年产4500吨奶粉均质机的设计.docx
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年产4500吨奶粉均质机的设计
食品机械与设备课程设计
年产4500吨奶粉均质机的设计
学院：
海洋学院
专业班级：
食品科学与工程食品102
学生姓名：
学号：
指导教师：
2012年12月7日
一、前言
1.1奶粉的含义
奶粉是以鲜奶为原料，通过加工除去水分后制成的粉末，它适宜保存，并便于运输和饮用。
因为鲜奶含水量大，营养丰富，只能保存数小时，即使冷却也不过延长数日，而制成奶粉可保存数月到数年。
由于原料奶的种类、加工方法、辅助材料及添加剂的种类不同，生产奶粉的种类也很多。
可根据所使用的原料而分成：
全脂奶粉、脱脂奶粉、调制奶粉、特殊配制奶粉、速溶奶粉、加糖奶粉、奶清粉、酪奶粉、冰激凌粉、稀奶油粉和麦乳精。
1.2我国的乳品消费现状
全国人均消费奶类13．5千克，城镇居民的人均消费达到24．8千克，农村居民人均消费2千克。
农村居民的奶制品消费趋势呈现绝对量较低，而增长速度较快。
考虑到中国农村的巨大人口数量，只要能够有效的提高农村居民收入，未来的消费潜力很大。
目前奶制品消费结构比较单一，主要消费品种为液体奶、奶粉和酸奶，对于奶酪、黄油和炼乳的消费量很少。
这种现象一方面与人们的饮食习惯有关，另一方面是人们缺乏有关奶酪、黄油和炼乳的知识。
如果加以宣传和指导，对这些产品的消费需求就会显著增长。
1.3奶粉工业发展趋势
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，但是同时，相对于整个奶粉市场而言，中国的奶粉行业发展仍然是落后于世界奶粉强国，品牌缺乏，行业竞争混乱；产品质量不过关，大大降低国产奶粉的信誉。
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。
二、工艺
2.1工艺流程
全脂奶粉的加工制造
原料验收→过滤净化→冷却→贮乳→标准化→预热杀菌→均质→浓缩→喷雾干燥→冷却→筛分→包装→装箱→检验→成品→入库
2.2工艺操作
2.2.1原料验收
生产优质的奶粉必须使用新鲜的，不能混有异常乳的原奶,比重应为1.028～1.032（20℃），酸度不超过20°T，含脂率不低于3.1%，乳固体不低于11.5%。
杂菌数不超过20万个/毫升。
2.2.2预处理
2.2.2.1原料乳的净化
牛奶通过离心净乳后，则可把乳中不能由过滤方法除去的细小污物、脱落的乳房上皮组织、白细胞等分离除去，达到高度净乳的目的。
2.2.2.2原料乳的标准化
生产奶粉时，为了获得稳定组成成分的产品，每批产品所用原料乳必须经过标准化，确保原料乳乳脂肪与非脂乳固体之比等于成品中脂肪与非脂乳固体之比。
2.2.3预热杀菌
杀菌可以彻底杀死牛乳中的病原菌和绝大多数腐败微生物，破坏牛乳中酶的活性，提高牛乳蛋白质的热稳定性，满足浓缩工序对牛乳温度的要求。
一般采用高温短时间杀菌法或超高温瞬时间杀菌法。
通常采用的杀菌条件为86～94℃，24s或80～85℃，15s。
2.2.4均质
均质是一种使液体分散体系中的分散物微粒化、均匀化的处理过程，其目的是降低分散物的尺寸，提高分散物分布的均匀性。
在奶粉生产中，经过均质可降低乳中游离脂肪的含量，从而增强奶粉抗氧化能力和提高其溶解度。
均质时一般压力控制在14-21Mpa，温度控制在60℃为宜。
二级均质时，第一级压力为14-21Mpa，第二级压力为3.5Mpa左右。
2.2.5真空浓缩
蒸发是生产高质奶粉不可或缺的过程，经过预浓缩，奶粉颗粒增大，同时颗粒所包裹的空气明显减少，利于储藏期间保持稳定性。
由于牛乳属于热敏性物料，浓缩宜采用减压法,以获得45~55%干物质含量。
2.2.6压力喷雾干燥
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。
2.2.7出粉、冷却
喷雾干燥中形成的奶粉，应尽快连续不断地排除干燥室外，以免受热时间过长，游离脂肪含量增加，不但影响奶粉质量，而且在保藏中也容易引起氧化变质。
2.2.8筛粉，贮粉
筛粉一般采用机械振动筛，网眼为40~60目。
过筛后可将粗粉细粉混合均匀，并除去团块和粉渣。
新生产的奶粉经过12~24h的贮藏，其表观密度可提高15%左右，有利于包装。
2.2.9称量与包装
由于全脂奶粉含有26%以上的乳脂肪，易受日光、氧气等作用而变化，此外由于奶粉颗粒的多孔性，表面积很大，吸潮性强，所以包装室应对空气采取调湿降温措施，室温一般控制在18~20℃，空气相对湿度为75%为宜。
需要长期保藏的奶粉应采取真空包装或充氮密封包装，全脂奶粉最好采用500g铁罐充氮密封包装，保藏期可达3~5年。
三、物料衡算与动力衡算
3.1每小时产量计算
本设计主要是进行年产量为4500吨奶粉均质机的设计。
本设计暂定每周工作六天（周一~周六），国家法定节假日照常休息，平均年工作日为300天。
在正常情况下，采用两班工作制，每天工作时间为10小时（不包含清洗时间2小时），机械设备查修和保养时间分插入每月月底。
设q—平均日产量,t/d
K—设备不均匀系数,k=0.7—0.8
Q—年产量为4500吨
则q=Q/（k×300×8）=4500/（0.75×300×10）=2t
每小时处理量为2吨/时
3.2标准化计算和工艺流程计算
原料乳成分表
乳脂肪
蛋白质
乳糖
水分
灰分
非乳脂固体
3.6%
3.2%
4.7%
0.7%
87.8%
8.6%
注：
非乳脂固体（%）=蛋白质（%）+乳糖（%）+灰分（%）
产品成分表:
乳脂肪
水分
非乳脂固体
27%
2%
71%
乳脂肪（F）与非脂乳固体（S）之比（R）
原料乳：
成品：
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，需向其中加入一部分脱脂乳使它达到标准乳要求。
设定：
原料乳质量A=1000㎏，标准化后质量为B,原料乳含脂率3.6%，脱脂乳含脂率0.01％，加入x㎏脱脂乳混合后标准乳含脂率r=2.7%～3.1%,取3.1%.则
A+x=B
X×0.01%+1000×3.6%=B×3.1%
X=161.81㎏,B=1161.81㎏
标准乳成分
乳脂肪
水分
非乳脂固体
3.3%
88.1%
8.6%
查阅资料得
各流程的损失率为：
预处理0.1%（过滤—0.05%净乳—0.05%）均质—0.1%杀菌—0.05%过筛—0.5%浓缩—48%喷雾干燥—75%
设原料量为W吨/时，则
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吨/时
（1）原料乳的质量为13.342吨
（2）取过滤的损失率为0.05%，则经过滤后的质量为
13.342×（1-0.05%）=13.335吨
（3）取净乳的损失率为0.05%，则经净乳后的质量为
13.335×（1-0.05%）=13.328吨
（4）标准化后的质量为13.328×（1+0.16181）=15.485吨
（5）取杀菌的损失率为0.05%，则经杀菌后的质量为
15.485×（1-0.05%）=15.477吨
（6）取均质的损失率为0.1%，则经均质后的质量为
15.477×（1-0.1%）=15.462吨
（7）取浓缩的水分蒸发率为48%，则经浓缩后的质量为
15.462×（1-48%）=8.040吨
（8）经喷雾干燥、流化床后，水分蒸发大约97%。
取操作过程中损失率75%，则经干燥后的质量为8.040×（1-75%）=2.01吨
（9）取过筛的损失率为0.5%，则经过筛后的质量为
2.01×（1-0.5%）=2吨
3.3具体物料衡算流程图如下：
原料乳验收13.342吨/时
↓
过滤13.342吨/时
↓-0.05%
净乳13.335吨/时
↓-0.05%
冷却13.328吨/时
↓
贮乳13.328吨/时
↓
标准化13.328吨/时
↓
预热杀菌15.485吨/时
↓-0.05%
均质15.477吨/时
↓-0.1%
真空浓缩15.462吨/时
↓-48%
喷雾干燥8.040吨/时
↓-75%
出粉冷却2.01吨/时
↓
过筛2.01吨/时
↓-0.5%
包装2吨/时
↓
成品
3.4水、电、汽、气消耗计算
3.4.1水平衡计算：
原料乳冷却能抑制细菌的增长，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=13.342t/h，C乳=3.894kJ/（kg·℃），C水=4.20kJ/（kg·℃）,
则：
原料乳在净化后冷却水用量为：
W1=C乳×G（T1-T2）／C水（t1-t2）
=3.894×13.342×（20-10）／（4.20×（4-0））
=30.925t/h
原料乳在标准化后冷却水用量为：
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：
总用水量为123.602t/h
3.4.2用气量估算：
奶粉车间主要耗气是杀菌、均质、设备和管道的清洗消毒。
杀菌和均质段耗气量700㎏/h，设备和管道的清洗耗量为350㎏/h，浓缩过程耗气量为1100㎏/h，干燥过程耗气量为800㎏/h，
总耗气量为：
（700+350+1100+800）×10=29500㎏=29.5t/h。
3.4.3耗电量估算：
生产车间电器总功率估算：
W=P×t=200×20=4000度。
考虑到照明用电和意外用电情况，增加15%用电量：
4000×（1+15%）=4600度。
3.4.4热量衡算
预热
从6℃加热到75℃，15min
Q1=MCp（t2-t1）=13.342×103×4.187×（75-6）=3.85×106kJ/h
杀菌
条件：
杀菌条件：
85℃，15s
Q2=MCp（t3-t2）=15.485×103×4.187×（85-75）=6.48×105kJ/h
3.4.5耗冷量计算：
预处理冷藏耗冷量：
根据物料衡算可知，原料乳的量为：
G=133.42t/d
又知：
原料乳从15.3℃下降到6℃，工艺要求在1h内完成，则所需耗冷量为：
Q1=Gc（t1-t2）/τ=133.42×3.894×（15.3-6）/1
=4.83×103kJ/h
根据设计结果，一共有6个贮乳罐，则每个罐原料乳耗冷量为：
Qf=Q1/10=4.83×103/5=966kJ/h
相应的冷冻介质（2℃的冷水,出口温度为85℃）耗量为：
M1=Q1/c（t2-t1）=4.83×103/（4.18×（85-2））=13.92kJ/h
四、均质机设计方案的确定
技术要求如下：
（1）所设计的均质机能够完成对两种流体物料的均质与乳化
（2）额定压力为一级20Mpa、二级3.5Mpa
（3）尺寸规格为1500mm×1000mm×1500mm
（4）额定流量为4000L/h
物料进入一级均质阀处，由于一级均质阀的阀杆与阀座之间的间隙非常小，从而使排出单向阀处的物料产生很高的压力，高压物料由于通过一级均质阀进行均质，会产生很大的摩擦力和热量，所以一级均质阀的材料要硬，且要有耐磨性。
均质机的有效功率可以根据全压力和实际流量进行计算。
由于高压均质机的全压力和均质压力基本接近，所以，一般均依照均质压力和实际流量按下式计算：
式中
——均质机的有效功率，kW；
——均质机的均质压力，Pa；
——均质机的实流量，m3/s。
将
=20
106Pa、
=4000L/h带入上式中得
=
22.2kW
当均质机与原动机直接连接时，均质机输入功率就等于原动机的输出功率。
由于存在机械摩擦等损失，均质机的输入功率大于有效功率。
输入功率可按下式计算：
式中
——均质机的输入功率，kW；
——均质机的有效功率，kW；
——均质机的效率；
在进行均质机设计时，通常要根据均质机的结构型式和参数以及加工质量等预先选取，一般
=0.80~0.90。
流量较大，压力较低，制造质量高，介质含气量较少时，可选较大值。
反之则选较小值。
根据此次课题的要求选
=0.85
计算的
=22.2÷0.85=26.12kW
泵体的结构设计要求
泵体在结构上应力求形状简单，壁厚均匀，内部流道要短而直，尽量避免拐弯和断面的急剧变化，此外还必须有足够的机械强度、耐腐蚀性和良好的机械加工工艺性。
实际上，对一般泵体壁厚确定和强度校核都把它们近似地当成薄壁或厚壁圆筒来计算。
假定泵体为一外圆半径为
、内圆半径为
的等厚圆筒，且
/
1.5时，则可由薄壁圆筒公式确定壁厚：
式中
——壁厚，cm；
——焊接系数，无焊接时
；
——缸内最大的工作压力，Mpa；
——泵体内径，cm；
——考虑铸造偏心及腐蚀所留余量，一般取
cm；
——许用应力，Mpa；
钢制泵体许用应力
若按抗拉强度
取，安全系数应大于4；按屈服强度
取，安全系数为2~3。
高压泵选型：
合肥通用机械研究院喷射技术与往复泵研究所
品牌：
GMRI
型号：
WJ40-250
工作压力：
40-250MPa
柱塞直径：
10-40（mm）mm
重量：
30-600（kg）kg
转速：
500-1500（r/m）r/m
柱塞数：
3
材质：
不锈钢
驱动方式：
电动
用途：
输送液体
类型：
高压柱塞泵
泵轴位置：
卧式
流量：
1.5-9.6（m3/h）
均质阀是均质机的关键部件，有高压泵送来的高压液体，在通过均质阀时完成均质。
均质阀所选的材料必须十分坚硬，具有极强的耐磨蚀性，而且须有良好的抗锈蚀性。
均质阀选型：
上海东华高压均质机厂
性能技术指标
乳化平均颗粒μm
≤1
传动部件温度
≤65
固体分散平均径μm
≤2
噪音dB≤37kw
45-55kw
75-200kw
≤88
≤90
≤93
物料最高温度℃
特定℃
≤90
≤150
适用物料特性PH
2-10
容积效率 球型
碟型
≥85%
≥90%
进料粒径μm（平均）
≤30
在额定压力下
连续工作
电压（V）
380
电流HZ
50
选用理由
1.采用钨钴类合金材料，耐磨、耐腐蚀、耐冲击。
两头均能使用，使用寿命长，磨损后可多次修磨，修磨后其性能不变，同时具有结构简单，容积效率高，密封性好等优点。
2.在一组阀内可进行多次均质过程，在同样压力下均质效果明显提高，具有省能耗、效率高等优点。
五、设备选型
5.1贮奶罐
根据物料衡算得，若想生产2t/h的乳粉,则原料量为13.342t/h，则按一天10小时工作计，则一天贮奶量为133.42t/d，经计算需要128288.5L/d（密度约为1.04g/ml）。
选用上海瑞派公司的BPC-30型的贮奶罐5个，其主要参数为：
项目
技术指标
设备名称
BPC系列室外储罐
厂家介绍
上海瑞派机械有限公司
设备型号
BPC-30
罐体总高（mm）
7850
罐体外径（mm）
2700
进出口径（mm）
51
电机功率（kW）
2.2
公称容积（L）
30000
设备重量（kg）
3720
5.2过滤器
根据物料衡算得，若需要生产2t/h的乳粉,则原料量为13.342t/h，可以选用郑州玉祥机械设备有限公司的双联过滤器，其主要参数如下：
项目
技术指标
过滤面积（㎡）
0.75
过滤温度（℃）
≤100
使用压力MPa
0.2
进口管径
G2＂
出口管径
G2＂
外形尺寸mm（长×宽×高）
1300×500×1300
5.3净乳机
根据物料衡算得，若想生产2t/h的乳粉,则原料量为13.335t/h，则一小时净奶量为13.335t/h，经计算需要12822.12L/h。
选用江苏巨能机械有限公司的DHN550型的净乳机1台，其主要参数如下：
项目
技术指标
机型
DHN550
处理量（L/h）
15000
进口压力（Mpa）
0.05
出口压力（Mpa）
0.1-0.5
电机功率（kw）
22
质量（kg）
2300
外型尺寸（mm）长×宽×高
1950×1500×1960
5.4板式杀菌换热器
根据物料衡算得，若想生产2t/h的乳粉,则原料量为15.485t/h，即14889L/h。
选用上海宣辰机械设备有限公司BR0.05型板式换热器，其具体参数如下：
规格
BR0.05
单片换热面积㎡
0.05
板片尺寸㎜
500×168
板片厚度㎜
0.8
角孔直径㎜
38
接管直径㎜
28
波纹形状
人字形波纹
平均板间距㎜
3.8
可组合换热面积㎡
0.5～5
最大允许使用压力Mpa
0.4～2
最高允许使用温度℃
一般120～160℃特殊可达250℃
传热系数W/㎡℃
2000～6000
5.5均质机
根据物料衡算得，均质量为15.477t/h。
选用上海申鹿SRH4000型均质机，其具体参数如下：
项目
技术指标
规格型号
SRH4000-30
柱塞根
3
额定流量升/小时
4000
最大工作压力MPa
30
连续工作压力Mpa
24
电源（KW）
40
重量（Kg）
1800
外形尺寸L×W×H（m）
1.5×1×1.5
5.6离心泵
选自长沙中联泵业有限公司
项目
技术指标
规格型号
IS80-50-250B
额定流量（t/h）
20
额定扬程（m）
15
转速（r/min）
1450
功率（kw）
1.5
吐出锥管口径（mm）
80
六、参考文献
[1]骆承痒主编，《乳与乳制品工艺学》，农业出版社，1992
[2]蒋迪清，唐伟强主编，《食品通用机械与设备》，华南理工大学出版社，1996
[3]伍建新主编，《乳品技术装备》，中国轻工业出版社，2000
[4]郭本恒主编，《乳粉》，化学工业出版社，2003
[5]薛效贤主编，《乳品加工技术及工艺配方》，科学技术文献出版社，2004
[6]伍建新主编，《乳品生产技术》，科学出版社，2004
[7]许学勤主编，《食品工厂机械与设备》，中国轻工业出版社，2008
七、设计小结
当设计任务布置下来后,我定下了年产4500吨奶粉均质机的设计题目。
由相关数据文献得知，因奶牛的品种、泌乳期、季节、饲料以及喂养条件的不同，原乳中的脂肪含量可能不符合国家标准，在加工之前必须标准化。
生产过程中，不同的设备也会有不同的加工效果，必须根据相关的参数进行设备选型和绘制主要设备。
其中，以原奶及成品的指标为计算依据，设备的选型紧紧围绕生产的实际需要，以降能节耗、提高产品品质为原则，使得整套工艺及设备配置科学合理。
经过这次课程设计，我发现，课程设计对于实践要求很高，而很多时候我们只局限于书本，在现实生产过程中不具有可行性，这让我充分认识到，知识只有付诸于实践才能内化吸收。
最后非常感谢程老师的悉心指导和耐心纠正。
附图纸
生产工艺流程图
关键设备结构图
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