年产xx吨全脂乳粉工厂设计.docx
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年产xx吨全脂乳粉工厂设计
1、设计任务书
项目名称：
年产10000t乳粉项目工艺设计
1.1建设规模、产品方案、生产方法和工作制度
1．建设规模：
年产10000t。
2．产品方案：
本项目仅生产全脂乳粉。
产品应满足GB19644-2010的要求。
参考GB5410-1999，如有相同条款，以GB19644-2010为准。
3．生产方法：
以新鲜优质牛乳为原料，经标准化、杀菌、并经真空浓缩、喷雾干燥后所获得的产品。
4．工作制度：
年工作日按300d计，其中浓缩工段及喷雾干燥工段均按四班三运转进行。
1.2建设地点为南方某市其气候条件为：
年平均气温：
15.3℃
历年平均最高气温：
38℃
历年平均最低气温：
-14.2℃
最热平均相对湿度：
85%
最冷平均相对湿度：
75%
年平均气压：
1016.5mP
夏季平均气压：
1004.5mP
年均风速：
3.6m/s
年均降落量：
1025.6mm
日最大降水量：
219.6mm
1.3达到的技术经济指标
标准化原料乳固形物含量11.6%；浓缩操作应去除原料乳中70%-80%的水份、每蒸发1kg水份蒸汽消耗不高于0.4kg;喷雾干燥的热效率不低于50%、产品的含水量不高于2.5%。
吨产品其主要的原料及动力消耗为：
1.鲜牛乳9.09吨
2.水:
50吨
3.蒸汽:
5.26吨
1.4设计要求
就该乳粉车间进行工艺设计，要求完成：
1．确定合理的工艺路线，提供工艺流程示意图；
2．进行工段的工艺计算，包括物料、热量、水、压缩空气耗量等平衡计算，并提供相应的工艺计算平衡图；
3．对标准设备及非标设备的数量进行计算，选定标准设备型号并就至少一种非标设备的结构进行简单的结构计算，提供所需设备的一览表并至少提供一种非标设备的总装图。
4．绘制带控制节点的工艺流程图；
5．绘制车间设备布置图；
6．编写初步设计说明书。
2.设计说明书
2.1项目概述
2.1.1产品介绍
乳粉，就是以新鲜牛乳为原料，或者以新鲜牛乳为主要原料，添加一定数量的植物或动物蛋白质、脂肪、维生素、矿物质等配料，经杀菌、浓缩、干燥等加工工艺除去大部分水分而制成的粉末状产品。
2.1.2中国乳制品行业发展现状及前景
中国乳制品行业起步晚，起点低，但发展迅速。
特别是改革开放以来，奶类生产量以每年两位数的增长幅度迅速增加，远远高于1%的同期世界平均水平。
中国乳制品产量和总产值在最近的10年内增长了10倍以上，已逐渐吸引了世界的眼光，但同时，中国人均奶消费量与发达国家相比，甚至与世界平均水平相比，差距都还十分悬殊。
令人鼓舞的是，近两年政府出台了一系列有利于乳业持续快速发展的政策，中国乳制品行业正面临增长方式的转变，以市场化、法制化、规范化的不破坏资源生态的生产方式，从源头抓起，从整个乳业产业链抓起，以现代的营销观念，迎接新一轮高品质发展周期的到来。
中国乳品消费在逐步扩大，但目前成规模的消费市场还远没有形成。
中国许多人还没有喝牛奶、食用乳制品的习惯，尤其是农村市场还远没有打开，还有相当部分的人因经济条件所限消费不起，消费习惯的培养还需要一个过程。
乳企须研究中国乳业发展的规律，找到一个比较合理的增长速度，加强乳业发展的计划性。
纵观以往喧嚣的中国乳制品行业，其焦点一直围绕在价格战、奶源战、资本战、圈地战、广告战、口水战等方面，但2007年竞争的话题显然已转移到以产品创新、工艺创新为代表的研发大战。
各个乳制品企业推出的新品无一不注重科技含量，也更加侧重功能性。
中国乳业已进入了新的竞争阶段。
针对国内消费观念逐渐成熟、从“有奶喝”转为“喝好奶”的需求日益强烈，竞争也上了一个新台阶，从低端的价格大战走向高端的技术、产品比拼；从原始的广告战、价格战变为对行业健康、长远发展具有促进作用的差异化竞争。
随着中国乳业的迅速发展，产品结构发生很大的变化，已成为技术装备先进、产品品种较为齐全、初具规模的现代化食品制造业，随着中国人民生活水平的逐渐提高，乳制品消费市场会不断扩大并趋于成熟，中国将成为世界上乳制品消费最大的潜在市场。
2.2原材料及产品（包括中间产品）的主要技术规格
2.2.1原材料技术规格
色泽为乳白色或稍带微黄色的均匀胶体流体，略带甜味和牛乳的特有香气。
72%酒精检验呈阴性，菌落总数≤1000000cfu/ml（工厂指标）。
【表1】
序号
名称
规格
国家标准
1
冰点a,b（℃）
－0.500～
－0.560
GB5413.38
2
相对密度
（20℃/4℃）
≥1.027
GB5413.33
3
蛋白质（g/100g）
≥2.8
GB5009.5
4
脂肪（g/100g）
≥3.1
GB5413.3
5
杂质度（mg/kg）
≤4.0
GB5413.30
6
非脂乳固体（g/100g）
≥8.1
GB5413.39
7
酸度
/（ºΤ）
牛乳
12～18
GB5413.34
羊乳
6～13
备注
a挤出3h后检测。
b仅适用于荷斯坦奶牛。
2.2.2产品技术规格
具有均匀一致的乳黄色和纯正的乳香味的干燥粉末。
【表2】
序号
名称
规格
国家标准
1
蛋白质（%）
≥非脂乳固体的34%
GB5009.5
2
脂肪（%）
≥26.0
GB5413.3
3
杂质度（mg/kg）
≤16
GB5413.30
4
水分（%）
≤5.0
GB5009.3
5
复原乳酸度/（oT）
牛乳
≤18
GB5413.34
羊乳
7～14
备注
a非脂乳固体（%）＝100%－脂肪（%）－水分（%）。
b仅适用于全脂乳粉。
2.3生产流程简述
2.3.1生产规模及生产制度
1.生产规模：
年产10000t全脂乳粉。
2.工作制度：
年工作日按300d计，其中浓缩工段及喷雾干燥工段均按四班三运转进行。
2.3.2乳粉生产工艺流程（设备流程图见附图一）
原料乳验收——预处理——标准化、均质、预热杀菌——真空浓缩——喷雾干燥——出粉冷却——过筛——包装——检验——成品
2.3.3操作要点
2.3.3.1原料乳验收和预处理
原料乳的质量将直接影响成品质量的好坏，故必须严格控制其质量。
原料乳应符合无公害生鲜牛乳的生产技术规范（NY-5054-2001），同时各项指标（感官指标、理化指标和微生物指标）要符合中国规定生鲜牛乳收购标准（GB6914）。
原料乳的预处理主要包括净化、冷却、贮存三个步骤。
原料乳的净化：
为了除去乳中的机械杂质，减少微生物的数量，验收后的原料乳必须立即进行净化。
净化的方法有过滤净化和离心净化两种：
过滤净化中压力差要控制在0.07MPa以内，压力过大会出现杂质漏过滤网的跑滤现象，滤布和滤网需要经常清洗，以防滋生微生物；离心净化是指在离心机的作用下，乳中相对密度较大的微细机械杂质、脱落的体细胞等可被除去，乳中凝固的蛋白质、白血球、红血球以及一些细菌也可被除去的过程。
一般离心净乳机的离心力为6000~10000g，除菌率约为90%，故亦称为离心除菌机。
相较于过滤净化，离心净化设备清洗方便，处理效果好。
所以，本项目采用离心净化的方法对原料乳进行净化。
原料乳的冷却：
净化后的原料乳应立即冷却到5~10℃，以抑制细菌的增长，保持乳的新鲜度。
冷却宜采用板式换热器进行，冷却介质为冰水。
挤出后的鲜乳中含有一种能抑制微生物生长的抗菌物质，这种物质名为乳烃素，可抑制某些链球菌增殖。
但乳烃素抗菌作用时间长短与乳的贮存温度有关。
由【表3】知：
将鲜乳迅速冷却至5~10℃,可使抗菌作用时间延长。
【表3】乳温与抗菌作用时间的关系
乳温/℃
抗菌作用时间/h
乳温/℃
抗菌作用时间/h
37
≤2
5
≤36
30
≤3
0
≤48
25
≤6
-10
≤240
10
≤24
-25
≤720
原料乳的贮存：
冷却后的原料乳贮存在贮乳罐中。
多使用容量为50000~100000L的大型乳仓贮乳，此种大型乳仓设在户外。
原料乳贮存量至少应与工厂1d的处理量相平衡，以保证连续生产。
在冷却条件下贮乳，只能抑制微生物的生命活动，而不能杀灭微生物。
而且，乳温的升高会导致细菌大量繁殖。
因此，贮存时间不宜超过72h。
2.3.3.2标准化：
我国牛乳标准要求乳中的脂肪含量不应低于3.2％，但由于奶牛的品种、泌乳期、季节、饲料以及喂养条件的不同，使原乳中的脂肪含量可能不符合国家标准，所以需要在加工前将它标准化。
标准化的方法：
①检测原料乳中的各项指标（特别是脂肪含量和水分含量）。
②由全脂乳粉国标规定，确定产品各项指标的具体数值。
③根据标准化原则：
若脂肪含量过高，将原料乳离心分离取出一定的脂肪，再将脱脂乳剩下的原料乳中；若脂肪含量过低：
将原料乳中加入一定量的稀奶油，使它达到标准化要求。
④由温度等条件确定脱脂乳与稀奶油的脂肪含量以及非脂干物质含量。
（一般要求在分离时把稀奶油含脂率控制在40％左右，这样有利于各种乳制品的标准化工作，稀奶油浓度过高会影响到乳的分离效果以及机器的寿命。
）
⑤最后根据公式求得原料乳所需要提出或是加入稀奶油的质量。
2.3.3.3预热杀菌
目的是杀死乳中微生物和破坏酶的活性，同时可提高牛乳的热稳定性和乳粉的香味。
牛乳常见的杀菌方法有很多，具体应用时可根据产品本身特性选择不同的方法。
一般采用高温短时间杀菌法或超高温瞬时间杀菌法。
前者用管式或板式杀菌器，通常采用的杀菌条件为86～94℃、24s，或80～85℃，15s。
后者用UHT杀菌装置，条件为125～150℃，1～2s。
2.3.3.4真空浓缩
原料乳经杀菌后，应立即进行真空浓缩。
一般浓缩至原料乳体积的1/4左右，乳固体含量45%左右。
浓缩的方法有：
自然蒸发和沸腾蒸发，分为常压蒸发和减压蒸发。
由于牛乳属于热敏性物料，浓缩宜采用减压法。
浓缩设备，一般小型乳品厂多用单效真空浓缩锅，较大型的乳品厂则都用双效或三效真空蒸发器，也有采用片式真空蒸发器的。
浓缩结束，浓缩乳应进行过滤，一般采用双联过滤器。
具体浓缩的工艺条件如下：
采用三效蒸发浓缩设备，①加热蒸汽的压力（表压）：
0.05～0.2MPa。
②浓缩锅内的真空度：
82.7～93.3kPa。
③乳温：
50～60℃。
④浓缩乳的浓度：
全脂奶粉为12～13°Be`，干物质含量为400～500g/L；加糖全脂奶粉为15～20°Be`，干物质含量为450～500g/L。
浓缩结束后应立即输送至保温缸中保温至45～50℃，进行喷雾干燥。
2.3.3.5喷雾干燥
干燥是乳粉生产中很关键的一道工序，将直接影响最终产品的质量好坏。
喷雾干燥的方法有很多，应根据需要具体选择。
先将过滤的空气由鼓风机吸进，通过空气加热器加热至130～160℃后，送入喷雾干燥室。
同时将过滤的浓缩乳由高压泵送至喷雾器或由奶泵送至离心喷雾转盘，喷成10～20微米的乳滴与热空气充分地接触，进行强烈的热交换和质交换，迅速地排除水分，在瞬间完成蒸发，干燥。
随之沉降于干燥室底部，通过出粉机构不断地卸出，及时冷却。
最后进行筛粉和包装。
压力喷雾干燥法生产乳粉的工艺条件：
【表4】
项目
全脂乳粉
浓缩乳浓度/°Be`
12~13
乳固体含量/%
45~55
浓缩乳温度/°C
40~45
高压泵工作压力/MPa
13~20
喷嘴孔径/mm
1.2~1.8
喷嘴数量/个
3~6
喷嘴角/rad
1.047~1.571
进风温度/°C
140~170
排风温度/°C
75~85
排风相对湿度/%
10~13
干燥室负压/Pa
98~196
离心喷雾干燥法生产乳粉的工艺条件：
【表5】
项目
全脂乳粉
浓缩乳浓度/°Be
13~15
乳固体含量/%
45~50
浓缩乳温度/°C
45~55
转盘速度/（r/min）
5000~20000
转盘数量/个
1
进风温度/°C
200左右
排风温度/°C
80左右
排风温度/°C
90左右
2.3.3.6出粉、冷却
喷雾干燥室内的乳粉要求迅速连续地卸出及时冷却，以免受热过久，降低制品质量。
乳品工业常用的出粉机械有螺旋输送器、鼓型阀、涡旋气封阀和电磁振荡出粉装置等。
先进的生产工艺，是将出粉、冷却、筛粉、输粉、贮粉和称量包装等工序联接成连续化的生产线。
出粉后应立即筛粉和晾粉。
使制品及时冷却。
喷雾干燥乳粉要求及时冷却至30℃以下。
目前一般采用流化床出粉冷却装置。
2.3.3.7称量与包装
乳粉冷却后应立即用马口铁罐、玻璃罐或塑料袋进行包装。
根据保存期和用途的不同要求，可分为小罐密封包装、塑料袋包装和大包装。
需要长期保存的乳粉，最好采用500克马口铁罐抽真空充氮密封包装，保藏期可达3～5年。
如果短期内销售，则多采用聚乙烯塑料袋包装，每袋500克或250克，用高频电热器焊接封口。
小包装称量要求精确、迅速，一般采用容量式或重量式自动称量装罐机。
大包装的乳粉一般供应特别需要者，也分为罐装和袋装。
每罐重12.5千克；每袋重12.5千克或25千克。
2.4原材料、动力（水、电、汽、气）消耗定额及消耗量
2.4.1物料衡算
2.4.1.1每小时产量计算
年产量为10000吨,全年按300天计算，每天3班。
则q班=10000/（3×300）=11.2吨/班
每班工作8小时，则每小时产量为1.4吨/时
2.4.1.2标准化计算
1.成分表
原料乳成分表【表6】
乳脂肪F0
蛋白质
乳糖
灰分
水分
非乳脂固体S0
3.6%
3.2%
4.7%
0.7%
87.8%
8.6%
注：
非乳脂固体（%）=100（%）一脂肪实测值（%）一水分实测值（%）
产品成分表【表7】
乳脂肪F
水分
非乳脂固体S
27%
2%
71%
2.乳脂肪（F）与非脂乳固体（S）之比（R）
原料乳R0=F0/S0=3.6%/8.6%=0.42
成品R=F/S=27%/70%=0.38
标准化的方法：
由于R。
≥R，说明原料乳中的脂肪含量偏高，需要标准化使之平衡。
原料乳中的脂肪含量过高，所以要把部分原料乳进行分离，分离出的脱脂乳要加入原料乳中使它达到标准乳要求，而分离的稀奶油则另用容器贮存。
3.稀奶油及脱脂乳中的非脂干物质的计算
设定：
当预热温度为40℃时，脱脂乳含脂肪F1=0.01％，稀奶油含脂肪F2=40％
脱脂乳中非脂乳固体：
S1=[（100-F1）/（100-F0）]×S0
=[（100-0.01）/（100-3.6）]×8.6%
=8.92%
稀奶油中非脂乳固体：
S2=[（100-F2）/（100-F1）]×S0
=[（100-40）/（100-0.01）]×8.6%
=5.16%
4.每吨原料乳应添加的脱脂乳（M1）
M1=[（F0-R×S0）/（R×S1-F1）]×M0
=[（3.6-O.38×8.6）/（0.38×8.92-0.01）]×1000
=98.24kg
5.标准乳成分
脂肪含量：
F标=（M0×F0+M1×F1）/（M0+M1）
=（1000×3.6%+98.24×0.01%）/（1000+98.24）
=3.28%
非脂乳固体：
S标=F标/R=3.28%/0.38=8.6%
标准乳成分【表8】
乳脂肪
水分
非乳脂固体
3.3%
88.1%
8.6%
6.制（M1）脱脂乳需要分离原料乳（G）
设：
分离（Gkg）原料乳可得到（M1kg）脱脂乳和（M2kg）稀奶油根据脂肪含量守衡可知：
G×F0=M1×F1+M2×F2且G=M1+M2
则M2=M1×[（F0-F1）/（F2-F0）]
=98.24×[（3.6-0.01）/（40-3.6）]
=9.69kg
则需要分离原料乳：
G=M1+M2=98.24+9.69=107.93kg。
7.一吨原料乳可制得标准乳（G1）去除的稀奶油（G2）
（M0+G）/（M0+M1）=M0/G1
则1107.93/1098.24=1000/G1,G1=991.25kg
一吨原料乳可制得标准乳：
991.25kg
去除的稀奶油：
G2=1000一G1=1000-991.25=8.75kg
8.检验
一吨原料乳中含脂肪量：
m0=M0×F0=1000×3．6％=36kg
一吨原料乳分离后得到标准乳中的脂肪含量：
m1=G1×F标=991.25×3.3％=32．71kg。
一吨原料乳脱去稀奶油中的脂肪含量：
m2=G2×F2=8.75×40％=3.5kg
结论：
m0≈m1+m2，因此计算正确
标准化的损失率为：
0.875%，同时产生副产品：
稀奶油。
2.4.1.3工艺工程物料计算
查阅资料得
各流程的损失率为：
过滤——0.05%，净化——0.05%，
标准化——0.875%，均质——0.1%，杀菌——0.05%，浓缩——48%，喷雾干燥——75%，过筛——0.5%。
设每天所需原料量为W（t/d），则
W（1-0.05%）（1-0.05%）（1-0.875%）（1-0.1%）（1-0.05%）（1-48%）（1-75%）（1-0.5%）=1000/300
解得W=260.3t/d
（1）每天所需原料乳的质量为261t/d
（2）取过滤的损失率为0.05%，则经过滤后的质量为
261×（1-0.05%）=260.87t/d
（3）取净化的损失率为0.05%，则经净乳后的质量为
260.87×（1-0.05%）=260.74t/d
（4）2.4.2中算得标准化的损失率为0.875%，
则经均质后的质量为
260.74×（1-0.875%）=258.46t/d
（4）取均质的损失率为0.1%，则经均质后的质量为
258.46×（1-0.1%）=258.20t/d
（5）取杀菌的损失率为0.05%，则经杀菌后的质量为
258.20×（1-0.05%）=258.07t/d
（6）取浓缩的水分蒸发率为48%，则经浓缩后的质量为
258.07×（1-48%）=134.20t/d
（7）取喷雾干燥的水分蒸发率为75%，则经喷雾干燥后的质量为134.20×（1-75%）=33.55t/d
（8）取过筛的损失率为0.5%，则经过筛后的质量为
33.55×（1-0.5%）=33.38t/d
2.4.2动力（水、电、汽、气）消耗定额及消耗量
2.4.2.1水平衡计算：
原料乳在净化后的应立即冷却到5~10℃，以抑制细菌的增长，保持乳的新鲜度。
冷却在板式换热器中进行：
设：
原料乳进口温度：
T1=20℃，出口温度：
T2=10℃；
冷水进口温度：
t1=0℃，出口温度：
t2=4℃：
已知：
W乳=258.2t/d=10.76t/h，C乳=3.894kJ/（kg·℃），
C水=4.20kJ/（kg·℃）,则：
冷却水用量为：
W1=C乳×G（T1-T2）／C水（t1-t2）
=3.894×10.76×（20-10）／（4.20×（4-0））
=25.0t/h
所以：
换热器的用水量25.0t/h
2.4.2.2空气用量计算：
①基本参数：
已知：
干燥设备的处理量为：
M0=134.20÷24=5.592t/h
喷雾干燥塔内水分含量:
52%→2%
设定：
喷雾干燥室蒸发量W=4500kg/h。
水的比热：
，乳粉干物料比热：
，
浓缩乳进料温度：
，离开喷雾干燥塔温度：
，
浓缩乳含水量：
52%，喷雾干燥产品含水量：
2%，
新鲜空气温度：
15.3℃，新鲜空气相对湿度：
80%。
②喷雾干燥部分比容计算：
【表9】设计参数
参数
新鲜空气
热空气
废气
温度T/℃
15.3
150
80
相对湿度/%
80
0
12
湿度
/（kg水/kg干空气）
0.011
0.011
0.035
焓H/kJ/kg
49
182
176
公式：
（单位：
m3/kg）
新鲜空气比容:
v0=4.64×10-3×（0.622+0.011）×（273+15.3）
=0.847m³/Kg
热空气比容：
v1=4.64×10-3×（0.622+0.011）×（273+150）
=1.24m³/Kg
废气比容：
v2=4.64×10-3×（0.622+0.035）×（273+80）
=1.08m³/Kg
干燥室内空气的平均比容：
（v1+v2）/2=1.16m³/Kg
绝干空气用量L=W/（rm2-rm1）=4500/（0.035-0.011）=187500kg/h
需要新鲜空气的体积：
=L×
=187500×0.847=158812.5m³/h
热空气体积：
=L×
=187500×1.24=232500.00m³/h
干燥过程热空气用量
187500×1.16=217500.00m³/h
废气容积：
=（L+W）×
=（187500+4500）×1.08=207360m³/h
2.4.2.3消耗蒸汽量衡算：
物料进口温度：
94℃，物料出口温度：
45℃
进料浓度：
11.9%，出料浓度：
48%
原料液处理量：
M=258.07÷24=10.76t/h
【表10】三效降膜式蒸发器各效参数
项目
Ⅰ效
Ⅱ效
Ⅲ效
蒸发温度/℃
70
57
45
真空度p/kPa
69
83
90
加热蒸汽温度T/℃
81
70
57
物料进口温度t1/℃
94
70
57
物料出口温度t2/℃
70
57
45
出料浓度X/（%）
21
30
48
水分总蒸发量：
W=M×（1-X0÷X3）=10.76×（1-11.9%÷48%）=8.10t/h
各效消耗蒸发量
W1=M×（1-X0÷X1）=10.76
（1-11.9÷21）=4.663t/h
W2=（M-W1）×（1-X1÷X2）=（10.76-4.663）×（1-21÷30）=1.829t/h
W3=（M-W1-W2）×（1-X2÷X3）=（10.76-4.663-1.829）×（1-30÷48）=1.601t/h
2.4.2.3热量衡算
1.预热
从6℃加热到75℃，15min
Q1=MCp（t2-t1）=10.76×103×4.187×（75-6）=3.109×106kJ/h
2.杀菌
条件：
杀菌条件：
85℃，15s
Q2=MCp（t3-t2）=10.76×103×4.187×（85-75）=4.51×105kJ/h
3.浓缩
蒸发水分所需热量
【表11】不同温度水蒸汽的热焓
R（生蒸汽）
蒸汽温度/℃
164.7
81
70
57
45
热焓/kJ/kg
2071.5
2307.9
2331.3
2366.5
2389.5
Q1=W1×H1=4.663×103×2331.3=1.087×107kJ/h
Q2=W2×H2=1.829×103×2366.5=0.433×107kJ/h
Q3=W3×H3=1.601×103×2389.5=0.386×107kJ/h
4.干燥
带入热量计算：
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