3714 絮凝池及其攪拌機(jī)的設(shè)計,絮凝,及其,攪拌機(jī),設(shè)計 摘要完成絮凝過程的絮凝池(一般常稱反應(yīng)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(xì)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(dāng)?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(shè)計是否確當(dāng)，關(guān)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(jī)是絮凝池機(jī)械攪拌的裝置，它主要用于廢水處理的攪拌過程。本設(shè)計提到了絮凝池的設(shè)計，攪拌機(jī)的設(shè)計以及其工 藝流程。關(guān)鍵詞： 絮凝池 混凝劑 沉淀效果 絮凝性能AbstractAccomplish 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(xué) 2007 屆過程裝備與控制工程專業(yè)畢業(yè)設(shè)計1寧夏大學(xué) 2007 屆過程裝備與控制工程專業(yè)畢業(yè)設(shè)計0目錄1 前 言 ...........................................................................................................................................11.1　 畢業(yè)設(shè)計課題的目的、意義、國內(nèi)外現(xiàn)狀 ...................................................................................................11.1.1 畢業(yè)設(shè)計課題的目的、意義 ....................................................................................................................11.1.2 國內(nèi)外污水處理的現(xiàn)狀 ............................................................................................................................11.2 攪拌機(jī)在污水處理中的作用 ..............................................................................................................................21.2.1 攪拌機(jī)的發(fā)展概述 ....................................................................................................................................21.2.2 反應(yīng)攪拌機(jī)的工作原理 ............................................................................................................................21.3 絮凝的工作原理 ..................................................................................................................................................31.4 水處理中的攪拌設(shè)備 ..........................................................................................................................................31.5 絮凝攪拌機(jī)的適應(yīng)條件和構(gòu)造 ..........................................................................................................................31.5.1 絮凝攪拌機(jī)的適應(yīng)條件 ............................................................................................................................31.5.2 絮凝攪拌機(jī)的構(gòu)造 ....................................................................................................................................41.6 本課題的設(shè)計思路 ..............................................................................................................................................52 絮凝池的設(shè)計 .............................................................................................................................62.1 絮凝池的設(shè)計探討 ..............................................................................................................................................62.1.1 絮凝的相似關(guān)系 ........................................................................................................................................72.1.2 假設(shè)和設(shè)想 ..............................................................................................................................................102.2 絮凝池的設(shè)計要求及結(jié)果 ................................................................................................................................153 絮凝攪拌機(jī)的設(shè)計 ...................................................................................................................163.1 設(shè)計原始數(shù)據(jù) ....................................................................................................................................................163.2 設(shè)計要點(diǎn) ............................................................................................................................................................163.3 設(shè)計計算數(shù)據(jù) ....................................................................................................................................................163.4 槳葉的設(shè)計 ........................................................................................................................................................173.4.1槳葉結(jié)構(gòu)尺寸確定 ...................................................................................................................................173.4.2攪拌器轉(zhuǎn)速計算 .......................................................................................................................................173.4.3攪拌功率計算 ...........................................................................................................................................194 電動機(jī)及減速器的選型 ...........................................................................................................214.1 減速器和電動機(jī)的選型條件 ............................................................................................................................214.2 電動機(jī)與減速器的選擇 ....................................................................................................................................214.4 攪拌軸的設(shè)計及其結(jié)果驗(yàn)證 ............................................................................................................................234.5 軸與槳葉、聯(lián)軸器的連接 ................................................................................................................................244.5.1連接形式 ...................................................................................................................................................244.5.2聯(lián)軸器與軸的連接 ...................................................................................................................................244.6 軸承的選型及軸的最終確定 ............................................................................................................................245 支撐裝置設(shè)計 ...........................................................................................................................255.1 攪拌機(jī)的支承部分 ............................................................................................................................................255.1.1機(jī)座 ...........................................................................................................................................................255.1.2軸承裝置 ...................................................................................................................................................265.2 水下支撐座的設(shè)計 ............................................................................................................................................26寧夏大學(xué) 2007 屆過程裝備與控制工程專業(yè)畢業(yè)設(shè)計15.2.1軸承的選型 ...............................................................................................................................................265.2.2支撐套的設(shè)計 ...........................................................................................................................................276 軸的密封 ...................................................................................................................................287 結(jié) 論 .........................................................................................................................................30符號說明 .......................................................................................................................................31參考文獻(xiàn) .......................................................................................................................................32謝 辭 .............................................................................................................................................33附 件 .............................................................................................................................................34外文翻譯 .......................................................................................................................................35寧夏大學(xué) 2007 屆過程裝備與控制工程專業(yè)畢業(yè)設(shè)計11 前 言1.1　畢業(yè)設(shè)計課題的目的、意義、國內(nèi)外現(xiàn)狀1.1.1 畢業(yè)設(shè)計課題的目的、意義廢水處理中反應(yīng)攪拌機(jī)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(yīng)攪拌機(jī)的設(shè)備設(shè)計，主要解決的問題是水處理中該設(shè)備的設(shè)計，包括：絮凝攪拌機(jī)、電動機(jī)及減速器的選型、支撐裝置設(shè)計、軸的密封設(shè)置、絮凝池的設(shè)計，并畫出相應(yīng)的設(shè)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(shè)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(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，我國的污水處理事業(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)。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(dǎo)致了水環(huán)境的持續(xù)惡化，并嚴(yán)重的制約了我國經(jīng)濟(jì)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(shè)施能否高效運(yùn)轉(zhuǎn)的關(guān)鍵，就目前的發(fā)展?fàn)顩r來看，在中小城市污水處理方面，尚缺乏適合我國實(shí)際國情的污水處理技術(shù)和設(shè)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(shè)污水處理廠，成功解決了來自城市和工業(yè)方面的點(diǎn)源污染問題，但在達(dá)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(diǎn)源，對于這些非點(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)寧夏大學(xué) 2007 屆過程裝備與控制工程專業(yè)畢業(yè)設(shè)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(dǎo)致生活污水管網(wǎng)溢流的問題。1.2 攪拌機(jī)在污水處理中的作用1.2.1 攪拌機(jī)的發(fā)展概述攪拌機(jī)的操作性能直接關(guān)系到產(chǎn)品的質(zhì)量、能耗和生產(chǎn)成本，工程界和學(xué)術(shù)界對攪拌混合都非常重視，進(jìn)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(xué)工程和生物工程中最常見也是最重要的單元設(shè)備之一。目前，攪拌器的選型和內(nèi)構(gòu)件的設(shè)計在很大程度上依賴試驗(yàn)和經(jīng)驗(yàn)，對放大規(guī)模還缺乏深入的認(rèn)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(jì) 80年代對反應(yīng)釜內(nèi)的流體速度場分布的研究，進(jìn)入 20世紀(jì) 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(jìn)行流體力學(xué)研究的基礎(chǔ)上，綜合考慮流體流動的三維性、隨機(jī)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(yīng)器的放大機(jī)理，而且可以優(yōu)化設(shè)計開發(fā)新型高效攪拌器，使機(jī)械攪拌器的設(shè)計理論更加完善。1.2.2 反應(yīng)攪拌機(jī)的工作原理對于不同的介質(zhì)，不同的化學(xué)反應(yīng)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(qiáng)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(jìn)式攪拌器。3、反應(yīng)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(dāng)反應(yīng)介質(zhì)或反應(yīng)過程的生成物中固體較多，且容易沉降時必須采用強(qiáng)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(shè)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(yīng)攪拌機(jī)的目的是由電機(jī)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(xué) 2007 屆過程裝備與控制工程專業(yè)畢業(yè)設(shè)計31.3 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(dāng)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(yīng)設(shè)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(yīng) 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(shè)備水處理中的攪拌設(shè)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(yīng)用，因而學(xué)習(xí)和研究絮凝科學(xué)及其在水處理中的應(yīng)用具有十分重要的意義。其中絮凝攪拌機(jī)分為：剛性連接攪拌機(jī)和彈性連接攪拌機(jī)。本設(shè)計主要討論的是剛性連接攪拌機(jī)。剛性連接攪拌機(jī)由：電動機(jī)，減速器，剛性聯(lián)軸器，機(jī)座。軸承，攪拌軸，攪拌器。攪拌設(shè)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(jī)的適應(yīng)條件和構(gòu)造1.5.1 絮凝攪拌機(jī)的適應(yīng)條件絮凝攪拌機(jī)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(qiáng)度和攪拌時間是決定絮凝效果的關(guān)鍵。 絮凝池內(nèi)攪拌強(qiáng)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(xué) 2007 屆過程裝備與控制工程專業(yè)畢業(yè)設(shè)計4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間來完成絮凝過程。絮凝攪拌機(jī)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(qiáng)度，可以適合水量和水溫的變化，優(yōu)點(diǎn)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(jī)設(shè)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(qiáng)度，達(dá)到滿意的絮凝效果，節(jié)約藥劑的用量。絮凝攪拌機(jī)根據(jù)攪拌軸的安裝分式分為立式攪拌機(jī)和臥失攪拌機(jī)兩種。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題。1.5.2 絮凝攪拌機(jī)的構(gòu)造立式攪拌機(jī)有工作部分(垂直攪拌軸，框式攪拌器)，支承部分(軸承裝置，機(jī)座)和驅(qū)動部分(電動機(jī)，擺線針輪減速機(jī))組成。如圖 1-2。寧夏大學(xué) 2007 屆過程裝備與控制工程專業(yè)畢業(yè)設(shè)計5圖 1-2 立體攪拌機(jī)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(shè)計思路(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)速和功率的計算；(3).由攪拌機(jī)功率來做電機(jī)的選型設(shè)計；(4).由電機(jī)的型號尺寸來做聯(lián)軸器的選型設(shè)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(jìn)行計算驗(yàn)證；(6).由軸徑來做軸承的選型；(7).由軸承的尺寸來做機(jī)座及支撐座的選型設(shè)計。寧夏大學(xué) 2007 屆過程裝備與控制工程專業(yè)畢業(yè)設(shè)計62 絮凝池的設(shè)計2.1 絮凝池的設(shè)計探討完成絮凝過程的絮凝池(一般常稱反應(yīng)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(xì)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(dāng)?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(shè)計是否確當(dāng)，關(guān)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(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)計的重要性。在生產(chǎn)實(shí)踐中，不少水廠由于改進(jìn)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(shè)計中，也出現(xiàn)了寧可延長一些反應(yīng)時間以縮短沉淀時間的看法。這些都說明絮凝反應(yīng)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(jìn)行著如何改進(jìn)絮凝構(gòu)筑物的研究，并提出了不少設(shè)想。對設(shè)計工作者來說，亦迫切要求有一個科學(xué)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(yīng)是一個很復(fù)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(guān)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(xué)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(shè)計工作者帶來很多困難。嚴(yán)格地說，目前不少絮凝池的設(shè)計，僅是水力的驗(yàn)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(shè)計手冊規(guī)定的設(shè)計數(shù)據(jù)，進(jìn)行水力計算，是目前絮凝池設(shè)計中應(yīng)用最廣泛的方法。應(yīng)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(xué) 2007 屆過程裝備與控制工程專業(yè)畢業(yè)設(shè)計7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(biāo)完全相同，卻可設(shè)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(shè)計的合理方法，福建省凈水工藝試驗(yàn)組曾提出了應(yīng)用“模型絮凝池”的概念。其基本出發(fā)點(diǎn)就是認(rèn)為：合理的反應(yīng)速度應(yīng)符合流速漸變的原則，即反應(yīng)速度由大到小呈直線變化，且反應(yīng)池進(jìn)口流速應(yīng)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(rèn)為是理想的絮凝池布置?！澳Ｐ托跄亍弊鳛樘接懻麄€絮凝過程變化規(guī)律的設(shè)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(yīng)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(yīng)時間增加些，顯然是有好處的。反之，則應(yīng)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(shí)際上在絮凝的最初階段，它往往起到了促進(jìn)絮凝的效果。 “模型絮凝池”用流速作為比較的相似關(guān)系，與絮凝理論所采用的以速度梯度作為相似關(guān)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(dá)數(shù)倍。因此關(guān)于“模型絮凝池”的設(shè)想尚有不少問題需要進(jìn)一步深入研究。目前絮凝池設(shè)計中一個普遍問題就是沒有考慮進(jìn)入絮凝池的處理水水質(zhì)。眾所周知，良好的絮凝反應(yīng)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(yīng)水力條件。實(shí)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(jìn)絮凝的進(jìn)行。反之則不僅不能促進(jìn)絮凝的進(jìn)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(shè)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(shè)計中最薄弱的環(huán)節(jié)。2.1.1 絮凝的相似關(guān)系所謂合理設(shè)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(shè)計，就是要從諸多的絮凝形式，以及不同的指標(biāo)中，選擇一種最能適合具體絮凝條件而又切實(shí)可行的形式和指標(biāo)。鑒于目前的研究水平，僅用理論的方寧夏大學(xué) 2007 屆過程裝備與控制工程專業(yè)畢業(yè)設(shè)計8法還無法解答上述課題，因此還需借助于實(shí)驗(yàn)手段。實(shí)驗(yàn)的目的就是可以在較小規(guī)模下模擬實(shí)際的效果，以便對可供選擇的方案加以比較。和其它許多實(shí)驗(yàn)一樣，絮凝的實(shí)驗(yàn)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(yàn)中，獲得與真實(shí)絮凝池同樣的絮凝結(jié)果。對于絮凝反應(yīng)來說，需待解決的相似關(guān)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(guān)于水質(zhì)條件，一般采用真實(shí)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(shí)驗(yàn)。至于水力條件，則不能依靠實(shí)際絮凝池來作試驗(yàn)。因設(shè)計的目的是要對多種方案進(jìn)行對比，而這在實(shí)際絮凝池中是難以完全實(shí)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(zhǔn)則。至于采用何種相似方法則應(yīng)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(guān)系。絮凝的目的是使細(xì)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(dá)到顆粒吸附的作用范圍以內(nèi))的機(jī)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(dá)到彼此的接觸：水分子的熱力運(yùn)動、顆粒的沉速差異和水體的流動。所謂熱力運(yùn)動產(chǎn)生的顆粒碰撞，是由于水分子進(jìn)行的雜亂而沒有規(guī)則的運(yùn)動(布朗運(yùn)動)，不斷撞擊附近的膠體顆粒，使顆粒也進(jìn)行著雜亂而沒有規(guī)則的運(yùn)動，從而獲得了顆粒彼此碰撞的機(jī)會。這種接觸機(jī)會與溫度有關(guān)，而與液體的流動無關(guān)。因而只要保持溫度和時間的因素相同，熱力運(yùn)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(xì)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(rèn)為在絮凝池中，對顆粒碰撞起主導(dǎo)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(guān)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(jī)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(xué) 2007 屆過程裝備與控制工程專業(yè)畢業(yè)設(shè)計9G——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(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。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(shí)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(shí)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(shí)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(yīng)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(yīng)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(shí)水樣作為絮凝的模擬，則這一因素同樣可在實(shí)驗(yàn)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(yīng)的抗剪能力會減弱。與水流共同運(yùn)動的絮凝體，受到液體切應(yīng)力的作用。因此，當(dāng)液體的切應(yīng)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(yīng)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(yīng)力而產(chǎn)生的破碎。眾所周知，液體的切應(yīng)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(yīng)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(yīng)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(yīng)力所做的功。因?yàn)橹挥星袘?yīng)力所做寧夏大學(xué) 2007 屆過程裝備與控制工程專業(yè)畢業(yè)設(shè)計10的功是不可逆的，也就是由機(jī)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(yīng)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(yàn)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(shí)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(guān)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(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。其結(jié)果也應(yīng)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(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。2.1.2 假設(shè)和設(shè)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(shí)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(fù)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(yàn)還應(yīng)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(diǎn)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(biāo)的居多。許多理論公式都與粒徑有關(guān)。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?yàn)槌恋沓卦O(shè)計希望提供反應(yīng)后的沉速數(shù)據(jù)。然而對于測定來說，采用濁度指標(biāo)最為方便。實(shí)際上這三個指標(biāo)都是相互關(guān)聯(lián)的。沉淀后濁度去除率可以間接地表達(dá)懸濁液的平均沉速。寧夏大學(xué) 2007 屆過程裝備與控制工程專業(yè)畢業(yè)設(shè)計11為了探討方便起見，我們在研究設(shè)想方案時，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)。此外，我們還作了一個假設(shè)，就是由不同方式獲得相同絮凝效果的懸濁液，在其進(jìn)一步作絮凝反應(yīng)時，應(yīng)獲得同樣的結(jié)果，例如采用 G1值的速度梯度反應(yīng) 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(yīng) T2時間后也可得到平均沉速為 V，我們就認(rèn)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(jìn)一步絮凝時，二者應(yīng)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(shè)的分析，我們就可以進(jìn)而討論絮凝池合理設(shè)計的設(shè)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(yīng)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?？倽舛?；單位 mol/L。No——絮凝開始時(t＝0)的顆粒總濃度；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(guān)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(yīng)沉速的增長)理論上應(yīng)如圖 2-1所示的形式。粒徑(或沉速)隨時間呈指數(shù)關(guān)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(dāng) 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(xué) 2007 屆過程裝備與控制工程專業(yè)畢業(yè)設(shè)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(yàn)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(shí)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(yīng)的攪拌試驗(yàn)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(yīng)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(yàn)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(shí)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(shí)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(yàn)曲線圖但是圖 2-2的試驗(yàn)曲線是用同一水質(zhì)、同一 G值試驗(yàn)的結(jié)果。如果改變 G值，情況就會不同。實(shí)際上在進(jìn)行攪拌試驗(yàn)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(xué) 2007 屆過程裝備與控制工程專業(yè)畢業(yè)設(shè)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(yīng)增大，雖然此時的絮凝時間尚達(dá)不到相應(yīng)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(yīng)該對不同 G值情況下的絮凝分別進(jìn)行試驗(yàn)。圖 2-3所示為可能獲得的一組試驗(yàn)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(yīng)該出現(xiàn) G值越高，增長越快。但實(shí)際情況在在有所出入。在開始階段無凝應(yīng)該是 G值越高絮凝效果增長越快。因?yàn)榇藭r顆粒尚屬細(xì)小。碰撞產(chǎn)生的絮凝作用應(yīng)是主要的。但是當(dāng)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(yàn)曲線必然相交(如圖 2-2中的 A點(diǎn)及 B點(diǎn))；也就是說，當(dāng)用 C的 G值反應(yīng) tA時，與用 b的 G值反應(yīng) tA時，將獲得同樣的顆粒沉速。同樣，對用 c的 G值反應(yīng) tB時，與用 a的 G值反應(yīng) tB時應(yīng)具同等效果。然而當(dāng)絮凝時間超過交點(diǎn)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(shè)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(shè)計顯然也是不合理的。因?yàn)樾跄睾侠碓O(shè)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(yàn)結(jié)果圖圖 2-3所示的試驗(yàn)結(jié)果，對進(jìn)行絮凝池的合理設(shè)計很為有用，后面將作進(jìn)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(guān)，而且也與處理水的性質(zhì)有很大關(guān)系。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。從絮凝角度考慮的水質(zhì)特征，主要應(yīng)包括原水的顆粒濃度，顆粒的絮凝能力以及顆寧夏大學(xué) 2007 屆過程裝備與控制工程專業(yè)畢業(yè)設(shè)計14粒的抗剪強(qiáng)度。顆粒濃度高，粒間的接觸機(jī)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(qiáng)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(yīng)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(dāng)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(jī)理，尚有待進(jìn)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(dá)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(yīng)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(dāng)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(jī)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(jìn)展必然非常緩慢，相應(yīng)的極限沉速也很低。而要達(dá)到極限沉速所需的時間也很長，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。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(qiáng)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(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。相應(yīng)的抗剪強(qiáng)度也有所區(qū)別。顆?？辜魪?qiáng)度的大小直接影響著絮凝顆粒的極限沉寧夏大學(xué) 2007 屆過程裝備與控制工程專業(yè)畢業(yè)設(shè)計15速，抗剪強(qiáng)度大，允許的極限沉速也大。圖 2-4c曲線代表了抗剪強(qiáng)度的影響。由圖可知，如顆粒的絮凝能力相同，則在其開始反應(yīng)階段，抗剪強(qiáng)度的影響不顯著。只有接近其極限沉速時，將產(chǎn)生明顯的區(qū)別。以上只是根據(jù)某些理論以及概念所作的分析。事實(shí)上水質(zhì)條件還要復(fù)雜得多，除了上述這些影響因素外，還可能存在其它影響絮凝的因素。但是作為絮凝過程的實(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)絮凝池的絮凝過程。2.2絮凝池的設(shè)計要求及結(jié)果通過以上這些分析，我們可以得到這樣的初步概念：(1).用 G值相似可以大體模擬絮凝他的水流條件；(2)