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山东理工大学山东理工大学 食品工程原理食品工程原理 课程设计课程设计 题目 日产 10 吨南瓜粉离心式喷雾干燥塔 及辅助设备的设计选型 学 院 农业工程 与食品科学 学院 专 业 食品科学与工程 学生姓名 周维政 0812103740 指导教师 石启龙 课程设计 论文 时间 2011年1月4 1月14日 共 2周 摘 要 i 摘 要 该设计介绍了班生产 xx 吨 xx 淀粉脉冲气流干燥器及辅助设备的设计 包 括 xx 淀粉工艺流程及要点 干燥条件的确定 气流干燥器的主体设计 干燥 管直径的计算 干燥管高度的计算 换热器 除尘器 加料机型式和型号的合 理选择 物料衡算 热量衡算等方面 对脉冲气流干燥器及辅助设备作出了合 理的选择 以满足生产的需要同时尽量的节约能源 根据自己题目进行参考 关键词 桃子 工艺流程 设备选型 蒸发器 3 6 个即可 目 录 ii 目目 录录 摘摘 要要 目目 录录 第一章第一章 引引 言言 1 第二章第二章 工艺流程及操作要点工艺流程及操作要点 2 2 1 工艺流程 2 2 2 操作要点 2 第三章第三章 相关计算相关计算 5 3 1 设计及操作条件 5 3 2 求解量 5 3 3 计算 5 3 4 蒸发器主要尺寸计算 9 第四章第四章 辅助设备的选型辅助设备的选型 12 4 1 设备选型要点 12 4 2 设备选型列表 15 第五章第五章 换热器主要结构尺寸和计算结果 16 结结束语束语 17 参考文献参考文献 18 致致 谢谢 19 第一章 引 言 1 第一章 引言 南瓜 又名番瓜 金瓜 麦瓜 倭瓜 为葫芦科植物南瓜的果实 全国各 地均有栽培 南瓜对人体具有良好的保健功效 如葫芦巴碱 果胶等物质 能催 化分解致癌物质亚硝氨 加快胃结石 膀胱结石的溶解 帮助消除人体内多余的 胆固醇 防止动脉硬化等 特别是南瓜中含有一种 cty 的有效成分 这种物质 可增加糖尿病人胰脏细胞中所缺乏的 giu t22 蛋白质的含量 从而促进人体内 胰岛素的分泌 因而对糖尿病患者有良好的治疗效果 用南瓜浆料 添加甜味剂 酸味剂和稳定剂 制成的南瓜果肉饮料 既保存了南瓜特有的营养成分 同时又 具有诱人的橘红色泽和的宜人风味 本文主要是针对在杀菌阶段固定管板式换热器的设计 固定管板式换热器 的两端管板和壳体制成一体 当两流体的温度差较大时 在外壳的适当位置上 焊上一个补偿圈 或膨胀节 当壳体和管束热膨胀不同时 补偿圈发生缓慢 的弹性变形来补偿因温差应力引起的热膨胀 其特点 结构简单 造价低廉 壳程清洗和检修困难 壳程必须是洁净不易结垢的物料 在设计换热器工艺 选择换热器时 要充分考虑食品物料的特点 第一是 热敏性 食品物料在高温下或长期受热要产生变性和氧化等作用而受到破坏 所以许多食品生产时的操作要严格考虑加热时间和加热温度 为了加快蒸发速 度 食品工业多采用真空蒸发 第二是腐蚀性 由于南瓜汁具有酸性有腐蚀性 即使是轻度腐蚀也会对产品造成污染 因此在设计换热器和辅助设备时 必须 选用耐腐蚀的材料 第三是结垢性 料液中的蛋白质 糖类等成分受热过度会 产生变性 结块 焦化等现象 在换热器管壳上形成污垢层 严重影响换热的 效率 换热器中流体的相对流向一般有顺流和逆流两种 顺流时 入口处两流 体的温差最大 并沿传热表面逐渐减小 至出口处温差为最小 逆流时 沿传热 表面两流体的温差分布较均匀 在冷 热流体的进出口温度一定的条件下 当 两种流体都无相变时 以逆流的平均温差最大顺流最小 在完成同样传热量的 条件下 采用逆流可使平均温差增大 换热器的传热面积减小 若传热面积不变 采用逆流时可使加热或冷却流体的消耗量降低 前者可节省设备费 后者可节 省操作费 故在设计或生产使用中应尽量采用逆流换热 第二章 工艺流程及操作要点 2 第二章 工艺流程及操作要点 2 1 工艺流程 原料 选果 清洗和去皮 破碎 榨汁 澄清 过滤 离心分离 脱气和 均质 芳香回收 调和 浓缩 杀菌 灌装 检查 成品 2 2 操作要点 2 2 1 原料 制汁桃子要求酸味和涩味适当 香味浓 汁液丰富 取汁容易 酶褐变不 明显 原料桃子要健全完好且成熟度适宜 2 2 2 选果 清洗和去皮 质量要求 选取具有良好的风味和芳香 色泽稳定 酸度适中 并在加工 和贮存过程中仍然保持这些优良品质并且液汁丰富 出汁率较高的桃子 加工 过程中要剔除烂果 霉变过 病虫果以及枝 叶 等 以充分保证最终产品的 质量 洗涤 通过清洗可以去除果蔬表面的尘土 泥沙 微生物 农药残留以及 携带的枝叶等 通常的清洗方法是浸洗 喷洒或两者相结合 去皮 经优选的桃子用 5 碱液 99 热浸或喷洒 30 秒后进行去皮 或 者采用 100 蒸汽烫 2 3 分钟 后立即喷洒凉自来水或浸泡在凉自来水中 2 2 3 防色处理 去皮后的桃子立即用抗坏血酸溶液或柠檬酸溶液处理 以防变色 从而以 保证果汁原有色泽 2 2 4 破碎 为了提高出汁率 在榨汁前要进行破碎 破碎的桃块要大小适宜且均匀 果块过于小 在榨汁时 桃块中的果汁很快的被榨出 果渣被压实 内部果汁 流出使通道被堵塞 出汁率降低 如果破碎后的果块太大 压榨时出汁率也会 降低 破碎时 果快最好在 3 4mm 应尽量避免物料与空气的接触 以防止果 第二章 工艺流程及操作要点 3 肉的褐变 破碎的方法有热破碎法和冷破碎法 生产中一般采用热破碎法 因 为适当加热可改变果肉细胞通透性 使果肉软化 果胶水解 降低果汁黏度 利于果汁分离 也利于色素和风味物质渗出 并能抑制酶的活性 2 2 5 榨汁 榨汁是获取原汁的主要方法 也是一个关键工序 破碎后的桃子被均匀的 铺放在两条带之间 当两条带绕过转筒时 物料受到压力 压力逐渐增加 榨 出的桃汁通过带孔和转筒上的孔流至下面的集液盘 由于桃中果胶量较多 在 榨汁前应进行果胶酶处理 以利于果胶的分解 提高出汁率 果胶酶的用量应 根据桃原料的果胶含量来确定 一般在 0 3 0 4 左右 酶解温度为 40 处理时间为 2h 2 2 6 澄清 过滤和离心分离 生产澄清果汁时 必须进行澄清处理 通过物理化学或机械方法除去果汁 中含有的混浊物质或易于引起混浊的各种物质 果蔬汁中的混浊物主要来源于 以下几个方面 a 果蔬汁中的酚类物质与其它物质相互作用形成的悬浮物 b 含淀粉较多的果蔬在制汁时 淀粉进入到汁液中 加热时形成凝胶夹带杂志颗 粒 c 果蔬汁中含有的蛋白质 d 果蔬汁中含有的果胶类物质 e 果蔬汁中含有 的金属离子如 fe3 等 果蔬汁经过澄清后必须进行过滤 通过过滤把所有沉淀出来的混浊物从果 蔬汁中分离出来 使果汁澄清 2 2 7 脱气和均质 脱气的目的在于除去或脱去果汁中的氧气 因此 存在于果实细胞间隙中 的氧气 氮 和呼吸产生的二氧化碳等气体 在果汁加工过程中能以溶解态进 入果汁中或留在果肉微粒和胶体的表面 同时由于果肉与大气接触的结果 更 增加了气体含量 因此制得的果汁中必然存在多量的氧 氮和二氧化碳等气体 脱除氧气可以降低或避免果汁成分的损耗 降低果汁色泽和风味的变化 避免 悬浮粒吸附气体而漂浮于液面 以及防止装罐和杀菌时产生泡沫等 均质的目的是使果蔬汁中的悬浮果肉颗粒进一步破碎细化 大小更为均匀 第二章 工艺流程及操作要点 4 同时促进果肉细胞壁上的果胶溶出 果胶均匀分布于果蔬汁中 形成均一稳定 的分散体系 2 2 8 芳香回收 生产桃浓缩汁是须进行芳香回收 桃的挥发性成分中 含有低沸点的醇 脂 羰基化合物等 故容易从果汁中蒸发分离含有芳香成分的蒸汽 经精馏塔 浓缩得到的天然香精一般使用 200 倍浓度 如果有腐败果混入的话 回收的香 精中有名显得腐臭感 选果时必须特别注意 2 2 9 浓缩 将混合后的桃浆转入真空蒸发器中蒸发浓缩 将桃浆浓缩至商品所需浓度 为止 桃原浆通常含可溶性固形物 8 15 必须经浓缩排除大量水分 才 能达到制品所需求的 60 的浓度 浓缩方法有使用开口浓缩锅的常压法和使用 真空浓缩锅的真空法两种 以真空浓缩法的制品质量较好 即在减压的条件下 使桃汁中的水分迅速蒸发 浓缩时间很短 能很好地保存果蔬汁的质量 2 2 10 灌装和杀菌 桃汁的包装与杀菌是产品得以长期保存的关键 在进行杀菌时 一方面需 要杀死桃汁中的致病菌和钝化桃汁中的酶 同时要考虑产品的质量如风味 色 泽和营养成分以及物理性质如黏度 稳定性等不能受到太大的影响 因此杀菌 温度和杀菌时间是两个重要参数 果汁的灌装方法有热灌装 冷灌装和无菌灌装等种 热灌装是将果汁加热 杀菌后立即灌装到清洗过的容器内 封口后将瓶子倒置 10 30min 对瓶盖进 行杀菌 然后迅速冷却至室温 使用玻璃瓶时 要对瓶子预热 若使用塑料瓶 先将果汁冷却 40 以下 再进行灌装封口 若灌装后杀菌 是先将果汁输入瓶 内并封口 再放入杀菌釜内用 90 温度杀菌 10 15min 也可装入回转式杀菌 设备中 以 85 的温度杀菌 5min 以上两种方法是目前常用的方法 热灌装 比较简单 但由于灌装过程中易受到污染 货架寿命较短 但灌装后杀菌较彻 底 货架寿命较长 只是要求容器能承受高温 第四章 辅助设备的选型 5 第三章 相关计算 3 1 设计及操作条件 原料完成液流量 p 18 吨 天 750 kg h 原料固形物 x0 10 浓缩液固形物 x1 60 传热系数 k1 1000w m2 k k2 900 w m2 k 桃汁密度 1 1050kg m3 2 1300 kg m3 加热管 选取直径38 3mm 长为 l 3m 的热扎无缝钢管 液体高度 h 2m 进料口流速 u 1 5m s 原料液许可温度 90 加热蒸气 p1 70 kpa 对应温度 t1 89 9 二次蒸汽 p 1 10 kpa 对应温度 t1 45 3 3 2 求解量 1 总蒸发量 2 第一效加热蒸汽消耗量 3 蒸发器传热面积 且满足最大与最小传热面积间的相对偏差不超过 3 3 3 计算 3 3 1 估计各效蒸发量和完成液的浓度 1 总蒸发量 f px1 x 750 0 6 0 1 4500 kg h 第四章 辅助设备的选型 6 w f 1 x0 x1 4500 1 0 1 0 6 3750 kg h 2 各效蒸发量 在蒸发过程中 总蒸发量为各蒸发量之和 因逆流加热 各蒸发量可按总 蒸发量的平均值估算 即 w1 w2 1 1 w1 w2 3750 2 1875 kg h 3 完成液浓度 f x0 f w1 x2 所以 x2 0 16 x1 0 6 3 3 2 估计各效溶液的沸点和有效总温差 1 估计各效压力 根据各效间压力降相等 则总压力差为 p p1 p k 70 10 60kpa 各效间的平均压力差为 pi p 2 60 2 30kpa 由各效的压力差可求得各效蒸发室的压力 即 p 1 70 30 40kpa 查表得 t1 75 0 1 2312 2kj kg 已知冷凝器的压强 p k 10 kpa 对应温度 tk 45 3 设因流动阻力而损失的 温度差为 1 故第二效二次蒸汽温度 t2 46 3 查出相应参数 p 10 25 kpa r2 2387 9 kj kg 2 各温差损失计算 由于溶液沸点升高引起的温差损失 由公式 0 0162 t 273 2 a 得 第一效 1 0 0162 t1 273 2 a 1 0 0162 75 273 2 0 25 2312 5 0 21 2 4 当溶液浓度为 0 16 时 查表对应取 a 0 25 第二效 2 0 0162 t2 273 2 a 2 第四章 辅助设备的选型 7 0 0162 46 3 273 2 3 2387 9 2 07 当溶液浓度为 0 6 时 查表对应取 a 3 所以 1 2 0 21 2 07 2 28 由于液柱静压效应引起的温差损失 根据估算条件 在第一效蒸发器溶液浓度 x2 0 16 查得桃汁的密度 1 1050kg m3 在第二效器溶 液浓度 0 6 查得桃汁的密度 1x 2 1300kg m3 根据流体静力学方程 液层的平均压力为 pm p pgh 2 由 公式 pm p pgh 2 得 第一效 pm1 p 1 1gh 2 40 1050 9 81 2 2 103 50 3kpa 1 50 3 kpa 时 查得纯水的沸点 tm1 81 3 mp 1 tm1 t11 81 3 75 6 3 第二效 pm2 p2 2gh 2 10 25 1300 9 81 2 2 103 22 75kpa pm2 22 75 kpa 时 查得纯水的沸点 tm2 61 8 2 ta2 t21 61 8 46 3 15 5 所以 1 2 6 3 15 5 21 8 由于流动阻力引起的温差损失 取效间蒸汽因流动阻力而降低 1 故 2 1 2 所以蒸发装置的总的温差损失为 0 21 21 8 2 24 01 3 各效料液的温度和有效总温差 第四章 辅助设备的选型 8 第一效 t1 t1 1 1 75 0 21 6 3 81 51 同理 第二效 t2 t2 2 2 46 3 2 07 15 5 63 87 设阻力损失为 1 则第二效加热蒸汽温度为 t2 t1 1 75 1 74 查表得相对应的汽化热为 r2 2311 5kj kg 所以 各效的有效温差为 t1 t1 t1 89 9 81 51 9 71 t2 t2 t2 74 63 87 10 13 所以总有效温度差为 t1 t2 9 71 10 13 19 84 3 3 3 加热蒸汽消耗量和各效蒸发量的估算 第 i 效的热量衡算式为 qi di i fcp0 w1cpw w2cpw wi 1cpw ti ti 1 wi 由于蒸发器的热损失 需考虑热利用系数 对于一般溶液的蒸发 热利用系 数可取 0 98 假设溶液为沸点进料 则 t1 t0 纯水的比热容可取 cpw 4 183kj kg 物料的比热容可取 3 855kj kg 第一效的热量衡算 q1 d1r1 fcp0 w2cpw t1 t2 w1r1 第二效的热量衡算 d2r2 fcp0 t2 t0 w2r2 代入数据 cp0 4183 0 9 857 0 1 3 848 kj kg d1 2283 2 0 98 4500 3 848 w2 4 183 81 51 63 87 w1 2312 2 w1 2311 5 0 98 2387 9 w2 第四章 辅助设备的选型 9 又 w1 w2 3750 联立 式可得 d 2061 kg h w 1 1921 kg h w 2 1829 kg h 3 3 4 蒸发器传热面积的估算 任意一效的传热面积为 si qi ki ti 各效传热量为 q1 d1r1 q2 d2r2 w1r 第一效采取强制循环 传热系数取 k1 1000w m2 k 第二效采取自然循环 传热系数取 k2 900 w m2 k 所以 s1 q1 k1 t1 2061 2283 2 1000 3600 9 71 1000 134 62 m2 s2 q2 k2 t2 1921 2321 5 1000 900 10 13 3600 135 86 m2 相对误差为 1 s1 s2 0 9 3 误差在允许范围内 符合要求 3 4 蒸发器主要尺寸计算 3 4 1 加热管的选择和管数 加热管选用 38 3mm 的不锈钢管 取加热管长度为 l 3m n s d0l 对于第一效蒸发器所需钢管数 n1 s1 d0l 134 62 3 14 0 038 3 376 对于第二效蒸发器所需钢管数 n2 s2 d0l 135 86 3 14 0 038 3 380 3 4 2 加热室直径及管排列 加热室的内径取决于加热管的和循环管的规格 数目及在管板上的排列 第四章 辅助设备的选型 10 加热管在管板上的排列可按三角形式排列 对于 38 3mm 的管可取管心距为 t 70mm 管束中心线上的管数 nc 1 1n 所以 nc1 21 nc2 21 可采用下式初步估计加热室内径 即 di t nc 1 2b 其中 b 1 1 5 d0 取 b 1 5 d0 则 di1 di2 70 21 1 2 1 5 38 1514mm1550mm 取加热室高度 h 5m 加热室体积 v 0 785 d 2h 所以第一效蒸发器加热室体积 v1 0 785 1 552 5 9 43 m3 第二效蒸发器加热室体积 v2 0 785 1 552 5 9 43 m3 3 4 3 进料口的设计及计算 由f qv au a 0 785d2 所以 d 31 7mm 32mm 0 785fu 3 4 4 循环管的设计及计算 根据经验 取循环管截面积为加热管总截面积的0 8 第一效蒸发器a1 0 8 0 785di2n1 0 8 0 785 0 0322 376 0 2418 m2 d1 0 5550m选用555 9mm的无缝钢管为循环管 第二效蒸发器a2 0 8 0 785d22 n2 0 8 0 785 0 0322 380 0 2444 m2 d2 0 5579m 选用558 9mm的无缝钢管为循环管 3 4 5 分离室的设计及计算 取分离室的高度 h 5 m p1 40kpa 1 0 24975kg m3 w1 1921 kg h p2 10 25 kpa 2 0 06956 kg m3 w2 1829 kg h 第四章 辅助设备的选型 11 二次体积流量 v1 1921 0 24975x3600 2 137 m3 s v2 1829 0 06956 x3600 7 304 m3 s 取允许的蒸发强度 vs 为 1 5 m3 m2 s 因为 0 785dih v vs 故分离室直径为 di s 0 5 0 785vhv 所以 d1 0 852m d2 1 575m 所以分离室直径为 1 6 m 第四章 辅助设备的选型 12 第四章 辅助设备的选型 4 1 设备选型要点 4 1 1 选果机 选用江苏科威机械有限公司生产的 gxj 型滚杠喷淋选果机 该设备适用于 球形或长圆形果蔬的选果挑选或分级 4 1 2 清洗机 选用江苏科威机械有限公司生产的 cxj 型冲浪式清洗机 该设备在气泡 冲浪 提升 喷淋等联合工作下 具有洗洁净高 节能节水 设备稳定可靠等 特点 适用于果蔬原料的清洗 冲洗水经过过滤后循环使用 自带提升 方便 联线 4 1 3 破碎机 选用锯齿式破碎机 这种破碎机破碎室由一高速回转的人字形打击板和一 个固定的齿刀筒构成 锯齿刀由特种硬质钢材制成 安装在固定筒的下半部分 缝隙内 可根据原料成熟度不同更换不同的刀具 一般新鲜的或较硬的果实用 细刀具 过熟或绵软的果实用粗刀具 工作时 桃进入破碎室后 被打击板抛 向齿刀筒壁 并沿筒壁做圆周运动 被锯齿刀切割而破碎 4 1 4 榨汁机 选用江苏科威机械有限公司生产的水果榨汁机 该机适用于压榨果蔬汁液 该设备主要特点是 螺旋推进挤压 全自动完成浆果 仁果及蔬菜类果蔬榨汁 排渣工序 与物料接触部分为优质不锈钢制造 4 1 5 过滤机 选用江苏科威机械有限公司生产的 zgj 型振动式过滤机 该设备适用于各 种果蔬汁及喊有纤维颗粒液体的过滤 果蔬汁由进料口均匀的分流欲过滤网上 由于倾角的存在及滤筛振动 滤渣自动排出 并由另配的螺杆泵回前道工序 果蔬汁由饮料泵入下道工序 第四章 辅助设备的选型 13 4 1 6 加热杀菌机 选用以上计算规格的固定管板式换热器 4 1 7 冷凝器 将加热杀菌的桃汁灌装后要将其从 83 迅速的降温至 35 选用低温冷凝 器将其快速的冷却 然后运输出去装箱 4 1 8 离心分离机 选用广州市大昭食品机械工程有限公司生产的卧式离心分离机 该设备是 利用惯性离心力进行固 液 液 液或液 液 固相离心分离的机械设备 用高速旋 转的转鼓产生离心力把固体颗粒截留并自动卸出 液体经转鼓过滤分离出来 从而达到液固分离目的 4 1 9 调和罐 选用温州贝诺机械有限公司生产的调和罐 该设备有节能 耐蚀 生产能 力强 清洗方便 结构简单等优点 主要用于奶品和食糖 饮料 食糖及其 他元素和各种药物在调合后进行搅拌均匀作用 是制造乳品 饮料 制药厂家 不可缺少的设备 4 1 10 真空脱气机 真空脱气法是利用气体在液体内的分压成正比的原理 进行真空脱气 液 面上的压力逐渐降低 溶解在饮料中的气体不断逸出 直至降低至饮料的蒸汽 压时 达到平衡状态 这时所有的气体被脱除 达到平衡所需要的时间取决于 溶解的气体逸出速度和气体排至大气的速度 脱气机的脱气效果受真空度 饮料的温度 饮料喷出表面积和脱气时间等 因素影响 为充分脱气应注意以下几点 1 真空设备的真空度应维持在 90 7 93 3kpa 2 料液应加热到 45 75 4 1 11 灌装封盖机 第四章 辅助设备的选型 14 选用上海龙宏包装机械有限公司龙宏牌 zg 系列全自动直线灌装生产线 zg 系列全自动直线灌装机优点是 1 适用于各种类型的瓶子灌装 该机集欧洲先进国家技术 采用灌装缸定 量原理 灌装量连续可调 具有功能齐全 能耗低 投资规模较小的特点 2 该机优点是设计新颖 灌装精度高 结构紧凑 整机自动化程度高 适 应性强 操作方便 安全可靠 占地面积小等 可广泛应用于食品 饮料 医 药 乳品 化工等领域 对有粘度有泡沫的液体更为适合 4 2 辅助设备选型 表 4 1 设备选型列表 序号设备名称型号生产能力 t h 功率 kw 外型尺寸长外型尺寸长 宽宽 高高 mm 1选果机gxj 31 30 373000 700 900 2冲浪式清洗机cxj221 472300 910 1600 3破碎机ps 52 51 5910 610 1175 4榨汁机lz 2 51 0 2 5112200 600 1560 5过滤机zgj 220 181200 800 630 6杀菌机rp6l201 5 22 31100 900 1600 7离心分离机wf 6301 5 22 21270 1080 770 8真空脱气器tq 2 52 52 215009302200 9灌装机zg 2020 25251805135821 10封罐机封罐机xg 202015125 700 450 生产工艺流程中的管径大小由流量大小决定 本设计中连接换热器进料口 出料口的接管管径计算方法如下 壳程流体进出口接管 取接管内水蒸气流速为 u 1 0m s 则 第四章 辅助设备的选型 15 接管内径为 d mm 4v u 4 63 943600 951 3 14 1 0 4 88 取标准管径为 5mm 管程流体进出口接管 取接管内桃汁流速为 u 0 5m s 则 接管内径为 d 23 8 mm 4 8403600 1050 3 14 0 5 取标准管径为 25mm 第五章 换热器主要结构尺寸和计算结果 16 第五章 换热器主要结构尺寸和计算结果 表 5 1 物性参数表 名称管程壳程 物料名称桃汁水蒸气 定性温度 70110 操作温度 50 90120 100 流量 kg h8