濃縮奶供應(yīng)系統(tǒng)在乳粉加工中的應(yīng)用

◎ 林可新，劉 杰，張修軍，梁立超，劉文超

（飛鶴（甘南）乳品有限公司，黑龍江 甘南 162100）

濃奶供應(yīng)系統(tǒng)在乳粉加工過程中扮演中間銜接角色，具有承前啟后的作用，前段銜接蒸發(fā)器，后端供應(yīng)干燥塔。作業(yè)過程中需要收集蒸發(fā)器輸送的高濃度物料，同時要向干燥塔提供流量穩(wěn)定、壓力穩(wěn)定、溫度恒定的高濃度物料。

在日常生產(chǎn)作業(yè)中，干燥塔的生產(chǎn)周期一般較長，可以達到36 h以上或更長時間，且由于蒸發(fā)器處理液態(tài)物料，處理溫度一般在50 ℃左右，結(jié)合嗜熱菌的生長習(xí)性，生產(chǎn)時間過長可能會引起微生物、生物膜、亞硝酸鹽等一系列質(zhì)量問題。因此，蒸發(fā)器運行一段時間需進行中間清洗或通過切換蒸發(fā)器來避免此種情況。另外，在濃奶供應(yīng)系統(tǒng)的設(shè)計上就需要考慮這種情況，通過濃奶罐容量設(shè)計或線次配比可保證在蒸發(fā)器暫時斷料的情況下須滿足干燥塔的持續(xù)運行。以下就乳粉生產(chǎn)過程中的濃奶供應(yīng)系統(tǒng)所涉及的各設(shè)備單元進行簡要的介紹。總體來說，濃奶供應(yīng)系統(tǒng)所涉及的設(shè)備有濃奶罐、水罐、物料泵、預(yù)熱器、背壓閥、雙聯(lián)過濾器和高壓泵等。

1 濃奶罐

1.1 濃奶罐的作用

濃奶罐是儲存蒸發(fā)干燥濃奶的裝置，其作用有以下幾點。

1.1.1 緩沖流量不穩(wěn)定

蒸發(fā)干燥出來的濃奶其流量并非固定值，數(shù)值上下波動，不能將蒸發(fā)干燥出來濃奶直接供應(yīng)干燥塔，流量不穩(wěn)定會導(dǎo)致高壓泵壓力持續(xù)波動，噴霧干燥不能正常運轉(zhuǎn)。在這之間安裝濃奶罐，收集蒸發(fā)干燥來的濃奶到一定水平，再在物料泵、背壓閥、預(yù)熱器等一系列設(shè)備的作用下，給高壓泵提供流量穩(wěn)定、壓力穩(wěn)定的濃奶，進行噴霧干燥。

1.1.2 緩沖產(chǎn)能波動

實際生產(chǎn)中一般設(shè)置2個濃奶罐，這主要是考慮到設(shè)備長時間運轉(zhuǎn)微生物情況無法保證。從蒸發(fā)器出來的濃奶溫度一般在55 ℃左右，是嗜熱微生物生長的理想溫度，設(shè)備經(jīng)過長時間運行，在濃奶罐內(nèi)壁及相關(guān)管道會形成生物膜產(chǎn)生芽孢、硝酸鹽及亞硝酸鹽。因此，設(shè)計2個濃奶罐，在其中一個濃奶罐運行到極限時間時，可以切換到另一條物料線，保證產(chǎn)品質(zhì)量的前提下還能保證產(chǎn)量。

1.1.3 逃跑功能

運行過程中蒸發(fā)器出現(xiàn)故障（殺菌溫度降低、密封水?dāng)嗔鳎r，可以將蒸發(fā)器內(nèi)多余的奶轉(zhuǎn)移至另一個濃奶罐中，以便對蒸發(fā)器進行檢修和清洗。

1.2 濃奶罐的設(shè)計

（1）進料設(shè)計。濃奶罐設(shè)計成物料下進下出，主要考慮到微生物的控制。若設(shè)計成上進下出，一方面進料時濃奶下落產(chǎn)生飛濺，濃奶液滴掛在管壁上，長時間運行，嗜熱微生物滋生影響產(chǎn)品質(zhì)量；另一方面從上進料的沖擊力使空氣進入濃奶中，影響后續(xù)噴霧干燥。

（2）容量設(shè)計。濃奶罐作為蒸發(fā)器濃奶收集及干燥塔濃奶供應(yīng)的銜接點，濃奶罐的容量設(shè)計一般要根據(jù)干燥塔產(chǎn)能及蒸發(fā)器中間清洗、切換的時間來決定，濃奶罐的容量必須保證蒸發(fā)器切換、中間清洗時，干燥塔能連續(xù)生產(chǎn)。濃奶罐容量設(shè)計可按式（1）計算。

式（1）中，Y為濃奶罐容量（t）；m為干燥塔的產(chǎn)能（t·h-1）；n為蒸發(fā)器斷料時間（中間清洗或切換蒸發(fā)器）（h）。因此，蒸發(fā)器斷料時間n小時內(nèi)，干燥塔所需濃奶量為2mn噸。因此，濃奶罐容量設(shè)計應(yīng)大于2mn噸。

（3）液位控制設(shè)計。濃奶罐配有重力液位傳感器，隨時反應(yīng)濃奶罐中液位，一般正常生產(chǎn)時，保證液位在50%左右的水平，過高有微生物風(fēng)險，過低有斷料風(fēng)險。

2 水罐

在生產(chǎn)中，水罐設(shè)置的用處：①生產(chǎn)開始時，干燥塔進水開啟預(yù)生產(chǎn)，通過水罐供水。②生產(chǎn)過程中，蒸發(fā)器出現(xiàn)故障，停止供料，干燥塔內(nèi)介質(zhì)由物料轉(zhuǎn)換水。生產(chǎn)過程中，切換物料線物料線管道中儲存較長時間水通過水罐被頂出管道排地。③生產(chǎn)結(jié)束時，干燥塔停止物料供應(yīng)，切換水降低干燥塔內(nèi)溫度，通過水罐供水。

3 物料泵

在實際生產(chǎn)中，一方面濃奶泵可以將定量的濃縮物供應(yīng)給高壓泵，濃奶泵和背壓閥一起作用可為高壓泵提供穩(wěn)定壓力、穩(wěn)定流量的物料輸入；另一方面濃奶泵是一個變頻泵，調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速可以增大或減小供給高壓泵的物料量，從而調(diào)節(jié)干燥塔的產(chǎn)能。

4 預(yù)熱器

蒸發(fā)器出口物料溫度在55 ℃左右，根據(jù)噴嘴霧化要求以及物料黏度對噴霧顆粒粒徑大小的影響，物料在霧化器前需進行預(yù)熱。在乳粉生產(chǎn)過程中大都采用套管式預(yù)熱器（圖1），其內(nèi)部為波紋管，波紋管結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的紊流，使其具有很高的傳熱速度，同時還可以減少傳熱表面的結(jié)垢。所用加熱介質(zhì)一般為水，加熱單元設(shè)計為逆流式，其中加熱介質(zhì)處于外圍和中心，而物料處于兩部分加熱介質(zhì)中間。此種預(yù)熱器的優(yōu)點：①加熱溫差小，一般溫差在5 ℃內(nèi)，波紋式及逆流式換熱設(shè)計，使換熱更加均勻。②獨特的連續(xù)混合能力，提供了比其他類型管式換熱器更大的傳熱速度。③不易結(jié)垢，使用時間較長。

圖1 套管式預(yù)熱器圖

5 背壓閥

物料供應(yīng)系統(tǒng)中，在濃奶泵和高壓泵中間設(shè)有背壓閥，目的是為高壓泵提供穩(wěn)定的物料輸入。一般采用膜片式背壓閥，其工作原理為：物料由濃奶泵泵送至背壓閥進口，物料被背壓閥內(nèi)膜片阻擋，此時物料對膜片產(chǎn)生向上的壓力，當(dāng)壓力足夠大時，背壓閥內(nèi)置彈簧被壓縮，物料頂起膜片形成通道，從背壓閥出口流出，若物料壓力不夠，就會形成憋壓，使進口壓力上升直至達到額定壓力，頂起膜片形成通路[1]。背壓閥的壓力調(diào)節(jié)可以通過調(diào)節(jié)彈簧上端的頂桿，調(diào)節(jié)彈簧的長度實現(xiàn)。

物料系統(tǒng)中背壓閥的作用[2]：背壓閥設(shè)置在濃奶泵和高壓泵之間，高壓泵正常運行的必要條件是有穩(wěn)定的物料流量供給，假設(shè)濃奶泵和高壓泵中間不設(shè)背壓閥，濃奶泵的流量隨壓力變化較大，濃奶泵前端為濃奶罐，濃奶罐液位的高低直接影響濃奶泵前端壓力，液位變化導(dǎo)致出口流量變化，提供給高壓泵的物料流量受到影響，高壓泵壓力也會出現(xiàn)不穩(wěn)定情況，進而導(dǎo)致單位時間內(nèi)進入干燥塔內(nèi)濃奶量發(fā)生變化、干燥塔排風(fēng)溫度出現(xiàn)波動、產(chǎn)品水分不穩(wěn)定等問題。在濃奶泵末端設(shè)置背壓閥，使泵的輸出流量穩(wěn)定，進而可以滿足高壓泵穩(wěn)定運行。

6 雙聯(lián)過濾器

雙聯(lián)過濾器的作用是在濃奶進入要壓泵前對濃奶中可能出現(xiàn)的奶塊、團塊、異物進行過濾，其濾網(wǎng)直徑大概在2 mm左右，可防止異物進入高壓泵及噴槍[3]。

7 高壓泵

在乳粉實際生產(chǎn)過程中，高壓泵一般都連接均質(zhì)頭構(gòu)成高壓均質(zhì)機，高壓均質(zhì)機使物料在高壓泵的高壓作用下，通過非常狹窄的均質(zhì)頭間隙（一般小于0.1 mm），形成高流速（150～200 m·s-1）使物料受到強大的剪切力，使物料中的大脂肪球顆粒粉碎為小顆粒。

在食品工業(yè)中所用的高壓泵一般都是三柱塞往復(fù)泵，泵體為長方形，內(nèi)有三個泵腔，活塞在泵腔內(nèi)往復(fù)運動，活塞抽出，物料頂開單向閥進入閥腔，活塞加壓后，單向閥關(guān)嚴，物料流向均質(zhì)閥[4]。

往復(fù)泵在活塞來回一次中，吸入和排出一次的稱為單動泵，單動泵在吸入時不能排液，在排液時不能吸液，物料排出不連續(xù)。雙動往復(fù)泵在運行過程中總有一個在洗液一個在排液，但是其流量也不穩(wěn)定。為保證排液連續(xù)且均勻，可使用三聯(lián)泵，即設(shè)置三個柱塞腔，來保證料液均勻穩(wěn)定的排出。高壓泵的生產(chǎn)能力可按式（2）來計算。

式（2）中，G為高壓泵生產(chǎn)能力，單位為m3·h-1；r為柱塞半徑，單位為m；s為柱塞沖程，單位為m；z為柱塞個數(shù)；n為柱塞往復(fù)次數(shù)（次/min）；ε為工程體積的填料系數(shù)，一般為0.8～0.9[5]。

8 結(jié)語

目前乳粉生產(chǎn)基本采用蒸發(fā)濃縮和噴霧干燥工藝結(jié)合，兩種工藝之間由物料供應(yīng)系統(tǒng)進行銜接。物料系統(tǒng)在連續(xù)生產(chǎn)時可以起到很大的作用，在蒸發(fā)器切換、中間清洗造成暫時斷料時，物料供應(yīng)系統(tǒng)可暫時存料來滿足干燥塔生產(chǎn)。因此，在實際生產(chǎn)過程中，按照生產(chǎn)任務(wù)計算生產(chǎn)時間節(jié)點，合理安排生產(chǎn)，既能保證產(chǎn)能又能保證產(chǎn)品質(zhì)量。