搅拌器的设计Word格式.docx

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1.6本课题的设计思路5

2絮凝池的设计6

2.1絮凝池的设计探讨6

2.1.1絮凝的相似关系7

2.1.2假设和设想10

2.2絮凝池的设计要求及结果15

3絮凝搅拌机的设计16

3.1设计原始数据16

3.2设计要点16

3.3设计计算数据16

3.4桨叶的设计17

3.4.1桨叶结构尺寸确定17

3.4.2搅拌器转速计算17

3.4.3搅拌功率计算19

4电动机及减速器的选型21

4.1减速器和电动机的选型条件21

4.2电动机与减速器的选择21

4.4搅拌轴的设计及其结果验证23

4.5轴与桨叶、联轴器的连接24

4.5.1连接形式24

4.5.2联轴器与轴的连接24

4.6轴承的选型及轴的最终确定24

5支撑装置设计25

5.1搅拌机的支承部分25

5.1.1机座25

5.1.2轴承装置26

5.2水下支撑座的设计26

5.2.1轴承的选型26

5.2.2支撑套的设计27

6轴的密封28

7结论30

符号说明31

参考文献32

谢辞33

附件34

外文翻译35

1前言

1.1　毕业设计课题的目的、意义、国内外现状

1.1.1毕业设计课题的目的、意义

废水处理中反应搅拌机的目的是借助搅拌器的作用是使废水中的胶体颗粒絮凝形成较大的颗粒，以利沉淀，以满足水处理中水质净化的要求。

本题目主要涉及水处理中絮凝工艺中反应搅拌机的设备设计，主要解决的问题是水处理中该设备的设计，包括：

絮凝搅拌机、电动机及减速器的选型、支撑装置设计、轴的密封设置、絮凝池的设计，并画出相应的设备图。

1.1.2国内外污水处理的现状

我国污水处理事业的历史始于1921年，到改革开放的近二十年来取得了迅速的发展，但仍然滞后于城市发展的需要。

据统计，到2000年底，全国已建设城市污水处理厂427座，其中二级处理厂282座。

这些污水处理厂的建设，极大地提高了城市污水的处理水平，但处理量的增加仍远远滞后于污水排放量的增长，我国的污水处理事业的实际情况是污水处理率低，很多老城区的排水管网甚至不成系统。

城市污水处理能力增长缓慢和污水处理率低是造成我国水环境污染的主要原因，由此导致了水环境的持续恶化，并严重的制约了我国经济与社会的发展。

我国城市污水处理能力增长缓慢的主要原因可以归结为：

污水处理技术落后：

城市污水处理技术是城市污水处理设施能否高效运转的关键，就目前的发展状况来看，在中小城市污水处理方面，尚缺乏适合我国实际国情的污水处理技术和设备。

因此，探索和发展适合我国国情的中小城市（镇）污水处理工艺，掌握一批在中小城市（镇）具有代表性的污染源的治理技术和城市污水处理技术，就势在必行。

在过去的30年中，美国通过建设污水处理厂，成功解决了来自城市和工业方面的点源污染问题，但在达到可以游泳和渔业用水的要求方面，仍然遇到了很多困难。

由于现在的水污染大部分是来自分散的非点源，对于这些非点源污染，控制措施和相关费用都具有很高的不确定性，今后城市在污水处理方面能够或应该做到什么程度，目前正在进行激烈的争论。

合流制污水管网的老城市需要大量投资，来减少在雨季的污水溢流，而迅速发展的新兴城市又临着处理能力不足，导致生活污水管网溢流的问题。

1.2搅拌机在污水处理中的作用

1.2.1搅拌机的发展概述

搅拌机的操作性能直接关系到产品的质量、能耗和生产成本，工程界和学术界对搅拌混合都非常重视，进行了大量的研究工作，取得了不少的研究成果。

搅拌器是化学工程和生物工程中最常见也是最重要的单元设备之一。

目前，搅拌器的选型和内构件的设计在很大程度上依赖试验和经验，对放大规模还缺乏深入的认识，对于能耗和生产成本只能在一定规模的生产装置上对比后才能得出结论，由于对产品的回收率和质量要求越来越高，对搅拌器的研究日趋深入，已从早期对搅拌功率和混合时间的研究，20世纪80年代对反应釜内的流体速度场分布的研究，进入20世纪90年代以来的搅拌釜内三维流场的数值模拟研究。

流场数值模拟必须在深入进行流体力学研究的基础上，综合考虑流体流动的三维性、随机性、非线性和边界条件不确定性。

通过数值模拟不但可以解决反应器的放大机理，而且可以优化设计开发新型高效搅拌器，使机械搅拌器的设计理论更加完善。

1.2.2反应搅拌机的工作原理

对于不同的介质，不同的化学反应过程，要求搅拌装置的结构和搅拌速度不同，根据不同的场合一般分为以下几种情况：

1、液-液互溶系统的场合，一般采用低速搅拌就能足够完成，这种场合常用浆叶式搅拌装置。

2、液-液互不相溶的场合，这种场合则需要强烈的上下翻滚，常用浆叶搅拌器，在釜体内加有一定形状的挡板，或采用推进式搅拌器。

3、反应介质里有少量的固体且不易沉降时可采用比较缓和的搅拌，反之当反应介质或反应过程的生成物中固体较多，且容易沉降时必须采用强烈的上下的翻动的搅拌，这些搅拌均属于固-液相的搅拌系统。

在本人设计的课题中搅拌器中所搅拌的介质是废水，废水处理中反应搅拌机的目的是由电机作为驱动装置，经减速器联轴器带到直桨叶旋转使胶体颗粒絮凝形成较大的颗粒，以利沉淀，以满足水处理中水质净化的要求。

1.3絮凝的工作原理

胶体的脱稳阶段是第一阶段，絮凝是第二阶段，而絮凝指胶体脱稳以后结成大颗粒絮体的阶段。

第一阶段相当于给水处理中加药混合后的极短的一段时间，可能在一秒钟内，而絮凝则主要是在反应设备中完成的。

这是水处理中常用的方法。

其工作原理如图1-1。

絮凝剂

图1-1絮凝沉淀处理流程示意图

1.4水处理中的搅拌设备

水处理中的搅拌设备，分成溶药搅拌，混合搅拌，絮凝搅拌。

澄清池搅拌，消化池搅拌和水下搅拌六种类型。

絮凝搅拌是水处理的重要方法之一或基本单元操作之一，而且往往是必不可少的。

它在生活饮用水、工业用水、工业废水及生活污水的处理中都有广泛的应用，因而学习和研究絮凝科学及其在水处理中的应用具有十分重要的意义。

其中絮凝搅拌机分为：

刚性连接搅拌机和弹性连接搅拌机。

本设计主要讨论的是刚性连接搅拌机。

刚性连接搅拌机由：

电动机，减速器，刚性联轴器，机座。

轴承，搅拌轴，搅拌器。

搅拌设备的工作部分，有搅拌器，搅拌轴和搅拌附件组成。

1.5絮凝搅拌机的适应条件和构造

1.5.1絮凝搅拌机的适应条件

絮凝搅拌机用于给水排水主力中混凝过程中的絮凝阶段。

絮凝搅拌的作用是促使水中的胶体颗粒发生碰撞，吸附并逐渐结成一定大小的帆花，试绝大部分帆花截留在沉淀池内。

搅拌强度和搅拌时间是决定絮凝效果的关键。

絮凝池内搅拌强度（即搅拌速度梯度值G）应递减，各档搅拌器桨叶中心处的线速度依次逐渐减慢，且要有足够的搅拌时间来完成絮凝过程。

絮凝搅拌机可满足絮凝规律的要求，使絮凝过程中各段具有不同的搅拌强度，可以适合水量和水温的变化，优点是水头损坏小，池体结构简单，外加能量组合方便。

絮凝搅拌机设置无级调速后可随水量，原水浊度和投药量的变化而调整搅拌强度，达到满意的絮凝效果，节约药剂的用量。

絮凝搅拌机根据搅拌轴的安装分式分为立式搅拌机和卧失搅拌机两种。

卧式絮凝搅拌机的桨板接近池底旋转，一般絮凝池不存在积泥问题。

1.5.2絮凝搅拌机的构造

立式搅拌机有工作部分（垂直搅拌轴，框式搅拌器），支承部分（轴承装置，机座）和驱动部分（电动机，摆线针轮减速机）组成。

如图1-2。

图1-2立体搅拌机总体结构图

框式搅拌器分直桨叶，斜桨叶和网桨叶三种。

直桨叶是最常用的一种普通桨叶，其结构如图1-3。

图1-3直桨叶框式搅拌器示意图

1.6本课题的设计思路

（1）.絮凝池的结构尺寸的确定；

（2）.搅拌机大小的确定及转速和功率的计算；

（3）.由搅拌机功率来做电机的选型设计；

（4）.由电机的型号尺寸来做联轴器的选型设计；

（5）.由联轴器的型号尺寸来决定轴径以及对所决定的轴径进行计算验证；

（6）.由轴径来做轴承的选型；

（7）.由轴承的尺寸来做机座及支撑座的选型设计。

2絮凝池的设计

2.1絮凝池的设计探讨

当然，为了获得良好的絮凝效果，混凝剂的合理选择是重要的，但是也不能忽视絮凝池设计的重要性。

在生产实践中，不少水厂由于改进了絮凝池的布置，从而提高了出水水质，降低了药耗，或者增加了制水能力。

在混凝沉淀的设计中，也出现了宁可延长一些反应时间以缩短沉淀时间的看法。

这些都说明絮凝反应在净水处理中的重要作用。

近年来，由于高效能沉淀以及过滤装置的出现，使水厂的平面布置（包括构筑物尺寸及占地面积）大为缩小。

相对来说絮凝池所占比例就有所增加。

例如，在原平流式沉淀池中，絮凝只占较小的体积。

然而在斜管沉淀池中，絮凝部分的体积几乎与沉淀部分的体积相仿。

为此，国内不少同志在这方面进行着如何改进絮凝构筑物的研究，并提出了不少设想。

对设计工作者来说，亦迫切要求有一个科学的评价方法，以解决如何合理选择絮凝形式的问题。

絮凝反应是一个很复杂的过程，它不仅受絮凝池水力条件的控制，而且还与原水性质、混凝剂品种和加药量以及混和过程都有密切关系。

从目前国内外的研究情况来看，尚没有一个能定量地反映絮凝过程的完整数学模式，甚至作为定性分析，也还存在不少问题。

这些情况就给具体设计工作者带来很多困难。

严格地说，目前不少絮凝池的设计，仅是水力的验算，并没有对絮凝过程作完整的分析。

因此，往往出现即使原水的絮凝性质很不相同，而其絮凝池的布置却完全相同的情况。

根据规范或设计手册规定的设计数据，进行水力计算，是目前絮凝池设计中应用最广泛的方法。

应该说它在大多数场合下是可行的，但并不一定是最优的，况且，这些规定也只规定一些主要指标，至于具体的布置还需由设计者确定。

例如，一般规定隔板絮凝池的流速由0．6米／秒渐减至0．2米／秒。

至于流速如何递减，以及隔板转折的布置和道数等等，都未作明确规定。

因而尽管所用主要指标完全相同，却可设计成很不相同的布置形式，至于它们的效果差异则更难以鉴别。

为了探讨絮凝池设计的合理方法，福建省净水工艺试验组曾提出了应用“模型絮凝池”的概念。

其基本出发点就是认为：

合理的反应速度应符合流速渐变的原则，即反应速度由大到小呈直线变化，且反应池进口流速应大于或者等于1米／秒。

凡符合这二个条件的所谓“模型絮凝池”则被认为是理想的絮凝池布置。

“模型絮凝池”作为探讨整个絮凝过程变化规律的设想，是有其积极意义的。

但是，要把“模型絮凝池”作为理想的絮凝形式，则尚缺乏足够的依据。

作为问题之一，它脱离了原水性质的考虑。

速度渐变原则应对不同水质条件有不同的要求，而不宜取作常量。

譬如，对于原水颗粒浓度不足以及絮凝体不易破碎的情况，将较高流速区的反应时间增加些，显然是有好处的。

反之，则应增加较低流速区的比例。

另外，隔板絮凝的转折，从“模型絮凝池”的要求考虑，显然是不符合要求的。

但是实际上在絮凝的最初阶段，它往往起到了促进絮凝的效果。

“模型絮凝池”用流速作为比较的相似关系，与絮凝理论所采用的以速度梯度作为相似关系有所区别。

随着絮凝形式的不同，同样的流速，其速度梯度可相差达数倍。

因此关于“模型絮凝池”的设想尚有不少问题需要进一步深入研究。

目前絮凝池设计中一个普遍问题就是没有考虑进入絮凝池的处理水水质。

众所周知，良好的絮凝反应必须具备二个条件，即具有充分絮凝能力的颗粒以及合适的反应水力条件。

实际上，它们就是絮凝过程中的“内因”和“外因”。

水力条件只有适合欲絮凝颗粒的絮凝要求时，才能促进絮凝的进行。

反之则不仅不能促进絮凝的进行，甚至使已经絮凝的颗粒破坏。

因此作为具体的絮凝池设计，就必须考虑到处理水的水质条件。

但是这却是目前絮凝池设计中最薄弱的环节。

2.1.1絮凝的相似关系

所谓合理设计，无非是从许多可供选择的方案中，选定一种最能符合要求的方案。

同样，絮凝池的合理设计，就是要从诸多的絮凝形式，以及不同的指标中，选择一种最能适合具体絮凝条件而又切实可行的形式和指标。

鉴于目前的研究水平，仅用理论的方法还无法解答上述课题，因此还需借助于实验手段。

实验的目的就是可以在较小规模下模拟实际的效果，以便对可供选择的方案加以比较。

和其它许多实验一样，絮凝的实验也需要解决一个模拟的相似问题。

也就是说需要解决怎样在较小规模的试验中，获得与真实絮凝池同样的絮凝结果。

对于絮凝反应来说，需待解决的相似关系主要有二个，即处理水的水质条件和絮凝池的水力条件。

关于水质条件，一般采用真实水样还是容易办到的。

例如选择若干具有代表性处理对象的原水，加注适量混凝剂，并经充分混和，即可供作絮凝的实验。

至于水力条件，则不能依靠实际絮凝池来作试验。

因设计的目的是要对多种方案进行对比，而这在实际絮凝池中是难以完全实现的。

为此，需要寻找合适的水力条件作模拟相似。

对于水力条件，一般可以采用雷诺数或弗鲁特数相似，也可采用其它相似准则。

至于采用何种相似方法则应视研究对象而定。

为此有必要就絮凝过程中水力条件的作用作一分析，以确定相似关系。

絮凝的目的是使细小颗粒彼此聚集。

除了颗粒具有絮凝能力外，还必须创造颗粒彼此接触，或者接近（达到颗粒吸附的作用范围以内）的机会。

否则，若保持颗粒间的相对位置不变，即使颗粒的絮凝性能极为良好，也无法聚集。

可以通过三个途径，使颗粒达到彼此的接触：

水分子的热力运动、颗粒的沉速差异和水体的流动。

所谓热力运动产生的颗粒碰撞，是由于水分子进行的杂乱而没有规则的运动（布朗运动），不断撞击附近的胶体颗粒，使颗粒也进行着杂乱而没有规则的运动，从而获得了颗粒彼此碰撞的机会。

这种接触机会与温度有关，而与液体的流动无关。

因而只要保持温度和时间的因素相同，热力运动造成的碰撞也是相同的。

至于沉速差异产生的颗粒碰撞，往往在沉淀池中有明显的作用。

然而在絮凝池中，由于其颗粒一般尚属细小，沉速不大，可以说差异所产生的碰撞作用在絮凝池中，不占统治地位可予忽略。

一般认为在絮凝池中，对颗粒碰撞起主导作用的主要是水体的流动，也就是由于水体流动所产生的能量损耗而造成的。

一般关于水体流动所产生的碰撞公式可表示为：

J=2Gd3N2/3　　　　　（2.1）

式中：

J——单位时间单位体积内颗粒接触的机会。

D——颗粒的有效粒径；

单位m。

N——单位体积内的颗粒数。

G——计算范围内的绝对平均速度梯度；

单位S

。

平均速度梯度值可用下式计算：

G=（W/μ）0。

5　　　　　　　　　（2.2）

W——单位体积单位时间所消耗的功；

单位KW。

μ——液体的动力粘滞系数。

　　一般认为式

（1）只适用于层流，而大多数絮凝池的水源均属紊流。

对于紊流条件下颗粒的碰撞频率，Levich提出了如下公式：

　　J=12πβd3n3（ε0/μ）0。

5　　　　　（2.3）

β——系数。

ε0——有效能量消耗率。

　　比较式（2.1）与式（2.3），除了系数差别外，主要是式（2.3）所用的功为有效能量，而式（2.1）则采用计算的能量，两者相差一个效率系数。

而在实用上有效能量是难以确定的，仍需用计算的能量来表示。

因此，无论是式（2.1）或式（2.3），作为单位时间单位体积内颗粒碰撞的因素都是颗粒的粒径、浓度以及水流的速度梯度。

实际上，这里包含了二个方面的内容，即以颗粒的粒径及浓度为代表的参与絮凝的水质条件和以G为代表的絮凝池水力条件。

由于粒径和浓度已由真实水样来模拟，因而只要保持G值相似，理论上即可得到同样的颗粒碰撞条件。

但是应该指出，颗粒的碰撞并不就是颗粒的聚集。

对于不同絮凝能力的颗粒，在同样碰撞次数时，应该得到程度不同的聚集。

也就是说它们的有效聚集比例是各不相同的。

但是，如采用真实水样作为絮凝的模拟，则这一因素同样可在实验中获得反映。

另外，在模拟絮凝水力条件时还需考虑一个重要的现象，即絮凝体的破碎，或絮凝体大小的限制条件。

絮凝体所能承受的水流剪力是有限度的。

随着絮凝体的增大，相应的抗剪能力会减弱。

与水流共同运动的絮凝体，受到液体切应力的作用。

因此，当液体的切应力大于絮凝体的抗剪能力时，絮凝体将被破碎。

因此在模拟絮凝反应时，除了模拟颗粒碰撞而产生的聚集外，还需要模拟因液体的切应力而产生的破碎。

众所周知，液体的切应力可由二部分组成，即粘滞阻力及混掺阻力。

对于层流条件，切应力纯由粘滞阻力产生。

对于紊流条件，则主要由混掺阻力产生（除边界层附近外）。

这二种切应力的大小都决定于液体的速度梯度。

在速度梯度G中，所谓消耗的功，也就是指切应力所做的功。

因为只有切应力所做的功是不可逆的，也就是由机械能转化为热能。

丹保宪仁教授在分析絮凝过程中，考虑到水流切应力对絮粒的破碎影响，引入了颗粒最大成长度Sm的概念，也就是说Sm代表在一定的水流条件下，能形成最大粒径的原始颗粒数。

丹保教授通过试验得出，在原水水质条件不变时，Sm是有效能量消耗率ε0（或速度梯度G）的函数。

通过对絮凝过程中一些主要现象的分析，包括颗粒的碰撞，因碰撞产生的聚集、絮凝体尺寸的限制以及水流对絮凝体的剪切，我们得到了可用真实水样模拟水质特征以及用G值模拟水流特征这样两个关系。

采用G值来模拟絮凝池的水流絮凝特征，至少在二方面是有用处的，一是可以把真实絮凝池的研究缩小到在实验室内进行，也就是只要维持实验条件的G值与真实池相同。

其结果也应相同。

另一是可以用作不同絮凝形式的比较，也就是即使絮凝池的水流形态相差甚大，只要其过程的G值相同，（当然还应考虑不同絮凝池形式有效能量利用的差别）效果也应相同。

2.1.2假设和设想

作为研究的方法可以是微观的，也可以是宏观的。

大多理论研究都以微粒作为对象。

由于实际的原水是由不同颗粒所组成，不仅粒径呈一定分布，而且其性质也各不相同。

对于水流条件来说，同样存在一个断面内的速度梯度各不相同。

可能在同一时刻同一断面上，既有颗粒的絮凝，又有颗粒的破碎。

因此，采用微粒的分析方法，问题要复杂的多。

甚至在很多情况下难以办到。

微观现象的分析，可以帮助我们对问题的考虑（如前节所作的那样），但试验还应以整个悬浊液在絮凝过程中的平均效果作代表。

这样，我们就不必去分析诸如颗粒大小的组成分布，断面各点的速度梯度分布以及絮凝颗粒的沉速分布等等。

而分别用平均粒径、平均速度梯度以及平均沉速来表示。

对于絮凝效果的评价，一般可以采用颗粒粒径、颗粒沉速以及沉淀后浊度去除率等来表示。

无论是颗粒粗径的加大，沉速的加快以及沉淀后浊度去除率的增加都能反映絮凝效果的提高。

在理论研究方面，一般以粒径为指标的居多。

许多理论公式都与粒径有关。

对于后续处理的沉淀计算来说，采用沉速的概念较为有利。

因为沉淀池设计希望提供反应后的沉速数据。

然而对于测定来说，采用浊度指标最为方便。

实际上这三个指标都是相互关联的。

沉淀后浊度去除率可以间接地表达悬浊液的平均沉速。

为了探讨方便起见，我们在研究设想