混合和絮凝池设计.docx
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混合和絮凝池设计
混合和絮凝池设计
1.机械搅拌混合池的设计
设计基本要求
浆板式搅拌器的设计参数
搅拌所需功率
例1-1机械搅拌混合池计算
2.机械搅拌絮凝池设计
设计基本要求
设计规定
设计计算
搅拌器转速计算
搅拌器功率计算
例2-1水平轴式浆板搅拌絮凝池计算
例2-2垂直轴式浆板搅拌絮凝池计算
混合和絮凝池设计
存在于水和废水中的胶体物质一般都具有负的表面电荷，胶体的尺寸约在0.01～1.0μm，颗粒间的吸引力大大小于同性电荷的相斥力，在稳定的条件下，由于布朗运动使颗粒处于悬浮状态，为了除去水中的胶体颗粒，在水处理工艺中通常使用投加化学药剂---混凝剂，使胶体颗粒脱稳并形成絮体，这一过程称之为“混凝”；为促使“混凝”过程产生的细而密的絮体颗粒间的接触碰撞凝聚成较大的絮体颗粒，这一过程称之为“絮凝”。
只有当胶体颗粒获得完善的絮凝过程产生稠密的大颗粒絮体之后，才能在后序的沉淀池中藉重力被有效地除去。
絮凝作用有两种形式：
⑴微絮凝和⑵大絮凝。
两种絮凝的基本区别在于涉及的粒子尺寸。
微絮凝的粒子范围为0.001～1.0μm，其颗粒的絮凝是基于布朗运动或随机热运动而完成的；大絮凝系指大于1-2μm粒子的絮凝，则是通过诱发的速度梯度和粒子沉降速度差来完成。
为了强化絮凝过程，可投加絮凝剂，絮凝剂可为天然的或有机合成的聚合物。
由于“混凝”和“絮凝”两个过程所要求的水力条件是不相同的，在设计中常被置于混合池和絮凝池两个不同的单元内去完成。
1.机械搅拌混合池的设计
设计基本要求
对混合池设计的基本要求是使投加的化学混凝剂与水体达到快速而均匀的混合，要在水流造成剧烈紊动的条件下投入混凝剂，一般混合时时间5～30秒，不大于2分钟。
但对于高分子絮凝剂而言，只要达到均匀混合即可，并不苛求快速。
混合池的设计以控制池内水流的平均速度梯度G值为依据，G值一般控制在500～1000秒-1范围，过度的（G值超过1000S-1）和长时间的搅拌，会给后序的絮凝过程带来负面的影响。
机械混合所使用的浆板，多数采用结构简单、制作容易的叶片式浆板混合搅拌器。
图1为浆板式搅拌混合池示图。
图1机械搅拌混合池
混合池通常设计成圆形或方形，水深与池径之比一般为0.8～1.5，干弦为0.3～0.5m。
混合池内应加设挡板，挡板的作用是消除被搅拌液体的整体旋转，将液体的切向流动转变为轴向或径向流动，增大液体的湍动程度，后而加强了混合效果。
挡板一般设为4块，每块宽度B＝（
～
）D（池径）。
若池形为方池，则以当量直径De替代D，当量直径De＝1.13
式中L、W为边长。
浆板式搅拌器的设计参数
叶浆式搅拌器设计参数如表1所示：
表1浆式搅拌器设计参数
项目
符号
单位
推荐参数
搅拌器外缘线速度
ν
m/s
1.0~5.0
搅拌器直径
d
m
（
~
）D
搅拌器距池底高度
E
m
（0.5~1.0）d
搅拌器叶浆数
Z
2,4
搅拌器宽度
b
m
（0.1~0.25）d
搅拌器层数
e
当
≤1.2~1.3时，e＝1；当
＞1.2～1.3时，e＞1
搅拌器层间距离
S0
m
（1.0～1.5）d
安装位置要求
相邻两层叶浆交叉90o安装
搅拌所需功率
为达到混合池内某一速度梯度G所需的搅拌功率可按式⑴计算：
P＝G2·μ·V……⑴
式中：
P---搅拌功率（W）；
G---速度梯度（S-1）；
μ---被搅拌液体的动力粘度（N·S/m2）；
V---混合池有效容积。
V＝Q·t
其中Q---搅拌流量（m3/s），t---停留时间（s）。
根据表1设计参数而设计的搅拌器，其轴功率可按式⑵计算：
（KW）……⑵
式中：
CD---阻力系数，CD≈0.2～0.5；
ρ---液体密度，（kg/m3）;
ω---搅拌器旋转角速度，（rad/s）
其中：
n---搅拌器转速，（r/min）；
Z---搅拌器浆叶数，（片）；
e---搅拌器层数；
b---搅拌器浆叶宽度，（m）；
R---搅拌器半径，（m）；
g---重力加速度，（m/s2）。
设计时要检查根据式⑵计算的结果是否与式⑴的要求相接近，否则应调整浆板直径、浆板外缘线速度以及搅拌器层数，如仍不能使之接近，就应考虑选用另外类型的搅拌器，如推进式搅拌器。
例㈠机械搅拌混合池计算
混合流量Q＝5000m3/d＝0.058m3/s，水温为15℃，试设计混合池及搅拌器尺寸。
解：
取混合时间t＝30″
池内平均速度梯度G＝600s-1
15℃时，水的动力粘度μ＝1.142×10-3（N·s/m2）
混合池体积V＝Q·t＝0.058×30＝1.75m3
为达到设定的G值，所需的搅拌功率根据式⑴
设混合池水深与混合池直径之比为
，H＝1.15D，
V＝0.785D2·H＝0.785D2×1.15D＝0.9D3
H＝1.15×1.25＝1.43m
取搅拌器直径
，取d＝0.9m
浆叶宽度b＝0.2d＝0.2×0.9＝0.18m
叶片数Z＝2，单层设置。
取叶浆外缘线速度v＝3.5m/s。
搅拌器转速
搅拌器旋转角速度
rad/s
搅拌器轴功率：
按式⑵
取CD＝0.5
ρ＝1000kg/m3
（kw）>P＝0.715kw，（可）
此时池内的平均速度梯度G。
（s-1）>600（s-1）
设挡板4块
每块宽度
长度
搅拌器距池底高度E＝0.6d＝0.6×0.9＝0.54m
2.机械搅拌絮凝池设计
设计基本要求
承接于混合池出水的絮凝池，要求其在池内的水流速度由大变小逐渐转换。
在较大的反应速度下使水中的胶体粒子发生较充分的碰撞吸附凝聚，在较小的反应速度下使水中的胶体颗粒结成较大而稠密的絮体（绒体），以便在沉淀池内除去。
为了确保沉淀池的沉淀效果，在絮凝池内结成较大的絮体需要有足够的絮凝时间及相应的水力条件。
一般的絮凝时间为10-30分钟，并控制絮凝速度使其平均速度梯度G值达到10~75s-1（一般控制在30～50s-1），使GT值在104～105范围内以保证絮凝过程的充分和完善。
也有相关的报导称，在废水处理中的典型絮凝过程其停留时间在30～60min，速度梯度为50～100s-1。
絮凝池宜与沉淀池合建，可避免已形成的絮体在水流经过连接管道时被打碎。
如确需分建，则连接管道内的水流速度应小于0.2m/s，并且要避免流速的突然升高或水头跌落。
目前常用的机械搅拌絮凝池有水平轴式和垂直轴式浆板搅拌器两种形式。
设计规定
∙池数应与沉淀池相协调，通常不小于2座；
∙絮凝池内搅拌器排数一般为3-4排（不少于3排），水平式搅拌轴应设于池中水深的1/2处，垂直式搅拌轴应设于池中间；
∙叶轮浆板中心处的线速度，第一排采用0.4～0.6m/s，最后一排采用0.2m/s，各排线速度应逐渐减小；
∙水平轴式叶轮直径应比池深小0.3m，叶轮尽端与池子倒壁间距不应大于0.2m；
∙垂直轴式叶轮上层浆板顶端应设于池子水面下0.3m处，下层浆板底端应设于距池底0.5m处；
∙搅拌叶轮的浆板数目一般为4～6块，浆板长度不大于叶轮直径的75％；
∙每根搅拌轴上浆板总面积宜为水流截面积的10～20％，不宜超过25％。
每块浆板宽度为浆板长的1/10~1/15，一般采用10～30cm；
∙必须注意不要产生水流短流现象，此外，为避免池子水流与浆板同步旋转，垂直轴式搅拌器应在池壁设固定挡板，其做法与混合池设计同；
∙絮凝池深度应按水力高程系统的布置确定，一般为3～4m，立式絮凝池的深度可视具体情况适当加大；
∙为适应水量、水质以及药剂品种的变化，宜采用变速转动装置；
∙置于池内的搅拌装置必须做防腐处理。
设计计算
搅拌器转速计算
常用的有两种计算方法：
a．根据已定的搅拌器线速度计算
设n档搅拌器，第n档搅拌器转速应为：
（r/min）
式中：
vn---第n档搅拌器浆叶中心处的线速度（m/s）
D0---搅拌器浆叶中心处直径（m）
中间几档搅拌器的转速可直接计算：
……⑶
如设三档不同搅拌强度的搅拌机，第二档搅拌器转速为：
（r/min）……⑷
如设四档不同搅拌强度的搅拌机，第二、第三档的搅拌器的转速分别为：
（r/min）……⑸
（r/min）……⑹
b．根据已知速度梯度计算
设n档搅拌器，第n档搅拌器转速，按下式⑺计算：
（r/min）……⑺
式中：
Gn---第n档搅拌速度梯度（s-1）；
μ----液体的动力粘度（N·s/m2）；
V-----絮凝池每格容积（m3）；
C4----拖拽系数，与流体状态和运动物体和流体面积形状有关，紊流状态下，C4＝0.2～2.0，对于正交运动的柱体和薄板C4＝2.0；
Kn＝第n档液体旋转速度与浆叶旋转速度的比值，各档K值自第一档的0.24逐渐变化至末档0.32；
A-----每片浆叶的面积（m2）；
RPn---第n片浆叶中心点的旋转半径（m），（
）。
各档搅拌机浆叶的形式是相同的，如第一档搅拌器的转速为n1，则第n档搅拌器的转速为：
（r/min）……⑻
搅拌功率计算
絮凝搅拌功率计算有两种方法：
a．一般计算法：
（kw）……⑼
式中：
ZR---同一旋转半径上的浆叶数；
ρ---水的密度，γ＝1000kg/m3；
L----浆叶长度，（m）；
R1---搅拌器浆叶外缘的半径，（m）；
R2---搅拌器浆叶内缘的半径，（m）；
g-----重力加速度，（g＝9.81m/s2）；
CD---阻力系数；
ω---搅拌器旋转角速度，（rad/s）
CD值的确定方法一是采用0.2～0.5，二是根据浆叶宽度b与长度L之比确定，见下表2：
表2阻力系数CD值
D/L
小于1
1～2
2.5～4
4.5～10
10.5～18
>18
CD
0.55
0.575
0.595
0.645
0.70
1.00
b．T·R·Camp计算法：
（kw）……⑽
式中：
C4---拖拽系数，取C4＝2；
e---搅拌器层数；
vρn---第n片浆叶中心点线速度，（m/s）;
A---每片浆叶的面积，（m2）；
ρ---搅拌液体的密度，（kg/m3）；
g---重力加速度，g＝9.81m/s2。
（m/s）
设计时考虑到横梁及斜拉杆的拖拽和机械消耗，每档搅拌功率须在式⑽计算值基础上再增加20％。
例2-1水平轴式浆板搅拌絮凝池计算
已知设计流量Q＝60000m3/d＝2500m3/h，采用两座絮凝池，每座设计流量1250m3/h。
解：
⑴絮凝池尺寸：
絮凝时间取20min，则絮凝池有效容积：
根据水力高程布置，水深H取3.6m，并采用三排搅拌器，絮凝池长度：
式中：
Z---搅拌器排数
α---系数，一般采用1.0～1.5
H---絮凝池水深（m）
取α＝1.3
L＝1.3×3×3.6＝14m
池宽
⑵搅拌器尺寸
每排采用三个搅拌器，每个搅拌器长度
l＝（8.3-4×0.2）/3=2.5m
式中：
0.2---为搅拌器之间的净距和距池壁的距离0.2m。
搅拌器外径：
D＝3.6-2×0.15＝3.3m
式中：
0.15---为搅拌器上缘离水面及下缘距池底的距离0.15m。
每个搅拌器上设有4块叶片（如图2所示）；叶片宽度b＝0.18m，每根轴上浆板总面积A＝2.5×0.18×4×3＝5.4m2，占水流截面积8.3×3.6＝29.88m2的18％。
图2水平轴式机械絮凝池计算示意
⑶每个搅拌器旋转时克服水阻力所消耗的功率计算：
设各排叶轮浆板中心点线速度分别取为：
v1＝0.5m/s；v2＝0.35m/s和v3＝0.2m/s。
叶轮浆板中心点旋转直径D0＝3.3-0.18＝3.12m，叶轮转速及角速度分别为：
第一排：
（r/min）；
（rad/s）
第二排：
（r/min）；
（rad/s）
第三排：
（r/min）；
（rad/s）
第一排每个叶轮所消耗功率：
用同样方法求得：
第二排所需功率：
N2＝3×0.042＝0.125kw
第三排所需功率：
N3＝3×0.008＝0.024kw
总功率：
N＝N1＋N2＋N3＝0.336+0.125+0.024＝0.485kw
⑷核算平均速度梯度G值及GT值（按水温20℃计，μ＝1.0×1.0-3N·s/m2）
第一排：
（s-1）
第二排：
（s-1）
第三排：
（s-1）
絮凝池内平均速度梯度：
（s-1）
GT=34×20×60＝4.1×104
经核算，G值与GT值均较合适。
例2-2垂直轴式浆板搅拌絮凝池计算
设计数据
⑴设计流量Q＝6000m3/d=250m3/h；
⑵设三档絮凝搅拌器，絮凝池分为三格；
⑶絮凝时间取t＝20min；
⑷各档搅拌速度梯度G值在20～70s-1之间；
⑸絮凝池内水的平均温度取20℃，动力粘度μ＝1.00×10-3（N·s/m2）。
解：
⑴絮凝池尺寸：
根据水力高程布置取有效水深H＝3.8m，絮凝池分为3格，每格尺寸：
长×宽×深＝2.7×2.7×3.8m，容积27.7m3。
计算示图见图3，
图3垂直轴式浆板絮凝池计算示图
⑵浆叶设计
a．每档设二层浆式搅拌器，每层设4块浆板，二层搅拌器90°交叉安装。
浆叶宽度b＝0.12m，长度L＝1.4m，浆叶总面积∑A＝0.12×1.4×4×2＝1.344m2，占水流截面积2.7×2.7＝7.29m2的18.4％。
取液体旋转速度与浆叶旋转速度的比值K1＝0.24；K3＝0.32，则
b．浆叶旋转半径
外浆叶：
R1＝1.1m，R2=0.98m，
＝1.04m
内浆叶：
R1＝0.55m，R2＝0.43m，
＝0.49m
c．搅拌器转速计算
根据设定的速度梯度计算：
第一档：
G1=70S-1，K1＝0.24
第二档：
G2＝45S-1，K2＝0.28
第三档：
G3＝20S-1，K3＝0.32
d．搅拌功率计算：
按T·R·Camp计算进行计算
第一档：
外浆板：
内浆板：
kw
第二档：
kw
第三档：
kw
参考文献：
1.水质控制物理化学方法
[美]小沃尔特·J韦伯著
上海市政工程设计院译
中国建筑工业出版社
2.废水处理及回用（第四版）
[美]梅特卡夫和埃迪公司
秦裕珩等译
化学工业出版社
3.给水排水设计手册（城市给水）
中国建筑工业出版社
4.给水排水设计手册（专用机械）
中国建筑工业出版社
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