年产6000吨奶粉的喷雾干燥塔设计.docx
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年产6000吨奶粉的喷雾干燥塔设计
食品机械与设备课程设计
年产6000吨奶粉的喷雾干燥塔设计
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.奶粉的含义：
所谓奶粉是指以新鲜牛乳为原料，或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，通过冷冻或加热的方法除去乳中几乎或全部的水分，干燥而成的粉末。
奶粉是一种营养价值高贮藏时间长，方便运输的产品，奶粉里面富含着蛋白质，糖类，脂肪，矿物质和维生素营养素，奶粉能一直保持牛乳中的营养成分，主要是由于奶粉中的水分含量很低，发生了所谓的“生理干燥现象”。
而用喷雾干燥生产出来的全脂奶粉蛋白质不低于24%，脂肪不低于26%，乳糖不低于37%，水分3%左右。
2.奶粉的种类：
2.1全脂奶粉：
仅以乳为原料，添加或不添加食品营养强化剂，经浓缩，干燥制成的蛋白质不低于非脂乳固体的34%，脂肪不低于26%的粉状产品。
2.2脱脂奶粉：
仅以乳为原料，添加或不添加食品营养强化剂，经浓缩，干燥制成的蛋白质不低于非脂乳固体的34%，脂肪不低于2%的粉状产品。
2.3调制奶粉：
以乳为原料，添加或不添加食品营养强化剂和其他辅料，经浓缩，干燥制成的粉末状产品，或在奶粉中添加食品营养强化剂和其他配料而制成的粉状产品。
2.4全脂加糖奶粉：
添加白砂糖，蛋白质不低于15.8%，脂肪不低于20%，蔗糖不超过20%的调制乳粉。
2.5调味奶粉：
对风味和某些成分做了调整，乳固体不低于70%，蛋白质不低于16.5%或不低于22%，脂肪不低于18%的调制奶粉。
2.6配方奶粉：
调整了奶粉的天然营养成分和含量比例，满足特定的人群的营养需求，乳固体不低于65%的调制奶粉。
3.国内奶粉行业的生产和消费状况
目前，国内已有大小乳粉生产厂500多家，乳粉的种类以全脂乳粉，全脂甜乳粉，脱脂乳粉为主。
从20世纪50年代初至今，奶粉一直是中国最重要的一种乳制品。
中国存在着牛奶生产区域补补均衡，牛奶消费区域不平衡和奶牛产奶季节的不均衡，奶粉在调节这些不平衡中起到了非常重要的作用。
在奶粉的生产上功能性奶粉会有不小的发展空间，例如婴幼儿奶粉，降糖奶粉，高钙奶粉等，另外奶粉市场的细分化也会越来越明显，产品的价格性能比会有所提高。
总之乳制品的发展会有不小的空间区域。
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
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。
二：
年产6000吨奶粉的工艺介绍
2.1工艺流程
原料乳验收---预处理---标准化---预热杀菌，均质---真空浓缩---喷雾干燥---流化床干燥---出粉---冷却--筛粉---称重包装
2.2操作要点
2.2.1原料乳的验收
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）要结合中国规定生鲜牛乳验收的条件。
原料乳必须新鲜，不能混有异常乳，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。
合格牛奶要进行过滤和净化等处理。
2.2.2原料乳的预处理
原料乳的预处理包括净化和分离，净化的目的是除去牛乳中的机械杂质，以及附着在这些杂质上的微生物，比如牛乳的毛和泥土等。
而牛乳的分离是指乳脂肪，非脂乳固体和各种杂质之间密度的不同，利用静置的重力作用或离心分离是离心力的作用，使密度不同的三部分分离开来，达到高度净化的目的。
2.2.3原料乳的标准化
标准化是指生产各种乳品时，使原料乳的各种成分符合规定的要求。
牛乳进行标准化的方法是将牛乳加热至55℃~65℃，利用牛乳分离机的离心力，先将牛乳分成稀奶油和脱脂乳两部分，然后进行标准化。
标准化后的原料乳脂及与非脂乳固体之比应等于成品中脂肪与非脂乳固体之比。
2.2.4原料乳的均质：
原料乳验收，预处理和标准化后就进行均质，使牛乳中的脂肪球变小，数目增多，均质后脂肪球变小，从而可以有效地防止脂肪的上浮，并易于消化吸收。
为了达到更好的效果会有二级均质，二级均质是使一级均质后的脂肪球重新结合在一起的小脂肪球分开，从而提高均质效果。
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，第二级均质压力为350Mpa左右。
2.2.5原料乳的预热杀菌
奶粉加工过程中的杀菌主要目的是杀灭各种致病菌和破坏各种酶的活力。
提高牛乳的热稳定性，同时高温杀菌可以提高奶粉的香味，在分解的过程中生成含硫氨酸，而产生活性硫氢酸，提高奶粉的抗氧化性，延长奶粉的保质期。
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，选择杀菌条件与设备和干燥方法有关。
喷雾干燥制造全脂奶粉，一般采用高温短时杀菌法与浓缩设备相连。
若使用片式或管式杀菌器，通常采用的杀菌条件为80～85℃、保持30秒钟，或95℃，保持24秒钟。
若用超高温瞬时杀菌装置，则为120～150℃，保持1～2秒钟，立即冷却到50~70℃。
2.2.6真空浓缩
原料乳经预热杀菌后立即进行真空浓缩。
一般浓缩至原料乳体积的1/4，即固体乳含量的40%~50%。
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。
一般使用的浓缩设备有单效循环式升膜蒸发器，单效降膜式蒸发器，双效降膜式蒸发器和板式蒸发器。
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。
2.2.7奶粉的压力喷雾干燥
喷雾干燥是喷雾和干燥密切结合，用单独一次工序可将浓缩乳干燥成乳粉。
喷雾式干燥的先行步骤和必要条件，干燥则是过程的目的。
这两方面同时决定着过程的本质和影响产品的品质。
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。
奶粉通过喷雾干燥以后还有15%左右的水分，因此还要进行流化床的干燥，再到出粉冷却，筛粉，称重和包装
三物料衡算
1.每小时生产量的计算
年产6000吨，全年按300天计算，每天2班制，每班制8小时，每班制两小时用来清洗，。
设小时生产量为q=6000/300/（6*2）=1.668t
2.原料乳及成品乳的成分
表一原料乳成分原料乳成分
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%
表二成品乳成分
乳脂肪
水分
非乳脂固体
27%
3%
70%
3.标准化计算
原料乳R2=
=
=0.4186
成品乳R1=
=
=0.3857
标准化的方法：
由于原料乳中的脂肪高于成品乳的脂肪，所以标准化时需从原料乳中分离出一部分稀奶油或加入一部分脱脂乳。
当预热温度为40℃时脱脂乳含脂肪F3=0.01%，
设标准化前的质量为A,增加脱脂乳的质量为B，原料乳的含脂率为P%，脱脂乳的含脂乳率为q%。
按比例混合后使混合乳的脂肪含量符合标准化后的脂肪含量为r%,对脂肪进行物料衡算，由题意可知p=3.6q=0.01%r=3.1%
A×P%+B×q%=（A+B）×r%
3.6%×A+0.01%×B=（A+B）×3.1%
A+B=19.702tA=19.152t因此B=0.55t
综上所述需要添加550Kg的脱脂乳才能达到标准乳的脂肪含量
4具体生产物料衡算
查阅资料得各流程的损失率为：
预处理0.5%（过滤——0.05%，净化——0.05%）
均质——0.1%杀菌——0.5%浓缩——48%（浓缩后料液浓度取48%）喷雾干燥——75%%（可得97%的奶粉）出粉冷却筛粉——0.5%
则过筛前的质量为：
1.668÷（1-0.5%）=1.689t
则流化床干燥前的质量为：
1.689÷（1-17%）=2.035t
则喷雾前的质量为：
2.035÷（1-80%）=10.174t
则浓缩前的质量为：
10.174÷（1-48%）=19.565t
则杀菌前的质量为：
19.565÷（1-0.5%）=19.663t
则均质前的质量为：
19.663÷（1-0.1%）=19.702t
物料衡算流程图如下：
原料乳验收-----------------19.249t
预处理---------------------19.249t.
—0.5%
标准化---------------------19.152t
+0.55t脱脂乳+2.79%%
预热均质---------------------19.702t
—0.1%
杀菌---------------------19.663t
—0.5%
真空浓缩---------------------19.565t
—48%
喷雾干燥---------------------------------10.174t
—80%
流化床干燥------------------------------2.035t
—17%
出粉冷却---------------------------------1.689t
—0.5%
晾粉筛粉---------------------------------1.680t
—0.02%
称重包装---------------------------------1.680t
检验------------------------------------1.680t
成品------------------------------------1.680t
5喷雾塔的计算
查阅相关数据：
浓缩奶固形物含量48%每小时喷雾10.174t,浓奶的密度为1120kg/m3,浓奶含水量55%，奶粉含水量3%。
喷雾压力147×105N/m2。
进入干燥器热空气温度为350℃。
喷嘴孔径为0.9mm,喷嘴系数为0.293。
计算出喷雾塔的一个相对塔高和塔径。
5.1干燥室内物料蒸发的水含量W为：
W=
=
=3091（kg/h）
5.2干燥塔的直径计算，首先计算容积干燥强度：
Av=0.03T1-1=0.03×350-1=9.5（kg/m3/h）
塔径：
D=1.05
=1.05
=7.22m
5.3干燥塔的高度计算
H=（1.1~1.2）D=（1.1~1.2）*7.22=7.942~8.664m
四设备选型
1.奶槽车
由于每小时要处理19.249t的原料乳，每天就要处理231t,处理量较大，考虑到可能要来源于不同的牧场，为了尽快的将原料奶送至加工厂，所以选择5辆50吨的奶槽车运送原料奶。
2.磅奶槽和受奶槽
本设计中的原料奶一部分由奶槽车从牧场上运来，同时一部分由奶农个人运来，所以，设计设备容量要综合两方面来考虑，大小要适中。
目前，我国乳品厂普遍使用300L的磅奶槽，与它配套的受奶槽容量是600L。
3.贮奶罐
奶槽车将原料乳从不同的地方运到加工厂后要先贮藏在贮奶罐中每小时生
产1.667t奶粉，需要原料奶19.249t/h，则一天生产12个小时，一天贮奶量为231t通过密度1120kg/m3计算需要206250L容量的贮奶罐.原料量比较大，选用户外式大型贮奶缸30吨
3.奶泵
根据物料衡算，每小时输送19.249t的原奶，即17.187m3的原奶，选用温州强忠机械科技有限公司生产的QZ20-24-型卫生奶泵主要设备参数为：
流量
20t/h
扬程
24m
功率
4kw
进出口管径
51mm×51mm
4过滤器
很据物料衡算，每小时输送19.249t的原料乳，选用武汉恒之晟机械设备有限公司声场的SC双联过滤器2个，主要设备参数为：
过滤面积
0.15~0.30m2
过滤能力
10/t
适用温度
≤120℃
滤网孔径
60~400目
工作压力
≤0.2MPa
进出口管径
32mm40mm
5.净乳机
根据物料衡算，每小时要输送19.249t的原料乳，除去过滤的损失率外还剩下19.153t选用东宁县银河贸易有限公司的Ж5-OO-15净乳机。
其主要设备参数为：
生产能力（L/h）
15000
滚筒频率C-1（r/m）
83±2（5000±120）
功率（KW）
15
尺寸（1350*1200*1700
1350*1200*1700
重量（kg）
1350
分离温度（℃）
35-45
出奶口压力（兆帕）
≤0.29（3.0）
缓冲水压力（兆帕）
≤0.24（2.5）
6.离心泵，用于输送每两种加工机械之间的原料乳，选用温州强忠机械科技有限公司生产的QZ20-24-型卫生离心奶泵8台，设备主要参数为：
流量
20t/H
扬程
24m
出入口道直径
51×51
功率
4kw
7.均质机
根据物料衡算，每小时要输送19.702吨的原料乳，选择江苏科威机械有限公司生产的，GJJ-10/25型均质机2台，主要设备参数为：
流量
10000L/h
最大压力
25mpa
额定压力
20mpa
电机功率
75kw
外型尺寸
2725*1398*1320
8.板式换热器
根据物料衡算，每小时杀菌19.663t的原料乳，即17556L/h,所以选用广州热儿热工设备有限公司生产的BR0.4型板式换热器。
主要设备参数为：
单片换热面积：
m2
0.4095
最大处理量L/h
20000L/h
板片外型尺寸：
mm
1215*456*0.7
有效换热面积：
m2
0.4095
工作温度：
℃
≤150
工作压力：
MPa
0.6,1.0
9.三效降膜式蒸发设备
根据物料衡算，每小时有19.565t的原料乳进行浓缩。
选择上海劲森轻工机械有限公司生产的JMNS03-540三效降膜式蒸发设备2台。
主要设备参数为：
水分蒸发量kg/h
5400
料液处理量t/h
10
进料浓度%
11.5~12
出料浓度%
45~48
蒸汽压力MPa
0.6~0.8
蒸汽耗量kg/h
1790
蒸发温度一效℃
70
蒸发温度二效℃
57
蒸发温度三效℃
45
加热温度一效℃
80
加热温度二效℃
70
加热温度三效℃
57
电机总功率kw
44
10.喷雾干燥设备
根据物料衡算计算出喷雾干燥器的塔高和塔径。
考虑到每小时的蒸发水量为3091kg/h,根据干燥塔的不同的工作功率和干燥塔的占地面积，相比较之下选择东宛盛雄激光有限公司生产的JGT-Y5000型压力式喷雾干燥塔，主要设备主要参数为：
水分蒸发量（kg/h）
5000
干燥室有效容积（m3）
800
喷雾压力（Mpa）
13-15
蒸汽压力（Mpa）
0.4-0.9
进风温度
≥160
排风温度
75-85
喷嘴数量及孔径
6×3.5
蒸汽耗量（kg/h）
11300
外型尺寸（m）
20×25×33
11.旋风分离器
根据进风量选择新泰市金鼎机械制造有限公司生产的CZT3.0型旋风分离器。
主要参数为
进口风速m/s
11-15
风量m3/h
790-1080
阻力pa
750-1470
效率%
80-94
外型尺寸
462×450×1750
五热量衡算
喷雾干燥设备绝对干燥空气的消耗量L
L=
=
=2.5×104（kg/h）【0.032和0.011是根据物料横算时的车间温度从对应的h-
图查取来的】
加热空气所需饱和水蒸汽量的计算若用饱和蒸汽压力p=7.0×105N/m2,查的冷凝潜热Lv=2070kJ/kg,故加热空气所消耗的热量q为：
Q=L（h1-h2）=2.5×104×（180-49）=3.275×106（kJ/h）
加热空气所需的蒸汽量D为
D=
=
=1582.1（kg/h）
五：
参考文献：
【1】郭成宇现代乳品工程技术北京：
化工工业出版社2004年
【2】武建新乳品技术装备北京：
中国轻工业出版社2000年
【3】郭本恒现代乳品加工技术丛书-乳粉北京：
化学工业出版社2003年
【4】夏文水食品工艺学北京：
中国轻工业出版社2011年
【5】中国食品机械设备网
【6】肖旭霖食品机械与设备北京：
科学出版社2006年
【7】武建新乳品生产技术北京：
科学出版社2004年
六：
小结
通过这次对奶粉的课程设计，我知道了全脂奶粉的生产过程。
一开始拿到课题的时候真的是手足无措，丝毫不知道怎么去做，后来通过查阅一系列的参考书和老师的帮助，终于弄清楚了完整的生产流程，和一些注意点。
平时我们接触的都是市场上出售的成品，第一次这么近距离的接触成品奶粉生产过程，从原料乳的验收一步一步的直至奶粉出来，这对我们将来就业也是有很大的帮助的，锻炼了我们的能力，培养了我们独立思考的能力和设计的能力。
在设计过程中最让我感到困难的是物料衡算，一开始标准化就不知道怎么做，还是在老师的帮助下才完成的，标准化后的损失率计算就简单多了，一步一步地从最后一步往前做就可以了。
在考虑了很多因素，生产量，生产功率等等之后就要选择生产的设备型号了，因为奶粉生产过程中的步骤很多，所以设备也很多。
总之通过自己的努力和老师同学的帮助把课程设计完成了，这也是一种新的经历和体验。
最后也要衷心感谢程老师在课程设计中对我的悉心指导和帮助。
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