【正文】 成較大的顆粒，以利于沉淀，達(dá)到凈水的目的本題目主要涉及水處理中絮凝工藝中反應(yīng)攪拌機(jī)的設(shè)備設(shè)計(jì)，主要解決的問(wèn)題是水處理中該設(shè)備的設(shè)計(jì)，包括：主軸、絮凝攪拌機(jī) 、電動(dòng)機(jī)及減速器的選型、支撐裝置設(shè)計(jì)、軸的密封設(shè)置、絮凝池的設(shè)計(jì)，并畫出相應(yīng)的設(shè)備圖。污水處理廠的建設(shè)，極大地提高了城市污水的處理水平，但處理量的增加仍遠(yuǎn)遠(yuǎn)滯后于污水排放量的增長(zhǎng)，我國(guó)的污水處理事業(yè)的實(shí)際情況是污水處理率低，很多老城區(qū)的排水管網(wǎng)甚至不成系統(tǒng)。我國(guó)城市污水處理能力增長(zhǎng)緩慢的主要原因可以歸結(jié)為：污水處理技術(shù)落后 ： 城市污水處理技術(shù)是城市污水處理設(shè)施能否高效運(yùn)轉(zhuǎn)的關(guān)鍵 ， 就目前的發(fā)展?fàn)顩r來(lái)看，在中小城市污水處理方面，尚缺乏適合我國(guó)實(shí)際國(guó)情的污水處理技術(shù)和設(shè)備。 由于現(xiàn)在的水污染大部分是來(lái)自分散的非點(diǎn)源，對(duì)于這些非點(diǎn)源污染，控制措施和相關(guān)費(fèi)用都具有很高的不確定性，今后城市在污水處理方面能夠或應(yīng)該做到什么程度，目前 正在進(jìn)行激烈的爭(zhēng)論。 論文研究的主要內(nèi)容和安排 (1).絮凝池的結(jié)構(gòu)尺寸的確定； (2).攪拌機(jī)大小的確定及轉(zhuǎn)速和功率的計(jì)算； (3).由攪拌機(jī)功率來(lái)做電機(jī)的選型設(shè)計(jì)； (4).由電機(jī)的型號(hào)尺寸來(lái)做聯(lián)軸器的選型設(shè)計(jì)； 麗水學(xué)院 2020 屆學(xué)生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 2 (5).由聯(lián)軸器的型號(hào)尺寸來(lái)決定軸徑以及對(duì)所決定的軸徑進(jìn)行計(jì)算驗(yàn)證； (6).由軸徑來(lái)做軸承的選型； (7).由軸承的尺寸來(lái)做機(jī)座及支撐座的選型設(shè)計(jì)。攪拌器是化學(xué)工程、生物工程和機(jī)械行業(yè)中最常見(jiàn)也是最重要的單元設(shè)備之一。流場(chǎng)數(shù)值模擬必須在深入進(jìn)行流體力學(xué)研究的基礎(chǔ)上，綜合考慮流體流動(dòng)的三維性、隨機(jī)性、非線性和邊界條件不確定性。 對(duì)于不同的介質(zhì)，不同的化學(xué)反應(yīng)過(guò)程，要求攪拌裝置的結(jié)構(gòu)和攪拌速度不同，根據(jù)不同的場(chǎng)合一般分為以下幾種情況： 液 液互溶系統(tǒng)的場(chǎng)合，一般采用低速攪拌就能足夠完成，這種場(chǎng)合常用漿葉式攪拌裝置。 反應(yīng)介質(zhì)里有少量的固體且不易沉降時(shí)可采用比較緩和的攪拌，反之當(dāng)反應(yīng)介質(zhì)或反應(yīng)過(guò)程的生成物中固體較多，且容易沉降時(shí)必須采用強(qiáng)烈的上下的翻動(dòng)的攪拌，這些攪拌均屬于固 液相的攪拌系統(tǒng)。 絮凝的工作原理 膠體的脫穩(wěn)階段 (膠體的穩(wěn)定性破壞 )是第一階段，絮凝（絮凝指膠體脫穩(wěn)以后結(jié)成大顆粒絮體的階段）是第二階段。這是水處理中常用的方法。 麗水學(xué)院 2020 屆學(xué)生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 3 一般絮凝攪拌機(jī)的分類與組成 絮凝攪拌機(jī)一般分為：剛性連接攪拌機(jī)和彈性連接攪拌機(jī)。 剛性連接攪拌機(jī)由：電動(dòng)機(jī)，減速器，剛性聯(lián)軸器，機(jī)座。 攪拌設(shè)備的工作部分，有攪拌器，攪拌軸和攪拌附件組成。絮凝攪拌的作用是促使水中的膠體顆粒發(fā)生碰撞，吸附并逐漸結(jié)成一定大小的帆花，大部分帆花截留在沉淀池內(nèi)。 絮凝池內(nèi)攪拌強(qiáng)度 (即攪拌速度梯度值 G)應(yīng)遞減，各檔攪拌器槳葉中心處的線速度依次逐漸減慢，且要有足夠的攪拌時(shí)間來(lái)完成絮凝過(guò)程。 絮凝攪拌機(jī)設(shè)置無(wú)級(jí)調(diào)速后可隨水量，原水濁度和投藥量的變化而調(diào)整攪拌強(qiáng)度，達(dá)到滿意的絮凝效果，節(jié)約藥劑的用量。臥式絮凝攪拌機(jī)的槳板接近池底旋轉(zhuǎn)，一般絮凝池不存在積泥問(wèn)題。如圖 12。 直槳葉是最常用的一種普通槳葉，其結(jié)構(gòu)如圖 13。天然水中的懸浮物質(zhì)及肢體物質(zhì)的粒徑非常細(xì)小。而絮凝池的目的就是創(chuàng)造合適的水力條件使這種具有絮凝性能的顆粒 在相互接觸中聚集，以形成較大的絮凝體(絮粒 )。 當(dāng)然，為了獲得良好的絮凝效果，混凝劑的合理選擇是重要的，但是也不能忽視絮凝池設(shè)計(jì)的重要性。在混凝沉淀的設(shè)計(jì)中，也出現(xiàn)了寧可延長(zhǎng)一些反應(yīng)時(shí)間以縮短沉淀時(shí)間的看法。 絮凝反應(yīng)是一個(gè)很復(fù)雜的過(guò)程，它不僅受絮凝池水力條件的控制，而且還與原水性質(zhì)、 混凝劑品種和加藥量以及混和過(guò)程都有密切關(guān)系。因此，往往出現(xiàn)即使原水的絮凝性質(zhì)很不相同，而其絮凝池的布置卻完全相同的情況。應(yīng)該說(shuō)它在大多數(shù)場(chǎng)合下是可行的，但并不一定是最優(yōu)的，況且，這些規(guī)定也只規(guī)定一些主要指標(biāo)，至于具體的布置還需由設(shè)計(jì)者確定 ，有些盡管 主要指標(biāo)完全相同，卻可設(shè)計(jì)成很不相同的布置形式，至于它們的效果差異則更難以鑒別。凡符合這二個(gè)條件的所謂 “ 模型絮凝池 ” 則被認(rèn)為是理想的絮凝池布置。除了顆粒具有絮凝能力外，還必須創(chuàng)造顆粒彼此接觸，或者接近 (達(dá)到顆粒吸附的作用范圍以內(nèi) )的機(jī)會(huì)。可以通過(guò)三個(gè)途徑，使顆粒達(dá)到彼此的接觸：水分子的熱力運(yùn)動(dòng)、顆粒的沉速差異和水體的流動(dòng)。這種接觸機(jī)會(huì)與溫度有關(guān)，而與液體的流動(dòng)無(wú)關(guān)。 至于沉速差異產(chǎn)生的顆粒碰撞，往往在沉淀池中有明顯的作用。 一般認(rèn)為在絮凝池中，對(duì)顆粒碰撞起主導(dǎo)作用的主要是水體的流動(dòng)，也就是由于水體流動(dòng)所產(chǎn)生的能量損耗而造成的。 D—— 顆粒的有效粒徑； 單位 m。 G—— 計(jì)算范圍內(nèi)的絕對(duì)平均速度梯度 ；單位 S1? 。 5 () 式中： W—— 單位體積單位時(shí)間所消耗的功； 單位 KW。 一般認(rèn)為式 (1)只適用于層流，而大多數(shù)絮凝池的水源均屬紊流。 5 () 式中： β —— 系數(shù) 。 單位 KW。而在實(shí) 用上有效能量是難以確定的，仍需用計(jì)算的能量來(lái)表示。對(duì)于層流條件，切應(yīng)力純由粘滯阻力產(chǎn)生。這二種切應(yīng)力的大小都決定于液體的速度梯度。因?yàn)橹挥星袘?yīng)力所做的功是不可逆的，也就是由機(jī)械能轉(zhuǎn)化為熱能。 采用 G值來(lái)模擬絮凝池的水流絮凝特征，至少在二方面是有用處的，一是可以把真實(shí)絮凝池的研究縮小到在實(shí)驗(yàn)室內(nèi)進(jìn)行，也就是只要維持實(shí)驗(yàn)條件的 G值與真實(shí)池相同。另一是可以用作不同絮凝形式的比較，也就是即使絮凝池的水流形態(tài)相差甚大，只要其過(guò)程的 G值相同， (當(dāng)然還應(yīng)考慮不同絮凝池形式有效能量利用的差別 )效果也應(yīng)相同。大多理論研究都以微粒作為對(duì)象。對(duì)于水流條件來(lái)說(shuō)，同樣存在一個(gè)斷面內(nèi)的速度梯度各不相同。因此，采用微粒的分析方法，問(wèn)題要復(fù)雜的多。微觀現(xiàn)象的分析，可以幫助我們對(duì)問(wèn)題的考慮 (如前節(jié)所作的那樣 )，但試驗(yàn)還應(yīng)以整個(gè)懸濁液在絮凝過(guò)程中的平均效果作代表。而分別用平均粒徑、平均速度梯度以及平均沉速來(lái)表示。無(wú)論是顆粒粗徑的加大，沉速的加快以及沉淀后濁度去除率的增加都能反映絮凝效果的提高。許多理論公式都與粒徑有關(guān)。因?yàn)槌恋沓卦O(shè)計(jì)希望提供反應(yīng)后的沉速數(shù)據(jù)。實(shí)際上這三個(gè)指標(biāo)都是相互關(guān)聯(lián)的。 為了探討方便起見(jiàn)，我們?cè)谘芯吭O(shè)想方案時(shí)，仍以平均沉速作為指標(biāo)；而作為實(shí)驗(yàn)的手段，則以沉淀后濁度去除率為指標(biāo)。 根據(jù)以上對(duì)絮凝過(guò)程以及基本假設(shè)的分析，我們就可以進(jìn)而討論絮凝池合理設(shè)計(jì)的設(shè)想方案。 將式 ()積分，可得： N=N0eKst () 式中： N—— 絮凝時(shí)間為 t時(shí)的顆?？倽舛?； 單位 mol/L。 假如絮凝過(guò)程中密度保持不變，即 φ 固定，則上式可換算成粒徑的變化關(guān)系。 do—— 時(shí)間 t＝ 0時(shí)的顆粒粒徑 ；單位 m。粒徑 (或沉速 )隨時(shí)間呈指數(shù)關(guān)系增加 ， 其增長(zhǎng)的速率取決于 ks值。因此當(dāng) G值增加。 圖 21 理論曲線圖 麗水學(xué)院 2020 屆學(xué)生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 10 圖 21所示為理論曲線，然而，根據(jù)一般攪拌試驗(yàn)的結(jié)果，所得圖形與圖 21有很大出入，大致得到象圖 21實(shí)線所示的曲線。在開(kāi)始時(shí)或開(kāi)始以后較短時(shí)間，沉速增長(zhǎng)形式與理論曲線大 致相似。我們不妨稱 Vmax為某一 G值時(shí)的極限沉速。然而超過(guò) 10 分鐘以后其反應(yīng)效果一般很少有明顯增加。 產(chǎn)生理論曲線與試驗(yàn)曲線不一致的原因，很容易得到 解釋 。圖 22中陰影部分實(shí)際上代表了碰撞中的無(wú)效和破碎 部分。 圖 22 試驗(yàn)曲線圖 但是圖 22的試驗(yàn)曲線是用同一水質(zhì)、同一 G值試驗(yàn)的結(jié)果。實(shí)際上在進(jìn)行攪拌試驗(yàn)時(shí)，用肉眼也可發(fā)現(xiàn)。但 G值顯然逐漸減小，此時(shí)所看到的絮凝體往往明顯地優(yōu)于攪拌時(shí)的絮凝體。 因此，為了探索合理的絮凝水流條件，就應(yīng)該 對(duì)不同 G值情況下的絮凝分別進(jìn)行試驗(yàn)。 a、 b、 c分別代表低、中、高三種不同的 G值，按照理論曲線 (虛線 )應(yīng)該出現(xiàn) G值越高，增長(zhǎng)越快。在開(kāi)始階段無(wú)凝應(yīng)該是 G值越高絮凝效果增長(zhǎng)越快。碰撞產(chǎn)生的絮凝作用應(yīng)是主要的。由于 G值高的，極限沉速小，而 G值低的，極限沉速大，因而它們的試驗(yàn)曲線必然相交 (如圖 22中的 A點(diǎn)及 B點(diǎn) )；也就是說(shuō)，當(dāng)用C的 G值反應(yīng) tA時(shí)，與用 b的 G值反應(yīng) tA時(shí)，將獲得同樣的顆粒沉速。然而當(dāng)絮凝時(shí)間超過(guò)交點(diǎn)時(shí)，低的 G 值將可獲得較快的顆粒沉速增長(zhǎng)，高的 G值沉速增長(zhǎng)反而減慢，這也就是絮凝池設(shè)計(jì)中采用改變流速的原因。但是這樣的設(shè)計(jì)顯然也是不合理的。 圖 23 試驗(yàn)結(jié)果圖 圖 23所示的試驗(yàn)結(jié)果，對(duì)進(jìn)行絮凝池的合理設(shè)計(jì)很為有用，后面將作進(jìn)一步討論。那么在這樣的試驗(yàn)中，水質(zhì)的差異能否得到反映，這是需要考慮的。 顆粒濃度高，粒間的接觸機(jī)會(huì)多，因而就具有較迅速增大顆粒的可能。但如果考慮除水流切應(yīng)力外，顆粒碰撞時(shí)尚有其衡量的作用 ，則可能出現(xiàn)高濃度的極限沉速略小于低濃度的現(xiàn)象。因此圖 24a所示的二條曲線大致上反映了其它條件相同時(shí)濃度高低的影響。一般情況下，達(dá)到同一沉速所需的絮凝時(shí)間隨濃度增加而減少。例如由于混凝劑選擇不當(dāng)或加注量不足，均可使顆粒缺乏必要的絮凝能力，此時(shí)，即使接觸機(jī)會(huì)很多，然而其聚集效果卻很差。而要達(dá)到極限沉速所需的時(shí)間也很長(zhǎng)，實(shí)際生產(chǎn)中，往往采用不斷調(diào)整混凝劑加注量的辦法，來(lái)調(diào)節(jié)絮凝效果，其實(shí)質(zhì)也就是不斷改變顆粒凝絮能力，以滿足絮凝的要求。由圖可知，對(duì)絮凝能力弱的處理水，其無(wú)效碰撞占有重要比例。例如對(duì)于主要由色度組成的原水，由于膠體所帶負(fù)電荷較強(qiáng)，聚集顆粒組成的結(jié)構(gòu)就與一般濁度組成的原水不同。顆?？辜魪?qiáng)度的大小直接影響著絮凝顆粒的極限沉速，抗剪強(qiáng)度大，允 許的極限沉速也大。由圖可知，如顆粒的絮凝能力相同，則在其開(kāi)始反應(yīng)階段，抗剪強(qiáng)度的影響不顯著。 麗水學(xué)院 2020 屆學(xué)生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 15 以上只是根據(jù)某些理論以及概念所作的分析。但是作為絮凝過(guò)程的實(shí)際試驗(yàn)，基本上能綜合反映這些因素的影響，因而較接近真實(shí)絮凝池的絮凝過(guò)程。 我們現(xiàn)在設(shè)計(jì)的絮凝池要適應(yīng)大多數(shù)廠家的廢水凈化工作。 (2) .每格絮凝池的體積為 40m3。 麗水學(xué)院 2020 屆學(xué)生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 16 第三章 攪拌機(jī)的設(shè)計(jì) 設(shè)計(jì)原始數(shù)據(jù) (1).絮凝攪拌池應(yīng)設(shè)三檔攪拌機(jī)，攪拌池分為三格，現(xiàn)就設(shè)計(jì)第一檔的攪拌機(jī)。 (3).各檔攪拌速度梯值 G取 2070S1? 之間。 設(shè)計(jì)要點(diǎn) (1).上層攪拌器槳葉頂端應(yīng)設(shè)于池子于水面下 處，下層攪拌器槳葉底端應(yīng)設(shè)于距池底 處，槳葉外緣與掣?jìng)?cè)壁間距不大于 。當(dāng)超過(guò) 25%時(shí)整個(gè)池水將與槳板同步旋轉(zhuǎn)，故設(shè)計(jì)中必須考慮避免出現(xiàn)這種現(xiàn)象。 設(shè)計(jì)計(jì)算數(shù)據(jù) 設(shè)計(jì)中主要是進(jìn)行以下幾方面的工作： (1).絮凝攪拌的檔數(shù)：一般絮凝池內(nèi)設(shè) 36檔不同攪拌強(qiáng)度攪拌機(jī)，因此絮凝池分為 36倍。 (3).攪拌器槳葉的中心處的線 速度 (相當(dāng)于池中水流平均速度 )ν＇ (m/s)，一般自第一檔的。 (4).各檔攪拌機(jī)攪拌速度梯值 G，一般取 2070S1? 。μ = 。 則：本設(shè)計(jì)選取寬度 B為 。 又知池子長(zhǎng)度為 ，則長(zhǎng)度 L= = 槳由文獻(xiàn)查得： 液體旋轉(zhuǎn)速度與槳葉旋轉(zhuǎn)速度的比值為： K1=， K2=， K3= (3).槳葉旋轉(zhuǎn)半徑： 由上面介紹可知：槳葉旋轉(zhuǎn)直徑為 D= 則：外槳葉的半徑為： R1=。 R2= 所以內(nèi)槳葉的理論半徑為： Rp1=(R1+R2)/2= 攪拌器轉(zhuǎn)速的確定 根據(jù)已知速度梯度 G計(jì)算： 第一檔選 G1=70S1? ，因?yàn)?K1 =，所以根據(jù)轉(zhuǎn)速公式： 麗水學(xué)院 2020 屆學(xué)生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 18 n1 =? ?3 331112396012?? PRAKCVG? （ ） 其中μ —— 水的粘度，單位 V—— 絮凝池的體積，單位 m3 G—— 速度梯度，單位 S1? C—— 攪拌層數(shù) K—— 水和攪拌器的速度之比 A—— 單層槳葉面積，單位 m2 Σ Rp—— 內(nèi)槳和外槳的矢量和，單位 m n—— 攪拌器轉(zhuǎn)速，單位 r/min 所以第一檔的轉(zhuǎn)速為： ? ? ? ? ? ? ? ?321 3 3 3 3 10 70123 960 2 1 4n?? ? ????? ? ? ? ? ? ??? == 攪拌功率的確定 按 計(jì)算法計(jì)算 (以將橫梁及斜拉桿的拖曳和機(jī)械消耗功率考慮在內(nèi) )為 ? ?3 1 2 0 %102 nD pC eANvg???ρ （ ） 32 2 1