第三章 食品工厂生产工艺设计

第三章食品工厂生产工艺设计
食品工厂生产工艺设计是以生产产品的生产车间为主而进行的设计，生产的工艺流程设计和车间布置是生产工艺设计的两个重要内容，是决定工艺计算、车间组成、生产设备及设备布置等方面内容的关键步骤。

不论食品工厂的总体设计还是车间设计，都是由工艺设计和非工艺设计（包括土建、采暖、通风、给排水、供电、供汽等）组成，工艺设计是整个设计的主体和中心。

工艺设计的好坏直接影响到全厂生产和技术的合理性，并且对建厂的费用和生产的产品质量、产品成本、劳动强度等有密切的关系，所以工艺设计在整个工厂设计中占有很重要的地位。

食品工厂设计是由食品工艺设计人员和其它专业设计人员相互配合、协同设计而完成的。

例如食品生产工艺设计在进行车间布置时，工艺专业根据生产要求和设备配置对厂房的长、宽、高以及门、窗、楼梯、办公生活服务用房等的位置、尺寸大小提出要求，土建专业人员在设计中应尽可能满足工艺方面的合理要求。

反过来，土建专业要求厂房的长、宽、高服从建筑模数制的规定，工艺专业人员也要执行。

在食品工厂设计中会遇到很多诸如此类的协作配合设计问题，因此食品工厂设计首先要求工艺设计具有先进性和合理性，因为它将直接影响到其它协同设计的配套专业的设计先进性和合理性。

一个新建工厂经过设计、施工、安装直至投产能否取得良好的技术经济效果，首先是考核生产纲领、产量、质量是否达到或超过设计前期工作阶段所决定的要求，生产成本是否低于国内外的一般可比水平，在市场上是否具有很强的竞争力，从而能很快回收投资等等。

总之，评价一个工厂设计最主要点是看它工艺生产技术是否先进可靠、安全适用，在经济上是否合理有利。

因此，一个技术上先进可靠，经济上合理有利的优秀的工厂设计，它的生产工艺、设备选择及车间布置都应该是先进合理的。

可见生产工艺设计在整个设计中占有非常重要的地位。

第一节生产工艺设计的依据和内容
一、生产工艺设计的依据
食品工艺专业设计人员在进行生产工艺设计时必须以项目建议书和可行性研究报告中规定的生产纲领为依据。

根据原料的产地、特性和产品的质量要求，以及厂址的水文地理条件，并结合国内设备制造供应条件和引进国外技术与装备的可能性，尽量采用先进的工艺技术和设备。

设计的主要依据为：
l）项目建议书和可行性研究报告。

2）环境影响预评价报告。

3）厂址选择报告。

4）项目负责人下达的设计工作提纲和技术决定。

5）若采用新工艺、新技术和新设备时，必须在技术上有切实把握并且依据了正式的。

试验研究报告和技术鉴定书，经有关方面核准后方可作为设计依据。

二、生产工艺设计的内容
设计阶段一般分为初步设计和施工图设计。

初步设计主要解决生产技术经济问题；施工图设计主要解决工程项目的施工、安装、制造及生产问题。

1．初步设计阶段
初步设计是根据批准的《可行性研究报告》、《环境影响预评价报告》、《厂址选择报告》等设计基础资料，对项目进行系统的研究，在投资额度内和质量要求下，在指定的时间、空间限制条件下，做出技术上可行、经济上合理的设计和规定，并编制项目总概算。

根据轻工业建设项目初步设计编制内容，生产工艺设计的主要内容有：
1）设计依据和范围。

2）全厂生产车间组成（如空罐车间、实罐车间、杀菌间等）。

3）全厂生产工艺流程比较、选择和阐述。

4）各生产车间综合叙述内容包括：
①车间概况及特点：阐述车间设计的生产规模、生产方案、生产方法及工艺流程等的特点、其技术的先进性、布置的合理性、生产的安全性及多方案比较。

②车间劳动组织：车间主任、工段长、班长及员工。

③工作制度：年工作日、日工作小时、生产班数等。

④成品或半成品的主要技术规格及标准（国家标准、行业标准、企业标准）。

⑤生产流程简述：物料经过设备的顺序及生成物的去向，产品及原料的运输和贮备方式，主要操作技术条件及操作要点。

⑥采用新技术的内容、效益及来源（专利或中试报告）。

⑦主要工艺技术指标和工艺参数（需列表说明）。

⑧原料、辅料、水、电、汽等的消耗量，物料平衡、热能平衡等的计算，并与国内先进技术指标比较。

⑨设备选型及计算，确定生产设备的规格和台数。

⑩车间设备布置及说明、设备一览表。

5）存在的问题及建议。

6）附件内容包括：
①生产工艺流程图。

需标明原料、辅料、设备名称及代号、各种介质流向、工艺参数和控制点等。

②生产工艺设备布置图。

需绘制生产工艺设备平面、剖面布置图（有时需要做“渲染图”或“鸟瞰图”）。

③生产设备一览表。

需标明设备名称、规格、型号、台数、重量和动力等，其形式见表5－1。

4）主要材料估算表。

2．施工图设计阶段
在初步设计的基础上，进行施工图设计，使工程设计达到施工、安装的要求（详细化、具体化），并编制项目施工预算。

根据轻工业建设项目施工图设计编制内容，施工图设计阶段的主要内容有：
（1）设计文件目录、列表需列出所有标准图、非标准图、复用图并统计图纸量。

（2）生产工艺设计说明对批准的初步设计内容若有所变化，需说明之并补充说明理由；对遗留问题需提出解决办法及建议。

（3）工艺安装说明设备和管道安装标准及规范；安装技术程序及特殊说明（如设备吊装、基础做法、管道连接及保温等）。

（4）详细的设备一览表和各种材料汇总表，满足订货需要设备一览表内设备的名称、规格。

型号、台数、重量、主要材质、性能和动力等必须准确详细，特殊设备标明生产厂家（通用设备一般不允许注明生产厂家）；材料汇总表需注明材料规格、型号、数量、单重、总重及余量等。

（5）带控制点的工艺流程图。

（6）工艺设备布置图。

7）工艺管道布置图。

（8）非标准设备制造图。

第二节生产工艺设计的深度和步骤
一、生产工艺设计的深度要求
初步设计阶段的深度应满足：
l）主要设备和材料的订货。

2）建设投资的控制（限额设计）。

3）提供主管部门和有关单位进行设计审查。

4）确定劳动定员和相关培训。

5）进行施工安装准备工作。

6）施工图设计的主要依据。

施工图设计阶段的深度应满足：
1）全部设备和材料的订货及交货安排。

2）非标准设备订制和交货安排。

3）能进行施工安装预算。

4）能控制施工安装质量，并根据施工说明要求进行验收。

二、生产工艺设计的步骤
初步设计阶段的设计步骤：
l）根据原料特点、产品质量要求等因素，核实生产方案与生产规模。

2）选择并确定生产工艺流程，确定工艺参数指标及操作说明。

3）物料计算。

4）能量计算（热量、耗冷量、耗电量、给水量计算）。

5）设备的选型和计算，确定生产设备的规格和台数。

6）生产车间布置设计。

7）向配套专业（土建、供电、供热、采暖、自控仪表、给排水、计经和概算）提出设计要求和有关资料。

8）各专业经协调确定后，绘制生产工艺流程图、生产工艺设备布置图，编制设备一览表和主要材料估算表。

施工图设计阶段的设计步骤：
1）修改或复核初步设计文件和图样，若需要还得进一步收资。

2）详细向各专业提资。

3）详细绘制生产工艺流程图、车间工艺设备布置图、管道布置图、设备及管道安装图。

非标准图，详细编制设备一览表和材料汇总表。

4）文件和图样经过各级校核、审核、审查、审定及各专业会签，经过晒图、盖章后，向建设单位发图。

第三节确定生产方案与生产规模
生产方案与生产规模在可行性研究报告中已确定，在进行生产工艺设计时应进一步核实。

生产方案即为生产纲领，其内容是将食品厂全年生产的品种、产量、生产时间、生产班次等作一个全面安排。

生产方案的确定，要根据项目建议书的要求，充分考虑到食品加工原料生长的季节性和食品加工产品消费的季节性对生产所造成的影响。

如北方地区水果蔬菜罐头厂在生产草莓罐头时就要充分考虑原料的生长季节性。

每年五、六月是草莓的收获季节，因其肉质娇嫩，不好储存，应及时安排生产。

有些食品的消费也是有季节性的，如夏季是冰淇淋的销售旺季，而鲜奶在冬季销量较好，因此，在安排生产方案时要充分考虑到这一点。

除此之外，在确定生产方案时还要考虑全厂劳动力的平衡、原料的综合利用、设备及厂房的综合利用等问题。

表5－2为北方地区某年产4000t罐头厂的生产方案。

表5－3为南方地区某日处理35t原料乳的乳品厂的生产方案。

在确定生产方案时，全年生产日按300天计算，若考虑到原料供应、设备检修等其他原因，全年的生产日数一般不少于250天。

每天生产班次为l－2班，生产高峰期按3班考虑。

管理人员和服务人员按白班或两班制。

生产规模就是食品厂的生产能力，即年产量。

根据项目建议书和可行性研究报告，可知生产规模的大小，再结合工厂全年的实际生产日数，就可确定班产量的大小。

食品工厂生产规模确定的正确与否直接影响到工厂投产后的经济效益。

同时它也是工艺设计中主要的计算基础，决定设备生产能力的大小、车间布置方案、厂房面积、劳动人员的定员等方面的因素。

通常在确定生产规模时需考虑如下几个方面的因素：
l）国内、国外对产品需求的预测和同类产品在其他食品厂生产能力的大小。

2）原料供应情况预测。

3）规模经济分析。

规模经济是指生产多大时，成本最低，利润最高，或投资效益最好。

一般来说，规模越大，单位产品的固定成本越低，效益越好。

但在某些条件不具备的情况下，规模大，销售难，经济效益反而低。

所以，对生产规模的确定，一定要经过仔细的调查，周密的分析，选择能够达到经济效益最好的规模进行建厂。

某些食品生产厂，有明显的淡旺季之分。

如冰淇淋生产厂，每年夏季为生产旺季，冬季为淡季。

因此就冰淇淋生产而言，全年生产量为旺季、中淡季、淡季生产量之和。

而且在实际生产中，因受各种因素的影响，每个工作日的实际产量并不完全相同。

年产量（班产量）的确定
1、年产量
新建食品厂的年产量时按下式估算的：
Q ＝Q 1＋Q 2-Q 3-Q 4
式中：Q －新建食品厂某类食品年产量（吨）
Q 1－本地区该类食品年销售量（吨）
Q 2－本地区该类食品年调出量（吨）
Q 3－本地区该类食品年调入量（吨）
Q 4－本地区该类食品原有厂家的年产量（吨）
某些食品有淡旺季节之分，因此年产量等于旺季、中季、淡季产量之和，即： Q ＝Q 旺＋Q 中＋Q 淡
式中：Q －年产量（吨）
2、生产班制
按食品厂生产的产品不同有以下三个班制
旺季为3班，中季为2班，淡季为1班，通常为1～2班
3、工作日
连续生产工厂全年生产日数为300天左右，一般不宜少于250天
T ＝T 旺＋T 中＋T 淡
4、班产量
用公式表示为：
Q 日＝Q 班nK
式中： Q 日－平均日产量（吨／日）
Q 班－班产量（吨／班）
n －生产班次 1、2、3
K －设备不均衡系数
班产量可由下式求得：
Q ＝Q 旺＋Q 中＋Q 淡＝KQ 班（3T 旺＋2T 中＋T 淡）
()
淡中旺班T 2T 3T K Q
++=Q 式中：Q 班—班产量（吨／班）
Q －年产量（吨）
K －设备不均衡系数，可取K ＝0.7～0.8
T 旺、T 中、T 淡－旺季、中季、淡季的生产天数。

第四节 生产工艺流程的设计
一、生产工艺流程的作用
生产工艺流程是表示一个生产车间或工段自原料或半成品开始，经不同加工处理方法，直至成为合乎要求的半成品或最终产品为止的工艺要求和生产过程。

可见，生产工艺流程决定着各车间各工段所采用的工艺要求和生产设备的合理排列。

通过生产工艺流程使原料从加人到成品产出组合成一条完整的生产线，在这条生产线上明确标出了原料配比及原料加人位置、辅料投人点、水或蒸汽等的使用位置等一系列生产处理方法和技术。

所以生产工艺流程在工艺设计中是生产方式的设计，是保证产品质量和产量、实现生产纲领的主要环节。

生产工艺设计是从选择生产工艺流程开始，只有工艺流程确定以后，才能提出生产过程中使用的主要设备并进行设备的选型和计算，确定设备的规格和台数；才能提出与这一生产方法有关的设计参数和技术经济指标；才能据此绘制有关设计图纸。

如果生产工艺流程发生变更，将会导致整个设计环节的连锁变更。

因此在具体设计中，往往先要提出几个生产工艺流程及其相应的技术经济指标，经过多方案比较，从中确定一个在技术上先进可靠，经济上合理的生产工艺流程。

二、生产工艺流程的设计原则
生产工艺流程设计工作是一项重要而复杂的工作，它涉及的范围大，直接影响建厂的效益，在其设计时必须考虑以下几个原则：
l）设计的工艺流程生产的产品必须符合国家相关的质量标准，外销产品必须满足销售地的质量要求。

因此在选择和设计生产工艺流程时，必须根据原料特性和产品质量要求，将生产设备进行合理的组合和技术的排列。

2）尽量采用成熟、先进的技术和高效率低能耗的设备。

基本建设不同于科学研究，工厂建成投产后，必须保证达到或超过设计任务书所规定的生产纲领，实现好的社会效益和经济效益。

在设计生产工艺流程时，可以引进国外设备，但要考虑是否适合我国国情，是否适合具体的生产状况以及备品、备件的供应和设备的维修、保养是否有保证等一系列问题。

3）必须充分考虑对废水、废汽、废渣以及余热的重复利用、循环使用和综合利用。

这不仅关系到降低成本、减少污染这一重大问题，而且也是节约原料、能源、水源和保护环境的主要措施，必须予以充分注意。

例如在罐头生产厂中，对食品加工原料和产品包装容器的清洗需要消耗大量的水，就要考虑水的合理利用，加工原料和包装容器的预洗用水可以使用后道清洗工序使用过的水。

对果汁生产厂进行工艺流程设计时，就要考虑对果渣的合理利用。

果渣利用得好，可以产生经济效益，否则大量的果渣堆积，不仅占用厂地影响生产，而且会造成污染。

4）确保安全生产，以保证人身和设备安全。

5）生产过程尽量做到连续化，提高机械化和自动化生产能力，以保证产品的质量和产量。

三、生产工艺流程的设计
当生产方案和生产规模确定以后，就要根据食品厂的实际情况，确定生产操作方法和生产线的数目。

操作方法一般有间歇式和连续式两种，可根据生产原料的特点及产品特性。

生产规模、连续化生产条件是否成熟等因素来考虑。

一般采用先进、经济、合理可行的连续式操作方法。

生产线的数目可根据产品产量的大小、设备生产能力等因素来决定。

生产工艺流程图的设计通常要经历生产工艺流程示意图、生产工艺流程草图、生产工艺流程图三个阶段的设计来逐步完善。

1．生产工艺流程示意图
生产工艺流程示意图是在物料衡算前进行绘制的，也称方框图，在可行性研究阶段就已完成。

其主要作用是定性地表明原料变成产品的路线和顺序，以及应用的过程和设备。

在设计工艺流程示意图时，首先要考虑原料变成产品所需经过哪些单元操作，各单元操作的方案及所需的型式，其次要确定采用连续式还是间歇式操作方法。

工艺流程示意图不仅可以用方框文字示意图表示（图5－l所示为饼干生产工艺流程示意图），而且还可以用简单的设备流程图表示。

由于没有进行计算，绘图时设备的大小没有比例要求。

如果进一步详细绘制见下图：
框图包括：工序名称、操作手段、物料流向、工艺条件、设备的型号及规格。

画法：有粗箭头、细实线。

2．工艺流程草图
完成工艺流程示意图后，开始物料平衡计算。

通过计算，求出原料、半成品、产品、副产品以及与物料计算有关的废料、废水等的规格和量，并根据这些参数进行设备选型或设计。

设备选型或设计主要包括：计算、确定计量和贮存设备的容积以及这些容积型设备的尺寸和台数；求出各单元操作的技术参数，如传热面积、运转速度、所需功率等，从而对通用食品设备和专用食品设备进行选型或设计，确定出生产线所有设备的规格、型号、尺寸和台数。

然后进行水、电、汽等能量的计算，开展工艺流程草图的设计工作，并进行初步平面布置。

工艺流程草图是一种以图形与表格相结合的形式来反映设计计算某些结果的图样，可用作提供审查的资料，也可作为进一步设计的依据，一般是初步设计阶段的草图。

图5－2为某液态乳生产的工艺流程草图。

工艺流程草图包括以下内容：
l）图形：设备的示意图和流程图。

2）标准：设备的编号、名称及特性数据。

3）标题栏：图名、图号、设计阶段等。

工艺流程草图是由物料流程、图例、设备一览表以及必要的文字说明所组成，其制图要求如下：
1）按国家制图要求的规定进行绘图。

绘图比例1：100，若设备过小或过大时则可采用1：50或1：200的绘图比例。

2）设备：用细实线（可采用0.25～0.35mm）绘出各台生产设备的外形轮廓，能形象地表示设备的外形特征，虽然没有严格的绘图比例要求，但设备的尺寸大小应适当相称；同一层的设备应绘制在同一标高线上，并标注层标高；设备编号和名称应与设备一览表相一致；设备编号和名称应标注在该设备图样的上方或下方，设备名称写在设备编号的下方；多台同样设备只编一个设备号，并在右下角加角注。

设备标注方式如图5－3所示。

3）管线：画出设备中的物料及水、汽、真空、压缩空气。

制冷剂等的管线和流向。

主要介质用最粗线（可采用1.2～1.5mm）绘制，其他介质（如水、蒸汽、压缩空气及辅料等）用中粗线（可采用0.6～0.8mm 绘制，仪表引线、基线等用细实线（可采用0.25～0.35mm）绘制。

介质线交叉时应断开，一般采取横线断开纵线不断开的方式，如图5-4所示。

4）阀门、管件：表示清楚设备与管道、管道与阀门、管道与管道的接口特征，标明阀门型号、规格或代号一般只标明与仪表有关的阀门。

5）管线标注：应表示清楚管内介质代号、流向；表示清楚仪表控制点、仪表代号等。

6）图例：采用的介质代号、仪表代号、阀门及管件代号等在流程图的右上方列出图例，并说明用途。

设计中常见图例见表5－4。

7）介质代号：介质代号一般用介质英文名字的首字母缩写。

如代号S表示蒸汽（steam），代号W表示水（water），代号 CA表示压缩空气（compressed air）。

8）仪表代号：分集中仪表和就地仪表。

仪表代号见表5－5。

如 LIA表示液位指示报警，FIQ表示流量指示累计。

工艺流程草图接流程方向由左至右展开画出，具体绘制步骤为：
l）若生产工艺流程布置在不同层的楼面上，绘图时把不同层的楼面地面用双细线绘出，并注上标高。

2）根据设备所处的相对位置、高度，自左至右用细实线绘出各台生产设备的外形轮廓，设备之间要留有一定间距。

3）用最粗线画出主要介质管线，用箭头标明流向。

4）用中粗线画出水、蒸汽、真空、压缩空气等介质的管线，并标明流向。

5）画出设备和管道上主要附件、计量和控制仪器以及阀门等。

6）标注设备流程号和辅助线。

7）写上必要的文字说明。

3．工艺流程图的设计
完成了工艺流程草图设计和设备设计选型后，便开始生产车间布置设计。

在车间布置设计时，可能会发现工艺流程草图设计中某些设备的空间位置不合适，或某些设备的形式和主要尺寸选取不当，因此需要做修改和完善。

经过多次审查修改，确认设计合理无误后正式绘制生产工艺流程图。

可见，工艺流程图的内容比工艺流程草图更加全面、完善和合理。

由前所述可知，生产工艺流程图是分阶段逐步完成的，同时要与物料计算、能量计算。

设备设计计算与选型以及车间布置设计等交叉进行。

因此，从事生产工艺设计时，必须全面、综合考虑问题，做到思路清晰，有条不紊，前后一致。

作为正式的设计成果，工艺流程图将被编人设计文件，供上级部门审批和今后施工使用。

第五节生产工艺计算及设备设计选型
一、物料计算
物料计算是工艺计算的基础，在整个工艺计算中开始的最早，并且是最先完成的项目。

当生产方案确定并完成了工艺流程示意图后，即可进行物料计算，设计工作即从定性分析发展到定量计算。

1．物料计算的方法和步骤
食品工厂设计中的物料计算是对整个食品生产过程中（即由原料至成品）物料变化的计算。

通过对原辅料、半成品和成品的计算，可以确定原辅料的需要量、采购运输量和仓库储存量，并对生产过程所需设备、劳动定员及包装材料用量等提供依据。

在食品生产过程中，物料计算常根据质量守恒定律来进行，即引入某一系统或设备的物料质量必等于系统或设备的出料量与物料损失量之和，可用下式表示：
这个运算法则，既适合于整个生产过程，也适合于单元操作；既可进行总物料计算，也可对混合物中某一组分作部分物料计算。

由于食品加工各有其特点，要求也不尽相同，其物料计算方法也多种多样，但其原理是相同的，通常按下列步骤进行：
（1）弄清题意，充分了解计算的目的和要求。

（2）画出物料流程示意图用箭头标出各物料的进出方向、数量、组成以及温度、压力等条件，并用适当符号标明待求的未知量。

（3）整理有关设计基础数据和物化常数基础数据一般包括：生产规模，年生产天数，原辅料和产品的规格、组成及质量等。

常用物化常数有密度、比热等。

（4）确定工艺技术经济指标常用的工艺技术经济指标有：原辅料消耗定额，蒸煮温度、时间和压力，耗电、水、汽量，产品率等。

某些经验数据可参照相同类型食品生产厂的实绩水平来定。

工艺技术经济指标必须是先进而又可行的，它表明了一个工程项目设计先进可靠和经济合理有利的程度。

部分食品原料利用率见表5－6。