高温蒸汽灭菌器的设计及优化

1 高温蒸汽灭菌器简介 1.1 高温蒸汽灭菌的基本原理   医疗垃圾的危害主要表现为感染致病性,基于这点,在高温   蒸汽灭菌器内,将医疗垃圾暴露于一定温度的水蒸汽氛围中并停   留一定的时间,在这期间利用水蒸汽释放出的潜热,可使医疗垃   圾中的致病微生物发生蛋白质变性和凝固,致使致病微生物死亡,   从而使医疗垃圾无害化,达到安全处置的目的[1]。   1.2 高温蒸汽灭菌器   高温蒸汽灭菌器是高温蒸汽处理技术的核心设备,由灭菌器 主体、灭菌器密封门、控制阀门、控制面板、保温夹套以及与其 配套的测控部件等组成,如图 1 所示,其功能主要是在抽真空和 持续高温的操作条件下杀灭医疗垃圾中的细菌。
1.3 高温蒸汽灭菌器灭菌工艺医疗垃圾的灭菌、干燥均在高温蒸汽灭菌器内完成。高温蒸
 
汽灭菌器的运行主要由以下几个工艺构成:脉动真空阶段、蒸汽灭菌阶段、干燥阶段。整个工艺过程由控制面板内的 PLC 控制完
成,期间灭菌室内的压力和温度变化如图 2 所示。
(1)脉动真空阶段
 
如图 2 所示,脉动真空过程包括 3 次抽真空过程,先抽真空**负压,排除高温灭菌器内的空气,然后打开蒸汽入口阀,送入饱和蒸汽使灭菌室内压力上升** 0.32 MPa,而后再抽气**负压状态,如此反复抽送 3 次使设备达到要求的负压值,使内腔中 98 % 以上的空气完全排出,以保证高压蒸汽更容易渗透**物料内部,使得物料与蒸汽更加充分的接触,**终保证灭菌的效果[2]
(2)高温蒸汽灭菌阶段
待灭菌室内到达规定负压值,通入饱和蒸汽,使得温度升** 134 ℃,进入灭菌阶段,该过程主要是温度调节过程。当温度低 于 134 ℃时,继续充蒸汽,当温度高于 134 ℃时,停止充蒸汽。 要求在 134 ℃的温度,维持 45 分钟。   (3)干燥阶段   高温灭菌器内,在 134 ℃的温度,维持 45 分钟以上的时间后,   可以通过强力抽真空,除去高温蒸汽灭菌器内的蒸汽和冷凝水,   充入空气,完成干燥。   干燥阶段完成后,打开高温蒸汽灭菌器门,将灭菌内车拖出,   完成一次蒸汽灭菌过程。
菌器筒体和封头材料采用 Q345R,依据 GB150.3-2011,对其高温蒸汽灭菌器壁厚进行设计计算及强度校核如下。
内压圆筒的计算厚度公式如下:
d = Pc Di (1)
2[s ]t f - P  
  c  
式中:Pc—计算压力,MPa;Di—高温蒸汽灭菌器内直径,mm;δ—高温蒸汽灭菌器的计算厚度,mm;[σ]t—设计温度下,高温蒸汽灭菌器圆筒的许用应力,MPa;Φ—焊接接头系数,取
0.85。
 
其中,Pc =0.8 MPa,Di =1800 mm,Q345R 在温度 150℃时, [σ]t =189 MPa,根据式(1)计算得 δ=4.49 mm。
外压圆筒的设计计算相对复杂,主要考虑高温灭菌器筒体稳定性的校核,由于高温灭菌器筒体过长,在筒体中部加一圈加强
 
圈,则外压圆筒的计算长度 L=4900 mm。假定一有效厚度 δe,依据 GB150.3-2011,查取外压应变系数 A 值,再由 A 值确定外压应
 
力系数 B 值,根据式(2)及式(3)计算得计用外压力[P],满足 [P]≥Pc 。否则须调整设计参数,重复上述计算,**满足设计要求
为止。  
[ P] = B (2)
Do / de   (3)
de = dn - C1 -C2
式中:[P]—计用外压力;B—外压应力系数;Do—高温蒸汽
灭菌器外直径;δe—高温蒸汽灭菌器筒体有效厚度;δn—高温蒸汽灭菌器筒体名义厚度;C1—材料厚度负偏差,取 0.3 m;C2—腐蚀余量,取 1 mm。
经过反复计算得高温蒸汽灭菌器筒体的名义厚度δn =12 mm。
 
2.2 高温蒸汽灭菌器封头厚度校核计算内压封头计算厚度公式如(4)所示:
dh = kPc Di (4)
t f - 0.5Pc  
  2[s ]  
k—标准椭圆型封头形状系数,取 1。
计算得 δh=3.81 mm,取封头的名义厚度 δnh==6 mm,则封头的有效厚度 δehnh—C1—C2=4.7 mm>δh满足设计要求。
 
3 高温蒸汽灭菌器的设计优化
 
在实际使用过程中,该高温蒸汽灭菌器在结构及上存在一定缺陷,考虑适应多种运行情况和相关标准要求,需要对设备结构进行优化,具体如下:
 
(1)灭菌器密封门结构优化该高温蒸汽灭菌器密封门的开启和关闭,需要操作人员手动
 
操作门把手完成。由于灭菌后,灭菌器密封门开启后会有少量蒸汽存在(并带有一定臭味),手工开关存在安全隐患。因此,增加灭菌器密封门开关液压驱动机构,由 PLC 控制,使灭菌器门的开启和关闭与高温蒸汽灭菌器蒸汽灭菌自动完成,节省了人力和时间,同时避免了与蒸汽接触。
 
(2)蒸汽分布管路优化
 
蒸汽进入灭菌器腔体后,会遇到一块挡板阻止蒸汽直接喷下,而向两边流动。如图 3 所示。
 蒸汽挡板虽然有一定的蒸汽分流作用,但是作用不是很大,

把蒸汽管路引入灭菌器内,并沿腔体顶部分支,在管路分支下半部开小孔,使蒸汽沿小孔喷出,能够使蒸汽更快速均匀的到达灭菌器各部分。改进后的蒸汽管路如图 4 所示。
 
 
 
 
 
 
4  优化后蒸汽管路简图
 
Fig.4 Optimized Steam Pipe in Autoclave
 
(3)灭菌密封门数量优化
 
该项目灭菌器在前端开门,灭菌内车只能从前端进出,这样有菌操作和无菌操作在同一端。如果将灭菌器两端各设置一个门,灭菌内车由一端进入,灭菌处理后,灭菌内车由另一门拖出,不但可以有效的将有菌区和无菌区分开,而且更有利于设备的布置。
 
(4)灭菌器腔体材料的优化由于蒸汽灭菌操作的间断性,每次蒸汽灭菌循环结束后,灭
 
菌器腔体底部表面,都会有残存的少量冷凝水存在,空气的进入,会使碳钢腔体表面腐蚀生锈。这些铁锈,可能进入灭菌器门密封圈与腔体夹缝内,过多积累,会造成密封失效,影响抽真空效果,加长抽真空和灭菌时间。因此,高温蒸汽灭菌器腔体宜采用不锈钢。
 
4 高温蒸汽灭菌器优化后的结构及应用效果
 
根据以上优化方案,对高温蒸汽灭菌器进行了针对性的改造:高温蒸汽灭菌器由单门改为双门,增加了液压驱动机构,更换了腔体材料,并优化了蒸汽分布管路。此优化过程历时三个月。
 
 
 
 
 
 
 
 
 
1-高温蒸汽灭菌器主体;2-蒸汽进口阀;3-空气出口阀;4-安全阀;5-灭菌器密封门;6-抽真空接口;7-液压驱动;8-支座;9-灭菌内车;10-控制面

 
5  优化后高温蒸汽灭菌器结构示意图
Fig.5 Optimized Sketch of Steam Autoclave
 
如图 5 所示,优化后的高温蒸汽灭菌器密封门可以自动开启和关闭,灭菌内车可以从一侧密封门进入,灭菌后,灭菌内车从另一侧密封门退出,实现了工艺上的自动控制,并节省了人力和时间。蒸汽管路优化后,蒸汽进入高温蒸汽灭菌器分布更均匀,高温蒸汽灭菌器升温更快,缩短了脉动真空进程,加快了灭菌升温进程。腔体采用不锈钢材料后,其表面不会生锈,强化了密封及抽真空效果。
 
5 结论
 
通过对高温蒸汽灭菌器进行的针对性的设计优化,提高了高温蒸汽灭菌流程的自动化程度,优化了灭菌器内的蒸汽分布,强化了抽真空的效果,提高了设备运行的可靠性。