徐云鵬

（江蘇通協(xié)機(jī)械設(shè)備有限公司，江蘇如東 226400）

自控低壓發(fā)酵罐的機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

徐云鵬

（江蘇通協(xié)機(jī)械設(shè)備有限公司，江蘇如東 226400）

隨著我國(guó)發(fā)酵技術(shù)的不斷發(fā)展，高產(chǎn)菌種的獲得與豐富多樣培養(yǎng)基的采用，對(duì)發(fā)酵罐提出了更高要求，以下將對(duì)自控低壓發(fā)酵罐的機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)進(jìn)行研究。

自控低壓發(fā)酵罐；機(jī)械；結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

發(fā)酵罐是化工、輕工、化纖、制藥等生產(chǎn)中實(shí)現(xiàn)化學(xué)反應(yīng)的主要設(shè)備，其結(jié)構(gòu)主要由罐體、消泡器、空氣分布裝置、攪拌器、變速裝置、擋板、聯(lián)軸器和軸承、軸封、換熱裝置共同組成。近年來(lái)，隨著發(fā)酵罐技術(shù)的發(fā)展，出現(xiàn)了低壓發(fā)酵罐，低壓發(fā)酵罐主要由傳動(dòng)軸封、攪拌軸電機(jī)、聯(lián)組件、軸器、空氣分布器、電加熱器以及溫度和 pH 值傳感器等機(jī)械結(jié)構(gòu)組成。低壓發(fā)酵罐通常采用不銹鋼材質(zhì)，視筒是耐高溫、耐高壓的高硼玻璃。發(fā)酵罐表現(xiàn)出如下特點(diǎn)：攪拌轉(zhuǎn)動(dòng)速度是30～1 000r/min，滅菌溫度是120～130℃，溶氧量是0～200%，pH=2～12，控制發(fā)酵溫度10～48℃，發(fā)酵罐的有效容積是3L。發(fā)酵罐的自控儀可對(duì)發(fā)酵過(guò)程中的pH值、溶氧、轉(zhuǎn)速和溫度等參數(shù)進(jìn)行控制與檢測(cè)。其優(yōu)異的性能，使得發(fā)酵罐在企業(yè)、院校之中普遍運(yùn)用，用于篩選微生物發(fā)酵出的培養(yǎng)基和對(duì)發(fā)酵的工藝參數(shù)與生產(chǎn)工藝進(jìn)行優(yōu)化。本文將對(duì)自控低壓發(fā)酵罐機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)進(jìn)行研究。

1 自控低壓發(fā)酵罐機(jī)械結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)方案

隨著我國(guó)發(fā)酵技術(shù)的不斷發(fā)展，高產(chǎn)菌種的獲得與豐富多樣培養(yǎng)基的采用，對(duì)發(fā)酵罐提出了更高要求。對(duì)于自控低壓發(fā)酵罐，其工作過(guò)程中必須考慮介質(zhì)特性和工藝條件。該發(fā)酵罐選用了高鎳鉻鋼，因此具有較好的耐熱、耐高溫、耐腐蝕等特性，從而對(duì)強(qiáng)度要求、密封性能要求就沒(méi)那么高。自控低壓發(fā)酵罐機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案，對(duì)罐體的直徑與高度，可以利用發(fā)酵罐的長(zhǎng)徑比H/D=2思考。上、下封頭要求做到簡(jiǎn)單易行，就采用平板封頭。罐體運(yùn)用法蘭連接方式，法蘭是管道、設(shè)備連接的重要配件，能把兩個(gè)管道、管件或視鏡、先各自固定在一個(gè)法蘭盤上，兩個(gè)法蘭盤之間加上法蘭墊用螺栓緊固在一起。發(fā)酵罐常用的密封形式采用平墊密封，由于設(shè)計(jì)的是低壓發(fā)酵罐，平墊密封正適合壓力不太高的場(chǎng)合，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，加工方便，當(dāng)結(jié)構(gòu)尺寸大壓力高時(shí)，螺栓尺寸也大，結(jié)構(gòu)笨重、裝拆不便，也就不怎么適合。為了安裝、觀察、測(cè)量方面，則把pH 電極與溫度傳感器設(shè)計(jì)在發(fā)酵罐器壁的兩側(cè)面上。在攪拌器的選擇上，應(yīng)根據(jù)發(fā)酵罐內(nèi)對(duì)傳熱要求和分散作用，就需要選擇轉(zhuǎn)速高、剪切作用強(qiáng)、循環(huán)流量大的平直葉圓盤渦輪式攪拌器。為了杜絕泄漏和染菌發(fā)生，需要把罐頂和罐底間的間隙加以密封，密封的方式采取機(jī)械密封，主要是低壓發(fā)酵罐由于設(shè)計(jì)壓力、設(shè)計(jì)溫度都不高，機(jī)械密封具有功耗小、泄漏率低、密封性可靠、使用壽命長(zhǎng)的特點(diǎn)，很好地符合了密封的要求。

2 自控低壓發(fā)酵罐各部件的機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

2.1 發(fā)酵罐攪拌軸設(shè)計(jì)

發(fā)酵罐攪拌軸是發(fā)酵罐的重要組成部分，是用來(lái)支持旋轉(zhuǎn)的零件，如皮帶輪、攪拌漿、消泡槳等，軸本身旋轉(zhuǎn)并傳遞功率，工作時(shí)主要承受扭矩。軸設(shè)計(jì)關(guān)鍵在于保證強(qiáng)度與剛度，尤其是要計(jì)算扭轉(zhuǎn)變形和彎曲撓度，同時(shí)還要使之具有合理的結(jié)構(gòu)。材料的選擇上根據(jù)腐蝕的影響因素，我們選擇的不銹鋼材質(zhì)。而發(fā)酵罐攪拌軸的強(qiáng)度計(jì)算通常有3種：一是按扭轉(zhuǎn)強(qiáng)度或剛度計(jì)算；二是按彎扭合成強(qiáng)度計(jì)算；三是精確強(qiáng)度校核計(jì)算。本文將選擇扭轉(zhuǎn)強(qiáng)度或剛度計(jì)算。

在設(shè)計(jì)中出現(xiàn)了軸上開(kāi)槽或孔，這樣就會(huì)導(dǎo)致軸截面的硬度下降，這樣軸徑需增加4%～8%，我們就取8%的最大值，同時(shí)由于機(jī)械功率消耗，機(jī)械摩 腐蝕裕度等因素的影響，軸徑可增加2～4mm，取2.28mm則d=9+0.72+2.28=12mm。再經(jīng)強(qiáng)度校核合格，且防腐性能好，所以應(yīng)用12mm的不銹鋼軸。

2.2 發(fā)酵罐攪拌器的設(shè)計(jì)

在發(fā)酵罐內(nèi)設(shè)置攪拌器有利于液體本身的混和，氣液和液固間的混和以及質(zhì)量和熱量的傳遞，尤其是對(duì)氧的溶解具有重要的意義。同時(shí)還增加氣液間的湍動(dòng)，加強(qiáng)了氣液接觸的面積及延長(zhǎng)氣液接觸的時(shí)間。自控低壓發(fā)酵罐的攪拌器我們選取的是轉(zhuǎn)速高、剪切作用強(qiáng)、循環(huán)流量大的平直葉圓盤渦輪式攪拌器。平直葉圓盤渦輪式攪拌器能有效的完成幾乎所有的攪拌操作，并能處理黏度范圍很廣的流體。其結(jié)構(gòu)的比例應(yīng)為：d∶l∶b=20∶5∶4，其中d表示攪拌槳直徑，l表示攪拌葉的長(zhǎng)度，b表示攪拌葉的寬度。需要注意槳葉壁，槳葉壁厚小于 1mm，容易焊穿而且強(qiáng)度不夠，假設(shè)設(shè)計(jì)過(guò)厚，又不好焊接。根據(jù)以往所得，槳葉厚度取 15mm。液層深度 180mm。同時(shí)還要注意攪拌器間距，攪拌器間距會(huì)影響通風(fēng)效果，假設(shè)相隔太近，會(huì)使所產(chǎn)生的液流相互干擾而抵消，結(jié)果降低通風(fēng)效果，通常兩者間的距離應(yīng)該最少是攪拌器直徑的1.5倍以上，但是最大不要超過(guò)3倍為宜。

2.3 發(fā)酵罐封頭的設(shè)計(jì)

封頭主要有標(biāo)準(zhǔn)橢圓形封頭、碟形封頭及半球形封頭。發(fā)酵罐選擇的是平板形封頭，平板封頭制造簡(jiǎn)單易行，在低壓小直徑的容器中使用較多，同時(shí)這也是化工設(shè)備普遍使用的一種封頭。平板形封頭在承受均布載荷壓力時(shí)板里產(chǎn)生的是彎曲應(yīng)力，其最大值比殼體大得多，原因是發(fā)酵罐壁內(nèi)產(chǎn)生雙向彎曲應(yīng)力，有徑向彎曲應(yīng)力，也有切向彎曲應(yīng)力，其最大應(yīng)力會(huì)發(fā)生在板的中心，也會(huì)發(fā)生在板的邊緣，這需要根據(jù)壓力作用的面積大小以及邊緣支承的狀況而定。所以平板封頭要比同樣設(shè)計(jì)壓力下的凸形封頭厚得多，加筋結(jié)構(gòu)的平板封頭能夠平板厚度有效變薄。本文在封頭的設(shè)計(jì)中，封頭是周邊簡(jiǎn)支受均布載荷的圓平板封頭。其最大應(yīng)力發(fā)生在平板的中心，而且徑向彎曲應(yīng)力與切向彎曲應(yīng)力是一樣大小的。如以下公式：

Mechanical Structure Design of Controlled Low Pressure Fermentation

Xu Yun-peng

With the development of fermentation technology in our country，the acquisition of high-yield strains and the adoption of rich and varied mediums put forward higher requirements for fermenting tanks.The following will study the mechanical structure design of controlled low-pressure fermentation tanks.

controlled low pressure fermenter；mechanical；structural design

TQ920.5

B

1003–6490（2016）10–0060–02

2016–09–15

徐云鵬（1987—），男，江蘇如東人，助理工程師，主要研究方向?yàn)榕湟合到y(tǒng)及發(fā)酵系統(tǒng)的機(jī)械與工藝設(shè)計(jì)。