Esercizi svolti e teoria Operazioni Unitarie

Esame di Operazioni Unitarie della Tecnologia Alimentare 27/01/2016

completo

Risolvere i seguenti esercizi

1. Un evaporatore viene utilizzato per produrre un concentrato a base frutta. Si miscelano 77% di succo di mela (solidi = 11%), 20% di succo di mirtillo (solidi = 12%) e 3% di zucchero (anidro). Si trattano 1500 kg/h di prodotto. La miscela è inviata a 12°C nell’evaporatore che opera nelle seguenti condizioni: pressione 19.9 kPa, temperatura del vapore di riscaldamento 98°C. Il prodotto concentrato viene scaricato con una percentuale in solidi del 46%. Calcolare: - la portata del concentrato - il consumo di vapore e l’economia - il coefficiente globale di scambio termico U, sapendo che l’evaporatore ha una superficie di scambio termico di 12 m²
2. Del vino scorre in una condotta liscia di 10 cm di diametro ad una velocità di 0.90 m/s. La densità del vino è di 985 kg/m³, la sua viscosità è di 1.5 cP (1 cP = 10⁻³ Pa*s) Il vino passa in uno scambiatore di calore dal quale esce attraverso una condotta liscia di 5 cm di diametro. Calcolare la velocità media del vino in questa condotta. Calcolare il numero di Reynolds nella prima e nella seconda condotta. Calcolare le perdite di carico continue per 50 metri di scorrimento nella prima e nella seconda condotta.
3. Un essiccatore viene utilizzato per essiccare della frutta in pezzi da un contenuto di umidità iniziale dell’84% ad un tenore finale in solidi dell’88%. La frutta è alimentata ad una portata di 400 kg/ora. L’essiccatore opera in riciclo parziale: l’aria ambiente ha una temperatura di 25°C e umidità assoluta di 0.007, l’aria entrante nell’essiccatore ha una temperatura di 75°C e una umidità assoluta di 0.026, e viene scaricata a 50°C (l’aria segue una linea di raffreddamento adiabatico). Per il riscaldamento dell’aria si utilizza uno scambiatore di calore indiretto con vapore condensante a 100°C (calore latente di condensazione = 2257.06 kJ/kg). Calcolare la portata dell’aria secca, la percentuale di riciclo e il consumo di vapore.

Rispondere alle seguenti domande

• Illustrare i sistemi di risparmio energetico nell’evaporazione.
• Definire il parametro attività dell’acqua e descriverne i metodi di misura.
• Descrivere il principio teorico e le modalità di funzionamento delle centrifughe a calotte
• Descrivere l’operazione di essiccamento in corrente d’aria, in termini di fenomeni di trasporto (calore e materia) e di cinetiche di processo.

Esame di Operazioni Unitarie della Tecnologia Alimentare 27/01/2016 Il parte B

Risolvere i seguenti esercizi

Si deve sterilizzare un prodotto alimentare, ottenendo 10 riduzioni decimali di spore aventi le seguenti costanti di distribuzione termica: k 115 °C = 0,21 s^-1, E_att = 315000 J/mol. Calcolare il tempo di trattamento alla temperatura di 130°C. Nello stesso prodotto la distruzione di un enzima lipolitico segue una cinetica del 1° ordine, con k 120°C = 7,5 * 10^-2 s^-1 ed E_att = 64000 J/mol. Disegnare sullo stesso grafico la retta di sterilizzazione e la retta di inattivazione (attività residua dell’1%) enzimatica; commentare il grafico.

Si devono essiccare 300 kg/h prugne in pezzi, da un tenore in solidi iniziale del 16% ad una umidità residua del 15%. L’essiccatore opera con riciclo parziale dell’aria, nelle seguenti condizioni: l’aria ambiente è a 25°C, con umidità assoluta di 0.005; l’aria entra nell’essiccatore a 75°C con umidità assoluta di 0.027 e viene scaricata a 50°C, secondo una linea di raffreddamento adiabatica. Per il riscaldamento dell’aria si utilizza vapore condensante a 100°C (λ = 2257,06 kJ/kg). Calcolare il consumo di vapore, l’economia e la percentuale di riciclo dell’aria.

Rispondere alle seguenti domande

• Spiegare come funziona lo sterilizzatore a fiamma tipo Sterilflamme e descrivere per quali tipologie di prodotto si utilizza.
• Illustrare i principi della centrifugazione e descrivere le centrifughe a calotte.
• Illustrare le modalità dell’essiccamento spray in corrente d’aria e descrivere i componenti di un tipico impianto di spray-drier.
• Descrivere la modalità di filtrazione con alluvionaggio continuo e indicare uno o più impianti utilizzati per questo tipo di filtrazione.

Operazioni Unitarie della Tecnologia Alimentare — esame 20 febbraio 2013 — completo

Risolvere i seguenti esercizi

Una pompa deve essere impiegata per trasferire un fluido alimentare con densità di 1150 kg/m³ e viscosità di 2.10^-3 Pa·s, da un serbatoio a livello costante ad un altro serbatoio a livello costante, posto ad una quota superiore di 6 m. Il prodotto deve essere trasferito ad una portata di 8 m³/h mediante una tubazione lunga 45 m, con un diametro di 50 mm. Le perdite di carico localizzate, dovute a curve, valvole, restringimenti/allargamenti ecc. equivalgono a 200 diametri. Sapendo che il rendimento della pompa è del 68%, calcolare la potenza minima necessaria.

Una bevanda viene preparata miscelando a 70 kg di latte intero (percentuale in solidi = 12,4 %), 8 kg di concentrato di frutta (percentuale in solidi 45%) e 4 kg di zucchero (considerare questo ingrediente costituito dal 100% di solidi). La miscela viene alimentata in uno scambiatore di calore ad una portata di 200 kg/h, ed una temperatura iniziale di 10 °C; nello scambiatore il fluido di riscaldamento è vapore condensante a 80 kPa e la bevanda è portata a 75 °C. Calcolare il consumo di vapore. Sapendo che l’area dello scambiatore di calore è di 0,7 m², determinarne il coefficiente globale di scambio termico dello scambiatore. La bevanda calda viene inviata alla camera di un evaporatore flash, in cui è mantenuta una pressione pari a 12,3 kPa. Calcolare la quantità di vapore che si separa dalla bevanda e la nuova concentrazione in solidi del prodotto.

Un essiccatoire viene utilizzato per essiccare della frutta in pezzi da un contenuto di umidità iniziale dell’87% ad un tenore finale in solidi dell’8%. La frutta è alimentata ad una portata di 300 kg/h. L’essiccatoire opera in riciclo parziale: l’aria ambiente ha una temperatura di 20°C e umidità assoluta di 0,007; l’aria entrante nell’essiccatoire ha una temperatura di 75°C e una temperatura del bulbo umido di 37°C, e viene scaricata a 50°C (l’aria segue una linea di raffreddamento adiabatica). Per il riscaldamento dell’aria si utilizza uno scambiatore di calore indiretto con vapore condensante a 100°C (calore latente di condensazione = 2257,06 kJ/kg). Calcolare la portata dell’aria secca, la percentuale di riciclo e il consumo di vapore.

Rispondere alle seguenti domande

• Spiegare il significato del coefficiente globale di scambio termico (U) degli scambiatori di calore e descrivere le condizioni per massimizzare il trasporto di calore in questi impianti.
• Disegnare il flowsheet della sterilizzazione del latte sfuso mediante iniezione di vapore ed illustrarne i vantaggi rispetto alla sterilizzazione del latte in bottiglia.
• Descrivere il filtro a tamburo sotto vuoto e spiegarne le modalità di funzionamento.
• Descrivere le cinetiche dell’essiccamento in corrente di aria in relazione alla fenomenologia del processo.

Risolvere i seguenti esercizi

1. Una tubazione sezione basco per il trasferimento di un liquido alimentare in un serbatoio di stoccaggio, posta su un piano orizzontale, ha un diametro di 50 mm ed è lunga 25 m. Sapendo che portata del fluido è 12 m³/h, la viscosità 1,5 * 10^-3 Pa*s e la densità 1100 kg/m³, calcolare il numero di Reynolds e le perdite di carico continue.

2. In un evaporatore viene utilizzato per produrre del latte concentrato zuccherato. Si trattano 12 kg/h di latte scremato zuccherato, avente addizionamento 1,5 kg di zucchero (altrimenti 10 ⁰C) e avente 100 kg di latte scremato (percentuale in solidi del 10,6%). La miscela è inviata nell’evaporatore che opera nelle seguenti condizioni: temperatura di evaporazione 65°C, temperatura del vapore di risalimento 103°C. Il prodotto concentrato viene scaldata con una percentuale in solidi del 48%. Calcolare il tenore iniziale in solidi del prodotto, la portata di concentrato, il consumo di vapore e l’economica.

Il concentrato viene successivamente raffreddato a 25°C in uno scambiatore indiretto che opera in controcorrente con acqua fredda a 9°C. Se la temperatura dell’acqua in uscita è di 50°C, calcolare la portata di acqua. Calcolare la superficie di scambio dello scambiatore sapendo che il coefficiente globale di scambio termico U=1500 W/m²°C. (Cp solidi: 1,672 kJ/kg °C).

3. Un essiccatore a nastro è utilizzato per essiccare un prodotto alimentare in pezzi dal 14,5% di solidi iniziali al 18% di umidità residua. Il prodotto è alimentato ad una portata di 200 kg/h. L’essiccatore utilizza aria ambiente (temperatura 25°C, UR 30%). L’aria è riscaldata fino a 80°C in uno scambiatore indiretto e viene scaricata ad una temperatura di 52°C e temperatura del bulbo umido di 30°C. Disegnare sul diagramma di Mollier l’evoluzione dell’aria e calcolare la portata di aria secca.

Rispondere alle seguenti domande

• Descrivere i sistemi di risparmio energetico nell’evaporazione.
• Descrivere la fenomenologia dell’essiccamento in corrente d’aria e illustrare le cinetiche del processo.
• Descrivere il processo di sterilizzazione del latte sfuso a scambio indiretto, indicando le condizioni operative del trattamento.
• Spiegare la fenomenologia dell’osmosi inversa e descrivere alcune applicazioni.