年产9万吨液态奶的生产车间设计( 计算版)

第四章物料衡算

物料衡算包括该产品的原辅料和包装材料的计算。通过物料衡算，可以确定物料的采购运输和仓库储存量，并对生产过程中所需的设备和劳动力定员的需要算依据。计算物料时，必须使原、辅料的质量与经过加工处理后所得成品相损耗董加工过程中投入的辅助料按正值计算，加工过程中的物料损失，以负值计入。这计算出原料和辅料的消耗定额，绘制出原、辅料耗用表和物料平衡图。并为下一算、热量计算、管路设计等提供依据和条件。还为劳动定员、生产班次、成本核算依据。因此，物料衡算在工艺设计中是一项既细致又重要的工作。

4. 1原料乳及成品乳的成分要求

4. 1 .1原料乳成分要求及评级

(1)原料乳成分要求:

蛋白质)2. 95%、脂肪)3. 10%、乳糖)4. 2%、非脂乳乳固体)8. 1%。

(2)评级:

采用平皿细菌总数计算法，按每毫升内细菌总数分级指标进行原料乳评级表

脂肪/非脂乳固体

(2)成品标准:

R'=4/8=0. 5

原乳R' =0. 5计算数值R=0. 38

R' >R，可见原乳中脂肪含量偏高，必须自原乳中提取稀乳油或向原里

乳才能达到标准的成分。

(3)稀乳油及脱脂乳成分之假定:

假定脂肪含量:

稀乳油含脂Fl— 40%

脱脂乳含脂F2— 0. 2%

假定原乳脱脂后，稀乳油及脱脂乳中之非脂乳固体与无脂乳之比不映

稀乳油中非脂乳固体:

SNFI=SNF0 X(100一Fl/ 100一F2)

=8X(100一40/100一0. 2

一5%

G2=(M一K40) X 1000/1000一K40

=23.8 X 1000/1000一25. 2

=245kg

(8)每吨原乳配成标准乳所需脱脂乳量G:

G=1000 X 2/G1

=1000 X 245/755

=325kg

4.2.2在原乳中添加乳脂肪配成标准乳

(1)原乳成分:

假定脂肪含量F0— 3. 1%

非脂乳固体含量SNF0— 8. 7%

脂肪/非脂乳固体R' =3.1/8.7=0.365

(2)成品标准:

原乳R' =0. 356计算数值R=0. 38

R'

(3)稀乳油成分之假定:

假定:

稀乳油脂肪含量Fl— 40%

稀乳油中非脂乳固体含量:

SNF1= SNF0X(100一Fl/ 100一F0)

=8. 7 X(100一40/100一3. 1)

一5 .39%

(4)每吨中原乳应添加之稀乳油量(含脂40%) K40:

K40=1000 X ( F0一SNF0 X R/ SNF1 X R一FO

=1000 X ( 3. 1一8. 7 X 0. 38/5. 39 X 0. 38一40)

=5. 53kg

(5)标准乳成分(脂肪含量F标，非脂乳固体含量SNF标):

F标=(1000 X F0+K40 X F1)/(1000+K4o)

=(1000 X 3. 1+5. 53 X 40)/(1000+5. 53)

= 3. 30%

SNF标=(1000 X SNF0+K40 X SNFI)/(1000+K40)

=(1000 X 8. 7+5. 53 X 5. 39)/(1000+5. 53)

一8 .68%

4. 3车间物料平衡计算

通过物料平衡计算，可确定单位时间内生产过程主要原辅材料的需求量以及水、蒸汽、能源等流量与耗量，据此即可计算出全年主要物料、包装材料的采购运输和仓储容量。物料衡算的另一目的是依据计算数值，经济合理地选择生产设备，并进行车间的工艺布置和个工序劳动力的安排等。

4.3.3家庭乳生产线

家庭乳生产线所用原辅材料计算表4-4所示。

表4-4家庭乳生产线所用原辅材料计算

4. 4小结

(1)济南周边地区奶牛品种、饲养水平，提出适合当地特点的原料乳收购标准;

(2)根据不同原料乳组成特点和产品特点进行物料衡算，并考虑到不同包装形式之间的差异，区别对待。

第五章热量衡算

乳品工厂热交换设备主要用于原料乳的冷却、加热和杀菌等操作。在原料乳的加工过程中，主要有以下四种杀菌形式:C1)低温长时杀菌法，即63 0C，保温30min; (2)中温瞬时杀菌法，即72}-750C，保温15s; (3)高温短时杀菌法，即85}-950C，保温5 ^-10min;(4)超高温瞬时杀菌法，130-}-1500C, 1-}-5s。目前，纯牛奶生产上多采用中温瞬时杀菌法，经长期实践证明，效果良好;超高温瞬时杀菌不但使牛乳杀菌后处于无菌状态，而且还能保持牛乳原有的营养成分，但由于设备成本高，未能得到广泛应用。而酸奶系列产品生产上多采用高温短时杀菌法，效果较好，且应用十分广泛。

5. 1热交换设备传热过程

乳品加工中的预热、杀菌、冷却、浓缩等操作，其目的各不相同，而其实质都是较热的物体将热量传递给较冷的物体，这种过程称为热交换过程或传热过程。传热设备称为热交换器或换热器，用于杀菌时称为杀菌器。参与传热过程的两种流体称为载热体(或介质)，放出热量的热流体称为热载体(或加热介质)，而温度较低、接受热量的冷流体称冷载体(或冷介质)。牛乳的杀菌设备中，蒸汽或热水是热载体，牛乳是冷载体。

我们现在使用的热交换设备属于间接热传递方式，即热载体通过传热壁将热量传递给冷裁体而实现的。图5-1表示热量从热介质传递给设备间壁，再传给另一侧的冷介质的过程。假如在传热壁一侧热介质为流动的热水，而流动的冷牛乳位于另一例，那么加热介质一侧的间壁被加热，另一侧被冷却。

在间壁的两侧，各有一个边界层。由于摩接力，与间壁接触的边界层的液体流速接近于零。紧靠边界层外的一层流体受边界层影响，流速很小，在通道的中心流速达最大值。

同样，热水的温度在通道的中心是最高的，越是接近间壁的水，被另一侧的冷介质冷却得越快。热量以对流和传导的方式通过边界层传递。我们可以简单地说明热传递过程，图5-2代表被间隔开的两个通道，热水流过一条通道，而牛乳流过另一条通道。热水进入通道的温度为tm，在出口处被冷却到tm。牛乳进入热交换器时的温度为t }2，而在出口处被热水加热到toe o

5. 2热量衡算过程说明

换热器的传热计算主要有两类:一类是设计计算，即根据生产要求的热负荷，确定换书器的传热面积;另一类是校核计算，即计算所给换热器的传热量、流体的流量或温度等。两者以换热器的热量衡算和传热速率方程为计算基础。

5. 2. 1热量衡算

对板式换热器作能量衡算，以小时为基准。因无外功加入，且位能和动能均可略。司实质上为烩衡算。

假设换热器绝热良好，热损失可以忽略时，则单位时间内热流体放出的热量等于冷沂体吸收热量，即:

该式为总传热速率方程式，也是总传热系数的定义式，表明了总传热系数在数值上等于单位温度差下的热通量。

5.2.3平均温度差

在一般情况下，冷热流体在稳定换热的设备内分别在间壁两侧沿着传热面进行吸热和放热，因此流体的温度沿传热面要发生逐渐变化，则传热面两侧的局部传热温差也是沿着传热面而变化的，故为了积分式的总传热速率方程，用平均温度差来代替局部温差。且作以下假设:①导热为稳定导热;

③两流体的比热容为常数;⑦总传热系数K为常数;④忽略热损失。

5. 2. 3. 1恒温传热时的平均温差

换热器的间壁两侧流体均有相变化，成为恒温传热。在恒温传热中，冷热流体的温度均不沿管长变化，两者间的温度差处处相等，即△t=T-t则: Q=KS (T-t) =KSOt

5. 2. 3. 2变温传热下的平均温差

变温传热时，若两流体相互的流向不同，则对温差的影响也不同。在换热器中，若两流体以相反的方向流动，称为逆流;以相同的方向流动称为并流。温差沿管长而变化的，可导出计算平均温差的的通式为:

5. 3热交换设备类型确定

在乳制品加工过程中，常用的热交换设备有管式热交换器、板式热交换器及刮板式热交换器等。本文选择板式热交换器，这是由板式热交换器的结构和独特的优点确定的。

板式热交换器是由许多不锈钢薄片重叠压紧而成的热交换器，与之配套的主要工作部件有温度调节系统与自动记录仪、乳泵和热水泵等。热交换器主体部分是由许多具有花纹的热交换片依次重叠在框架上压紧而成，加热(或冷却)介质与料液在相邻两片间流动，通过金属片进行热交换，金属片面积大，流动的液层又薄，热效果很好，其结构如图5-3所不。换热片用lmm厚的不锈钢板由水压机冲压成型，板片悬挂于导杆上，前端有压紧板，压紧螺杆可使压紧板与各传热片叠合在一起。片与片之间在片的四周用橡胶垫圈保证密封，并使两片间有一定空隙，垫圈的厚度决定了两片之间流体通道大小。每片的四角各有1个孔。借垫圈的密封作用，4个孔中有两个孔可与金属片一侧的流道相通，另两个孔则与金属片另一侧的流道相通。冷热两流体就在薄片的两边交替流动进行热交换。拆卸时，只需转动压紧螺杆，使压紧板及换热片沿着导杆滑动松开，清洗、拆装都很方便。

板式热交换器的特点是有较高的传热效率。由于两片之间空隙小，使冷热两流体都有很高的流速，在传热片面上，又因冲压成凹凸沟纹使速度大小和方向不断地突然改变，流体通过时，能形成湍流状态，能有效地破坏边界层，减薄边界层的热阻，故提高了传热系数K值。结构紧凑，占地面积小。较小的工作体积内，可容纳较多的传热面积，这是板式热交换器最突出的优点之一。有较大的适应性，当生产上要求改变工艺条件和生产能力时，只需增减传热片的片数，改变片的组合，即能满足生产要求。因设备各部件拆卸装备简单，故便于清洗，保持良好的卫生条件。操作安全，完全在密闭的条件下操作，物料不与空气接触，防止污染，从结构上保证两种液体不致相混，在热交换段，原料乳处于负压下，保证它不会混入正压下的杀菌乳内，万一发生泄漏事故，结构上也保证易被发现，及时得到调整。热量利用率高，数种流体可在同一套设备中进行热交换，即在同一套设备内可进行加热和冷却，便于热量的回收，既节约设备投资，又可节约蒸汽与冷却水。能自动调节，连续生产。

采用处理能力为5000L/h的板式热交换器，牛乳密度为1020 kg/ m3，比热容3. 95kJ/ (kg.℃)，局部总传热系数K值取5000W/ (m2.℃)。通过热交换使冷乳从5℃它预热到70 0C。则:

5. 4原料乳冷却阶段热量计算

将乳冷却是获得优质原料乳的必要前提。刚挤下来的乳，温度约36 0C，一般要冷却到4℃左右。现将原料乳冷却阶段的热量变化计算如下: Q=V X p X c X△t

=5000 X 1020 X 3. 95 X 32/1000

=644640kJ/h

5. 5预热·均质、超高温灭菌阶段热量计算

相同处理能力板式热交换器(5000L/h)用于乳的热处理，但是设备装有单效蒸发器，可将乳浓缩到所需要的固体含量(见工艺流程图5-4) o其温度变化如下:

(1)通过热交换使进入的冷乳从5℃它预热到70 0C，即利用蒸发器冷凝水的能量;

(2)接着用热水将70℃的乳继续加热到90 0C，进入蒸发器(为了得到所需要的乳固体含量，使乳在蒸发器内部循环，乳在换热器的加热段流速为19000L/h);

3)浓缩乳于75℃离开蒸发器，进行均质，然后通过热交换使其加热到121 0C，即利用加热过的乳的能量;(4)用热水将将121℃的浓缩乳加热到1350C;

(5)通过热交换器使加热过的乳从135℃冷却到90 0C，即将能量传到75℃的浓缩乳中;(6)然后用冷水使乳从90℃冷却到20-300C，灌装。

该方式热回收百分率的计算复杂。最简单的方法是用热交换所得到的热量除以总的热负荷，再乘以100，即得热回收百分率。计算如下:

(1) 5-700C(热交换):得到的热量为65 X 5700 X 3. 95 X 1. 02=1492744. 5kJ/h

(2) 70-90 0C(热水):热负荷为20 X 19700 X 3. 95 X 1. 02 =1587426kJ/h

(3) 75-121 0C(热交换):得到的热量为46 X 5000 X 3. 95 X 1. 02=926670kJ/h

(4) 121-135 0C(热水):热负荷为14 X 5000 X 3. 95 X 1. 02=282030kJ/h

因此总的热负荷为:1492744. 5十1587426十926670十282030=4288870.5 kJ/h

通过热交换得到的热量为:1492744. 5十926670=2419414.5 kJ/h

热回收百分率为:(2419414. 5/4288870. 5 ) X 100 } = 56. 41

5. 6小结

1)根据不同热交换器传热面积、传热效率等特点，选择板式热交换器作为冷却、加热和杀菌设备;

(2)用选定板式热交换器对原料乳冷却过程热量变化进行初步计算，其热量变化为644640kJ/h;

(3)通过该板式热交换器对乳制品预热、均质、超高温灭菌等加工阶段进行热量衡算，其热回收百分率为56. 41 % ;

(4)该板式热交换器的选择合理，符合本厂的生产的实际情况，具有传热面积大、传热快、热回收率高等特点。