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重 慶 理 工 大 學
畢業(yè)設計（論文）開題報告
題目 水泥攪拌裝置設計
（任務起止日期 2013 年 2 月 25 日～ 2013年 5月 31 日）
機械 學院
機械設計制造及其自動化 專業(yè) 第二專業(yè) 班
學生姓名 謝 兵 學 號 10905020133
指導教師 王黎明 系 主 任
二級學院院長
1、 本課題的研究目的及意義
水泥漿是當今用量較大的建筑材料，廣泛地用于工業(yè)、農業(yè)、交通、國防、水利、市政等基本建設工程中，在國民經濟中占有重要地位。攪拌作為水泥漿生產工藝中關鍵的一道工序，由相應的水泥漿攪拌機來實施完成，目前它已成為各種工程施工中必不可少的施工設備。而大型智能化高效優(yōu)質水泥漿攪拌機既可快速、大量地進行水泥漿的攪拌作業(yè)，又不會對環(huán)境造成影響。水泥漿攪拌機能替代人工進行水泥漿攪拌工作，具有攪拌速度快、攪拌均勻、省工省時的優(yōu)點，解決了人工攪拌水泥漿易結塊和沉淀的難題。本研究既是對現有攪拌機關鍵技術的深入探討，也是進一步的技術提升和創(chuàng)新，對今后水泥漿攪拌機的設計和產品水平的提高都具有一定的實用價值。它的重要意義在于利用高新技術提升水泥漿機械行業(yè)水平和國家重點項目建設施工水平以及推動攪拌機設備性能的全面提高，使其達到國際同行業(yè)的設備水平。
2、 本人對課題任務書提出的任務要求及實現目標的可行性分析
任務要求：查閱水泥攪拌裝置相關文獻并進行收集和整理，完成畢業(yè)設計前期工作；整理相關資料文獻確定水泥攪拌裝置的具體設計方案；進行必要的設計計算和結構設計；運用三維軟件建模，并轉換成工程圖；所設計的水泥攪拌裝置要具備比現有同類產品更良好的性能。
可行性分析：要解決理論問題我們一方面需要借閱相關的書籍，不過這還不夠，還得從網上尋找資源，多與老師進行交流，必要的時候也可以聯系工廠去參觀一下相關的設備。
通過在校期間學習的相關課程，以及在網上和圖書館查閱相關資料，另外在老師的指導下，我相信一定可以完成泥漿攪拌機傳動裝置的設計。
3、 本課題的關鍵問題及解決問題的思路
經過幾周的文獻查閱和資料收集，對于這個課題有了一個初步的認識，知道了要完成的設計任務，根據目前了解的情況，最需要解決的問題是：
（1）參數計算時會遇到困難；
（2）確定設計方案中的最優(yōu)方案時會遇到困難；
（3）繪制裝配圖和零件圖過程中，布局、尺寸標注、標準件的選擇會遇到一定困難。
解決思路：首先帶著所需要解決的問題，有針對性的查閱國內外各種文獻和專利設計，大量獲取了一定的相關的專業(yè)知識和經驗后，針對問題再查閱機械設計手冊等工具書籍，利用相關公式進行計算；
（1）計算主要參數時，通過網絡或其他途徑查找與設計相關的資料；
（2）選擇設計方案時，要考慮它是否合理，最好先多確定幾個方案，然后通過比較，確定最優(yōu)設計方案；
（3）繪制裝配圖及主要零件圖時，對于標準件，多查閱相關書籍；尺寸標注時，要注意不能重復標注。
4、 完成本課題所需的工作條件（如工具書、計算機、實驗、調研等）及解決辦法
1）[1] 孫靖民 梁迎春.機械優(yōu)化設計 第四版[M].北京：機械工業(yè)出版社，2006
[2] 孫桓 陳作模 葛文杰.機械原理 第七版[M].高等教育出版社，2006
[3] 齊民.機械工程材料 第七版[M].大連：大連理工大學出版社，2007
[4] 李華志.數控加工工藝與裝備[M].北京:清華大學出版社,2005.
[5] 彭詩林等.鈑金件結構設計工藝手冊[M]
[6] 魏龍祥.W67K—400/4000型數控板料折彎機簡介[J].上海機床,1997,02期
[7] 哈爾濱工業(yè)大學理論力學教研室.理論力學I 第七版[M].高等教育出版社，2004
[8] 伍時雄.塑料板折彎機成型裝置[P].中國:00267582.X,2001
[9] 劉世全.塑料板折彎機[P].中國:CN 201446703 U,2009
[10] 劉鴻文.材料力學I 第四版[M].高等教育出版社，2004
2）科學計算器，計算機（AutoCAD等）；
3）向專業(yè)工程師請教。
5、工作方案分析及進度計劃
工作方案分析
第一階段：準備階段。大致了解需要收集的資料的來源和相關課題內容的了解；
第二階段：資料收集階段。通過書籍、網站等查找與課題相關的資料；
第三階段：資料分析階段。把收集回來的資料進行整理、歸類分析，及時糾正錯誤；第四階段：編寫工作說明書。資料分析后草擬工作說明書。本課題將采用現有的水泥攪拌裝置結構再設計，從結構優(yōu)化和整合優(yōu)秀方案的方向設計一款能夠實現操作方便、均勻、安全、高效實現水泥攪拌的機器，提高我國建筑工程效率。
第五階段：反饋、修改工作說明書。
進度計劃
1-4周 完成英文文獻翻譯、文獻綜述、任務書以及開題報告
5-7周 水泥攪拌裝置工藝分析，確定總體方案設計
8-9周 總裝配圖設計
10-11周 零件圖設計
12-13周 修改設計圖紙
13-14周 完成課題論文的撰寫、準備答辯
報告人：
年 月 日
指導教師意見
指導教師：
年 月 日
開題報告應根據教師下發(fā)的設計（論文）任務書，在指導教師的指導下由學生獨立撰寫。
重 慶 理 工 大 學
文獻綜述
二級學院
班 級 機械設計制造第二專業(yè)
學生姓名 謝 兵 學 號 10905020133
時 間 2013年3月16日星期六
摘 要
混凝土攪拌機就是把具有一定配合比的砂、石、水泥和水等物料攪拌成均勻的符合質量要求的混凝土的機械。本文主要體現的是小型水泥攪拌機的傳動機構的分析設計過程，設計出符合小型規(guī)模用料需求的水泥攪拌機。
關鍵詞：機構分析、傳動設計、攪拌
Abstract
Concrete mixer is to have a certain mix of sand stone, cement and water into a homogeneous mixing of materials meet the quality requirements of concrete machinery. This paper reflects a small cement mixer drive mechanism analysis and design process, designed to meet the needs of small-scale materials cement mixer Key words：Institutional analysis、Transmission design、Two reducer
1.1背景技術
水泥攪拌機是建筑設備的重要組成部分，由于建筑事業(yè)越來越產業(yè)化，對攪拌機的要求也越來越高，傳統(tǒng)攪拌機效率低，運輸不便，上料出料麻煩，攪拌量過于有限，沒有自動化控制系統(tǒng)，供水量不便于把握等一系列的不足，以及很難滿足當今建筑產業(yè)的發(fā)展，現在的建筑事業(yè)越來越對新型攪拌越來越渴求。隨著科技水平的進步，發(fā)達國家看到了水泥攪拌機落后的現在，正在極力推進攪拌機產業(yè)變革，正極力研究新型攪拌機，比如高效攪拌機、新型立式可升降泥漿攪拌機、移動式自裝料混凝土攪拌機等。
隨著我國攪拌機市場的發(fā)展，攪拌機的技術的研發(fā)和市場狀況成為業(yè)內企業(yè)關注焦點，了解國內外攪拌機技術發(fā)展和市場狀況對于企業(yè)提高市場競爭力十分關鍵。攪拌系統(tǒng)由圓槽形攪拌筒和攪拌軸上安裝了幾組結構相同的葉片，但是前后上下都錯開一定的空間，是拌合料在兩個攪拌筒內不斷地得到攪拌，一方面將攪拌筒底部和中間的拌合料向上翻滾，另一方面又將拌合料沿軸線分別向前推壓，從而使拌合料得到快速而均勻的攪拌。設置在兩只攪拌問底部的卸料由氣缸門操縱。立式卸料門的長度比攪拌筒長度短，80%——90%的混凝土靠其自重卸出，其余部分則靠攪拌葉片強制向外排除，卸料迅速干凈。
2.2傳動機構分析
直立式小型攪拌機是一個組成比較簡單的水泥攪拌機，它主要有以下幾個部分組成：攪拌鍋、腳架、電動機、減速器、皮帶輪、皮帶、聯軸器及攪拌葉片。所以其傳動部分的主要電動機——皮帶輪——帶——皮帶輪——減速器——主軸——攪拌葉片。以這樣的一個傳動過程最終實現攪拌動作，其傳動簡單高效。由于電動機的轉速比較高，功率較大，所以在整個傳動過程中一定得有個減速器，對于減速器我們大家多知道有一級減速器和多級減速器，考慮到我所設計的攪拌機的電動機轉速大概是1440轉每分鐘，最終要達到主軸轉速30來轉左右，所以減速器應該選擇渦輪蝸桿傳動或二級減速器，對于渦輪蝸桿傳動，考慮到對于攪拌機的變速不太適合，所以我選擇二級減速器，二級減速器常見的主要有直齒圓柱齒輪二級減速器、斜齒圓柱齒輪二級減速器。兩者之間的區(qū)別在于斜齒圓柱齒輪的穩(wěn)定性較好，傳動平穩(wěn)，但考慮到對于水泥攪拌機沒那么高的要求，所以我選擇了用直齒圓柱齒輪二級減速器，然后直齒圓柱齒輪二級減速器于主軸之間采用常用的聯軸器鏈接，以下就是水泥攪拌機的機構傳動簡圖;如圖2-4所示。
圖2-4 機構傳動簡圖
攪拌機的分類
混凝土攪拌機是攪拌機中比較普遍的一種，混凝土攪拌機按其工作原理，可以分為自落式和強制式兩大類。
(1)自落式混凝土攪拌機適用于攪拌塑性混凝土。
(2)強制式攪拌機的攪拌作用比自落式攪拌機強烈，宜攪拌干硬性混凝土和輕骨料混凝土
水泥土攪拌機的應用
混凝土攪拌機是把具有一定配合比的沙、石、水泥和水等物料攪拌成均勻的符合質量要求的混凝土的機械。混凝土攪拌機按攪拌原理的不同它可以分為自落式與強制式兩大類。
(1)自落式攪拌機
自落式攪拌機的攪拌筒內壁焊有弧形葉片。當攪拌筒繞水平軸旋轉時，葉片不斷將物料提升到一定高度，然后自由落下，互相摻合。
(2)強制式攪拌機
強制式攪拌機主要是根據剪切機理進行混合料攪拌。攪拌機中有隨攪拌軸轉動的葉片。
設計方案
經過對水泥攪拌機的類型、傳動機構和執(zhí)行機構的分析，最終我擬定了
如下方案：
方案1：電動機——皮帶輪——二級圓柱齒輪減速器——攪拌軸，電動機
首先通過皮帶輪一級減速，再通過減速器經過二級減速將動力以及轉矩傳送到攪拌軸上。
方案2：電動機——二級圓錐齒輪減速器——攪拌軸，使用減速器直接
減速將動力以及轉矩傳送到攪拌軸上。
首先，已知各種傳動的傳動比u，圓錐齒輪傳動單級傳動比u常用2-3；圓柱直齒輪傳動單級傳動比u常用2-5；皮帶輪單級傳動比u常用2-4。然后估算電動機至攪拌軸間的傳動比，初選同步轉速為1000r/min的原動機，攪拌軸轉速為30r/min，則u=1000/30=33.3。
方案1：使用皮帶輪進行一級減速，使用二級圓柱齒輪減速器二級減速，電動機軸與攪拌軸雖然在同一方向上，但電動機不直接連接減速器，同樣可以避免安裝分布范圍過大。同時其傳動比u最大為455=100，大于本次設計所需要的最大傳動比。
方案2中只使用二級圓錐齒輪減速器，第二級使用圓柱齒輪傳動。優(yōu)點在于圓錐齒輪具有換向性，避免了電動機軸與攪拌軸在同一方向上，避免造成安裝分布范圍過大。其傳動比u最大為35=15，遠遠小于33.3。
綜上考慮，選擇方案一是比較合理的，多級減速避免了一次性速度變化過大，而且使用二級減速器照樣可以達到電動機、主軸和減速器在同一方向上，只要到時候電動機豎直放置即可。所以攪拌機的整體結構可以定型為如圖2-8。
圖2-8 攪拌機整體結構
葉片設計
傳統(tǒng)的立式水泥攪拌機是由三個平板狀，通過三個不同尺寸的軸聯接在一起，實現攪拌。但是由于從葉片強度、攪拌均勻等方面有些不如人意。改變攪拌葉片傳統(tǒng)的形狀，設計成一個楔形。并將葉片尺寸設計稍厚，從而達到減少攪拌阻力，提高攪拌強度的效果。并將葉片通過螺釘連接，實現可換，達到節(jié)約材料效果。
立式混凝土攪拌機查閱孫洪棟專利，專利號03213938.1。圖紙見圖2-9。
本實用新型涉及一種用于攪拌混凝土的立式混 凝土攪拌機。其特征是在支架上設有中部帶有軸承座的側部與支架的支承腿平行的轉動托架，在轉動托架的軸承座內通過軸桿插座有攪拌罐，在攪拌罐的外周壁設有與傳動齒輪嚙合的齒閣，在支架一側的支承腿的外側設有布有手柄卡口的角度盤及通過軸桿設在轉動托架軸桿上的手柄。
1、 一種立式混凝土攪拌機，包括有支架[16]、攪拌罐[4]、電機[11]、 皮帶輪刀、傳動齒輪[6]，其特征在于在支架[16]上設有中部帶有軸承座[15]的側部與支架[16]的支承腿平行的轉動托架列，在轉動托架[9] 的軸承座[15]內通過軸桿插座有攪拌罐[4]、在攪拌罐[4]的外周壁設有與傳動齒輪[6]嚙合的齒圈[5]，在支架[16]一側的支承腿的外側設有布有手柄卡口的角度盤[2]及通過軸桿設在轉動托架軸桿上的手柄[1]。
本實用新型涉及一種用于攪拌混凝土的立式混凝土攪拌機。據了解，目前用于攪拌混凝土的攪拌機普遍是帶有上料斗的臥式 攪拌機，雖然其給攪拌混凝土帶來了很多好處，存在有結構復雜， 需2次上料及混凝土排放不凈和不便清洗攪拌罐等不足之處。
本實用新型旨在提供一種，設計合理、結構簡單；操作方便靈活、不受場地限制、排料徹底、便于清洗攪拌罐、直接投料的立式混凝土 攪拌機。本實用新型的技術解決方案是，為了實現上述目的，在支架上設 有中部帶有軸承座的側部與支架的支承腿平行的轉動托架，在轉動托 架的軸承座內通過軸桿插座有攪拌罐，在攪拌罐的外周壁設有與傳動齒輪嚙合的齒輪，在支架一側的支承腿的外側設有布有手柄卡口的角度盤及通過軸桿設在轉動托架軸桿上的手柄。
2、 本實用性與背景技術比較，由于攪拌罐是立式可翻轉的，因此, 其不但簡化了結構，而且具有操作方便靈活、不受場地限制、排料徹 底、便于清洗攪拌罐和直接投料等優(yōu)點。 圖1是本實用新型的結構示意圖。 下面結合附圖詳細描述本實用新型的一個具體實施例。 參見圖1，支架16是由槽鋼焊接而成的2個支承腿的支架。在支架16的一側的支承腿的下部焊有一根軸桿，在支承腿和軸桿上焊有對稱的斜拉桿13。在軸桿的兩端分別安裝有腳輪14。在支架16另一 側的支承腿的下部插有通過頂絲17固定的支座18。在安裝有腳輪14 的支承腿的外側焊有電機支架12。在電機支架12上接裝有電機II 和護殼8。在電機11的傳動軸上安裝有皮帶輪7。在支架16的兩個支承腿的上部拜有同心的軸孔，在軸孔內安裝有軸承。在軸承孔內穿有一端安裝有皮帶7，另一端安裝有傳動齒輪6，中部穿在轉動 托架9軸承孔內的軸桿。在另一軸承孔內穿有一端通過銷釘固定在轉動托架9插口內的軸桿及通過軸桿安裝在該軸桿外端上的手柄1。在位于手柄1處的支架16的支承腿的外側焊有布有手柄卡口的角度盤2。轉動托架9是呈I；型的中部帶有軸承座15的轉動托架。在轉動托架9的軸承座15內通過軸桿插座有攪拌罐4。在攪拌罐4的內壁焊有攪拌翅3。在攪拌罐4的外周壁焊有與傳動齒輪6嚙合的齒圈5。 在兩個皮帶輪7上套有皮帶10。
3、 操作時；將沙、石、水泥和水倒入攪拌罐內，并啟動電機，通過傳動齒輪和齒圈使攪拌罐旋轉進行攪拌，同時根據攪拌罐內所裝物料的多少和攪拌情況將手柄推入角度盤的不同角度的手柄卡口內進 行調節(jié)攪拌罐的攪拌角度。當需排料時，扳動手柄使轉動托架轉動， 轉動至攪拌罐內的混凝土處于被排放的位置，當攪拌罐內的混凝土被 排完后，將手柄放回到使攪拌罐處于所需要的投料角度，然后再進行 下一次攪拌工作。其攪拌罐的翻轉角度為360。。當需停止工作時，將電機電源切斷。
結論
由于攪拌機的飛速的發(fā)展，現在它已成為跨學科的、有眾多應用領域的傳統(tǒng)學科。據聯合國歐洲經濟委員會和國際攪拌技術聯合會的統(tǒng)計。攪拌機在世界工業(yè)中占據很重要的地位，并以強勁的增長速度加快世界工業(yè)化的自動化程。隨著工業(yè)自動化程度的提高，攪拌機將在更多的領域發(fā)揮更大的作用。通過對立式水泥攪拌裝置的設計，提高了小型建筑的攪拌效率，節(jié)約了小型建筑的工作時間，降低了它的勞動強度，提高了水泥攪拌機的工作壽命。
參考文獻
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重 慶 理 工 大 學
文 獻 翻 譯
二級學院 機械學院
班 級 機械設計制造及其自動化第二專業(yè)
學生姓名 謝 兵 學 號 10905020133
時 間 2013年3月16日
譯 文 要 求
1、譯文內容必須與課題（或專業(yè)）內容相關，并需注明詳細出處。
2、外文翻譯譯文不少于2000字；外文參考資料閱讀量至少3篇（相當于10萬外文字符以上）。
3、譯文原文（或復印件）應附在譯文后備查。
譯 文 評 閱
導師評語（應根據學?！白g文要求”，對學生外文翻譯的準確性、翻譯數量以及譯文的文字表述情況等作具體的評價）
指導教師：
年 月 日
設計程序的混凝和絮凝
對混凝攪拌罐的設計，設計師應首先知道快速混合用于凝血和緩慢攪拌絮凝?；旌?
利用機械設備經常進行。圖1顯示了典型的混合葉輪。
有機械混合，可以發(fā)現在標準的典型設計標準在水/廢水處理教材。表1的數據，2是從metcaff與渦流污水工程和其他來源。
凝聚和絮凝攪拌罐設計的步驟是什么？“常用的設計方法的基礎上的速度梯度（G）的概念?；谠O計者的經驗，他選擇的混合時間（t），G值，和一個混合葉輪。基于所選噸，G，和葉輪，設計師使用他的工程知識計算設計參數如下：
·混合罐的體積和尺寸
·理論的電力需求
·葉輪的直徑和轉速
表3示出了選擇的設計參數和作者計算出的數據。
設計流程總結如下：
假設設計案例
我現在就用一個假設的例子來說明如何設計攪拌罐凝固和絮凝。南通項目的基礎上，我們有假設的情況下，流程配置：快速混合凝固后3個階段的慢組合進行絮凝。
設計流量：Q= 5000立方米
溫度：15°C（冬季），35°C（夏季）
1． 快速混合罐凝血設計
從表1中，推薦的混合時間為20 - 60秒。我們選擇最大的混合
·計算容積：
·計算快速混合罐尺寸：
選擇一個方形的槽的深度與寬度之比為1.5。
快速混合罐的尺寸是：
寬度=1.33米;長度=1.33米;深度= 2米
·計算電源要求：
速度梯度的概念中使用的設計和操作的坦克機械攪拌裝置：
其中，G =平均速度梯度（S-1）
P=功耗（W）
μ=動態(tài)粘度（NSM-2）
V=罐容積（m3）。
重新排列上述方程，我們得到：
μ=15°時 C=1.14×10-3 NSM-2，
μ=35°時 C=0.76×10-3 NSM-2。
我們選擇μ在15°C，以確保在冬季提供充足的電力。
從表1，推薦G是500 - 2,500 S-1。我們選擇G值為1000 S-1。
P = mVG2 = (1.14 x 10-3 )(3.5)(1,000)2 = 4,000 W = 4 kW
假設齒輪箱的效率為90％，功率要求變得
·計算葉輪的直徑和轉速
我們選擇45°尖銳的刀片有4個葉片的渦輪。從表1中，推薦的比例葉輪直徑（D），以等效的罐直徑為0.25 - 0.4。我們選擇0.3。
葉輪的旋轉速度（n）可以從以下估計數學關系：
上面的方程適用于，如果雷諾數是在湍流的范圍內（NR>10000）。的功率數Np是由于在圖1和水密度r在15（℃）=999kgm3。
·檢查雷諾數：
·檢查葉輪葉尖速度：
·檢查營數：
凝固用快速混合罐的設計是完整的。選定的設計參數和計算，如在表3中示出在表4中被再現。
表4中設計參數，并計算混凝池。
2． 緩慢混合罐設計第1進行絮凝
從表2中，推薦的混合時間是20 - 60分鐘。我們選擇了一個總的混合時間30分鐘。因為我們有3絮凝池，每個罐將有10分鐘的混合時間。
·計算容積：
·絮凝池的尺寸計算：
選擇一個方形水箱與寬度比1.13width深度。
絮凝池的尺寸是：寬度= 3.14米，長度= 3.14米，深度=3.5
·計算功率要求
從表2中，推薦使用的G是20 - 80 s-1的。我們選擇G值為80 s-1的。
假設變速箱的效率為90％，功率要求變?yōu)椋?
·計算葉輪的直徑和轉速：
我們選擇45°尖銳的刀片有4個葉片的渦輪。從表2中，推薦的比例
葉輪直徑（D），以等效的罐直徑為0.35 - 0.45。我們選擇0.3，稍
的最低值以下。
·檢查雷諾數：
·檢查葉輪葉尖速度：
·檢查營數：
3． 緩慢混合罐設計第2進行絮凝
從表2中，推薦的混合時間是20 - 60分鐘。我們選擇了一個總的混合時間
30分鐘。因為我們有3絮凝池，每個罐將有10分鐘的混合時間。
·計算容積：
·絮凝池的尺寸計算：
選擇一個方形水箱與寬度比1.13width深度。
絮凝池的尺寸是：
寬度= 3.14米，長度= 3.14米，深度=3.55米
·計算電源要求：
從表2中，推薦使用的G是20 - 80 s-1的。我們選擇G值為60 s-1的。
假設變速箱的效率為90％，功率要求變?yōu)椋?
·計算葉輪的直徑和轉速：
我們選擇45°尖銳的刀片有4個葉片的渦輪。從表2中，推薦的比例
葉輪直徑（D），以等效的罐直徑為0.35 - 0.45。我們選擇0.3，稍
的最低值以下。
·檢查雷諾數：
·檢查葉輪葉尖速度：
·檢查營數：
4． 緩慢混合罐設計第3進行絮凝
從表2中，推薦的混合時間是20 - 60分鐘。我們選擇了一個總的混合時間30分鐘。因為我們有3絮凝池，每個罐將有10分鐘的混合時間。
·計算容積：
·絮凝池的尺寸計算：
選擇一個方形水箱與寬度比1.13width深度。
絮凝池的尺寸是：寬度= 3.14米，長度= 3.14米，深度=3.55米
·計算電源要求：
從表2中，推薦使用的G是20 - 80 s-1的。我們選擇G值為40 s-1的。
假設變速箱的效率為90％，功率要求變?yōu)椋?
·計算葉輪的直徑和轉速：
我們選擇45°尖銳的刀片有4個葉片的渦輪。從表2中，推薦的比例葉輪直徑（D），以等效的罐直徑為0.35 - 0.45。我們選擇0.3，稍的最低值以下。
·檢查雷諾數：
·檢查葉輪葉尖速度：
·檢查營數：
進行絮凝3慢速混合罐的設計是完整的。選定的設計參數如在表3中示出計算出的被再現于表5-7中
表5中。設計參數選擇和絮凝池＃1計算。
表6中。設計參數選擇和計算絮凝池＃2。
表7中。選擇的設計參數，和為絮凝池＃3計算。
至于我可以告訴葉強和天津的設計，設計過程通過研究所沒有考慮速度梯度的概念。在本次會議在新加坡檢討南通設計，我問葉七盎的設計是否凝血和絮凝池G值的概念的基礎上。葉強證實他知道的速度梯度的概念。但最近，葉強說，有沒有文檔/計算，以證明該設計確實是基于速度梯度。
天津設計院提供的信息是基于葉強的個人經驗。葉強轉交了一份由設計院完成的計算，對我來說，看到附加的文檔。但沒有提到在文檔中，它的速度梯度的設計過程似乎是反向的上述設計過程。葉輪直徑和轉速是任意選定的。這些選定的值，然后用于計算功率要求，參見下圖。這是顯而易見的，該程序是正好相反的是什么通常使用的設計師的凝聚和絮凝流程。
通過葉強和天津設計院設計過程在概念上不正確的。不過，這并不意味著擬建的規(guī)?；炷托跄趯嵺`過程將失敗。的原因是，已經廣泛的速度梯度在文獻中提出了混凝，絮凝設計。因此，安全邊際巨大的。不過，葉嶈作為一個過程的設計人員應該學習的正確方法廢水處理工藝設計。設計程序和適當的文件計算是必須的。
我決定用一個假設的例子來說明凝固在設計所涉及的步驟絮凝過程的一個原因。我想葉期骯遵循給定的設計實例上述重新計算凝聚和絮凝的設計參數為南通項目并檢查設計參數是否導致速度梯度值的范圍內可接受的范圍內。
Design Procedure for Coagulation and Flocculation
To design mixing tanks for coagulation and flocculation, the first thing the designer should know is that rapid mixing is used for coagulation and slow mixing for flocculation. Mixing is often carried out by using mechanical devices. Figure 1 shows typical mixing impellers and their power numbers.
There are typical design criteria for mechanical mixing that can be found in standard text books on water/wastewater treatment. The data in Tables 1 and 2 are taken from Metcaff& Eddy Wastewater Engineering and other sources.
What are the steps involved in designing mixing tanks for coagulation and flocculation? The commonly used design approach is based on the concept of velocity gradient (G). Based on the designer’s experience, he selects a mixing time (t), a G value, and a mixing impeller. Based on the selected t, G, and impeller, the designer uses his engineering knowledge to calculate the following design parameters:
· Mixing tank volume and dimensions
· Theoretical power requirement
· Impeller diameter and rotational speed
Table 3 shows the design parameters selected and the design parameters calculated by thedesigner.
Table3. Design parameters selected and calculated by the designer.
Hypothetical Design Case
I will now use a hypothetical case to illustrate how to design mixing tanks for coagulation and flocculation. The hypothetical case is based on the Nantong project where we have the following process configuration: a rapid mix for coagulation followed by 3 stages of slow mix for flocculation.
Design flow rate: Q = 5,000 m3/day
Temperature: 15 °C (winter), 35 °C (summer)
1. Design of a rapid mix tank for coagulation
From Table 1, recommended mixing time is 20 – 60 s. We select the maximum mixing time of 60 s.
· Calculate tank volume:
· Calculate dimensions of rapid mix tank:
Select a square tank with a depth to width ratio of 1.5.
Dimensions of rapid mix tank are:
Width = 1.33 m; Length = 1.33 m; Depth = 2 m
· Calculate power requirement:
The concept of velocity gradient is used in the design and operation of tanks with mechanical mixing devices:
where G = average velocity gradient (s-1), P = power requirement (W), μ = dynamic viscosity (Nsm-2), and V = tank volume (m3). Rearranging the above equation we get:
μ at 15 °C = 1.14 x 10-3 Nsm-2, μ at 35 °C = 0.76 x 10-3 Nsm-2. We select μ at 15 °C to ensure adequate power is provided during winter.
From Table 1, recommended G is 500 – 2,500 s-1. We select a G value of 1,000 s-1.
Assuming the gearbox efficiency is 90%, the power requirement becomes:
· Calculate impeller diameter and rotational speed:
We select 45° pitched-blade turbine with 4 blades. From Table 1, the recommended ratio of impeller diameter (D) to equivalent tank diameter is 0.25 – 0.4. We select 0.3.
The rotational speed of the impeller (n) can be estimated from the following
Mathematical relationship:
The above equation applies if the Reynolds number is in the turbulent range (NR > 10,000). The power number Np is given in Figure 1 and water density r at 15 °C = 999 kgm3.
· Check Reynolds number:
· Check impeller tip speed:
· Check Camp number:
The design of a rapid mix tank for coagulation is complete. The design parameters selected and calculated as shown in Table 3 are reproduced in Table 4.
2. Design of slow mix tank #1 for flocculation
From Table 2, recommended mixing time is 20 – 60 min. We select a total mixing time of 30 min. Since we have 3 flocculation tanks, each tank will have a mixing time of 10 min.
· Calculate tank volume:
· Calculate dimensions of flocculation tank:
Select a square tank with a depth to width ratio of 1.13width.
Dimensions of flocculation tank are:
Width = 3.14 m; Length = 3.14 m; Depth = 3.55 m
· Calculate power requirement:
From Table 2, recommended G is 20 – 80 s-1. We select a G value of 80 s-1.
Assuming the gearbox efficiency is 90%, the power requirement becomes
· Calculate impeller diameter and rotational speed
We select 45° pitched-blade turbine with 4 blades. From Table 2, the recommended ratio of impeller diameter (D) to equivalent tank diameter is 0.35 – 0.45. We select 0.3, slightly below the minimum value.
· Check Reynolds number:
· Check impeller tip speed:
· Check Camp number:
3. Design of slow mix tank #2 for flocculation
From Table 2, recommended mixing time is 20 – 60 min. We select a total mixing time of 30 min. Since we have 3 flocculation tanks, each tank will have a mixing time of 10 min.
· Calculate tank volume:
· Calculate dimensions of flocculation tank:
Select a square tank with a depth to width ratio of 1.13width.
Dimensions of flocculation tank are:
Width = 3.14 m; Length = 3.14 m; Depth = 3.55 m
· Calculate power requirement:
From Table 2, recommended G is 20 – 80 s-1. We select a G value of 60 s-1.
P = mVG2 = (1.14 x 10-3 )(35)(60)2 = 144 W = 0.14 kW
Assuming the gearbox efficiency is 90%, the power requirement becomes:
· Calculate impeller diameter and rotational speed:
We select 45° pitched-blade turbine with 4 blades. From Table 2, the recommended ratio of impeller diameter (D) to equivalent tank diameter is 0.35 – 0.45. We select 0.3, slightly below the minimum value.
· Check Reynolds number:
· Check impeller tip speed:
· Check Camp number:
4. Design of slow mix tank #3 for flocculation
From Table 2, recommended mixing time is 20 – 60 min. We select a total mixing time of 30 min. Since we have 3 flocculation tanks, each tank will have a mixing time of 10 min.
· Calculate tank volume:
· Calculate dimensions of flocculation tank:
Select a square tank with a depth to width ratio of 1.13width.
Dimensions of flocculation tank are:
Width = 3.14 m; Length = 3.14 m; Depth = 3.55 m
· Calculate power requirement:
P = mVG2
From Table 2, recommended G is 20 – 80 s-1. We select a G value of 40 s-1.
P = mVG2 = (1.14 x 10-3)(35)(40)2 = 64W = 0.064 kW
Assuming the gearbox efficiency is 90%, the power requirement becomes:
· Calculate impeller diameter and rotational speed:
We select 45° pitched-blade turbine with 4 blades. From Table 2, the recommended ratio of impeller diameter (D) to equivalent tank diameter is 0.35 – 0.45. We select 0.3, slightly below the minimum value.
· Check Reynolds number:
· Check impeller tip speed:
TS =pnD =p (0.32)(1.06) = 1.1 ms-1 1.8 < TS < 2.4 ms-1 (Table 2), Not OK
· Check Camp number:
Gt = (40)(600) = 24,000 20,000 < Gt < 200,000 (Table 2), OK
The design of 3 slow mix tanks for flocculation is complete. The design parameters selected and calculated as shown in Table 3 are reproduced in Tables 5-7.
Table 5. Design parameters selected and calculated for flocculation tank #1.
As far as I can tell, the design procedure adopted by Ye Qiang and the Tianjin Design Institute did not consider the concept of velocity gradient. During our meeting in Singapore to review the Nantong design, I asked Ye Qiang whether the design of coagulation and flocculation tanks was based on the concept of G value. Ye Qiang confirmed that he was aware of the velocity gradient concept. But recently, Ye Qiang stated that there is no documentation/calculation to demonstrate that the design is indeed based on velocity gradient.
The information supplied to the Tianjin Design Institute was based on Ye Qiang’s personal experience. Ye Qiang forwarded a copy of calculations done by the Design Institute to me, see document attached. There is no mention of velocity gradient in the document and it seems that the design procedure is the reverse of the above design procedure. The impeller diameter and rotational speed are arbitrarily selected. These selected values are then used to calculate the power requirement, see diagram below. It is obvious that the procedure is the exact opposite of what is normally used by designers of coagulation and flocculation
processes.
The design procedure adopted by Ye Qiang and the Tianjin Design Institute is conceptually incorrect. But it does not mean that the proposed full-scale coagulation and flocculation processes will fail in practice. The reason is that a wide range of velocity gradient has been proposed for coagulation and flocculation design in the literature. So the safety margin is huge. Nevertheless, Ye Qiang as a process designer should learn the proper way of designing wastewater treatment processes. Proper documentation of design procedure and calculation is a must.
I decided to use a hypothetical case to illustrate the steps involved in designing coagulation and flocculation processes for a reason. I want Ye Qiang to follow the design example given above to re-calculate coagulation and flocculation design parameters for the Nantong project and to check whether the design parameters lead to velocity gradient values that fall within the acceptable range.