食品工厂设计 课件 第三章 食品工厂工艺设计

食品工厂工艺设计第三章食品工厂的工艺设计是整个设计的根本和核心，其决定了食品工厂生产工艺技术的先进性、合理性和可拓展性。在食品工厂设计过程中，工艺设计是核心设计，是其他部分设计工作围绕的中心，是整体食品工厂设计工作的依据。工艺设计对工厂建设的投资强度、生产效率、生产成本、劳动强度、生产安全以及环境保护等有重要影响。因此，工艺设计具有重要的地位和作用。LOGO工艺设计目录Catalog01.工艺设计的概述02.产品方案及班产量的确定03.生产工艺流程设计的方法04.工艺计算01.工艺设计的概述食品工厂工艺计算主要是应用守恒定律来研究生产过程的物料衡算和热量衡算问题。物料衡算和能量衡算是进行食品工厂工艺设计、过程经济评价、节能分析以及过程优化的基础。生产用水、用汽的计算。1.1、基本内容产品方案确定、生产工艺（流程）设计、工艺计算（物料、热量衡算，用水、用汽量计算）、设备选型、车间工艺（设备布置）设计和管路设计等。其中，产品方案确定、生产工艺设计、工艺计算是本章讲述的重点，需要在前期可行性调研的基础上对产品方案、生产过程和工艺流程进行设计。其主要目的是选择技术上先进可行、经济上合理的加工技术，同时满足高效率、高品质、高能效等要求。第一步第二步第三步第六步第五步第四步根据前期可行性调查研究，确定产品方案及生产规模1.2、基本步骤根据当前的技术和经济水平选择生产技术方法生产工艺流程设计物料衡算和能量衡算（包括用汽量、耗冷量、给水量计算）设备计算和选型车间工艺（设备布置）设计管路设计配电及其他工艺设计设计并绘制设备工艺流程图、车间设备布置图、管道布置设计图，以及编制说明书等。第七步第九步第八步1、工艺设计需要向包括土建面积、车间高度及结构、洁净度、卫生设施等在内的其他设计提供要求和相关信息；2、通过车间的用汽量、给水量计算，提出全厂供汽、给排水的要求；3、提出原料、辅料、包装材料、中间产品、终产品数量及贮藏要求；4、提出辅助车间的工艺要求等。1.3工艺设计为工厂设计提供的参考案例分析一例壳聚糖工厂设计的工艺设计案例，一种来自于海洋的食品添加剂脱乙酰甲壳素（壳聚糖）/新资源食品原料壳寡糖的工艺选择，根据当前的技术、经济水平进行工艺选择新工艺实现甲壳素绿色生产壳聚糖、壳寡糖是目前自然界发现的唯一带正电荷的天然多糖，在精细化工、生物医药、保健食品及农林畜牧等方面具有独特的应用，参照国标GB29941-2013食品添加剂脱乙酰甲壳素（壳聚糖），是以甲壳素或虾、蟹等壳为主要原料，经脱钙、脱蛋白、脱乙酰基等工艺加工制得食品添加剂脱乙酰甲壳素（壳聚糖）。传统方法能耗高且污染严重。中国海洋大学的一项国家授权发明专利技术（一种发酵虾头制备活性物质、甲壳素和有机酸钙的方法（专利号：CN2013101132200）），利用地衣芽孢杆菌和氧化葡萄糖酸杆菌来发酵虾头来制备活性物质、甲壳素和有机酸钙。采用本发明方法可以从一批虾头中同时分离制备多种活性物质，如富含氨基酸和多酚等多种活性物质的水解蛋白质、食品级甲壳素和更宜于人体吸收的葡萄糖酸钙。

在上述工艺技术经反复的中试实验验证，通过行业专家鉴定后，该技术成果成功转让并实现了产业化转化，最终该企业成功实现了甲壳素/壳寡糖及其他衍生产品的绿色生产，取得了良好的经济效益和社会效益。02.产品方案及班产量的确定理解制定产品方案的意义和要求在制定产品方案时需要满足哪些要求、平衡哪些要素确定班产量，产品方案通过何种形式进行表达对产品方案进行比较和分析。2.1产品方案的意义和要求又称生产纲领，是食品工厂准备全年生产产品的种类、数量、生产周期、生产班次等的计划安排意义01原料供应的季节性产品的市场销售消费者生活习惯各地的气候和季节等主要因素02四个满足：（1）满足主要产品产量的要求；（2）满足经济效益的要求；（3）满足淡旺季节平衡生产的要求；（4）满足原料综合利用的要求。五个平衡：（1）产品产量与原料供应量的平衡；（2）生产季节性和劳动力的平衡；（3）生产班次的平衡；（4）产品产量与设备生产能力的平衡；（5）水、电、汽负荷的平衡。案例分析一例刺参加工企业产品方案制定刺参是一种海洋无脊椎动物，含有多种活性成分，营养价值高，与一般的水产品及肉制品比较，具有许多特殊的加工特性。首先海参具有极强的自溶能力，其保鲜、贮藏、运输和加工等环节带来诸多难题，因此海参加工企业在设计产品方案时，会根据海参的生长繁殖特性实施产品设计。

一般两季制备盐渍海参，一方面可作为商品直接进行销售，另一方面可以作为其他产品加工的中间品进行冷冻贮藏，在非海参收获季进行干海参产品、即食海参产品、佛跳墙预制菜产品等多种不同形式产品的加工。在产品的执行标准选择方面，盐渍海参执行SC/T3215-2014《盐渍海参》，干海参执行GB31602-2015《食品安全国家标准干海参》，即食海参执行SC/T3308-2014《即食海参》，上述均为有国家/行业标准可以参考执行，且产品无特殊性，可以执行国家/行业标准。表3-1海参加工企业产品方案1、班产量是工艺设计中最主要的计算基础，其大小直接影响到设备的配套、车间的布置和面积、公用设施和辅助设施的大小，以及劳动力的定员等。2、影响因素主要有原料供应量、设备生产能力、市场销售状况等。设计产品方案时，须确定主要产品的产品规格和班产量。3、一般情况下，班产量越大，单位产品的生产成本越低，产品市场竞争的优势越大，经济效益越好。但班产量也受投资规模、原料供应、市场销售等多方面制约和限定。4、一般情况下，班产量必须达到或超过经济规模，符合经济效益最大化的班产量才是最适宜的班产量。。2.2班产量的确定1、班产量是工艺设计中最主要的计算基础，其大小直接影响到设备的配套、车间的布置和面积、公用设施和辅助设施的大小，以及劳动力的定员等。2、影响因素：原料供应量、设备生产能力、市场销售状况等。3、一般情况下，班产量越大，单位产品的生产成本越低，产品市场竞争的优势越大，经济效益越好，同时受投资规模、原料供应、市场销售等多方面制约和限定。4、一般情况下，班产量必须达到或超过经济规模，符合经济效益最大化的班产量才是最适宜的班产量。2.2班产量的确定2.2班产量的计算公式

式中Q——新建厂某类食品年产量，tQ1——本地区该某类食品消费量，tQ2——本地区该某类食品年调出量，tQ3——本地区该某类食品年调入量，tQ4——本地区该某类食品原有厂家的年产量，t产品方案制定后，可通过文字的形式进行表达或者通过图表的形式进行表达。优点：（1）更加直观、清晰，建议采用该表达方式，关于产品方案的表达格式虽然无硬性规定；（2）能够简单、准确、全面地反映出产品方案的具体内容即可。产品方案一般包括：产品名称、年产量、班产量及全年12个月的生产安排等，如表3-2的形式（供参考）。2.3产品方案的表达表3-2年产2万吨海鲜预制菜工厂产品方案在制定产品方案时，为保证方案的合理经济，应按照设计计划任务书中确定的年产量和品种，制定2种以上产品方案，并从生产可行性和技术先进性入手比较分析，从中选择最优方案。方案对比可以采用图表的形式表达。2.4产品方案的比较与分析表3-3产品方案比较与分析表03.生产工艺流程设计的方法理解生产工艺流程设计的重要性如何影响产品质量、生产成本、生产能力和操作条件如何影响工厂建设投资和经济效益清楚工艺流程设计的原则和依据，掌握工艺流程设计的步骤，学会绘制工艺流程图工艺流程设计是原料到成品的整个生产过程的设计，是根据原料的性质、成品的要求，把所采用的生产过程及设备组合起来，并通过工艺流程图的形式，形象地反映食品生产由原料进入到产品输出的过程，其中包括物料和能量的变化、物料的流向以及生产中所经历的工艺过程和使用的设备仪表。3.1工艺流程设计概念和要求生产工艺流程设计确定生产流程中各个生产过程的具体内容、顺序和组合方式，达到由原料制得所需产品的目的绘制工艺流程图，要求以图解的形式表示生产过程中，当原料经过各个单元操作过程制得产品时，物料和能量发生的变化及其流向，以及采用了哪些生产过程和设备生产工艺流程设计的主要原则：（1）合规性。生产的产品不仅要符合生产地的食品安全标准和法规，还需要满足销售地相关法规的要求，尤其是涉及到跨境制售的产品。（2）先进性。生产采用的工艺、技术和装备要符合产业发展的趋势，优先采用先进工艺和新技术，通过选择机械化、自动化甚至智能化程度高的生产线，生产满足市场消费需求的优质食品产品。（3）成熟性。但在采用新的技术也需要积极谨慎，对科研成果，需要进行中试规模放大试验，在反复确认工艺技术稳定和成熟的基础上，经过有关部门和专家的鉴定后才能应用到设计中来。（4）经济合理性。在确保产品满足市场需求的前提下，选择生产效率高、生产消耗成本低的工艺流程；减少特殊要求的厂房和设备设计。（5）可拓展性。考虑到市场需求变化，采用不同原料生产不同产品的可能性。（6）安全性。工艺过程设计要将安全性放在首要位置，需配备完善的安全设施，在工艺满足的情况下，加热介质尽量采用高温、低压和非易燃易爆的物质。（7）综合利用。要选择有利于原料综合利用的工艺，可实现多层次深加工的工艺。（8）环境友好。选择产生“三废”少的工艺流程，或经过治理容易达到国家规定的排放标准的生产工艺；要充分利用能源，选择低碳、环保的工艺，同时充分考虑余热的回收利用。3.1工艺流程设计概念和要求生产工艺流程设计的主要依据：1、产品执行标准：根据产品规格要求和国家标准、部颁标准、行业标准、团体标准、企业标准或客户提出的特殊规格标准进行拟定。2、加工原料性质：根据原料品种的单一程度进行设计，如果原料品种较多，则需要设计复杂工艺和配置多种设备；如果原料品种单一，则应选择简化工艺和设备。3、产能和投资规模：根据工厂产能规模设计，产能规模和投资大的工厂，可采用较复杂的工艺流程和先进的设备；产能规模和投资小的工厂，根据实际情况可选择相对简单的工艺流程和设备。4、工业配套情况：生产过程中需要用的辅助条件，如水、电、汽、燃料的消耗情况和供应情况，根据配套情况进行相应设计。3.1工艺流程设计概念和要求1、工艺流程方框图设计①确定生产方法和生产过程；②绘制工艺流程方框图；③进行工艺计算，包括物料衡算、热量衡算以及用水量、用汽量的计算等；④进行设备计算和选型。3.1工艺流程设计概念和要求生产工艺流程设计的主要步骤：由于工艺流程设计过程中涉及的问题繁杂，需要经过不断反馈调整才能确定最终的设计，是一个由定性到定量的过程，可将过程拆解为以下步骤：2、绘制工艺流程草图①验证并优化工艺路线，进行初步车间平面布置设计，审查生产工艺流程是否合理。②确定设备之间的立面连接位置。3、绘制工艺流程图3.2工艺流程图1、工艺流程图是用图表符号形式，表达产品通过工艺过程中的部分或全部阶段所完成的工作。食品工厂的工艺流程图，是把各个生产单元按照一定的目的和要求，有机地组合在一起，形成一个完整的生产工艺过程，并用图形描绘出来。2、工艺流程图有工艺流程方框图和设备工艺流程图两种。（1）生产工艺流程方框图的绘制在物料衡算前进行，其主要作用是：定性地表明原料变成产品的路线和顺序，以及应用的过程及设备。包括工序名称、完成该工序的工艺操作手段、物料流向、工艺条件等。（2）设备工艺流程图是以形象的图形、符号、代号表示食品加工设备、输送路线、控制仪表等，借以表达食品生产过程、设备先后配置和物料流向等的一种工艺流程图，也称生产或工艺控制流程图。（3）工艺流程方框图和设备工艺流程图必须同物料衡算、能量衡算、设备设计计算以及车间布置设计等交叉进行。设计时必须全面、综合考虑，不断反馈调整才能最终完成高质量的设计任务。最终形成的工艺流程图将被编入设计文件，供上级部门审批和后续施工参考。案例分析图3-1方便海鲜粥的生产工艺流程方框图图3-2固态海鲜调味料的工艺流程方框图图3-3干海参生产工艺流程方框图知识拓展关键危害点CCP（CriticalControlPoint）是指食品加工过程中的某一点（步骤或工序）进行控制后，就可以防止或消除食品安全危害或其减少到可接受水平。CCP是危害分析与关键控制点（hazardAnalysisandCriticalControlPoint，HACCP）体系的重要的检测和控制对象。HACCP体系通过对每个生产环节可能造成食品危害的因素进行科学、合理分析，对关键环节实施有效地监控，从而将食品安全卫生危害消除或降低至安全的水平。HACCP体系运行覆盖从原材料到产成品的整个加工过程，在生产产品出现质量安全问题之前就可以釆取纠正措施，因而属于积极主动的质量控制体系，对食品质量安全水平的提高具有可行性及深远意义。在国际上，HACCP体系被认为是迄今为止人们在实践中应用最经济、最有效的质量安全管理方法，并获得FAO（联合国粮食与农业组织）、WHO（世界卫生组织）、CAC（食品法典委员会）的认可。04.工艺计算理解物料衡算和热量衡算的作用、依据和步骤，掌握物料衡算和热量衡算的表达方式，能够绘制出物料平衡图，根据热量衡算结果计算出生产用水、汽量等；食品工厂工艺计算主要是应用守恒定律来研究生产过程的物料和热量衡算问题。物料衡算和热量衡算是进行食品工厂工艺设计、过程经济评价、节能分析以及过程优化的基础；工艺计算还需要对生产用水、用汽量做出计算4.1、物料衡算物料衡算是工艺计算中最基本且最重要的内容之一，其理论依据为质量守恒定律，即在一个孤立体系中，不论物质发生任何变化，它的质量始终变不变，适用于生产过程的每个工艺环节以及整个生产过程。物料衡算需要明确加入设备和离开设备的物料（包括原料、中间品、产品）各组分的成分、质量和体积。据此计算出产品的原辅料消耗定额、消耗量和主副产品量。在食品工厂设计中，技术经济定额指标也是物料衡算的重要依据，制在工厂长期的生产实践中积累起来的经验数据。计算物料时，必须使原料、辅料的量与加工处理后成品量和损耗量相平衡，计算出原辅料的消耗定额，绘制出物料平衡图。取得原辅料消耗量及主、副产品得率的基础数据为热量衡算、设备计算和设备选型提供依据作为编制设计说明书的原始资料各组分的质量各组分的成分物料衡算作用结果物料衡算帮助优化形成最佳的工艺路线和参数为成本核算提供计算依据各组分的干基物料质量各组分物料的相对密度各组分物料的体积加入设备和离开设备的物料各组分名称依据各组分的质量各组分的成分各组分的干基物料质量各组分物料的相对密度各组分物料的体积衡算及计算步骤

计算步骤：（1）收集计算数据，列出已知条件和选定工艺参数。（2）按工艺流程顺序，用方块图和箭头画出物料衡算示意图。图中用简单的方框表示过程中的设备，用线条和箭头表示每个流股的途径和流向，并标明每个流股的已知变量及单位。对一些未知的变量，可用符号表示。（3）选定计算基准，一般以t/d或kg/h为单位。（4）列出物料衡算式，然后用数学方法求解。总物料衡算式F=P+WF——进料P——产品出料W——其他出料（5）将计算结果用物料平衡图或物料平衡表（输入﹣输出物料平衡表）表示，平衡图的内容包括：物料名称、质量、物料流向、投料顺序等。绘制平衡时，实线箭头表示物料主流向，必要时用细实线表示物料支流向。（6）校核计算结果。新资源食品南极磷虾油浸提车间混合油蒸发工序的物料平衡图案例分析案例分析表3-5水产品预制菜物料计算及原料利用率表作用热量衡算是能量衡算的一种表现形式，遵循能量守恒定律，即输入的总热量等于输出的总热量。（1）确定工艺需要输入、输出热量，计算传热和冷却介质的消耗量及传热面积。（2）提供热交换设备选型的依据。（3）优化节能方案。依据方法步骤4.2、热量衡算能量的消耗是一项重要的技术经济指标，它是衡量工艺过程、设备设计、操作制度是否先进合理的主要指标之一。能量衡算的基础是物料衡算，只有在完成物料衡算之后才能做能量衡算。（1）基本工艺流程及工艺参数。（2）物料计算结果中有关物料流量或用量。（3）加热或冷却介质的名称、数量及对应的参数（如温度、压力等）。（4）基本物性参数（热交换介质及单一物料的物化参数：热、潜热、始末状态以及混合物性能参数等）。（1）列出已知条件，即物料衡算的量和选定的工艺参数。（2）选定计算基准，一般以kJ/h计。（3）对输入、输出热量分项进行计算。（4）列出热量衡算方程式，求出传热介质的量。4.2、热量衡算热量衡算式如下：Q­1+Q­2=Q­3+Q­4+Q­5式中Q­1

——所处理原料带入热量Q­2——由加热剂（或制冷剂）传给设备（或物料）的热量Q­3——所处理的物料从设备中带走的热量Q­4

——消耗在设备上的热量Q­5

——设备向四周散发的热量（热损失）连续式与间歇式设备操作的热量衡算的区别（1）间歇式操作的条件是随时间的变化而周期性变化的，因此，热量衡算须按每一周期为单位进行，计算单位用kJ/一次循环，然后再换算成kJ/h，热损失取最大值。（2）连续设备操作则不受时间变化的影响，仅取其平均值即可，单位用kJ/h4.3、用汽量计算计算目的在于明确生产过程中蒸汽消耗的定额指标，对工厂建设提出蒸汽配套要求，也便于进行生产成本的核算和管理，并作为工艺技术和操作改进的依据。（一）按单位产品耗汽量定额估算法对于规模较小的食品工厂，其生产用汽量可采用按单位产品耗汽量定额估算法。它又可分为三个方法，即按每1t产品耗汽量估算、按主要设备的用汽量估算、以及按食品工厂生产规模拟定给汽能力。表3-6部分水产深加工品平均每1t产品耗汽量4.3、用汽量计算表3-7水产品加工常见用汽设备的用汽量食品工厂中的动力蒸汽，如蒸汽喷射真空泵、蒸汽往复泵、蒸汽发电机等设备的用汽量，可根据铭牌上的数值确定。对于规模较大的食品工厂，在进行用汽量计算时必须采用计算方法，保证用汽量的准确性。（1）画出单元设备的物料流向及变化的示意图（3）收集数据物料量、工艺条件以及必需的物性数据等。这些数据可以从专门手册中查阅，或取自工厂实际生产数据，或根据试验研究结果选定。（2）分析物料流向及变化，写出热量计算式（4）确定合适的计算基准。在热量计算中，取不同的基准温度，按照热量计算式所得到的结果就不同。所以必须选准一个设计温度，且每一物料进出口基准温度必须一致步骤4.3、用汽量计算按产品生产工艺参数计算式中∑Q入——输入的能量总和，kJ∑Q出——输出的能量总和，kJ∑Q损——损失的能量总和，kJ∑Q出=Q­4+Q­5+Q­6+Q­7∑Q损=Q­8式中Q­1——物料带入的热量,kJQ­2——由加热剂（或冷却剂）传给设备和所处理的物料的热量,kJQ­3——过程的热效应，包括生物反应热、搅拌热等,kJQ­4——物料带出的热量,kJQ­5——加热设备需要的热量,kJQ­6——加热物料需要的热量,kJQ­7——气体或蒸汽带出的热量,kJQ­8——损失的热量，kJ①物料带入的热量

Q­1

和带出的热量Q­4

按下式计算，即：Q­1

（或Q­4）=∑m1c1t式中

m1——物料质量，kgc1——物料比热容，kJ/(kg·K)t——物料进入或离开设备的温度，℃②过程的热效应

Q­3

：过程的热效应主要有合成热

Q­B、搅拌热

Q­s

和状态热（例如汽化热、溶解热、结晶热等）；Q­3=Q­B+Q­s式中

Q­B——发酵热（呼吸热），kJ，视不同条件、环境进行计算Q­s——搅拌热，Q­s

=3600Pη,kJ。其中

P为搅拌功率，kW，η为搅拌过程功热转化率，通常η=92%4.3、用汽量计算进行具体的热量计算③加热设备耗热量Q­5

：为了简化计算，忽略设备不同部分的温度差异，则：Q­5=m2c2(t2-t1)式中m2——设备总质量，kgc2——设备材料比热容，kJ/(kg·K)t1、t2——设备加热前后的平均温度，℃④气体或蒸汽带出热量Q­7Q­7

=∑m3(c3t+r)式中m3——离开设备的气体物料（如空气、CO2等）量，kgc3——液态材料由0℃升温至蒸发温度的平均比热容，kJ/(kg·K)t——气态物料温度，℃r——蒸发潜热，kJ/(kg·K)⑤设备向环境散热Q­8：为了简化计算，假定设备壁面的温度是相同的，则：Q­8=Aλ­T(tw-ta)τ式中A——设备总表面积，mλ­T——壁面对空气的联合热导率，W/(m·℃)。空气做自然对流时，λ­T=8+0.05tw；空气做强制对流时，λ­T=5.3+3.6v（空气流速v=5m/s）或λ­T=6.7λ­T=(v>5m/s)tw——壁面温度，℃ta——环境空气温度，℃τ——操作过程时间，s⑥加热物料需要的热量

Q­6:Q­6=m1c1(t2-t1)式中m1——物料质量，kgc1——物料比热容，kJ/(kg·K)t1

、t2——起物料加热前后的温度，℃⑦加热（或冷却）介质传入（或带出）的热量

Q­2

：对于热量计算的设计任务，Q­2是待求量，也称为有效热负荷。若计算出的Q­2为正值，则过程需加热；若Q­2为负值，则过程需从操作系统移出热量，即需冷却。

最后，根据Q­2来确定加热（或冷却）介质及其用量4.3、用汽量计算（6）根据不同载热介质算出载热介质的需要量

4.3、用汽量计算水产品品类比热kJ/(kg·K）水产品品类比热kJ/(kg·K）鳕鱼3.77螃蟹3.52黑线鳕3.43鳗鱼3.22大比目鱼3.35比目鱼3.6鲱鱼，腌鱼3.18烟熏鲱鱼2.97鲭鱼，大西洋2.76龙虾3.43鲈鱼3.52沙丁鱼3.22三文鱼2.97鲥鱼3.18金枪鱼3.18虾3.48龙虾，美式3.48马鲛鱼3.06牡蛎3.48鲟鱼，生的3.48扇贝肉3.52鲟鱼，熏制2.97虾3.48旗鱼3.35梭鱼3.35龟鳖3.35鲳鱼3.22鳟鱼3.43鲤鱼3.43金枪鱼3.18蛤蜊肉3.52白鱼3.18表3-8常见食物原料的比热表温度℃压力MPa焓KJ/kg温度℃压力MPa焓KJ/kg00.0006112501350.00562225650.010.0006112501400.007375257410.0006572502.8450.0095822582.920.0007052504.7500.0123352591.830.0007582506.5550.015742600.740.0008132508.3600.0199192609.550.0008722510.2650.0250082618.260.0009352512700.0311612626.870.0010012513.9750.0385482635.380.0010722515.7800.0473592643.890.0011472517.5850.0578032652.1100.0012272519.4900.0701082660.3110.0013122521.2950.0845252668.4120.00140225231000.1013252676.3130.0014972524.91100.143262691.8140.0015972526.71200.198542706.6150.0017042528.61300.270122720.7160.0018172530.41400.361362734170.0019362532.21500.475972746.3180.00206325341600.618042757.7190.0021962535.91700.792022768200.0023372537.71801.00272777.1220.0026422541.41901.25522784.9240.00298225452001.55512791.4260.003362543.62101.90792796.4280.0037792552.32202.32012799.9300.0042422555.92002.79792801.7表3-9蒸汽热焓表4.4、用水量计算

水在食品生产中是不可或缺的。工业用水分为主要生产用水，辅助生产用水（包括机修、锅炉、运输、空压站、厂内基建等），附属生产用水（包括厂部、科室、绿化、厂内和车间浴室、保健站、厕所等生活用水）三类。在食品工