《食品工程原理》课程设计

题目：年产2万吨杏仁露生产线中换热器的

设计

学    院：xxxxx    XXXXXXXXX学院

专    业：  食品科学与工程      

学生姓名：XXXXXXX         

指导教师：       XXXXX     

课程设计（论文）时间：XXXXXXXXXX-XXXXXXXXXX

摘   要

该设计介绍了年生产2万吨杏仁露生产线换热器的设计，包括杏仁露工艺流程及要点，换热面积的确定，人字形板式换热器的主体设计，型号的合理选择，热量衡算等方面计算，对人字形板式换热器作出了合理的选择，以满足生产的需要同时尽量的节约能源。

关键词：杏仁露，工艺流程，设备选型，板式换热器

摘  要    Ⅰ

目  录    Ⅱ

第一章 引 言    1

第二章 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 板式换热器基本结构原理及设计特点    4

3.1板式换热器的基本结构    5

3.2 结构原理    5

3.3板式换热器的设计特点    5

第四章 相关计算    5

4.1设计及操作条件    5

4.2 计算    5

4.3 所选板式换热器性能参数    9

第五章 换热器主要结构尺寸和计算结果    10

结束语     12

参考文献    13

致 谢    14

第一章  引言

杏仁是杏的种子，有苦杏仁和甜杏仁两种。苦杏仁是山杏的种子，是制造杏仁露的主要原料。杏仁中的营养成分丰富，蛋白质含量为25%左右，主要是杏仁球蛋白和酪蛋白。杏仁中的脂肪高达50%，主要是油酸，此外杏仁中还含有糖、丰富的矿物质和维生素。

杏仁中含有苦杏仁苷和苦杏仁酶。苦杏仁苷含量为0.15%~3.5%，苦杏仁苷在酸或酶及加热条件下能水解，最后生成葡萄糖、苯甲醛及氢氰酸。水解产物氢氰酸是剧毒物质，人摄入0.1~0.2g便会致死。氢氰酸极易挥发，稍微加热就可将其除去。水解另一生产物苯甲醛，具有杏仁特殊香气，在空气中易氧化成苯甲酸，并能与蒸汽一起挥发，因此在去除轻轻算是，苯甲醛同时挥发损失。苦杏仁在用于加工食品以前必须首先去毒。目前，去毒方法有浸泡、酸煮和烘干等。

以杏仁、水和糖等为原料，经乳化而成的杏仁露是一种乳浊型蛋白质饮料。杏仁蛋白质的等电点为ph=4.8~5.0,因此，杏仁露产品的ph应控制在7左右，一方面远离杏仁蛋白质等电点，同时控制产品为中性或微碱性，避免高温杀菌时产生皂化味。

本文主要是针对在灭菌冷却阶段人字形板式换热器的设计，板式换热器是由一系列具有一定波纹形状的金属片叠装而成的一种新型高效换热器。各种板片之间形成薄矩形通道，通过半片进行热量交换。它具有换热效率高、热损失小、结构紧凑轻巧、占 地面积小、安装清洗方便、应用广泛、使用寿命长等特点。在相同压力损失情况下，其传热系数比管式换 热器高3-5倍，占地面积为管式换热器的三分之一，热回收率可高达90%以上。

在选择换热器时，要充分考虑食品物料的特点：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，若选择列管式换热器，在换热器管壳上易形成污垢层，严重影响换热的效率。而板式换热器靠夹紧螺栓将夹固板板片夹紧，因此拆装方便，随时可以打开清洗，同时由于板面光洁，湍流程度高，不易结垢。板式换热器采用不锈钢或钛合金板片压制，可耐各种腐蚀介质，胶垫可随意更换，并可方便在、拆装检修。此外，本次设计任务中，年产量不是较高，流速相对较小，板式换热器在低流速下可得到较高的传热系数。一般，Re=150～500即向湍流过度。传热系数较管壳式高2～4倍。其次，板式换热器结构紧凑，1m3体积换热器的传热面积可达250~1500m2,而管壳式仅为40~150m2。可在一个换热器进行预热、加热、冷却等几段操作。

第二章  工艺流程及操作要点

2.1 工艺流程

甜杏仁(或苦杏仁)→消毒清洗→烘干→粉碎榨油→研磨→调配→均质→巴氏杀菌→装罐密封→杀菌→冷却、擦罐→保温→打检、包装→成品。

2.2 操作要点

2.2.1原料的要求和处理

（１）原料的要求

杏仁是蔷薇科樱桃属植物杏及变种山杏的种子。我国的辽宁、山东、河北、陕西、、内蒙古等省均有种植，有甜杏仁和苦杏仁两种。工业生产上应选用无霉烂变质、仁粒饱满无虫害的优质杏仁，一般可以用甜杏仁和苦杏仁配合使用。

（2）浸泡脱皮

杏仁外包裹着一层果皮，它的存在会影响杏仁露的质量，必须在生产前先行除去。

脱皮的方法常用化学法和机械法两种。化学法是用一定浓度的碱液或脱皮剂浸泡，使杏仁与外皮脱离后，再用清水冲洗净碱液或脱皮剂。机械法是先用3倍的水浸泡杏仁，水温应保持在45~50摄氏度，浸泡时间为45~60min，然后用去皮机依靠摩擦来去除表皮。

（3）脱苦

由于苦杏仁中含有2%~3%的苦杏仁苷，它味苦，在酸或酶、加热作用下，水解生成氢氰酸剧毒物质，故必须除去。由于氢氰酸的沸点低，故可采用温水逆向法脱毒。其方法是让水与杏仁逆流流动，经过温水的浸泡、漂洗可除去毒性物质。水温在60~70‘c之间脱毒效果最好。

2.2.2杏仁消毒：

把洗净的杏仁放入浓度为0.35％的过氧乙酸中进行消毒，浸泡10分钟后捞出，用清水洗干净，捞出沥干水，再把杏仁放入烘干室进行烘干，烘干室温度为 65～70℃，烘干时间为20～24小时。

2.2.3粉碎榨油：

把烘干后的杏仁放入榨油机中，粉碎榨油除去杏仁中的油脂，再把除去油脂的杏仁用胶体磨研磨成糊状。

2.2.4调配：

调配比例杏仁5％，白砂糖8％，柠檬酸适量，其余为水。

加入糖浆后，先预定容90%，搅拌3～5分钟，抽样检测溶液的糖度和pH值；再定容并调整pH值——将食用NaOH配成3～5%的溶液，经200目过滤，加入调配罐中，使料液pH值为需要，搅拌3～5分钟，抽样检测。然后快速升温至90°C，停止搅拌，保温10分钟。保温结束，即刻关掉蒸汽，开冷却水，打开搅拌，使罐内料液尽快降温至75°C。最后，将整罐料液泵至已清洗好的中转罐中，准备均质。此时料液温度应为70—72°C。

2.2.5均质：

将配制好的杏仁液冷却后再用200目筛过滤，用均质机进行二次均质。第—次均质压力为30兆帕；第二次均质压力为60兆帕。

2.2.6消毒：

把已均质的杏仁液进行巴氏消毒，杏仁液中间的温度达到75～80℃，5～10分钟时，趁热装罐并加盖密封。

2.2.7杀菌：

产品密封后及时高温杀菌，121℃杀菌10～25分钟，然后冷却到37℃左右时擦罐。

2.2.8保温、打检：

在常温下保存5～7天，最后打检，挑出不合格产品。合格产品包装入库。

2.2.9质量标准：

杏仁露成品为乳白色，具有杏仁独特的清香气味，无其他异味。汁液均匀混浊，静置后允许有少量沉淀，但经摇动后仍呈原有的均匀混浊状态。可溶性固形物 8％～10％，或11％～14％(以折光计)。

第三章  板式换热器基本结构原理及设计特点

3.1板式换热器的基本结构

板式换热器

板式换热器主要由框架和板片两大部分组成。板片由各种材料的制成的薄板用各种不同形式的磨具压成形状各异的波纹，并在板片的四个角上开有角孔，用于介质的流道。板片的周边及角孔处用橡胶垫片加以密封。框架由固定压紧板、活动压紧板、上下导杆和夹紧螺栓等构成。板式换热器是将板片以叠加的形式装在固定压紧板、活动压紧板中间，然后用夹紧螺栓夹紧而成。

3.2结构原理

　　可拆卸板式换热器是由许多冲压有波纹薄板按一定间隔，四周通过垫片密封，并用框架和压紧螺旋重叠压紧而成，板片和垫片的四个角孔形成了流体的分配管和汇集管，同时又合理地将冷热流体分开，使其分别在每块板片两侧的流道中流动，通过板片进行热交换。

3.3板式换热器的设计特点

　　1、高效节能：其换热系数在3000～4500kcal/m2·°C·h，比管壳式换热器的热效率高3~5倍。

　　2、结构紧凑：板式换热器板片紧密排列，与其他换热器类型相比，板式换热器的占地面积和占用空间较少，面积相同换热量的板式换热器仅为管壳式换热器的1/5。

　　3、容易清洗拆装方便：板式换热器靠夹紧螺栓将夹固板板片夹紧，因此拆装方便，随时可以打开清洗，同时由于板面光洁，湍流程度高，不易结垢。

　　4、使用寿命长：板式换热器采用不锈钢或钛合金板片压制，可耐各种腐蚀介质，胶垫可随意更换，并可方便在、拆装检修。

　　5、适应性强：板式换热器板片为元件，可按要求随意增减流程，形式多样；可适用于各种不同的、工艺的要求。

　　6、不串液，板式换热器密封槽设置泄液液道，各种介质不会串通，即使出现泄露，介质总是向外排出。

第四章 相关计算

4.1 设计及操作条件

1、生产能力：年产2万吨

2、设备型式：人字形板式换热器

在室温（20°c）下加热到105°c进行杀菌后，经板式换热器进行降温。

3、操作条件：

　　（1）杏仁露（热流体）：入口温度105°c，出口温度为50°c

（2）冷却介质：循环水，入口温度20°c，出口温度为50°c

（3）允许压降：不大于100KPa(绝压)

（4）热流体定性温度下的物性数据：

　　　　=1000kg/m3     1=55010-6pa.s;

        Cp=4.183kJ/(kg.°c)   1=0.650w/(m.°c)

（5）设备工作日：每年按300天计，每天24小时连续运行。

（6）忽略热损失。

（7）建厂地址：莱芜

4.2 计算

4.2.1 计算热负荷

Q=WhCph(T1-T2)= 1.79 (w)

通过能量衡算，求得：qm=5262kg/h

4.2.2平均温差

=41.24°c

水的定性温度为t==35,

查得水在35°c下的物性数据：

                    Cpi=4.08kj/(kg.°c)

            w/(m.°c)   

4.2.3初估换热面积

　　初选K值：K=2000w/m2.°c

　　所以估算换热面积：S=

　　初选换热器型号BR0.05型板式换热器，其单通道横截面为，实际单板换热面积为0.0576m2。

　　试选组装型式为2.3—，210为杏仁露的流程，程数为2，

每程通道为10，120为水的流程，程数为１，每程通道为２０,换热面积为2.3m2。

因选板型为混流，采用列管式换热器的温差校正系数：

R=       P=

　　查单壳程温差校正系数：得0.96

　　=0.8341.24=39.6°c

初估算换热面积：S==2.26m2

4.2.4核算总传热系数：

（1）杏仁露侧的对流传热系数1：

  u==0.19m/s

　　采用换热器板间距为4mm,当量直径D=0.008m

2763

3.54

1=

杏仁露被冷却，取（）=0.95

所以， 1=6135w/(m.°c)

（2）水侧的对流传热系数2

   U2==0.175m/s

Re2=1920           Pr2=4.73

2=

水侧被加热，取（）=1.05

所以， 2=5733w/(m.°c)

(3)金属板的热阻

　　板材为不锈钢，导热系数为=16.8w/(m.°c)，板厚b=0.8mm,

=0.0000476(m2.°c)w

(4)污垢热阻

杏仁露侧：R1=0.000052(m2.°c)w

水侧：R2=0.000034(m2.°c)w

(5)总传热系数K

   =

   =0.000496(m2.°c)w

所以，K=2123w/(m.°c)

4.2.5传热面积

S==2.1m2

安全系数=9.5%  传热面积裕度满足工业要求。

4.2.6压降计算：

根据流速，查图线可知：

（1）杏仁露侧： =0.27105pa<105 pa满足条件

（2）水侧： =0.11105pa<105 pa满足条件

4.3 所选板式换热器性能参数为：

表5-1  物性参数表

本工艺设计的年产2万吨的人字形板式换热器，经过大量的考察与计算，该换热器的设计基本符合运作条件，当然其中存在着不可避免的不足之处，这将在食品生产过程中逐步得到改进和完善。

本次课程设计是进入大学以来第一次自己的课程设计，也是对三年大学生活，特别是对所学专业知识的一次检验，难免有很多的不足之处。但是经过这次之后，为将来更好的学习专业知识，为以后走向社会奠定了基础。

参考文献

[1] 贾绍义，化工原理课程设计[M]. 天津：天津大学出版社,2002

[2] 潘国昌，郭，化工设备.[M]. 北京：清华大学出版社,1999.

[3] 王静康，化学工程手册[M]. 北京:化学工业出版社,1996.

[4] 玉玮等，化学设备机械基础[M]. 大连：大连理工大学出版社,2000

[5] 田呈瑞，徐建国. 软饮料工艺学[M].中国计量出版社,2005.

[6] 董大勤. 化学设备机械基础[M]. 北京:化学工业出版社,1999.

[7] 刘道德等，化学设备的选择与工艺加工[M]. 湖南：中国工业大学出版社,1992.

[8] 杨同舟主编. 食品工程原理[M]. 北京:中国农业出版社,2001.

[9]程宝华，李先瑞主编，板式换热器及换热装置技术应用手册[M]，北京：中国建筑工业出版社，2005

致  谢

在本文完成之际，无论我的设计是否能够真的投入使用，这里面每一个控件的绘制，每一步设计的计算，每一段文本的输入之中都有我辛勤的汗水。两周的设计时间虽然短暂，我却从中学到了很多的东西。我由衷地感谢关怀、教诲、帮助、支持和鼓励我完成学业的老师和同学们。

特别感谢我的导师XXX，她在学习、设计上一直对我悉心指导，严格要求、热情鼓励，为我创造了很多锻炼提高的机会。洞察全局、高屋建瓴，为我的设计的顺利完成指出了很好的方向，渊博的知识、宽广无私的胸怀、夜以继日的工作态度、对事业的执著追求、诲人不倦的教师风范和对问题的敏锐观察力，都将使我毕生受益。在此我谨向我的导师以及在课程设计过程中给予我很大帮助的老师同学们致以最诚挚的谢意！下载本文