浓缩奶供应系统在乳粉加工中的应用

◎ 林可新，刘 杰，张修军，梁立超，刘文超

（飞鹤（甘南）乳品有限公司，黑龙江 甘南 162100）

浓奶供应系统在乳粉加工过程中扮演中间衔接角色，具有承前启后的作用，前段衔接蒸发器，后端供应干燥塔。作业过程中需要收集蒸发器输送的高浓度物料，同时要向干燥塔提供流量稳定、压力稳定、温度恒定的高浓度物料。

在日常生产作业中，干燥塔的生产周期一般较长，可以达到36 h以上或更长时间，且由于蒸发器处理液态物料，处理温度一般在50 ℃左右，结合嗜热菌的生长习性，生产时间过长可能会引起微生物、生物膜、亚硝酸盐等一系列质量问题。因此，蒸发器运行一段时间需进行中间清洗或通过切换蒸发器来避免此种情况。另外，在浓奶供应系统的设计上就需要考虑这种情况，通过浓奶罐容量设计或线次配比可保证在蒸发器暂时断料的情况下须满足干燥塔的持续运行。以下就乳粉生产过程中的浓奶供应系统所涉及的各设备单元进行简要的介绍。总体来说，浓奶供应系统所涉及的设备有浓奶罐、水罐、物料泵、预热器、背压阀、双联过滤器和高压泵等。

1 浓奶罐

1.1 浓奶罐的作用

浓奶罐是储存蒸发干燥浓奶的装置，其作用有以下几点。

1.1.1 缓冲流量不稳定

蒸发干燥出来的浓奶其流量并非固定值，数值上下波动，不能将蒸发干燥出来浓奶直接供应干燥塔，流量不稳定会导致高压泵压力持续波动，喷雾干燥不能正常运转。在这之间安装浓奶罐，收集蒸发干燥来的浓奶到一定水平，再在物料泵、背压阀、预热器等一系列设备的作用下，给高压泵提供流量稳定、压力稳定的浓奶，进行喷雾干燥。

1.1.2 缓冲产能波动

实际生产中一般设置2个浓奶罐，这主要是考虑到设备长时间运转微生物情况无法保证。从蒸发器出来的浓奶温度一般在55 ℃左右，是嗜热微生物生长的理想温度，设备经过长时间运行，在浓奶罐内壁及相关管道会形成生物膜产生芽孢、硝酸盐及亚硝酸盐。因此，设计2个浓奶罐，在其中一个浓奶罐运行到极限时间时，可以切换到另一条物料线，保证产品质量的前提下还能保证产量。

1.1.3 逃跑功能

运行过程中蒸发器出现故障（杀菌温度降低、密封水断流）时，可以将蒸发器内多余的奶转移至另一个浓奶罐中，以便对蒸发器进行检修和清洗。

1.2 浓奶罐的设计

（1）进料设计。浓奶罐设计成物料下进下出，主要考虑到微生物的控制。若设计成上进下出，一方面进料时浓奶下落产生飞溅，浓奶液滴挂在管壁上，长时间运行，嗜热微生物滋生影响产品质量；另一方面从上进料的冲击力使空气进入浓奶中，影响后续喷雾干燥。

（2）容量设计。浓奶罐作为蒸发器浓奶收集及干燥塔浓奶供应的衔接点，浓奶罐的容量设计一般要根据干燥塔产能及蒸发器中间清洗、切换的时间来决定，浓奶罐的容量必须保证蒸发器切换、中间清洗时，干燥塔能连续生产。浓奶罐容量设计可按式（1）计算。

式（1）中，Y为浓奶罐容量（t）；m为干燥塔的产能（t·h-1）；n为蒸发器断料时间（中间清洗或切换蒸发器）（h）。因此，蒸发器断料时间n小时内，干燥塔所需浓奶量为2mn吨。因此，浓奶罐容量设计应大于2mn吨。

（3）液位控制设计。浓奶罐配有重力液位传感器，随时反应浓奶罐中液位，一般正常生产时，保证液位在50%左右的水平，过高有微生物风险，过低有断料风险。

2 水罐

在生产中，水罐设置的用处：①生产开始时，干燥塔进水开启预生产，通过水罐供水。②生产过程中，蒸发器出现故障，停止供料，干燥塔内介质由物料转换水。生产过程中，切换物料线物料线管道中储存较长时间水通过水罐被顶出管道排地。③生产结束时，干燥塔停止物料供应，切换水降低干燥塔内温度，通过水罐供水。

3 物料泵

在实际生产中，一方面浓奶泵可以将定量的浓缩物供应给高压泵，浓奶泵和背压阀一起作用可为高压泵提供稳定压力、稳定流量的物料输入；另一方面浓奶泵是一个变频泵，调节转速可以增大或减小供给高压泵的物料量，从而调节干燥塔的产能。

4 预热器

蒸发器出口物料温度在55 ℃左右，根据喷嘴雾化要求以及物料黏度对喷雾颗粒粒径大小的影响，物料在雾化器前需进行预热。在乳粉生产过程中大都采用套管式预热器（图1），其内部为波纹管，波纹管结构产生的紊流，使其具有很高的传热速度，同时还可以减少传热表面的结垢。所用加热介质一般为水，加热单元设计为逆流式，其中加热介质处于外围和中心，而物料处于两部分加热介质中间。此种预热器的优点：①加热温差小，一般温差在5 ℃内，波纹式及逆流式换热设计，使换热更加均匀。②独特的连续混合能力，提供了比其他类型管式换热器更大的传热速度。③不易结垢，使用时间较长。

图1 套管式预热器图

5 背压阀

物料供应系统中，在浓奶泵和高压泵中间设有背压阀，目的是为高压泵提供稳定的物料输入。一般采用膜片式背压阀，其工作原理为：物料由浓奶泵泵送至背压阀进口，物料被背压阀内膜片阻挡，此时物料对膜片产生向上的压力，当压力足够大时，背压阀内置弹簧被压缩，物料顶起膜片形成通道，从背压阀出口流出，若物料压力不够，就会形成憋压，使进口压力上升直至达到额定压力，顶起膜片形成通路[1]。背压阀的压力调节可以通过调节弹簧上端的顶杆，调节弹簧的长度实现。

物料系统中背压阀的作用[2]：背压阀设置在浓奶泵和高压泵之间，高压泵正常运行的必要条件是有稳定的物料流量供给，假设浓奶泵和高压泵中间不设背压阀，浓奶泵的流量随压力变化较大，浓奶泵前端为浓奶罐，浓奶罐液位的高低直接影响浓奶泵前端压力，液位变化导致出口流量变化，提供给高压泵的物料流量受到影响，高压泵压力也会出现不稳定情况，进而导致单位时间内进入干燥塔内浓奶量发生变化、干燥塔排风温度出现波动、产品水分不稳定等问题。在浓奶泵末端设置背压阀，使泵的输出流量稳定，进而可以满足高压泵稳定运行。

6 双联过滤器

双联过滤器的作用是在浓奶进入要压泵前对浓奶中可能出现的奶块、团块、异物进行过滤，其滤网直径大概在2 mm左右，可防止异物进入高压泵及喷枪[3]。

7 高压泵

在乳粉实际生产过程中，高压泵一般都连接均质头构成高压均质机，高压均质机使物料在高压泵的高压作用下，通过非常狭窄的均质头间隙（一般小于0.1 mm），形成高流速（150～200 m·s-1）使物料受到强大的剪切力，使物料中的大脂肪球颗粒粉碎为小颗粒。

在食品工业中所用的高压泵一般都是三柱塞往复泵，泵体为长方形，内有三个泵腔，活塞在泵腔内往复运动，活塞抽出，物料顶开单向阀进入阀腔，活塞加压后，单向阀关严，物料流向均质阀[4]。

往复泵在活塞来回一次中，吸入和排出一次的称为单动泵，单动泵在吸入时不能排液，在排液时不能吸液，物料排出不连续。双动往复泵在运行过程中总有一个在洗液一个在排液，但是其流量也不稳定。为保证排液连续且均匀，可使用三联泵，即设置三个柱塞腔，来保证料液均匀稳定的排出。高压泵的生产能力可按式（2）来计算。

式（2）中，G为高压泵生产能力，单位为m3·h-1；r为柱塞半径，单位为m；s为柱塞冲程，单位为m；z为柱塞个数；n为柱塞往复次数（次/min）；ε为工程体积的填料系数，一般为0.8～0.9[5]。

8 结语

目前乳粉生产基本采用蒸发浓缩和喷雾干燥工艺结合，两种工艺之间由物料供应系统进行衔接。物料系统在连续生产时可以起到很大的作用，在蒸发器切换、中间清洗造成暂时断料时，物料供应系统可暂时存料来满足干燥塔生产。因此，在实际生产过程中，按照生产任务计算生产时间节点，合理安排生产，既能保证产能又能保证产品质量。