Sistemi di evaporazione

Evaporatori

L'evaporazione consiste nella separazione di una frazione volatile (liquida) da una frazione non volatile, il tutto all'interno di un feed che è definito soluzione, perché al suo interno c'è un soluto e un solvente. Quindi l'evaporazione tende ad eliminare il solvente (che solitamente è l'acqua, perché presente in grosse quantità all'interno di tutti gli alimenti e si muove a pressione e temperature diverse).

Ci sono però alcuni alimenti che hanno degli aromi che sono più volatili dell'acqua, quindi andandola ad eliminare si ha il problema che se li porta via, oppure si possono avere dei fluidi molto viscosi, quindi diventa difficile trattarli, oppure si possono depositare facilmente sulla superficie di riscaldamento, oppure ancora possono formare delle schiume, possono precipitare formando dei sali ecc.

Tipologie di evaporatori

Per questa ragione nell'industria alimentare si utilizzano varie tipologie di evaporatore. In ogni caso l'obiettivo è sempre quello di portare a termine l'operazione unitaria prevista cercando di danneggiare il meno possibile l'alimento, quindi mantenendo le temperature il più basso possibile. La concentrazione per evaporazione serve a concentrare la parte in solidi all'interno della soluzione, a rimuovere delle sostanze, per ridurre il peso e il volume dei prodotti (in questo modo i costi vengono ridotti), ridurre l'attività dell'acqua aumentando la stabilità durante la fase di stoccaggio.

Componenti meccaniche

Da un punto di vista meccanico l'evaporatore è composto da un serbatoio, con all'interno uno scambiatore di calore (serpentina) all'interno del quale entra il feed, una caldaia che scalda il prodotto all'interno e lo porta alla temperatura di evaporazione, una pompa che serve a rimuovere il vapore che man mano va a formarsi perché se non viene estratto accade quello che succede con la pentola a pressione (tutto il prodotto viene chiuso nella pentola con dell'acqua, che inizia a evaporare ma non può uscire, quindi va a concentrarsi nella parte superiore della pentola, aumentando la quantità di vapore presente aumenta la pressione e la temperatura di evaporazione cresce, e questa è una delle ragioni per cui la pentola a pressione funziona bene quando si devono cuocere ad esempio i legumi e non si possono aspettare molte ore di cottura). Aumentando la pressione della camera di evaporazione quindi aumenterebbe la temperatura del vapore.

Un altro elemento meccanico è una griglia (filtri di separazione), dato che l'evaporazione spesso avviene in maniera tumultuosa e durante l'operazione potrebbero andare via particelle di liquido insieme al vapore (infatti spesso questo vapore estratto può anche essere riutilizzato).

Evaporatori flash

Esistono degli evaporatori flash in cui il liquido viene preriscaldato ad una certa temperatura e poi viene inserito all'interno di una camera a bassa pressione. Dato che la camera è a bassa pressione l'evaporazione è quasi istantanea, quindi all'interno non c'è lo scambiatore.

Relazioni matematiche

Da un punto di vista matematico si hanno alcune relazioni:

• F=V+L
• Fx = Lxf p

Possiamo sottrarre la seconda equazione dalla prima:

• F(1-x ) = V+L(1-x )f p

Quindi possiamo calcolare V e F:

• V=F(1- ) e F= (1− )
• Q=V = (F-L)+Fcp(T-T )0 s f

C'è bisogno di due quantità di energia: il calore sensibile che serve a portare il feed dalla T alla temperatura di ebollizione T, e il calore latente. Da questa relazione possiamo trovare:

• V = (F-L)+Fcp(T-T )0 s f
• X -> frazione iniziale di solidi
• x -> frazione finale di solidi
• pV -> vapore che proviene da una caldaia e che passa attraverso lo scambiatore di calore e condensa
• -> calore latente di evaporazione del vapore utilizzato per riscaldare lo scambiatore di calore
• sd -> calore latente di evaporazione del solvente
• T -> temperatura iniziale del feed

Efficienza di un evaporatore

Un parametro importante per calcolare l'efficienza di un evaporatore è la steam economy che dice quanti kg di vapore proveniente dalla caldaia servono per far evaporare 1 kg di acqua solvente all'interno della soluzione.

Evaporatore a singolo effetto

Esempio: la camera si trova a pressione atmosferica, quindi il vapore si trova a 100°C. Il feed che entra non è acqua pura, ma è il solvente con dei solidi. La temperatura di ebollizione per una soluzione non pura non è 100°C, ma sono 100°C + l'innalzamento ebullioscopico (in questo caso 100+8=108°C). L'innalzamento ebullioscopico è il valore che dice a che temperatura bolle la soluzione. Nello scambiatore il vapore entra a 123°C, quindi deve essere ad una temperatura maggiore rispetto alla temperatura di ebollizione, altrimenti non ci sarebbe lo scambio termico.

Il calore latente di evaporazione a 100°C è 2256.3 kJ/kg, ma la quantità di energia latente che si ottiene dalla condensazione del vapore è 2192.6 kJ/kg perché più aumenta la pressione più diminuisce il calore latente di condensazione o di evaporazione. Questo significa che lo steam economy è minore di 1, cioè serve più vapore dalla caldaia rispetto al vapore che se ne va. Per ovviare a questo problema vengono utilizzati dei sistemi più complessi che si chiamano evaporatori a effetto multiplo, il cui principio è cercare di recuperare il vapore che se ne va, che però non può essere riutilizzato tal quale ma bisogna effettuare delle manipolazioni di natura termo-meccanica.

Il calore specifico dell'acqua varia in funzione della temperatura e della frazione in solidi, serve per calcolare la parte di energia per il calore sensibile, quindi per portare tutta la miscela dalla temperatura di ingresso alla temperatura di ebollizione. Trattandosi di una miscela non è quello dell'acqua ma si può calcolare con una formula generale: cp=4.187{1-x [0.57-0.0018(T -T )]}.

Innalzamento ebullioscopico

L'innalzamento ebullioscopico: ΔT (°K)=-( )∫ln a .b WS

Scambiatore a effetto multiplo

Il vapore prodotto può essere riutilizzato per evaporazioni successive. Ma v se è a 100°C non può essere riutilizzato per fare evaporare la miscela nel secondo effetto, perché qui il feed ha una percentuale di solidi maggiore, quindi il ΔT deve essere maggiore del ΔT.

Esempio: Possiamo immaginare che il III evaporatore sia a pressione atmosferica, quindi la temperatura del vapore è pari a 100°C.