Classe delle operazioni unitarie fondamentali di SEPARAZIONE CHIMICO-FISICA 1. Definizione
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- Tommasa Farina
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1 Classe delle operazioni unitarie fondamentali di SEPARAZIONE CHIMICO-FISICA 1. Definizione Si opera un frazionamento su sistemi omogenei (soluzioni) o strutturati. Esso coinvolge differenze tra proprietà fisiche (solubilità, volatilità, diffusività) oppure differenze di proprietà chimico-fisiche (attrazione elettrostatica, adsorbimento, tensione superficiale) fra i costituenti del sistema. Le operazioni sono basate su fenomeni di trasporto di quantità di moto, di calore, di materia e, talvolta, su cinetiche chimiche. Permettono di ottenere solo una separazione parziale dei componenti di una miscela. Processi di produzione degli alimenti - ZANONI/CANUTI - AA 2018/2019 1
2 Tipologia delle operazioni unitarie di separazione chimico-fisica OPERAZIONI FISICHE Cristallizzazione (solubilità) Degasazione (solubilità) Distillazione (volatilità) Estrazione con solvente (solubilità e diffusività) OPERAZIONI CHIMICO-FISICHE Adsorbimento Deionizzazione/ Scambio ionico Elettrodialisi Flocculazione/ Coagulazione Flottazione Concentrazione per evaporazione (volatilità) Gel filtrazione (diffusività) Osmosi inversa!!! (dimensioni e diffusività) Processi di produzione degli alimenti - ZANONI/CANUTI - AA 2018/2019 2
3 CONCENTRAZIONE PER EVAPORAZIONE La concentrazione è definibile come la parziale eliminazione del solvente (in genere acqua) da una soluzione. La concentrazione viene attuata principalmente per ridurre i costi di trasporto e di stoccaggio o come trattamento preliminare ad operazioni di disidratazione o di cristallizzazione. La concentrazione può avere, in senso limitato, un effetto di incremento della conservabilità di un prodotto, se associata ad una riduzione dell attività dell acqua. La modalità più frequente è la concentrazione per evaporazione attuata per ebollizione del solvente. Processi di produzione degli alimenti - ZANONI/CANUTI - AA 2018/2019 3
4 EVAPORAZIONE: Fenomenologia Varianti costruttive sono: operare in un solo passaggio o con riciclo (naturale o forzato); evaporazione flash. Processi di produzione degli alimenti - ZANONI/CANUTI - AA 2018/2019 4
5 EVAPORAZIONE: Progettazione Si ricerca l ottimizzazione della evaporazione in termini di efficacia: massimizzare la capacità dell evaporatore, cioè la quantità di acqua evaporata o la quantità di prodotto trattato; e in termini di efficienza: minimizzare i costi di esercizio (ridotti e costanti consumi energetici); minimizzare i costi di investimento (elevato coefficiente globale di scambio termico); minimizzare il danno tecnologico. Processi di produzione degli alimenti - ZANONI/CANUTI - AA 2018/2019 5
6 BILANCIO DI MATERIA Quello che esce è uguale a quello che entra dal sistema: m f ms m mv mc m m m f v Per calcolare la portata di concentrato (nota x f = frazione in massa di solidi nel prodotto fresco e x = frazione in massa di solidi nel concentrato): m x m x m m f x x f f f Per calcolare la portata di acqua evaporata: m m m v f Processi di produzione degli alimenti - ZANONI/CANUTI - AA 2018/2019 6
7 BILANCIO DI ENERGIA Esprimiamo per il sistema considerato il bilancio energetico in termini di bilancio entalpico (contenuto termico J/kg): Entalpia entrante è uguale all entalpia uscente dal sistema: m H m H mh m H m H f f s s v v c c m Cp m H mcp + m H m H f f f s s v v c c In genere il termine incognito è la portata di vapore condensante. Oppure, più semplicemente, la portata del vapore può essere calcolata applicando un bilancio energetico in termini di quantità di calore trasmesso dal fluido riscaldante al prodotto da concentrare: q m m Cp ( ) m s s f f - f v v Da cui si ricava l economia energetica di un evaporatore: E ms m v Nota la quantità di vapore condensante, si calcola la superficie di scambio termica necessaria dalla relazione fondamentale dello scambio termico tra due fluidi separati da una parete: q AU AU q m AU s s A m s s U s Processi di produzione degli alimenti - ZANONI/CANUTI - AA 2018/2019 7
8 EVAPORAZIONE: Progettazione (Il danno tecnologico) In termini di qualità del prodotto l evaporazione produce due effetti negativi, che devono essere minimizzati: il danno termico; la perdita di aromi. DANNO TERMICO E condizionato da due fattori: tempo di permanenza; temperatura. Processi di produzione degli alimenti - ZANONI/CANUTI - AA 2018/2019 8
9 Tempo di permanenza medio: EVAPORAZIONE: Progettazione (Il danno tecnologico) DANNO TERMICO t V V AU V s eb Temperatura di ebollizione: si hanno due effetti contrastanti!!!! Criterio generale di ottimizzazione: LTST. PERDITA DI AROMI Gli aromi sono trascinati via con il vapore secondo un proprio coefficiente di partizione. Si possono adottare tecniche di recupero degli aromi. Processi di produzione degli alimenti - ZANONI/CANUTI - AA 2018/2019 9
10 EVAPORAZIONE: Progettazione (Economie di calore) Le voci di costo di esercizio di interesse sono: il consumo di vapore a livello dello scambiatore di calore; il consumo di acqua a livello del condensatore. Per ridurre il consumo di vapore i sistemi sono: il multiplo effetto; la compressione meccanica del vapore; la termocompressione. Processi di produzione degli alimenti - ZANONI/CANUTI - AA 2018/
11 EVAPORAZIONE: Multiplo effetto in equicorrente I caratteristica: la temperatura di ebollizione è decrescente dal I allo n effetto. Processi di produzione degli alimenti - ZANONI/CANUTI - AA 2018/
12 EVAPORAZIONE: Multiplo effetto in controcorrente II caratteristica: Se in equicorrente, l efficienza di scambio termica (U) è decrescente dal I allo n effetto a causa dell aumento di viscosità del prodotto. Processi di produzione degli alimenti - ZANONI/CANUTI - AA 2018/
13 EVAPORAZIONE: Macchine e impianti Tipo di evaporatore Tempo di permanenza Limite di viscosità (cp) U (W/m 2 C) Applicazioni A bolla Wurling Da 1 a molte ore Da 1 a molte ore Prodotti non termosensibili Prodotti non termosensibili ad alta viscosità Tubi corti: circolazione naturale circolazione forzata 30 min 1 ora 30 min 1 ora Prodotti non termosensibili Prodotti non termosensibili Tubi lunghi: a film ascendente: circolazione naturale circolazione forzata a film discendente 1 min qualche minuto 1 min Prodotti termosensibili a bassa e media visc. Pr. abbastanza termos. a bassa e media visc. Prodotti termosensibili a bassa e media visc. Piastre Ad un passaggio A circolazione forzata 1 min qualche minuto Prodotti termosensibili a bassa e media visc. Pr. abbastanza termos. a media e alta visc. A film agitato sec Prodotti molto termos. ad alta viscosità Processi di produzione degli alimenti - ZANONI/CANUTI - AA 2018/
14 Processi di produzione degli alimenti - ZANONI/CANUTI - AA 2018/
15 Processi di produzione degli alimenti - ZANONI/CANUTI - AA 2018/
16 EVAPORAZIONE: evaporatore a tubi lunghi a film discendente (Falling film evaporator) Processi di produzione degli alimenti - ZANONI/CANUTI - AA 2018/
17 EVAPORAZIONE: evaporatore a tubi lunghi a film discendente (Falling film evaporator) Processi di produzione degli alimenti - ZANONI/CANUTI - AA 2018/
18 EVAPORAZIONE: evaporatore a tubi lunghi a film discendente (Falling film evaporator) Processi di produzione degli alimenti - ZANONI/CANUTI - AA 2018/
19 EVAPORAZIONE: evaporatore a piastre Processi di produzione degli alimenti - ZANONI/CANUTI - AA 2018/
20 EVAPORAZIONE: evaporatore a film agitato Processi di produzione degli alimenti - ZANONI/CANUTI - AA 2018/
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