Un flusso di bypass di processo protegge la qualità del prodotto evitando un'esposizione termica non necessaria. In un'unità di concentrazione termica, come un evaporatore, una parte controllata dell'alimentazione fresca bypassa il riscaldatore e l'evaporatore, mentre la parte rimanente viene concentrata oltre il valore finale obiettivo. I flussi concentrato e non trattato vengono quindi miscelati per ottenere la concentrazione finale di solidi richiesta, migliorando la conservazione di aromi, vitamine o attività biologica.

Un sistema di bypass raggiunge la concentrazione finale desiderata combinando un flusso sovraconcentrato e trattato termicamente con un flusso fresco di bypass. Le portate vengono determinate tramite bilanci di massa nei punti di divisione dell'alimentazione, nell'evaporatore e di ricombinazione.

Perché si utilizza un flusso di bypass

Protezione dei componenti termosensibili

La concentrazione termica può danneggiare i composti sensibili al calore o al tempo di permanenza. Questi possono includere composti aromatici, vitamine, coloranti, enzimi o altri componenti biologicamente attivi.

Il flusso di bypass evita completamente l'evaporatore, preservando una parte dell'alimentazione nelle sue condizioni originali.

Ripristino della qualità finale del prodotto

Il flusso dell'evaporatore viene concentrato intenzionalmente a una concentrazione di solidi superiore alla specifica finale. Miscelandolo con il flusso di bypass meno concentrato, si riduce il carico termico sul prodotto complessivo, raggiungendo al contempo la concentrazione finale richiesta.

La frazione di bypass agisce quindi come variabile di controllo della composizione.

Riduzione del carico termico ed energetico

Poiché solo una parte dell'alimentazione passa attraverso l'evaporatore, l'apparecchiatura non deve trattare l'intera alimentazione con la stessa intensità termica. Ciò può ridurre il carico termico e limitare l'esposizione termica media del prodotto.

I tre punti di bilancio necessari

Il calcolo del bypass dovrebbe basarsi su uno schema di flusso di processo completamente etichettato. Tre nodi del sistema sono essenziali.

Punto di divisione dell'alimentazione

Indichiamo con:

(F) = portata massica totale dell'alimentazione fresca
(B) = portata massica del flusso di bypass
(E) = portata massica dell'alimentazione all'evaporatore

Il bilancio di massa totale è:

[ F = B + E ]

Pertanto:

[ E = F - B ]

Se la frazione di bypass è specificata come (f_B), allora:

[ B = f_B F ]

[ E = (1-f_B)F ]

Il flusso di bypass e il flusso di alimentazione dell'evaporatore hanno generalmente la stessa composizione dell'alimentazione fresca subito dopo la divisione.

Unità evaporatore

Indichiamo con:

(x_F) = frazione massica di solidi nell'alimentazione fresca
(x_C) = frazione massica di solidi nel concentrato dell'evaporatore
(C) = portata massica del concentrato dell'evaporatore
(V) = portata massica dell'acqua evaporata

Supponendo che nell'evaporatore non si verifichino perdite di solidi, il bilancio dei solidi è:

[ E x_F = C x_C ]

Quindi, la portata del concentrato dell'evaporatore è:

[ C = \frac{E x_F}{x_C} ]

Utilizzando (E=F-B):

[ C = \frac{(F-B)x_F}{x_C} ]

Il bilancio di massa totale attorno all'evaporatore è:

[ E = C + V ]

Pertanto, la portata di rimozione dell'acqua è:

[ V = E-C ]

oppure:

[ V = (F-B)-\frac{(F-B)x_F}{x_C} ]

Questo calcolo presuppone che il materiale rimosso sia acqua e che i solidi disciolti rimangano nel prodotto liquido.

Giunto di ricombinazione

Indichiamo con:

(P) = portata massica del prodotto finale
(x_P) = frazione massica desiderata di solidi nel prodotto finale

Il bilancio di massa totale nel punto di miscelazione è:

[ P = B+C ]

Il bilancio dei solidi è:

[ P x_P = Bx_F + Cx_C ]

Se i solidi si conservano nell'intero processo, il bilancio complessivo dei solidi fornisce inoltre:

[ F x_F = P x_P ]

Pertanto:

[ P = \frac{F x_F}{x_P} ]

Una volta noti (P) e (C), la portata di bypass può essere calcolata come:

[ B=P-C ]

Calcolo della portata di bypass

Quando sono note l'alimentazione totale e la specifica del prodotto finale

Una sequenza di calcolo pratica è:

Calcolare la portata del prodotto finale dal bilancio complessivo dei solidi:

[ P=\frac{F x_F}{x_P} ]

Selezionare o determinare la concentrazione del concentrato dell'evaporatore (x_C).
Utilizzare il bilancio di ricombinazione:

[ B=P-C ]

Applicare il bilancio dei solidi nell'evaporatore:

[ C=\frac{(F-B)x_F}{x_C} ]

Queste equazioni possono essere risolte simultaneamente per (B) e (C).

Un'espressione diretta per la frazione di bypass è:

[ \frac{B}{F}

\frac{\dfrac{x_F}{x_P}-\dfrac{x_F}{x_C}} {1-\dfrac{x_F}{x_C}} ]

Questa espressione si applica quando il flusso di bypass ha la concentrazione originale dell'alimentazione, il concentrato dell'evaporatore ha concentrazione (x_C) e i solidi si conservano.

Quando la frazione di bypass è specificata

Se la frazione di bypass è già nota, calcolare:

[ B=f_BF ]

[ E=(1-f_B)F ]

Quindi determinare la portata del concentrato dell'evaporatore:

[ C=\frac{E x_F}{x_C} ]

La portata risultante del prodotto finale è:

[ P=B+C ]

La sua concentrazione effettiva di solidi è:

[ x_P=\frac{B x_F+C x_C}{P} ]

Questo approccio è utile per valutare come una determinata impostazione del bypass influenzi il prodotto finale.

Esempio di calcolo

Condizioni di processo

Supponiamo che un processo abbia:

Alimentazione fresca: (F=1{,}000\ \text{kg/h})
Solidi nell'alimentazione: (x_F=0.10)
Solidi finali desiderati: (x_P=0.20)
Solidi nel concentrato dell'evaporatore: (x_C=0.50)

La portata complessiva del prodotto finale è:

[ P=\frac{1{,}000(0.10)}{0.20}=500\ \text{kg/h} ]

La frazione di bypass è:

[ \frac{B}{F}

\frac{\dfrac{0.10}{0.20}-\dfrac{0.10}{0.50}} {1-\dfrac{0.10}{0.50}}

\frac{0.50-0.20}{0.80} =0.375 ]

Pertanto:

[ B=0.375(1{,}000)=375\ \text{kg/h} ]

L'alimentazione dell'evaporatore è:

[ E=1{,}000-375=625\ \text{kg/h} ]

La portata del concentrato dell'evaporatore è:

[ C=\frac{625(0.10)}{0.50}=125\ \text{kg/h} ]

La portata del prodotto finale è:

[ P=B+C=375+125=500\ \text{kg/h} ]

La portata dell'acqua evaporata è:

[ V=E-C=625-125=500\ \text{kg/h} ]

Il prodotto finale contiene quindi (100\ \text{kg/h}) di solidi in (500\ \text{kg/h}) di prodotto, confermando la concentrazione desiderata di solidi pari al (20%).

Comprendere i compromessi

Portata di bypass maggiore

Una frazione di bypass maggiore riduce la quantità di prodotto esposta al trattamento termico. Tuttavia, la parte che entra nell'evaporatore deve essere concentrata maggiormente per mantenere la stessa concentrazione finale del prodotto.

Ciò può aumentare la concentrazione richiesta nell'evaporatore, la viscosità, la difficoltà di trasferimento del calore o il rischio di incrostazioni.

Portata di bypass minore

Una frazione di bypass minore invia una quantità maggiore di materiale attraverso l'evaporatore e generalmente riduce la concentrazione richiesta all'uscita dell'evaporatore. Ciò può semplificare l'evaporazione, ma espone al calore una frazione maggiore del prodotto.

Il prodotto risultante può subire una maggiore perdita di aromi o degradazione termica.

Ipotesi sulla composizione e sulle proprietà

Le equazioni di base presuppongono che il flusso di bypass abbia la stessa composizione dell'alimentazione fresca e che l'evaporatore rimuova esclusivamente acqua. Se si verificano perdite di solidi, vengono rimossi componenti volatili o i flussi hanno densità diverse, sono necessari ulteriori bilanci dei componenti.

Le portate devono inoltre essere trattate in modo coerente come portate massiche o volumetriche. I bilanci di concentrazione sono più affidabili quando si utilizzano portate massiche e frazioni massiche.

Fattibilità delle concentrazioni selezionate

Per una configurazione convenzionale con bypass, la concentrazione finale dovrebbe normalmente trovarsi tra la concentrazione del flusso di bypass e quella del concentrato dell'evaporatore:

[ x_F \leq x_P \leq x_C ]

Se la concentrazione finale richiesta non rientra in questo intervallo, la configurazione di flusso proposta non può raggiungere l'obiettivo senza un altro flusso o una modifica delle condizioni operative.

Come applicare questo al tuo progetto

Un calcolo affidabile inizia con uno schema di flusso etichettato, una base di concentrazione definita e bilanci separati di massa totale e dei solidi in ciascun nodo.

Se il tuo obiettivo principale è la qualità del prodotto: Aumenta la frazione di bypass quanto basta per limitare l'esposizione termica, quindi verifica che l'evaporatore possa raggiungere la sovraconcentrazione richiesta.
Se il tuo obiettivo principale è la riduzione dei consumi energetici: Riduci al minimo la frazione di alimentazione all'evaporatore, verificando al contempo le prestazioni di trasferimento del calore, la viscosità, le incrostazioni e la concentrazione raggiungibile del concentrato.
Se il tuo obiettivo principale è il controllo della composizione finale: Utilizza il bilancio dei solidi nel punto di miscelazione e considera la frazione di bypass come principale variabile operativa.
Se il tuo obiettivo principale è la progettazione dell'apparecchiatura: Calcola separatamente l'alimentazione dell'evaporatore, il concentrato e le portate di rimozione dell'acqua, poiché ciascuna determina un requisito diverso dell'apparecchiatura.

Un flusso di bypass è fondamentalmente un meccanismo controllato di regolazione della composizione e le sue portate derivano direttamente dai bilanci di massa totale e dei componenti nei punti di divisione, evaporazione e miscelazione.

Tabella riepilogativa:

Punto del processo	Bilancio o equazione principale	Scopo
Divisione dell'alimentazione	`F = B + E`	Divide l'alimentazione fresca nei flussi di bypass e dell'evaporatore
Evaporatore	`C = Ex_F / x_C`	Calcola la portata del concentrato dalla conservazione dei solidi
Rimozione dell'acqua	`V = E - C`	Determina la portata dell'acqua evaporata
Ricombinazione	`P = B + C`	Combina i flussi di bypass e concentrato
Prodotto finale	`P = Fx_F / x_P`	Calcola la portata del prodotto dal bilancio complessivo dei solidi
Frazione di bypass	`B/F = [(x_F/x_P) - (x_F/x_C)] / [1 - (x_F/x_C)]`	Determina il bypass necessario per raggiungere la concentrazione obiettivo

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