Teoria di Operazioni unitarie

TERMOCOMPRESSIONE E COMPRESSIONE MECCANICA DEL VAPORE

Sia la termocompressione che la compressione meccanica del vapore riutilizzano in parte

l’energia contenuta nel vapore che si produce dall’ebollizione del prodotto da concentrare.

In pratica il vapore non va al condensatore, ma viene in parte riciclato. Per poter essere

utilizzato come vapore di riscaldamento, il vapore deve vedere aumentata la propria

energia.

Un primo sistema di recupero è quello di recuperare il vapore prodotto dall’ebollizione

della soluzione da concentrare, di aumentare la sua entalpia mediante una compressione

meccanica e di utilizzarlo come vapore di riscaldamento.

In pratica il vapore liberatosi dal prodotto in concentrazione viene inviato ad un

compressore; la compressione meccanica del vapore comporta un aumento della sua

pressione e della sua temperatura.

Poichè il vapore in uscita dal compressore è surriscaldato, e spesso ha una temperatura

più elevata di quella che si desidera nello scambiatore di calore, il vapore compresso

viene raffreddato no ad avere la temperatura prevista

nell’impianto.

Infatti l’utilizzo di vapore di riscaldamento a temperature troppo

elevate può causare danno termico del prodotto e fenomeni di

fouling dovuti a surriscaldamento in prossimità della parete.

Per poter esser utilizzato come vapore di riscaldamento, il

vapore deve essere privo di sostanze corrosive e di altre

impurità che possono sporcare o danneggiare le super ci dello

scambiatore di calore.

Bilancio di materia sul vapore

mv =ms =mcs

A livello del compressore meccanico vale il seguente bilancio di

energia:

ms Hs = mv (Hv + Hcompr)

La termocompressione consiste nel recupero parziale del vapore prodotto

nell’ebollizione, che viene miscelato a del vapore vivo ad alta pressione (mss) per ottenere

un vapore con l’entalpia desiderata (alla temperatura desiderata). In pratica il vapore di

riscaldamento che si alimenta nell’evaporatore è costituito da una miscela di vapour (mv) e

di mss ; la miscela costituisce lo steam di riscaldamento (ms).

La termocompressione è tanto più ef cace quanto è più bassa la differenza di T tra vapour

e steam.

fi fi fi fi

ms=steam

mss= vapore vivo ad alta pressione

mvr= vapore di ricircolo

Bilanci di materia:

ms=mss +mvr

Bilanci di energia:

msHs = mssHss + mvrHvr

Rapporto di riciclo:

R= m·vr/m·ss

Il dispositivo normalmente utilizzato per

ottenere la termocompressione del vapore è

l’eiettore. L’eiettore è costituito da un ugello

che produce un getto di vapore vivo a velocità

supersonica, in cui l’energia potenziale

(pressione) del vapore è convertita in energia

cinetica. Il vapore di riciclo viene aspirato intorno a questo getto. Vapore vivo e vapore di

riciclo si miscelano poi nella sezione convergente del tubo di venturi dove vengono

completamente miscelati nella sezione minima. Nella zona divergente del tubo di venturi

l’energia cinetica del vapore viene nuovamente convertita in pressione e si ottiene il

vapore di riscaldamento che viene alimentato nell’evaporatore. La pressione di scarico del

vapore prodotto è sempre intermedia tra quella del vapore vivo e quella del vapore di

riciclo.

In genere, per un salto termico fra vapore di riciclo e vapore miscela di circa 5°C, la

termocompressione permette una economia di vapore pari a quella di un secondo effetto.

Durante l’evaporazione i costituenti volatili dell’aroma tendono a distribuirsi fra la fase

liquida in ebollizione e la fase vapore, in funzione di un coef ciente di partizione a1

C’1 e C1 sono le concentrazioni del costituente volatile nella fase vapore

e nella fase liquida

C’W e CW sono le concentrazioni del solvente (acqua) nella fase vapore

e nella fase liquida

a dipende sia dalla volatilità dello speci co costituente, sia dalle

condizioni di evaporazione

Se l’evaporazione avviene con un largo contatto fra la fase liquida e la fase di vapore ed in

tempi relativamente lunghi, a1 coincide con una proprietà sica detta VOLATILITA’

RELATIVA:

- Per la maggior parte dei costituenti dell’aroma la volatilità relativa è >1; i costituenti

volatili tendono a passare in gran parte nella fase vapore (elevata perdita di aromi)

- in altri casi la volatilità relativa è circa 1 (caffè), perdita aromi nella stessa proporzione

dell’acqua fi fi fi

Se l’evaporazione è rapida non si raggiunge l’equilibrio fra la fase vapore e quella liquida,

quindi a=1 per qualunque prodotto, cioè l’aroma lascia il concentrato nella stessa

proporzione dell’acqua evaporata.

Gli aromi persi nella fase vapore possono essere separati, concentrati e riaddizionati al

concentrato; si attua l’evaporazione di una frazione del succo e la concentrazione degli

aromi in una colonna di retti ca (per distillazione) dalle condense di questa evaporazione

iniziale.

Il concentrato di aromi sarà quindi aggiunto al concentrato nale.

EVAPORATORI

Evaporatore a bolla: semplice evaporatore, che può operare sotto vuoto, costituito da un

recipiente a una doppia camicia per il vapore riscaldante, con un agitatore interno.

Ha dei coef cienti di trasmissione del calore modesti e quindi richiede dei lunghi tempi di

concentrazione.

Oggi viene utilizzato soprattutto come cuocitore, per preparare prodotti molto viscosi

(marmellate, puree, ecc.).

Evaporatore a serpentino: anch’esso può operare sotto vuoto; il vapore scorre nel

serpentino e riscalda la massa.

Evaporatore a tubi verticali corti: il vapore riscaldante circola esternamente ai tubi

(diametro ca 5-10 cm, h ca 2 m) mentre la soluzione da concentrare circola naturalmente

all’interno dei tubi.

Il prodotto all’interno dei tubi piccoli riceve calore dal vapore di riscaldamento, bolle e il

vapore che si forma viene aspirato verso l’alto, trascinando il prodotto in modo

ascendente.

Nel canale centrale, di sezione maggiore, lo scambio di calore non è ef ciente, il prodotto

non bolle e ricade per gravità con moto discendente.

Data la modesta velocità di circolazione del prodotto e anche la super cie speci ca di

scambio poco elevata, questo evaporatore non è ef ciente e i tempi di permanenza sono

relativamente lunghi.

Evaporatore a tubi verticali lunghi: L’ef cienza dello scambio termico è migliorata negli

evaporatori a tubi lunghi (5-7 m) di diametro inferiore (3-5 cm), diviso in:

- a lm ascendente: il succo circola naturalmente all’interno dei tubi trascinato dal vapore,

utilizzato per prodotti con bassa viscosità.

- a lm discendente: il prodotto viene alimentato nella parte superiore e scende lungo i

tubi per la forza di gravità e perché trascinato dalla corrente di vapore. E’ adatto per

prodotti poco viscosi e che necessitano di un breve tempo di permanenza nello

scambiatore, perché termosensibili.

Un evaporatore a piastre è un tipo di sterilizzatore continuo utilizzato per concentrare

soluzioni liquide o separare i solventi dai soluti. È chiamato così perché è costituito da una

serie di piastre sottili posizionate una accanto all’altra.

Il funzionamento di un evaporatore a piastre si basa sul principio dell’evaporazione. La

soluzione liquida da concentrare viene alimentata sulle piastre, dove viene distribuita

uniformemente. Le piastre sono progettate per favorire un’ampia area di scambio termico,

consentendo al calore di trasferirsi rapidamente dalla super cie delle piastre alla

soluzione.

Un altro aspetto importante dell’evaporatore a piastre è la presenza di un vuoto parziale

all’interno del sistema. Questo riduce la pressione e abbassa il punto di ebollizione del

liquido, permettendo all’acqua o al solvente di evaporare più facilmente. L’evaporazione

fi

fi fi fi fi fi fi fi fi fi fi

avviene quando il calore trasferito alle piastre vaporizza il liquido, che poi viene

convogliato attraverso canali separati e condensato per essere raccolto.

Rispetto ad altri sterilizzatori continui, come gli evaporatori a lm sottile, gli evaporatori a

piastre presentano diverse peculiarità. Innanzitutto, le piastre offrono un’area di scambio

termico maggiore, consentendo un’elevata ef cienza di evaporazione. Inoltre, l’uso di

piastre sottili riduce la distanza di diffusione tra il liquido e la super cie di riscaldamento,

migliorando così la trasmissione di calore.

Un’altra peculiarità degli evaporatori a piastre è la loro essibilità operativa. Possono

essere utilizzati per lavorare con una vasta gamma di liquidi, compresi quelli sensibili al

calore. Inoltre, possono essere facilmente adattati per operare in modalità multieffetto, in

cui il vapore generato da un effetto viene utilizzato come sorgente di calore per il

successivo effetto, aumentando così l’ef cienza complessiva del sistema.

RELAZIONI CINETICHE

Le relazioni cinetiche rappresentano il modello matematico che descrive lo svolgimento di

fenomeni diversi rispetto al tempo.

Studiare una cinetica signi ca essere in grado di valutare e descrivere l’andamento di un

determinato evento nel tempo.

La conoscenza delle relazioni cinetiche consente inoltre di prevedere l’andamento di

determinati fenomeni nel tempo, cioè di formulare dei modelli previsionali.

I fenomeni oggetto di studio cinetico nelle tecnologie alimentari sono molteplici e diversi, e

riguardano processi chimici, enzimatici, microbiologici.

Più precisamente, nel nostro corso studieremo:

- Reazioni di danno termico, cioè le reazioni degradative a carico di componenti

nutrizionali, di caratteristiche chimico- siche o sensoriali degli alimenti provocate da

tecnologie che implicano l’uso di elevate temperature

- La distruzione dei microrganismi alteranti e patogeni negli alimenti sottoposti a

trattamenti termici di stabilizzazione

- Inattivazione di enzimi che producono alterazioni

- Modi cazioni che avvengono a carico di alcune caratteristiche degli alimenti nel corso

della conservazione, al ne di de nire le condizioni di stoccaggio ottimali e i tempi

massimi di conservazione (studi di shelf-life).

L’equazione matematica che correla la velocità alle concentrazioni è detta relazione

cinetica o di velocità. La relazione cinetica si ottiene studiando come varia la velocità di

reazione al variare della concentrazione dei componenti della reazione.

k = costante di velocità (costante cinetica)

Tutte le reazioni possono essere descritte dal seguente modello cinetico generale

± n

dC/dt = k × C

dC/dt è la variazione della concentrazione (dC) di u