/h有效提升至20m/h，在同等过滤横截面积下，过滤器额定处理水量能增加25%，因而可实现单台处理量超过1600m3/h，远高于现有核桃壳过滤器单台最大处理量极限只能做到的250m3/h。
33.本发明提供的卧式高效自清洗核桃壳过滤器在实际运行时，根据要处理含油污水的脏污程度来适应调整反洗时间间隔频率，反洗预设频率一般为12—24h，每次反洗时间为30min，当滤料纳污超过50%后，需要反洗再生，且反洗后滤料残留纳污量不超过3%，滤料年综合减损率不超过5%。本发明提供的机械搅拌装置、气水联合反洗装置以及滤料刮平机构，
能较稳定控制滤料再生效率和滤料减损率，确保滤料使用和更换周期在4年以上。
34.以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。