年產(chǎn)4500噸奶粉均質(zhì)機的設計

1、 食品機械與設備課程設計年產(chǎn)4500噸奶粉均質(zhì)機的設計學 院： 海洋學院 專業(yè)班級： 食品科學與工程 食品102 學生姓名： 學 號： 指導教師： 2012年 12 月 7 日一、前言1.1奶粉的含義奶粉是以鮮奶為原料，通過加工除去水分后制成的粉末，它適宜保存，并便于運輸和飲用。因為鮮奶含水量大，營養(yǎng)豐富，只能保存數(shù)小時，即使冷卻也不過延長數(shù)日，而制成奶粉可保存數(shù)月到數(shù)年。由于原料奶的種類、加工方法、輔助材料及添加劑的種類不同，生產(chǎn)奶粉的種類也很多?？筛鶕?jù)所使用的原料而分成：全脂奶粉、脫脂奶粉、調(diào)制奶粉、特殊配制奶粉、速溶奶粉、加糖奶粉、奶清粉、酪奶粉、冰激凌粉、稀奶油粉和麥乳精。1.2我國的

2、乳品消費現(xiàn)狀全國人均消費奶類135千克，城鎮(zhèn)居民的人均消費達到248千克，農(nóng)村居民人均消費2千克。農(nóng)村居民的奶制品消費趨勢呈現(xiàn)絕對量較低，而增長速度較快。考慮到中國農(nóng)村的巨大人口數(shù)量，只要能夠有效的提高農(nóng)村居民收入，未來的消費潛力很大。 目前奶制品消費結(jié)構(gòu)比較單一，主要消費品種為液體奶、奶粉和酸奶，對于奶酪、黃油和煉乳的消費量很少。這種現(xiàn)象一方面與人們的飲食習慣有關(guān)，另一方面是人們?nèi)狈τ嘘P(guān)奶酪、黃油和煉乳的知識。如果加以宣傳和指導，對這些產(chǎn)品的消費需求就會顯著增長。1.3奶粉工業(yè)發(fā)展趨勢隨著中國乳業(yè)的迅速發(fā)展，產(chǎn)品結(jié)構(gòu)發(fā)生很大的變化，已成為技術(shù)裝備先進、產(chǎn)品品種較為齊全、初具規(guī)模的現(xiàn)代化食品制

3、造業(yè)，但是同時，相對于整個奶粉市場而言，中國的奶粉行業(yè)發(fā)展仍然是落后于世界奶粉強國，品牌缺乏，行業(yè)競爭混亂；產(chǎn)品質(zhì)量不過關(guān)，大大降低國產(chǎn)奶粉的信譽。令人鼓舞的是，近兩年政府出臺了一系列有利于乳業(yè)持續(xù)快速發(fā)展的政策，中國乳制品行業(yè)正面臨增長方式的轉(zhuǎn)變，以市場化、法制化、規(guī)范化的不破壞資源生態(tài)的生產(chǎn)方式，從源頭抓起，從整個乳業(yè)產(chǎn)業(yè)鏈抓起，以現(xiàn)代的營銷觀念，迎接新一輪高品質(zhì)發(fā)展周期的到來。二、工藝2.1工藝流程全脂奶粉的加工制造原料驗收過濾凈化冷卻貯乳標準化預熱殺菌均質(zhì)濃縮噴霧干燥冷卻篩分包裝裝箱檢驗成品入庫2.2工藝操作2.2.1原料驗收生產(chǎn)優(yōu)質(zhì)的奶粉必須使用新鮮的，不能混有異常乳的原奶,比重應為

4、1.0281.032(20)，酸度不超過20°T，含脂率不低于3.1%，乳固體不低于11.5%。雜菌數(shù)不超過20萬個/毫升。2.2.2預處理2.2.2.1原料乳的凈化牛奶通過離心凈乳后，則可把乳中不能由過濾方法除去的細小污物、脫落的乳房上皮組織、白細胞等分離除去，達到高度凈乳的目的。2.2.2.2原料乳的標準化生產(chǎn)奶粉時，為了獲得穩(wěn)定組成成分的產(chǎn)品，每批產(chǎn)品所用原料乳必須經(jīng)過標準化，確保原料乳乳脂肪與非脂乳固體之比等于成品中脂肪與非脂乳固體之比。2.2.3預熱殺菌殺菌可以徹底殺死牛乳中的病原菌和絕大多數(shù)腐敗微生物，破壞牛乳中酶的活性，提高牛乳蛋白質(zhì)的熱穩(wěn)定性，滿足濃縮工序?qū)εＨ闇囟鹊?/p>

5、要求。一般采用高溫短時間殺菌法或超高溫瞬時間殺菌法。通常采用的殺菌條件為8694，24s或8085，15s。2.2.4均質(zhì)均質(zhì)是一種使液體分散體系中的分散物微粒化、均勻化的處理過程，其目的是降低分散物的尺寸，提高分散物分布的均勻性。在奶粉生產(chǎn)中，經(jīng)過均質(zhì)可降低乳中游離脂肪的含量，從而增強奶粉抗氧化能力和提高其溶解度。均質(zhì)時一般壓力控制在14-21Mpa，溫度控制在60為宜。二級均質(zhì)時，第一級壓力為14-21Mpa，第二級壓力為3.5Mpa左右。2.2.5真空濃縮蒸發(fā)是生產(chǎn)高質(zhì)奶粉不可或缺的過程，經(jīng)過預濃縮，奶粉顆粒增大，同時顆粒所包裹的空氣明顯減少，利于儲藏期間保持穩(wěn)定性。由于牛乳屬于熱敏性物

6、料，濃縮宜采用減壓法,以獲得4555%干物質(zhì)含量。2.2.6壓力噴霧干燥先將過濾的空氣由鼓風機吸進，通過空氣加熱器加熱至130160后，送入噴霧干燥室。同時將過濾的濃縮乳由高壓泵送至噴霧器或由奶泵送至離心噴霧轉(zhuǎn)盤，噴成1020微米的乳滴與熱空氣充分地接觸，進行強烈的熱交換和質(zhì)交換，迅速地排除水分，在瞬間完成蒸發(fā)，干燥。2.2.7出粉、冷卻噴霧干燥中形成的奶粉，應盡快連續(xù)不斷地排除干燥室外，以免受熱時間過長，游離脂肪含量增加，不但影響奶粉質(zhì)量，而且在保藏中也容易引起氧化變質(zhì)。2.2.8篩粉，貯粉篩粉一般采用機械振動篩，網(wǎng)眼為4060目。過篩后可將粗粉細粉混合均勻，并除去團塊和粉渣。新生產(chǎn)的奶粉經(jīng)

7、過1224h的貯藏，其表觀密度可提高15%左右，有利于包裝。2.2.9稱量與包裝由于全脂奶粉含有26%以上的乳脂肪，易受日光、氧氣等作用而變化，此外由于奶粉顆粒的多孔性，表面積很大，吸潮性強，所以包裝室應對空氣采取調(diào)濕降溫措施，室溫一般控制在1820，空氣相對濕度為75%為宜。需要長期保藏的奶粉應采取真空包裝或充氮密封包裝，全脂奶粉最好采用500g鐵罐充氮密封包裝，保藏期可達35年。三、物料衡算與動力衡算3.1每小時產(chǎn)量計算本設計主要是進行年產(chǎn)量為4500噸奶粉均質(zhì)機的設計。本設計暫定每周工作六天（周一周六），國家法定節(jié)假日照常休息，平均年工作日為300天。在正常情況下，采用兩班工作制，每天工

8、作時間為10小時（不包含清洗時間2小時），機械設備查修和保養(yǎng)時間分插入每月月底。設 q平均日產(chǎn)量,t/dK設備不均勻系數(shù),k=0.70.8Q年產(chǎn)量為4500噸則q=Q/(k×300×8)=4500/(0.75×300×10)=2t每小時處理量為2噸/時3.2標準化計算和工藝流程計算原料乳成分表乳脂肪蛋白質(zhì)乳糖水分灰分非乳脂固體3.6%3.2%4.7%0.7%87.8%8.6%注：非乳脂固體（%）=蛋白質(zhì)（%）+乳糖（%）+灰分（%）產(chǎn)品成分表:乳脂肪水分非乳脂固體27%2%71%乳脂肪(F)與非脂乳固體(S)之比(R)原料乳：成品：標準化的方法：由于R。

9、> R，說明原料乳中的脂肪含量偏高，需要標準化使之平衡。原料乳中的脂肪含量過高，需向其中加入一部分脫脂乳使它達到標準乳要求。設定：原料乳質(zhì)量A=1000，標準化后質(zhì)量為B,原料乳含脂率3.6%，脫脂乳含脂率0.01，加入x脫脂乳混合后標準乳含脂率r=2.7%3.1%,取3.1%.則A+x=BX×0.01%+1000×3.6%=B×3.1%X=161.81,B=1161.81標準乳成分乳脂肪水分非乳脂固體3.3%88.1%8.6%查閱資料得各流程的損失率為：預處理0.1%(過濾0.05% 凈乳0.05%)均質(zhì)0.1% 殺菌0.05% 過篩0.5% 濃縮48%

10、噴霧干燥75%設原料量為W噸/時，則W（1-0.05%）（1-0.05%）（1+0.16181）（1-0.1%）（1-0.05%）（1-48%）（1-75%）（1-0.5%）= 2解得 W= 13.342噸/時(1) 原料乳的質(zhì)量為13.342噸（2）取過濾的損失率為0.05%，則經(jīng)過濾后的質(zhì)量為 13.342×（1-0.05%）=13.335噸（3）取凈乳的損失率為0.05%，則經(jīng)凈乳后的質(zhì)量為 13.335×（1-0.05%）=13.328噸(4)標準化后的質(zhì)量為13.328×（1+0.16181）=15.485噸（5）取殺菌的損失率為0.05%，則經(jīng)殺菌后的

11、質(zhì)量為 15.485×（1-0.05%）=15.477噸(6)取均質(zhì)的損失率為0.1%，則經(jīng)均質(zhì)后的質(zhì)量為 15.477×（1-0.1%）=15.462噸（7）取濃縮的水分蒸發(fā)率為48%，則經(jīng)濃縮后的質(zhì)量為 15.462×（1-48%）=8.040噸（8）經(jīng)噴霧干燥、流化床后，水分蒸發(fā)大約97%。取操作過程中損失率75%，則經(jīng)干燥后的質(zhì)量為 8.040×（1-75%）=2.01噸（9）取過篩的損失率為0.5%，則經(jīng)過篩后的質(zhì)量為 2.01×（1-0.5%）=2噸3.3具體物料衡算流程圖如下：原料乳驗收13.342噸/時過濾 13.342噸/時-

12、0.05%凈乳 13.335噸/時-0.05%冷卻 13.328噸/時貯乳 13.328噸/時標準化13.328噸/時 預熱殺菌 15.485噸/時-0.05%均質(zhì) 15.477噸/時-0.1%真空濃縮 15.462噸/時-48%噴霧干燥 8.040噸/時-75%出粉冷卻 2.01噸/時過篩 2.01噸/時-0.5%包裝 2噸/時成品3.4水、電、汽、氣消耗計算3.4.1水平衡計算： 原料乳冷卻能抑制細菌的增長，保持乳的新鮮度。冷卻在板式換熱器中進行：設：原料乳進口溫度：T1=20 ，出口溫度：T2=10； 冷水進口溫度：t1=0 ， 出口溫度：t2=4；已知：W乳=13.342t/h，C乳=

13、3.894kJ/(kg·)， C水=4.20kJ/(kg·),則：原料乳在凈化后冷卻水用量為：W1= C乳×G(T1-T2)C水（t1-t2）=3.894×13.342×(20-10)(4.20×(4-0)=30.925t/h原料乳在標準化后冷卻水用量為：W= C乳×G(T1-T2)C水（t1-t2）=3.894×13.328×(40-10)(4.20×(4-0)=92.677t/h所以：總用水量為123.602t/h 3.4.2用氣量估算：奶粉車間主要耗氣是殺菌、均質(zhì)、設備和管道的清洗消毒。殺

14、菌和均質(zhì)段耗氣量700/h，設備和管道的清洗耗量為350/h，濃縮過程耗氣量為1100/h，干燥過程耗氣量為800/h，總耗氣量為：（700+350+1100+800）×10=29500=29.5 t/h。3.4.3耗電量估算：生產(chǎn)車間電器總功率估算：W=P×t=200×20=4000度。考慮到照明用電和意外用電情況，增加15%用電量：4000×（1+15%）=4600度。3.4.4熱量衡算預熱 從6加熱到75，15minQ1=MCp(t2-t1)= 13.342×103×4.187×(75-6)=3.85×106

15、 kJ/h殺菌 條件：殺菌條件：85，15sQ2= MCp(t3-t2)=15.485×103×4.187×(85-75)=6.48×105 kJ/h3.4.5耗冷量計算：預處理冷藏耗冷量：根據(jù)物料衡算可知，原料乳的量為：G=133.42t/d又知：原料乳從15.3下降到6，工藝要求在1h內(nèi)完成，則所需耗冷量為：Q1 = Gc(t1-t2)/= 133.42× 3.894 × （15.3-6）/1 = 4.83×103 kJ/h根據(jù)設計結(jié)果，一共有6個貯乳罐，則每個罐原料乳耗冷量為：Qf = Q1 / 10= 4.83

16、15;103 /5 =966 kJ/h相應的冷凍介質(zhì)（2的冷水,出口溫度為85）耗量為：M1 = Q1 / c(t2-t1) = 4.83×103 /（ 4.18 × (85-2)） =13.92 kJ/h四、均質(zhì)機設計方案的確定技術(shù)要求如下：(1) 所設計的均質(zhì)機能夠完成對兩種流體物料的均質(zhì)與乳化(2) 額定壓力為一級20Mpa、二級3.5Mpa(3) 尺寸規(guī)格為1500mm×1000mm×1500mm(4) 額定流量為4000L/h物料進入一級均質(zhì)閥處，由于一級均質(zhì)閥的閥桿與閥座之間的間隙非常小，從而使排出單向閥處的物料產(chǎn)生很高的壓力，高壓物料由于通

17、過一級均質(zhì)閥進行均質(zhì)，會產(chǎn)生很大的摩擦力和熱量，所以一級均質(zhì)閥的材料要硬，且要有耐磨性。均質(zhì)機的有效功率可以根據(jù)全壓力和實際流量進行計算。由于高壓均質(zhì)機的全壓力和均質(zhì)壓力基本接近，所以，一般均依照均質(zhì)壓力和實際流量按下式計算：式中 均質(zhì)機的有效功率，kW； 均質(zhì)機的均質(zhì)壓力，Pa； 均質(zhì)機的實流量，m3/s。 將 =20106 Pa、=4000 L/h 帶入上式中得 =22.2 kW當均質(zhì)機與原動機直接連接時，均質(zhì)機輸入功率就等于原動機的輸出功率。由于存在機械摩擦等損失，均質(zhì)機的輸入功率大于有效功率。輸入功率可按下式計算：式中 均質(zhì)機的輸入功率，kW； 均質(zhì)機的有效功率，kW； 均質(zhì)機的效率；

18、在進行均質(zhì)機設計時，通常要根據(jù)均質(zhì)機的結(jié)構(gòu)型式和參數(shù)以及加工質(zhì)量等預先選取，一般=0.800.90。流量較大，壓力較低，制造質(zhì)量高，介質(zhì)含氣量較少時，可選較大值。反之則選較小值。根據(jù)此次課題的要求選=0.85計算的=22.2÷0.85=26.12kW泵體的結(jié)構(gòu)設計要求泵體在結(jié)構(gòu)上應力求形狀簡單，壁厚均勻，內(nèi)部流道要短而直，盡量避免拐彎和斷面的急劇變化，此外還必須有足夠的機械強度、耐腐蝕性和良好的機械加工工藝性。實際上，對一般泵體壁厚確定和強度校核都把它們近似地當成薄壁或厚壁圓筒來計算。假定泵體為一外圓半徑為、內(nèi)圓半徑為的等厚圓筒，且/1.5時，則可由薄壁圓筒公式確定壁厚： 式中 壁厚

19、，cm；焊接系數(shù)，無焊接時；缸內(nèi)最大的工作壓力，Mpa；泵體內(nèi)徑，cm； 考慮鑄造偏心及腐蝕所留余量，一般取cm； 許用應力，Mpa；鋼制泵體許用應力若按抗拉強度取，安全系數(shù)應大于4；按屈服強度取，安全系數(shù)為23。高壓泵選型：合肥通用機械研究院噴射技術(shù)與往復泵研究所品牌：GMRI 型號：WJ40-250 工作壓力：40-250MPa 柱塞直徑：10-40（mm） mm重量：30-600（kg） kg轉(zhuǎn)速：500-1500（r/m） r/m柱塞數(shù)：3 材質(zhì)：不銹鋼 驅(qū)動方式：電動 用途：輸送液體 類型：高壓柱塞泵 泵軸位置：臥式 流量：1.5-9.6（m3/h） 均質(zhì)閥是均質(zhì)機的關(guān)鍵部件，有高壓

20、泵送來的高壓液體，在通過均質(zhì)閥時完成均質(zhì)。均質(zhì)閥所選的材料必須十分堅硬，具有極強的耐磨蝕性，而且須有良好的抗銹蝕性。均質(zhì)閥選型：上海東華高壓均質(zhì)機廠性能技術(shù)指標 乳化平均顆粒m1傳動部件溫度65固體分散平均徑m2噪音 dB 37kw 45-55 kw75-200 kw889093物料最高溫度特定90 150適用物料特性PH2-10容積效率 球型 碟型85%90%進料粒徑m（平均）30在額定壓力下連續(xù)工作電壓（V）380電流 HZ50選用理由1.采用鎢鈷類合金材料，耐磨、耐腐蝕、耐沖擊 。兩頭均能使用，使用壽命長，磨損后可多次修磨，修磨后其性能不變，同時具有結(jié)構(gòu)簡單，容積效率高，密封性好等優(yōu)點。

21、2.在一組閥內(nèi)可進行多次均質(zhì)過程，在同樣壓力下均質(zhì)效果明顯提高，具有省能耗、效率高等優(yōu)點。五、設備選型5.1貯奶罐根據(jù)物料衡算得，若想生產(chǎn)2t/h的乳粉, 則原料量為13.342t/h，則按一天10小時工作計，則一天貯奶量為133.42t/d，經(jīng)計算需要128288.5L/d(密度約為1.04g/ml)。選用上海瑞派公司的BPC-30型的貯奶罐5個，其主要參數(shù)為：項目技術(shù)指標設備名稱BPC系列室外儲罐廠家介紹上海瑞派機械有限公司設備型號BPC-30罐體總高 (mm)7850罐體外徑 (mm)2700進出口徑 (mm)51電機功率 (kW)2.2公稱容積( L)30000設備重量（kg)3720

22、5.2過濾器根據(jù)物料衡算得，若需要生產(chǎn)2t/h的乳粉, 則原料量為13.342t/h，可以選用鄭州玉祥機械設備有限公司的雙聯(lián)過濾器，其主要參數(shù)如下：項目技術(shù)指標過濾面積（）0.75過濾溫度（） 100使用壓力MPa0.2進口管徑G2出口管徑G2外形尺寸mm(長×寬×高)1300 ×500 × 13005.3凈乳機根據(jù)物料衡算得，若想生產(chǎn)2t/h的乳粉, 則原料量為13.335t/h，則一小時凈奶量為13.335t/h，經(jīng)計算需要12822.12L/ h 。選用江蘇巨能機械有限公司的DHN550型的凈乳機1臺，其主要參數(shù)如下：項目技術(shù)指標機型DHN550處

23、理量（L/h）15000進口壓力（Mpa）0.05出口壓力（Mpa）0.1-0.5電機功率（kw）22質(zhì)量（kg）2300外型尺寸（mm）長×寬×高1950×1500×19605.4板式殺菌換熱器根據(jù)物料衡算得，若想生產(chǎn)2t/h的乳粉, 則原料量為15.485t/h，即14889L/h。選用上海宣辰機械設備有限公司BR0.05型板式換熱器，其具體參數(shù)如下：規(guī)格BR 0.05單片換熱面積 0.05板片尺寸 500 × 168板片厚度 0.8角孔直徑 38接管直徑 28波紋形狀人字形波紋平均板間距3.8可組合換熱面積 0.5 5最大允許使用壓力Mpa0.4 2最高允許使用溫度一般 120 160 特殊可達 250 傳熱系數(shù) W/ 2000 60005.5均質(zhì)機根據(jù)物料衡算得，均質(zhì)量為15.477t/h。選用上海申鹿SRH400