設計-攪拌器的設計

設計-攪拌器的設計,設計,攪拌器 摘要 完成絮凝過程的絮凝池(一般常稱反應池)，在凈水處理中占有重要的地位。天然水中 的懸浮物質(zhì)及肢體物質(zhì)的粒徑非常細小。為去除這些物質(zhì)通常借助于混凝的手段，也就是 說在原水中加入適當?shù)幕炷齽?jīng)過充分混和，使膠體穩(wěn)定性被壞(脫穩(wěn)）并與混凝劑水介 后的聚合物相吸附，使顆粒具有絮凝性能。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)。因此，絮凝池設計 是否確當，關系到絮凝的效果，而絮凝的效果又直接影響后續(xù)處理的沉淀效果。絮凝 攪拌 機是絮凝池機械攪拌的裝置，它主要用于廢水處理的攪拌過程。本設計提到了絮凝池的設 計，攪拌機的設計以及其工 藝流程。 關鍵詞： 絮凝池 混凝劑 沉淀效果 絮凝性能 Abstract Accomplish flocculation process flocculation pool (call reaction in general often pool) , handle middle in clean water occupying important position. Natural water suspension matter and limb matter grain diameter are very trivial.Be to dislodge these matter being backed by the means drifting along curdling generally , that is ,add the appropriate coagulant , blend through sufficiently in raw water, let colloid stability be spoiled the polymer (coming off after steady) and being situated between with coagulant water looks at and appraises an adsorption , makes a pellet have the flocculation function. But, that flocculation pool purpose is to create appropriate waterpower condition makes this have flocculation function pellet assembling, to form bigger flocculation body (catkin granule) in contacting middle mutually. But therefore, flocculation pool designs thinking that indeed or not, effect being related to a flocculation, the flocculation effect has direct impact to follow-up treatment precipitayion effect. The flocculation mixer is flocculation pool mechanical rabble device , it is used for the waste water treatment mixing process mainly. Design the design having mentioned flocculation pool originally, the mixer design and whose process flow. Keywords: Flocculation pool Coagulant Precipitayion effect Flocculation function 寧夏大學 2007 屆過程裝備與控制工程專業(yè)畢業(yè)設計 1 寧夏大學 2007 屆過程裝備與控制工程專業(yè)畢業(yè)設計 0 目錄 1 前 言 ...........................................................................................................................................1 1.1 畢業(yè)設計課題的目的、意義、國內(nèi)外現(xiàn)狀 ...................................................................................................1 1.1.1 畢業(yè)設計課題的目的、意義 ....................................................................................................................1 1.1.2 國內(nèi)外污水處理的現(xiàn)狀 ............................................................................................................................1 1.2 攪拌機在污水處理中的作用 ..............................................................................................................................2 1.2.1 攪拌機的發(fā)展概述 ....................................................................................................................................2 1.2.2 反應攪拌機的工作原理 ............................................................................................................................2 1.3 絮凝的工作原理 ..................................................................................................................................................3 1.4 水處理中的攪拌設備 ..........................................................................................................................................3 1.5 絮凝攪拌機的適應條件和構(gòu)造 ..........................................................................................................................3 1.5.1 絮凝攪拌機的適應條件 ............................................................................................................................3 1.5.2 絮凝攪拌機的構(gòu)造 ....................................................................................................................................4 1.6 本課題的設計思路 ..............................................................................................................................................5 2 絮凝池的設計 .............................................................................................................................6 2.1 絮凝池的設計探討 ..............................................................................................................................................6 2.1.1 絮凝的相似關系 ........................................................................................................................................7 2.1.2 假設和設想 ..............................................................................................................................................10 2.2 絮凝池的設計要求及結(jié)果 ................................................................................................................................15 3 絮凝攪拌機的設計 ...................................................................................................................16 3.1 設計原始數(shù)據(jù) ....................................................................................................................................................16 3.2 設計要點 ............................................................................................................................................................16 3.3 設計計算數(shù)據(jù) ....................................................................................................................................................16 3.4 槳葉的設計 ........................................................................................................................................................17 3.4.1槳葉結(jié)構(gòu)尺寸確定 ...................................................................................................................................17 3.4.2攪拌器轉(zhuǎn)速計算 .......................................................................................................................................17 3.4.3攪拌功率計算 ...........................................................................................................................................19 4 電動機及減速器的選型 ...........................................................................................................21 4.1 減速器和電動機的選型條件 ............................................................................................................................21 4.2 電動機與減速器的選擇 ....................................................................................................................................21 4.4 攪拌軸的設計及其結(jié)果驗證 ............................................................................................................................23 4.5 軸與槳葉、聯(lián)軸器的連接 ................................................................................................................................24 4.5.1連接形式 ...................................................................................................................................................24 4.5.2聯(lián)軸器與軸的連接 ...................................................................................................................................24 4.6 軸承的選型及軸的最終確定 ............................................................................................................................24 5 支撐裝置設計 ...........................................................................................................................25 5.1 攪拌機的支承部分 ............................................................................................................................................25 5.1.1機座 ...........................................................................................................................................................25 5.1.2軸承裝置 ...................................................................................................................................................26 5.2 水下支撐座的設計 ............................................................................................................................................26 寧夏大學 2007 屆過程裝備與控制工程專業(yè)畢業(yè)設計 1 5.2.1軸承的選型 ...............................................................................................................................................26 5.2.2支撐套的設計 ...........................................................................................................................................27 6 軸的密封 ...................................................................................................................................28 7 結(jié) 論 .........................................................................................................................................30 符號說明 .......................................................................................................................................31 參考文獻 .......................................................................................................................................32 謝 辭 .............................................................................................................................................33 附 件 .............................................................................................................................................34 外文翻譯 .......................................................................................................................................35 寧夏大學 2007 屆過程裝備與控制工程專業(yè)畢業(yè)設計 1 1 前 言 1.1 畢業(yè)設計課題的目的、意義、國內(nèi)外現(xiàn)狀 1.1.1 畢業(yè)設計課題的目的、意義 廢水處理中反應攪拌機的目的是借助攪拌器的作用是使廢水中的膠體顆粒絮凝形成 較大的顆粒，以利沉淀，以滿足水處理中水質(zhì)凈化的要求。本題目主要涉及水處理中絮 凝工藝中反應攪拌機的設備設計，主要解決的問題是水處理中該設備的設計，包括：絮 凝攪拌機、電動機及減速器的選型、支撐裝置設計、軸的密封設置、絮凝池的設計，并 畫出相應的設備圖。 1.1.2 國內(nèi)外污水處理的現(xiàn)狀 我國污水處理事業(yè)的歷史始于 1921年，到改革開放的近二十年來取得了迅速的發(fā)展， 但仍然滯后于城市發(fā)展的需要。據(jù)統(tǒng)計，到 2000年底，全國已建設城市污水處理廠 427 座，其中二級處理廠 282座。這些污水處理廠的建設，極大地提高了城市污水的處理水 平，但處理量的增加仍遠遠滯后于污水排放量的增長，我國的污水處理事業(yè)的實際情況 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)。 城市污水處理能力增長緩慢和污水處理率低是造成我國水環(huán)境污染的主要原因，由 此導致了水環(huán)境的持續(xù)惡化，并嚴重的制約了我國經(jīng)濟與社會的發(fā)展。我國城市污水處 理能力增長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 污水處理設施能否高效運轉(zhuǎn)的關鍵，就目前的發(fā)展狀況來看，在中小城市污水處理方面， 尚缺乏適合我國實際國情的污水處理技術(shù)和設備。因此，探索和發(fā)展適合我國國情的中 小城市（鎮(zhèn)）污水處理工藝，掌握一批在中小城市（鎮(zhèn)）具有代表性的污染源的治理技 術(shù)和城市污水處理技術(shù)，就勢在必行。 在過去的 30年中，美國通過建設污水處理廠，成功解決了來自城市和工業(yè)方面的點 源污染問題，但在達到可以游泳和漁業(yè)用水的要求方面，仍然遇到了很多困難。由于現(xiàn) 在的水污染大部分是來自分散的非點源，對于這些非點源污染，控制措施和相關費用都 具有很高的不確定性，今后城市在污水處理方面能夠或應該做到什么程度，目前正在進 寧夏大學 2007 屆過程裝備與控制工程專業(yè)畢業(yè)設計 2 行激烈的爭論。合流制污水管網(wǎng)的老城市需要大量投資，來減少在雨季的污水溢流，而 迅速發(fā)展的新興城市又臨著處理能力不足，導致生活污水管網(wǎng)溢流的問題。 1.2 攪拌機在污水處理中的作用 1.2.1 攪拌機的發(fā)展概述 攪拌機的操作性能直接關系到產(chǎn)品的質(zhì)量、能耗和生產(chǎn)成本，工程界和學術(shù)界對攪拌 混合都非常重視，進行了大量的研究工作，取得了不少的研究成果。 攪拌器是化學工程和生物工程中最常見也是最重要的單元設備之一。目前，攪拌器的 選型和內(nèi)構(gòu)件的設計在很大程度上依賴試驗和經(jīng)驗，對放大規(guī)模還缺乏深入的認識，對 于能耗和生產(chǎn)成本只能在一定規(guī)模的生產(chǎn)裝置上對比后才能得出結(jié)論，由于對產(chǎn)品的回 收率和質(zhì)量要求越來越高，對攪拌器的研究日趨深入，已從早期對攪拌功率和混合時間 的研究，20 世紀 80年代對反應釜內(nèi)的流體速度場分布的研究，進入 20世紀 90年代以來 的攪拌釜內(nèi)三維流場的數(shù)值模擬研究。流場數(shù)值模擬必須在深入進行流體力學研究的基 礎上，綜合考慮流體流動的三維性、隨機性、非線性和邊界條件不確定性。通過數(shù)值模 擬不但可以解決反應器的放大機理，而且可以優(yōu)化設計開發(fā)新型高效攪拌器，使機械攪 拌器的設計理論更加完善。 1.2.2 反應攪拌機的工作原理 對于不同的介質(zhì)，不同的化學反應過程，要求攪拌裝置的結(jié)構(gòu)和攪拌速度不同，根據(jù) 不同的場合一般分為以下幾種情況：1、液-液互溶系統(tǒng)的場合，一般采用低速攪拌就能 足夠完成，這種場合常用漿葉式攪拌裝置。2、液-液互不相溶的場合，這種場合則需要 強烈的上下翻滾，常用漿葉攪拌器，在釜體內(nèi)加有一定形狀的擋板，或采用推進式攪拌 器。3、反應介質(zhì)里有少量的固體且不易沉降時可采用比較緩和的攪拌，反之當反應介質(zhì) 或反應過程的生成物中固體較多，且容易沉降時必須采用強烈的上下的翻動的攪拌，這 些攪拌均屬于固-液相的攪拌系統(tǒng)。 在本人設計的課題中攪拌器中所攪拌的介質(zhì)是廢水，廢水處理中反應攪拌機的目的是 由電機作為驅(qū)動裝置，經(jīng)減速器聯(lián)軸器帶到直槳葉旋轉(zhuǎn)使膠體顆粒絮凝形成較大的顆粒， 以利沉淀，以滿足水處理中水質(zhì)凈化的要求。 寧夏大學 2007 屆過程裝備與控制工程專業(yè)畢業(yè)設計 3 1.3 絮凝的工作原理 膠體的脫穩(wěn)階段是第一階段，絮凝是第二階段，而絮凝指膠體脫穩(wěn)以后結(jié)成大顆粒絮 體的階段。第一階段相當于給水處理中加藥混合后的極短的一段時間，可能在一秒鐘內(nèi)， 而絮凝則主要是在反應設備中完成的。這是水處理中常用的方法。其工作原理如圖 1-1。 廢 水 投 藥 混 合 反 應 沉淀分離 沉淀慢速攪拌急速攪拌 出 水 1.4 水處理中的攪拌設備 水處理中的攪拌設備，分成溶藥攪拌，混合攪拌，絮凝攪拌。澄清池攪拌，消化池攪 拌和水下攪拌六種類型。絮凝攪拌是水處理的重要方法之一或基本單元操作之一，而且 往往是必不可少的。它在生活飲用水、工業(yè)用水、工業(yè)廢水及生活污水的處理中都有廣 泛的應用，因而學習和研究絮凝科學及其在水處理中的應用具有十分重要的意義。 其中絮凝攪拌機分為：剛性連接攪拌機和彈性連接攪拌機。本設計主要討論的是剛性 連接攪拌機。 剛性連接攪拌機由：電動機，減速器，剛性聯(lián)軸器，機座。軸承，攪拌軸，攪拌器。 攪拌設備的工作部分，有攪拌器，攪拌軸和攪拌附件組成。 1.5 絮凝攪拌機的適應條件和構(gòu)造 1.5.1 絮凝攪拌機的適應條件 絮凝攪拌機用于給水排水主力中混凝過程中的絮凝階段。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，試絕大部分帆花截留在沉淀 池內(nèi)。 攪拌強度和攪拌時間是決定絮凝效果的關鍵。 絮凝池內(nèi)攪拌強度(即攪拌速度梯度 絮凝劑 圖 1-1 絮凝沉淀處理流程示意圖 寧夏大學 2007 屆過程裝備與控制工程專業(yè)畢業(yè)設計 4 值 G)應遞減，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間來 完成絮凝過程。 絮凝攪拌機可滿足絮凝規(guī)律的要求，使絮凝過程中各段具有不同的攪拌強度，可以 適合水量和水溫的變化，優(yōu)點是水頭損壞小，池體結(jié)構(gòu)簡單，外加能量組合方便。 絮凝攪拌機設置無級調(diào)速后可隨水量，原水濁度和投藥量的變化而調(diào)整攪拌強度， 達到滿意的絮凝效果，節(jié)約藥劑的用量。 絮凝攪拌機根據(jù)攪拌軸的安裝分式分為立式攪拌機和臥失攪拌機兩種。臥式絮凝攪拌機 的槳板接近池底旋轉(zhuǎn)，一般絮凝池不存在積泥問題。 1.5.2 絮凝攪拌機的構(gòu)造 立式攪拌機有工作部分(垂直攪拌軸，框式攪拌器)，支承部分(軸承裝置，機座)和 驅(qū)動部分(電動機，擺線針輪減速機)組成。如圖 1-2。 寧夏大學 2007 屆過程裝備與控制工程專業(yè)畢業(yè)設計 5 圖 1-2 立體攪拌機總體結(jié)構(gòu)圖 框式攪拌器分直槳葉，斜槳葉和網(wǎng)槳葉三種。 直槳葉是最常用的一種普通槳葉，其結(jié)構(gòu)如圖 1-3。 圖 1-3 直槳葉框式攪拌器示意圖 1.6 本課題的設計思路 (1).絮凝池的結(jié)構(gòu)尺寸的確定； (2).攪拌機大小的確定及轉(zhuǎn)速和功率的計算； (3).由攪拌機功率來做電機的選型設計； (4).由電機的型號尺寸來做聯(lián)軸器的選型設計； (5).由聯(lián)軸器的型號尺寸來決定軸徑以及對所決定的軸徑進行計算驗證； (6).由軸徑來做軸承的選型； (7).由軸承的尺寸來做機座及支撐座的選型設計。 寧夏大學 2007 屆過程裝備與控制工程專業(yè)畢業(yè)設計 6 2 絮凝池的設計 2.1 絮凝池的設計探討 完成絮凝過程的絮凝池(一般常稱反應池)，在凈水處理中占有重要的地位。天然水 中的懸浮物質(zhì)及肢體物質(zhì)的粒徑非常細小。為去除這些物質(zhì)通常借助于混凝的手段，也 就是說在原水中加入適當?shù)幕炷齽?，?jīng)過充分混和，使膠體穩(wěn)定性被壞(脫穩(wěn)）并與混凝 劑水介后的聚合物相吸附，使顆粒具有絮凝性能。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)。因此， 絮凝池設計是否確當，關系到絮凝的效果，而絮凝的效果又直接影響后續(xù)處理的沉淀效 果。 當然，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 凝池設計的重要性。在生產(chǎn)實踐中，不少水廠由于改進了絮凝池的布置，從而提高了出 水水質(zhì)，降低了藥耗，或者增加了制水能力。在混凝沉淀的設計中，也出現(xiàn)了寧可延長 一些反應時間以縮短沉淀時間的看法。這些都說明絮凝反應在凈水處理中的重要作用。 近年來，由于高效能沉淀以及過濾裝置的出現(xiàn)，使水廠的平面布置(包括構(gòu)筑物尺寸 及占地面積)大為縮小。相對來說絮凝池所占比例就有所增加。例如，在原平流式沉淀池 中，絮凝只占較小的體積。然而在斜管沉淀池中，絮凝部分的體積幾乎與沉淀部分的體 積相仿。為此，國內(nèi)不少同志在這方面進行著如何改進絮凝構(gòu)筑物的研究，并提出了不 少設想。對設計工作者來說，亦迫切要求有一個科學的評價方法，以解決如何合理選擇 絮凝形式的問題。 絮凝反應是一個很復雜的過程，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程都有密切關系。從目前國內(nèi)外的研究情況來看， 尚沒有一個能定量地反映絮凝過程的完整數(shù)學模式，甚至作為定性分析，也還存在不少 問題。這些情況就給具體設計工作者帶來很多困難。嚴格地說，目前不少絮凝池的設計， 僅是水力的驗算，并沒有對絮凝過程作完整的分析。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。 根據(jù)規(guī)范或設計手冊規(guī)定的設計數(shù)據(jù)，進行水力計算，是目前絮凝池設計中應用最 廣泛的方法。應該說它在大多數(shù)場合下是可行的，但并不一定是最優(yōu)的，況且，這些規(guī) 寧夏大學 2007 屆過程裝備與控制工程專業(yè)畢業(yè)設計 7 定也只規(guī)定一些主要指標，至于具體的布置還需由設計者確定。例如，一般規(guī)定隔板絮 凝池的流速由 0．6 米／秒漸減至 0．2 米／秒。至于流速如何遞減，以及隔板轉(zhuǎn)折的布 置和道數(shù)等等，都未作明確規(guī)定。因而盡管所用主要指標完全相同，卻可設計成很不相 同的布置形式，至于它們的效果差異則更難以鑒別。 為了探討絮凝池設計的合理方法，福建省凈水工藝試驗組曾提出了應用“模型絮凝 池”的概念。其基本出發(fā)點就是認為：合理的反應速度應符合流速漸變的原則，即反應 速度由大到小呈直線變化，且反應池進口流速應大于或者等于 1米／秒。凡符合這二個 條件的所謂“模型絮凝池”則被認為是理想的絮凝池布置。 “模型絮凝池”作為探討整個絮凝過程變化規(guī)律的設想，是有其積極意義的。但是， 要把“模型絮凝池”作為理想的絮凝形式，則尚缺乏足夠的依據(jù)。作為問題之一，它脫 離了原水性質(zhì)的考慮。速度漸變原則應對不同水質(zhì)條件有不同的要求，而不宜取作常量。 譬如，對于原水顆粒濃度不足以及絮凝體不易破碎的情況，將較高流速區(qū)的反應時間增 加些，顯然是有好處的。反之，則應增加較低流速區(qū)的比例。另外，隔板絮凝的轉(zhuǎn)折， 從“模型絮凝池”的要求考慮，顯然是不符合要求的。但是實際上在絮凝的最初階段， 它往往起到了促進絮凝的效果。 “模型絮凝池”用流速作為比較的相似關系，與絮凝理論 所采用的以速度梯度作為相似關系有所區(qū)別。隨著絮凝形式的不同，同樣的流速，其速 度梯度可相差達數(shù)倍。因此關于“模型絮凝池”的設想尚有不少問題需要進一步深入研 究。 目前絮凝池設計中一個普遍問題就是沒有考慮進入絮凝池的處理水水質(zhì)。眾所周知， 良好的絮凝反應必須具備二個條件，即具有充分絮凝能力的顆粒以及合適的反應水力條 件。實際上，它們就是絮凝過程中的“內(nèi)因”和“外因” 。水力條件只有適合欲絮凝顆粒 的絮凝要求時，才能促進絮凝的進行。反之則不僅不能促進絮凝的進行，甚至使已經(jīng)絮 凝的顆粒破壞。因此作為具體的絮凝池設計，就必須考慮到處理水的水質(zhì)條件。但是這 卻是目前絮凝池設計中最薄弱的環(huán)節(jié)。 2.1.1 絮凝的相似關系 所謂合理設計，無非是從許多可供選擇的方案中，選定一種最能符合要求的方案。 同樣，絮凝池的合理設計，就是要從諸多的絮凝形式，以及不同的指標中，選擇一種最 能適合具體絮凝條件而又切實可行的形式和指標。鑒于目前的研究水平，僅用理論的方 寧夏大學 2007 屆過程裝備與控制工程專業(yè)畢業(yè)設計 8 法還無法解答上述課題，因此還需借助于實驗手段。實驗的目的就是可以在較小規(guī)模下 模擬實際的效果，以便對可供選擇的方案加以比較。和其它許多實驗一樣，絮凝的實驗 也需要解決一個模擬的相似問題。也就是說需要解決怎樣在較小規(guī)模的試驗中，獲得與 真實絮凝池同樣的絮凝結(jié)果。 對于絮凝反應來說，需待解決的相似關系主要有二個，即處理水的水質(zhì)條件和絮凝 池的水力條件。關于水質(zhì)條件，一般采用真實水樣還是容易辦到的。例如選擇若干具有 代表性處理對象的原水，加注適量混凝劑，并經(jīng)充分混和，即可供作絮凝的實驗。至于 水力條件，則不能依靠實際絮凝池來作試驗。因設計的目的是要對多種方案進行對比， 而這在實際絮凝池中是難以完全實現(xiàn)的。為此，需要尋找合適的水力條件作模擬相似。 對于水力條件，一般可以采用雷諾數(shù)或弗魯特數(shù)相似，也可采用其它相似準則。至于采 用何種相似方法則應視研究對象而定。為此有必要就絮凝過程中水力條件的作用作一分 析，以確定相似關系。 絮凝的目的是使細小顆粒彼此聚集。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(達到顆粒吸附的作用范圍以內(nèi))的機會。否則，若保持顆粒間的相對 位置不變，即使顆粒的絮凝性能極為良好，也無法聚集?？梢酝ㄟ^三個途徑，使顆粒達 到彼此的接觸：水分子的熱力運動、顆粒的沉速差異和水體的流動。 所謂熱力運動產(chǎn)生的顆粒碰撞，是由于水分子進行的雜亂而沒有規(guī)則的運動(布朗運 動)，不斷撞擊附近的膠體顆粒，使顆粒也進行著雜亂而沒有規(guī)則的運動，從而獲得了顆 粒彼此碰撞的機會。這種接觸機會與溫度有關，而與液體的流動無關。因而只要保持溫 度和時間的因素相同，熱力運動造成的碰撞也是相同的。 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。然而在絮凝池中， 由于其顆粒一般尚屬細小，沉速不大，可以說差異所產(chǎn)生的碰撞作用在絮凝池中，不占 統(tǒng)治地位可予忽略。 一般認為在絮凝池中，對顆粒碰撞起主導作用的主要是水體的流動，也就是由于水 體流動所產(chǎn)生的能量損耗而造成的。 一般關于水體流動所產(chǎn)生的碰撞公式可表示為： J=2Gd3N2/3 (2.1) 式中：J——單位時間單位體積內(nèi)顆粒接觸的機會。 D——顆粒的有效粒徑；單位 m。 N——單位體積內(nèi)的顆粒數(shù)。 寧夏大學 2007 屆過程裝備與控制工程專業(yè)畢業(yè)設計 9 G——計算范圍內(nèi)的絕對平均速度梯度；單位 S 。1? 平均速度梯度值可用下式計算： G=(W/μ) 0。5 (2.2) 式中：W——單位體積單位時間所消耗的功；單位 KW。 μ——液體的動力粘滯系數(shù)。 一般認為式(1)只適用于層流，而大多數(shù)絮凝池的水源均屬紊流。對于紊流條件 下顆粒的碰撞頻率，Levich 提出了如下公式： J=12πβd 3n3(ε 0/μ) 0。5 (2.3) 式中：β——系數(shù)。 ε 0——有效能量消耗率。單位 KW。 比較式(2.1)與式(2.3） ，除了系數(shù)差別外，主要是式(2.3)所用的功為有效能量， 而式（2.1）則采用計算的能量，兩者相差一個效率系數(shù)。而在實用上有效能量是難以確 定的，仍需用計算的能量來表示。 因此，無論是式(2.1)或式(2.3)，作為單位時間單位體積內(nèi)顆粒碰撞的因素都是顆 粒的粒徑、濃度以及水流的速度梯度。實際上，這里包含了二個方面的內(nèi)容，即以顆粒 的粒徑及濃度為代表的參與絮凝的水質(zhì)條件和以 G為代表的絮凝池水力條件。由于粒徑 和濃度已由真實水樣來模擬，因而只要保持 G值相似，理論上即可得到同樣的顆粒碰撞 條件。 但是應該指出，顆粒的碰撞并不就是顆粒的聚集。對于不同絮凝能力的顆粒，在同 樣碰撞次數(shù)時，應該得到程度不同的聚集。也就是說它們的有效聚集比例是各不相同的。 但是，如采用真實水樣作為絮凝的模擬，則這一因素同樣可在實驗中獲得反映。 另外，在模擬絮凝水力條件時還需考慮一個重要的現(xiàn)象，即絮凝體的破碎，或絮凝 體大小的限制條件。絮凝體所能承受的水流剪力是有限度的。隨著絮凝體的增大，相應 的抗剪能力會減弱。與水流共同運動的絮凝體，受到液體切應力的作用。因此，當液體 的切應力大于絮凝體的抗剪能力時，絮凝體將被破碎。因此在模擬絮凝反應時，除了模 擬顆粒碰撞而產(chǎn)生的聚集外，還需要模擬因液體的切應力而產(chǎn)生的破碎。 眾所周知，液體的切應力可由二部分組成，即粘滯阻力及混摻阻力。對于層流條件， 切應力純由粘滯阻力產(chǎn)生。對于紊流條件，則主要由混摻阻力產(chǎn)生(除邊界層附近外)。 這二種切應力的大小都決定于液體的速度梯度。 在速度梯度 G中，所謂消耗的功，也就是指切應力所做的功。因為只有切應力所做 寧夏大學 2007 屆過程裝備與控制工程專業(yè)畢業(yè)設計 10 的功是不可逆的，也就是由機械能轉(zhuǎn)化為熱能。 丹保憲仁教授在分析絮凝過程中，考慮到水流切應力對絮粒的破碎影響，引入了顆 粒最大成長度 Sm的概念，也就是說 Sm代表在一定的水流條件下，能形成最大粒徑的原 始顆粒數(shù)。丹保教授通過試驗得出，在原水水質(zhì)條件不變時，Sm 是有效能量消耗率 ε 0 (或速度梯度 G)的函數(shù)。 通過對絮凝過程中一些主要現(xiàn)象的分析，包括顆粒的碰撞，因碰撞產(chǎn)生的聚集、絮 凝體尺寸的限制以及水流對絮凝體的剪切，我們得到了可用真實水樣模擬水質(zhì)特征以及 用 G值模擬水流特征這樣兩個關系。 采用 G值來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 實絮凝池的研究縮小到在實驗室內(nèi)進行，也就是只要維持實驗條件的 G值與真實池相同。 其結(jié)果也應相同。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，只要其過程的 G值相同，(當然還應考慮不同絮凝池形式有效能量利用的差別)效 果也應相同。 2.1.2 假設和設想 作為研究的方法可以是微觀的，也可以是宏觀的。大多理論研究都以微粒作為對象。 由于實際的原水是由不同顆粒所組成，不僅粒徑呈一定分布，而且其性質(zhì)也各不相同。 對于水流條件來說，同樣存在一個斷面內(nèi)的速度梯度各不相同?？赡茉谕粫r刻同一斷 面上，既有顆粒的絮凝，又有顆粒的破碎。因此，采用微粒的分析方法，問題要復雜的 多。甚至在很多情況下難以辦到。微觀現(xiàn)象的分析，可以幫助我們對問題的考慮(如前節(jié) 所作的那樣)，但試驗還應以整個懸濁液在絮凝過程中的平均效果作代表。這樣，我們就 不必去分析諸如顆粒大小的組成分布，斷面各點的速度梯度分布以及絮凝顆粒的沉速分 布等等。而分別用平均粒徑、平均速度梯度以及平均沉速來表示。 對于絮凝效果的評價，一般可以采用顆粒粒徑、顆粒沉速以及沉淀后濁度去除率等 來表示。無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。在理論研究方面，一般以粒徑為指標的居多。許多理論公式都與粒徑有 關。對于后續(xù)處理的沉淀計算來說，采用沉速的概念較為有利。因為沉淀池設計希望提 供反應后的沉速數(shù)據(jù)。然而對于測定來說，采用濁度指標最為方便。實際上這三個指標 都是相互關聯(lián)的。沉淀后濁度去除率可以間接地表達懸濁液的平均沉速。 寧夏大學 2007 屆過程裝備與控制工程專業(yè)畢業(yè)設計 11 為了探討方便起見，我們在研究設想方案時，仍以平均沉速作為指標；而作為實驗 的手段，則以沉淀后濁度去除率為指標。 此外，我們還作了一個假設，就是由不同方式獲得相同絮凝效果的懸濁液，在其進 一步作絮凝反應時，應獲得同樣的結(jié)果，例如采用 G1值的速度梯度反應 T1時間后，得 到了懸濁液的平均沉速為 V，而用另一 G2值反應 T2時間后也可得到平均沉速為 V，我們 就認為這二者效果相同，同時，盡管它們形成的條件各不相同，但在進一步絮凝時，二 者應該獲得同等的絮凝條件。 根據(jù)以上對絮凝過程以及基本假設的分析，我們就可以進而討論絮凝池合理設計的 設想方案。 如果把單位體積中顆粒所占的比例用 φ 來表示，即： φ=N(π/6)d 3 (2.4) 則參照式(2.1)及式(2.3)，并假定顆粒的每一次碰撞均產(chǎn)生聚集，那么顆粒濃 度的時間變化率就應為： dN/dt=-K sN (2.5) 式中：K s取決于 G和 φ，即 Ks＝kG φ 。 將式(2.5)積分，可得： N=N 0e-Kst (2.6) 式中：N——絮凝時間為 t時的顆粒總濃度；單位 mol/L。 No——絮凝開始時(t＝0)的顆?？倽舛?；單位 mol/L。 假如絮凝過程中密度保持不變，即 φ 固定，則上式可換算成粒徑的變化關系。 即： d=d 0eb b=(Kst/3) （2.7） 式中：d——時間 t時的顆粒粒徑；單位 m。 do——時間 t＝0 時的顆粒粒徑；單位 m。 也就是說，如果顆粒的每次碰撞均屬有效，則其粒徑的增長(或相應沉速的增長)理 論上應如圖 2-1所示的形式。粒徑(或沉速)隨時間呈指數(shù)關系增加，其增長的速率取決 于 ks值。即 Ks越大增長速率越快，k s與水流的速度梯度及原水顆粒體積比成正比。因此 當 G值增加?；蛘哳w粒濃度增加時，粒徑（或沉速）的增長就迅速。 寧夏大學 2007 屆過程裝備與控制工程專業(yè)畢業(yè)設計 12 圖 2-1 理論曲線圖 圖 2-1所示為理論曲線，然而，根據(jù)一般攪拌試驗的結(jié)果，所得圖形與圖 2-1有很 大出入，大致得到象圖 2-1實線所示的曲線。也就是說，在維持 G值不變情況下，沉速 增長的速率不一定是隨時間增加而加速。在開始時或開始以后較短時間，沉速增長形式 與理論曲線大致相似。但以后其增長率不僅不是逐步增加，相反出現(xiàn)逐步減小，最后趨 向于某一極值 Vmax。我們不妨稱 Vmax為某一 G值時的極限沉速。例如，在作一般反應的 攪拌試驗時，最初 5～10 分鐘效果增長較明顯。然而超過 10分鐘以后其反應效果一般很 少有明顯增加。如果不改變攪拌速度，那么即使攪拌 20分鐘或 30分鐘，其結(jié)果往往不 會有什么變化。 產(chǎn)生理論曲線與試驗曲線不一致的原因，很容易得到介釋。理論曲線假定顆粒的每 一次碰撞都產(chǎn)生聚集，實際上顆粒碰撞時不僅不一定聚集，而且還可能被破碎。圖 2-2 中陰影部分實際上代表了碰撞中的無效和破碎部分。由于 V與絮凝結(jié)果的沉速相比是微 小的，故一般可略而不計。 圖 2-2 試驗曲線圖 但是圖 2-2的試驗曲線是用同一水質(zhì)、同一 G值試驗的結(jié)果。如果改變 G值，情況 就會不同。實際上在進行攪拌試驗時，用肉眼也可發(fā)現(xiàn)。在經(jīng)一定時間攪拌后，停止?jié){ 板的轉(zhuǎn)動，由于水流的慣性，液體仍在旋轉(zhuǎn)。但 G值顯然逐漸減小，此時所看到的絮凝 寧夏大學 2007 屆過程裝備與控制工程專業(yè)畢業(yè)設計 13 體往往明顯地優(yōu)于攪拌時的絮凝體。其原因也較清楚，由于 G值減小，其極限沉速就相 應增大，雖然此時的絮凝時間尚達不到相應的極限沉速，但顆粒還是向加大的方向發(fā)展。 因此，為了探索合理的絮凝水流條件，就應該對不同 G值情況下的絮凝分別進行試 驗。圖 2-3所示為可能獲得的一組試驗結(jié)果。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)應該出現(xiàn) G值越高，增長越快。但實際情況在在有所出入。在 開始階段無凝應該是 G值越高絮凝效果增長越快。因為此時顆粒尚屬細小。碰撞產(chǎn)生的 絮凝作用應是主要的。但是當顆粒增長到某一程度后，顆粒聚集受到一定限制，還將受 到破碎的影響，也就是逐步趨向于某一極限沉速。由于 G值高的，極限沉速小，而 G值 低的，極限沉速大，因而它們的試驗曲線必然相交(如圖 2-2中的 A點及 B點)；也就是 說，當用 C的 G值反應 tA時，與用 b的 G值反應 tA時，將獲得同樣的顆粒沉速。同樣， 對用 c的 G值反應 tB時，與用 a的 G值反應 tB時應具同等效果。然而當絮凝時間超過交 點時，低的 G值將可獲得較快的顆粒沉速增長，高的 G值沉速增長反而減慢，這也就是 絮凝池設計中采用改變流速的原因。由圖 2-3可知，如果不考慮絮凝時間的長短，采用 低的 G值可以獲得較好的絮凝效果。但是這樣的設計顯然也是不合理的。因為絮凝池合 理設計的目的就是要求以最短的時間獲得最好的效果。 圖 2-3 試驗結(jié)果圖 圖 2-3所示的試驗結(jié)果，對進行絮凝池的合理設計很為有用，后面將作進一步討論。 此外，如前所述，絮凝效果不僅與水流條件(G 值)有關，而且也與處理水的性質(zhì)有很 大關系。那么在這樣的試驗中，水質(zhì)的差異能否得到反映，這是需要考慮的。 從絮凝角度考慮的水質(zhì)特征，主要應包括原水的顆粒濃度，顆粒的絮凝能力以及顆 寧夏大學 2007 屆過程裝備與控制工程專業(yè)畢業(yè)設計 14 粒的抗剪強度。 顆粒濃度高，粒間的接觸機會多，因而就具有較迅速增大顆粒的可能。如果單體顆 粒的絮凝能力和抗剪強度都一樣，那么濃度的高低基本上對其極限沉速值不會產(chǎn)生很大 影響。但如果考慮除水流切應力外，顆粒碰撞時尚有其衡量的作用，則可能出現(xiàn)高濃度 的極限沉速略小于低濃度的現(xiàn)象。當然，對于濃度高到某一程度(例如污泥循環(huán)等類型)， 是否尚有其它絮凝作用機理，尚有待進一步探討。因此圖 2-4a所示的二條曲線大致上反 映了其它條件相同時濃度高低的影響。由圖可見。一般情況下，達到同一沉速所需的絮 凝時間隨濃度增加而減少。 圖 2-4 反應曲線圖 顆粒的絮凝能力在絮凝過程中起著重要作用。例如由于混凝劑選擇不當或加注量不 足，均可使顆粒缺乏必要的絮凝能力，此時，即使接觸機會很多，然而其聚集效果卻很 差。對這些絮凝能力差的水質(zhì)，其絮凝進展必然非常緩慢，相應的極限沉速也很低。而 要達到極限沉速所需的時間也很長，實際生產(chǎn)中，往往采用不斷調(diào)整混凝劑加注量的辦 法，來調(diào)節(jié)絮凝效果，其實質(zhì)也就是不斷改變顆粒凝絮能力，以滿足絮凝的要求。圖 2- 4b的曲線代表了絮凝能力的影響。由圖可知，對絮凝能力弱的處理水，其無效碰撞占有 重要比例。 顆粒的抗剪強度取決于原水顆粒性質(zhì)以及絮凝體的組成結(jié)構(gòu)。例如對于主要由色度 組成的原水，由于膠體所帶負電荷較強，聚集顆粒組成的結(jié)構(gòu)就與一般濁度組成的原水 不同。相應的抗剪強度也有所區(qū)別。顆粒抗剪強度的大小直接影響著絮凝顆粒的極限沉 寧夏大學 2007 屆過程裝備與控制工程專業(yè)畢業(yè)設計 15 速，抗剪強度大，允許的極