機(jī)械攪拌通風(fēng)發(fā)酵罐結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)技術(shù)探討

辛 田*

（中國(guó)醫(yī)藥集團(tuán)聯(lián)合工程有限公司上海分公司）

0 前言

生物發(fā)酵工藝廣泛應(yīng)用于食品、醫(yī)藥、化工等領(lǐng)域。發(fā)酵生產(chǎn)線(xiàn)包括配料系統(tǒng)，培養(yǎng)基連消系統(tǒng)（如果采用實(shí)消工藝，則不包括此系統(tǒng)）、連消系統(tǒng)物料分配站、種子培養(yǎng)系統(tǒng)、發(fā)酵系統(tǒng)、提取精制系統(tǒng)、干燥包裝系統(tǒng)、在線(xiàn)清洗系統(tǒng)、公用工程系統(tǒng)（公用工程系統(tǒng)包括蒸汽系統(tǒng)、熱水系統(tǒng)、壓縮空氣系統(tǒng)、冷卻水系統(tǒng)、冷凍水系統(tǒng)、純水系統(tǒng)等）；其中，發(fā)酵罐是整個(gè)發(fā)酵系統(tǒng)的核心設(shè)備，發(fā)酵罐結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)將會(huì)影響整個(gè)系統(tǒng)的運(yùn)行。發(fā)酵罐的供貨范圍一般包括：支座、設(shè)備本體、支撐件、擋板及設(shè)備內(nèi)外所有焊接構(gòu)件、攪拌槳、機(jī)封、電機(jī)減速機(jī)等。本文討論了制藥工業(yè)中50 m3發(fā)酵罐結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)遇到的問(wèn)題，主要闡述了發(fā)酵罐的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，包括攪拌器、內(nèi)部換熱盤(pán)管、外半管夾套、壓縮空氣分布器等內(nèi)容。

1 發(fā)酵罐整體介紹

該50 m3發(fā)酵罐用于發(fā)酵液的培養(yǎng)工序。發(fā)酵液pH 為5 ～14，黏度為0.5 ～1.5 Pa·s，選用S30408不銹鋼作為50 m3發(fā)酵罐筒體材質(zhì)，滿(mǎn)足ASME BPE（2019 版）標(biāo)準(zhǔn)對(duì)發(fā)酵罐材質(zhì)的要求。通常來(lái)講，發(fā)酵罐的高徑比取值范圍為1.7～3.5；罐體越高，則發(fā)酵罐對(duì)氧氣的利用率也越高；但是罐體越高，發(fā)酵罐中液柱高度也就越高，這就對(duì)壓縮空氣系統(tǒng)提出了更高的要求。綜合考慮，該50 m3發(fā)酵罐的高徑比取2.3，為“瘦長(zhǎng)型”發(fā)酵罐，如圖1 所示。該類(lèi)型發(fā)酵罐既能提高氧氣的利用率，又不會(huì)給壓縮空氣系統(tǒng)造成過(guò)大的阻力，罐體穩(wěn)定性較好。

圖1 發(fā)酵罐總圖

發(fā)酵罐設(shè)備制造過(guò)程中，嚴(yán)禁用劃針或其他利器在板材上劃線(xiàn)放樣。罐體水壓試驗(yàn)時(shí)應(yīng)控制水中氯離子質(zhì)量含量不超過(guò)25 mg/L，檢驗(yàn)合格后應(yīng)將水漬清除干凈。所有管件需采用充氬焊，且雙面成型。筒體內(nèi)壁焊縫磨平，角焊縫采用圓弧過(guò)渡。發(fā)酵罐內(nèi)部需要進(jìn)行精密拋光處理，并且確保無(wú)死角。罐內(nèi)部件（筒體、接管、擋板、支撐等）拋光精度整體≤0.6 μm，外表面上封頭和筒體上部未被半管夾套包裹部分拋光精度整體≤0.8 μm。內(nèi)筒體、設(shè)備外側(cè)焊縫以及外露鋼板要進(jìn)行酸洗鈍化處理，可用藍(lán)點(diǎn)液檢測(cè)不銹鋼表面鈍化膜質(zhì)量。

2 攪拌器

為了減少發(fā)酵罐中的死角，攪拌器應(yīng)盡量做成一體式或?qū)﹂_(kāi)式，攪拌葉片設(shè)計(jì)成可拆式，螺紋孔開(kāi)防積料槽。發(fā)酵液的密度為1 100 kg/m3，黏度為0.5 ～1.5 Pa·s。根據(jù)發(fā)酵液的物性，攪拌系統(tǒng)的上面三層采用MSX1200 四葉旋漿式攪拌器，最下面一層采用BTD1200 拋物線(xiàn)圓盤(pán)渦輪攪拌器，轉(zhuǎn)向?yàn)閺纳系较驴错槙r(shí)針?lè)较蛐D(zhuǎn)。

MSX1200 四葉旋漿式攪拌器為軸流型攪拌器，有較大的擴(kuò)散湍流能力，特別適用于溶氧型生物發(fā)酵過(guò)程。BTD1200 六拋物線(xiàn)葉圓盤(pán)渦輪攪拌器是徑流式攪拌器，具有極強(qiáng)的徑向排量及分散能力，適用于發(fā)酵工藝的溶氧操作。氣泡在BTD 攪拌器葉片的作用下集聚，并隨著葉片旋轉(zhuǎn)在離心力的作用下被甩出，隨著罐內(nèi)介質(zhì)的流動(dòng)被分散到罐內(nèi)的各個(gè)區(qū)域，增加氣泡同介質(zhì)的有效接觸面積。

利用Fluent 軟件對(duì)攪拌器系統(tǒng)進(jìn)行計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)（CFD）模擬。圖2 所示為攪拌器轉(zhuǎn)速為130 r/min時(shí)，流體動(dòng)力學(xué)模擬圖像。由圖2 a）可見(jiàn)，上層攪拌槳葉與內(nèi)盤(pán)管之間，存在速度較小的滯留；由圖2 b）可見(jiàn)，對(duì)內(nèi)盤(pán)管分布高度調(diào)整，使原來(lái)速度較小的滯留消失。由此證明，內(nèi)盤(pán)管與攪拌槳葉位置錯(cuò)開(kāi)，有利于攪拌器對(duì)物料的作用。

3 半管夾套及內(nèi)盤(pán)管

圖2 計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)模擬圖像

發(fā)酵罐生產(chǎn)運(yùn)行過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生大量的熱量，需要采用間接換熱的方式使發(fā)酵液溫度降低。本次設(shè)計(jì)的50 m3發(fā)酵罐筒體外壁上焊接半圓管外夾套，半圓管邊緣開(kāi)45°內(nèi)坡口。開(kāi)內(nèi)坡口焊接能夠防止盤(pán)管內(nèi)部產(chǎn)生焊瘤，防止盤(pán)管夾套內(nèi)部形成焊接死角，使冷卻水流動(dòng)更加平順，減小冷卻水在管內(nèi)的流動(dòng)阻力。

盤(pán)管與角鋼之間采用U 型螺栓連接，并用螺母擰緊后點(diǎn)焊固定。內(nèi)盤(pán)管伸出罐壁部位，采用U 形彎連接，從而增大熱脹冷縮時(shí)的伸縮量，如圖3 所示。

圖3 內(nèi)盤(pán)管

內(nèi)盤(pán)管組件接管材料應(yīng)符合GB/T 13296—2013《鍋爐、熱交換器用不銹鋼無(wú)縫鋼管》標(biāo)準(zhǔn)要求，內(nèi)盤(pán)管外表面拋光至Ra≤0.6 μm。內(nèi)盤(pán)管加工時(shí)，必須在直管狀態(tài)下進(jìn)行焊接，再進(jìn)行彎管操作。換熱管對(duì)接接頭的管端坡口應(yīng)采用機(jī)械方法加工，焊接前應(yīng)清除表面附著物及氧化層，管端清理長(zhǎng)度應(yīng)不小于換熱管外徑。內(nèi)盤(pán)管不宜采用熱彎成形方式，內(nèi)盤(pán)管成形后橢圓度偏差不應(yīng)大于換熱管外徑的10%。

對(duì)接焊縫應(yīng)有焊接工藝評(píng)定，評(píng)定時(shí)試件的數(shù)量、尺寸、試驗(yàn)方法應(yīng)符合NB/T 47014—2011 《承壓設(shè)備焊接工藝評(píng)定》的規(guī)定。對(duì)接接頭對(duì)口錯(cuò)邊量不應(yīng)超過(guò)換熱管壁厚的15%，且不得大于0.5 mm，焊縫滿(mǎn)足GB/T 150.4—2011 《壓力容器》標(biāo)準(zhǔn)要求。組成內(nèi)盤(pán)管主體的每一根直管段，除了最后兩段直管長(zhǎng)度可以小于采購(gòu)的長(zhǎng)度規(guī)格，其他的直管長(zhǎng)度均按換熱管采購(gòu)時(shí)的長(zhǎng)度規(guī)格使用，且最短直管段不應(yīng)小于300 mm，進(jìn)出口的直管不得拼接而成。內(nèi)盤(pán)管所有對(duì)接接頭應(yīng)按NB/T 47013.2—2015《承壓設(shè)備無(wú)損檢測(cè)》進(jìn)行射線(xiàn)檢測(cè)，檢測(cè)比例為每條焊縫至少拍一張片子，合格級(jí)別不低于Ⅲ級(jí)，檢測(cè)技術(shù)等級(jí)不低于AB 級(jí)。無(wú)損檢測(cè)合格后，內(nèi)盤(pán)管應(yīng)進(jìn)行水壓試驗(yàn)，試驗(yàn)壓力為0.50 MPa(1.25 倍設(shè)計(jì)壓力)。水壓試驗(yàn)合格后，再與罐體進(jìn)行組焊，內(nèi)盤(pán)管與筒體的焊縫以及法蘭與內(nèi)盤(pán)管的焊縫需要進(jìn)行100%滲透檢測(cè)，按NB/T 47013.5—2015《承壓設(shè)備無(wú)損檢測(cè)》的Ⅰ級(jí)合格。檢測(cè)合格后再對(duì)內(nèi)盤(pán)管進(jìn)行氣壓試驗(yàn)，氣壓試驗(yàn)壓力0.4 MPa（1.0 倍設(shè)計(jì)壓力）。

4 空氣分布器

通氣量小的小型發(fā)酵罐可以選用單根進(jìn)氣管；通氣量大的大型發(fā)酵罐則可以選用帶有大孔的空氣管式圓盤(pán)分布器。因?yàn)?，?dāng)進(jìn)氣管通氣量較大時(shí)，罐中的空氣將會(huì)快速升至液面上，空氣沒(méi)有經(jīng)過(guò)攪拌器的充分?jǐn)嚢?，容易?dǎo)致壓縮空氣短路。

本次設(shè)計(jì)的50 t 發(fā)酵罐采用空氣管式圓盤(pán)分布器，空氣分布管中心圓直徑約為0.8 倍攪拌槳直徑。為了防止空氣管式圓盤(pán)分布器堵塞，在管式圓盤(pán)分布器水平中心線(xiàn)下方開(kāi)孔，每30°布一排，共七排，出氣孔尺寸為 6 mm。出氣孔開(kāi)孔總面積是接管截面積的0.9 倍左右，小孔總面積小于內(nèi)截面積，使空氣通過(guò)底部的排氣孔時(shí)具有噴力，防止小孔被堵塞。從小孔中出來(lái)的氣泡，其直徑會(huì)隨著噴嘴推動(dòng)力的增加或通氣量的增大而減小，氣泡越小越分散，微生物可以獲得越多氧氣。

將管式圓盤(pán)分布器設(shè)計(jì)成可拆卸式，方便從人孔進(jìn)出。先在圓管上均勻打出6 mm 的小孔，再?gòu)闹虚g對(duì)稱(chēng)分割成兩半圓環(huán)管，最后將圓環(huán)管與法蘭進(jìn)行焊接，罐內(nèi)設(shè)置的所有螺栓孔均需開(kāi)防積料槽，如圖4所示。

圖4 壓縮空氣圓盤(pán)分布器

5 擋板

為了防止發(fā)酵液在攪拌過(guò)程中打旋，需在罐內(nèi)設(shè)置擋板來(lái)增加攪拌的湍動(dòng)程度。通常地，擋板的寬度是發(fā)酵罐直徑的十分之一，擋板的數(shù)量為4 塊。擋板需滿(mǎn)焊牢固可靠，表面光滑，各轉(zhuǎn)角圓弧過(guò)渡，外表面拋光至Ra≤0.6 μm。

6 其他注意事項(xiàng)

水壓試驗(yàn)后視鏡需拆卸，另外裝箱隨車(chē)發(fā)貨，后續(xù)在施工現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行安裝；視鏡接口應(yīng)采用硬質(zhì)材質(zhì)進(jìn)行封堵保護(hù)；所有法蘭接口均采用臨時(shí)盲板進(jìn)行封堵保護(hù)；地腳螺栓定位環(huán)板需要提前供給施工方，在澆筑基礎(chǔ)時(shí)，應(yīng)將地腳螺栓定位環(huán)板預(yù)埋到基礎(chǔ)內(nèi)。

7 結(jié)論

發(fā)酵罐用途不同，則內(nèi)部結(jié)構(gòu)也不同。發(fā)酵罐設(shè)計(jì)應(yīng)以滿(mǎn)足工藝生產(chǎn)的需要為前提。發(fā)酵罐內(nèi)部構(gòu)件設(shè)計(jì)時(shí)始終要堅(jiān)持易清潔、無(wú)死角的原則。外半管夾套、擋板通用性較強(qiáng)，需要根據(jù)相關(guān)的規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)；攪拌器、發(fā)酵罐內(nèi)換熱裝置、壓縮空氣分布器的設(shè)計(jì)選型，則需要依據(jù)具體的生產(chǎn)工藝及物料的物理性質(zhì)，有針對(duì)性地進(jìn)行設(shè)計(jì)選型。