Indice generale. Prefazione

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1 V Prefazione Dopo il volume Ingegneria dell industria alimentare, pubblicato nel 2013 e rapidamente esaurito, l autore propone il nuovo testo Ingegneria dell industria agroalimentare in due volumi. Nel volume I, stampato nel settembre 2017, sono stati affrontati temi quali: la reologia dei prodotti alimentari, il trasporto dei fluidi alimentari, l estrazione per pressione, la decantazione, la centrifugazione, la flottazione, la filtrazione, la microfiltrazione, l ultrafiltrazione, la nanofiltrazione, l osmosi inversa, la trasmissione del calore, la pastorizzazione, la sterilizzazione e la concentrazione per evaporazione. Essi sono stati raggruppati in 9 capitoli, ripresi dai primi nove del precedente volume unico, ma con alcuni interventi di aggiornamento e completamento. Questo secondo volume ha invece visto il totale rifacimento dei capitoli che, nel volume unico del 2013, erano dal decimo in poi. Necessità scaturita sia per uniformarli all approccio didattico scelto già per la stesura dei primi 9 capitoli del volume I, sia per aggiornarli e arricchirli. I temi qui trattati sono: la termodinamica dell aria umida in rapporto ai prodotti alimentari, l essiccazione, la refrigerazione, il congelamento e surgelazione, la cristallizzazione, l estrazione con solvente e la distillazione. In continuità con l approccio adottato nel primo volume, anche questi argomenti vengono proposti in un contesto applicativo senza però perdere di vista il giusto rigore della descrizione fisica e matematica, sia del funzionamento delle macchine e degli impianti, che della loro interazione con il prodotto in trasformazione. A questo proposito, gli argomenti corrispondono a operazioni unitarie che vengono svolte da una macchina o da un impianto. Il tecnologo, dopo aver studiato il prodotto alimentare in termini di ricetta industriale, deve assemblare le operazioni nella sequenza più opportuna per realizzare il processo produttivo. Quindi, il tecnologo alimentare, quale progettista del processo, ha bisogno di

2 VI Prefazione una conoscenza delle macchine e degli impianti che vada oltre la descrizione elementare del loro funzionamento. Di qui la proposta di modellazioni matematiche alla portata del percorso formativo della sua figura professionale, in grado di consentirgli un indagine quantitativa dei fenomeni intercorrenti fra il prodotto e la macchina o l impianto. Tuttavia il volume, come peraltro il primo, è anche corredato da approfondimenti, relativi a criteri di dimensionamento e a dati sui prodotti, di pratica utilità ai progettisti delle macchine e degli impianti, cioè ai tecnici e agli ingegneri. Nella certezza che anche in questo nuovo testo non mancheranno sviste ed errori, sarò grato a coloro che si spenderanno nel segnalarli. Infine un duplice doveroso ringraziamento: alla tecnologa alimentare Federica Tono, per la fattiva collaborazione e i preziosi suggerimenti; alla Casa Editrice per il meritorio impegno nel lavoro di impaginazione, stampa e diffusione di questo secondo volume. Padova, marzo 2018 L Autore

3 VII Prefazione V INGEGNERIA DELL INDUSTRIA AGROALIMENTARE 1. TERMODINAMICA DELL ARIA UMIDA 1.1 Introduzione Gas ideali e loro miscele Pressione assoluta e relativa Legge di Dalton Vapore d acqua saturo Tensione di vapore dell acqua Aria umida Generalità Pressione parziale del vapor d acqua nell aria Umidità relativa dell aria Trasporto di materia e fenomeno dell evaporazione dell acqua 10 in aria atmosferica Diffusione di materia e prima legge di Fick Esempio di evaporazione con diffusione del vapore in aria Evaporazione dell acqua in atmosfera d aria in movimento Fenomeno dell evaporazione quando l acqua e l aria 16 hanno la temperatura differente Fenomeno dell evaporazione quando l acqua e l aria 17 hanno la stessa temperatura 1.7 Temperatura a bulbo umido e la saturazione adiabatica dell aria Temperatura a bulbo umido Saturatore adiabatico Saturazione adiabatica è una trasformazione isoentalpica Dal saturatore adiabatico all essiccatoio Altre importanti grandezze della termodinamica dell aria umida Umidità specifica 28

4 VIII Temperatura di rugiada Diagrammi psicrometrici Trasformazioni dell aria durante l essiccazione Evaporazione ed ebollizione Comparazione tra evaporazione ed ebollizione Uso dei termini evaporazione ed ebollizione Applicazioni numeriche Applicazione numerica n Applicazione numerica n Applicazione numerica n L ESSICCAZIONE IN CORRENTE D ARIA 2.1 Generalità sull essiccazione Umidità dei prodotti alimentari Umidità su base secca e umidità su base umida: 48 quale impiegare e relazioni tra le due 2.3 La velocità di essiccazione Modalità di essiccazione Essiccazione con aria a temperatura costante Fasi del processo di essiccazione. Umidità critica Periodo a velocità costante Periodo a velocità decrescente Umidità di equilibrio Parametri termodinamici nelle due fasi dell essiccazione Velocità di essiccazione e tempo di essiccazione Calcolo della velocità di essiccazione del periodo 57 a velocità costante Fattore di forma F Calcolo del tempo di essiccazione nel periodo 60 a velocità costante Calcolo del tempo di essiccazione nel periodo 61 a velocità decrescente 2.6 Umidità di equilibrio e attività dell acqua Parametri influenti l umidità di equilibrio Diagrammi per la determinazione dell umidità di equilibrio. 63 Isteresi Attività dell acqua Descrizione matematica delle curve di disidratazione a W = f (X E,T) Essiccazione negli essiccatoi continui (aria a temperatura variabile) Prodotto in essiccazione con umidità sempre superiore 70 a quella critica Dimensionamento degli essiccatoi continui con X F > X C 73 Portata d acqua evaporata e umidità finale 73 Portata di prodotto umido 74 Lunghezza dell essiccatoio 74

5 IX Temperature iniziale e finale dell aria essiccante 75 Coefficiente di convezione e portata di aria essiccante 76 Portata di aria essiccante tramite il diagramma 77 psicrometrico Controllo dei parametri dell essiccatoio Essiccatoio continuo e velocità di essiccazione 80 con X F > X C Prodotto con umidità finale inferiore a quella critica X F < X C 85 Lunghezza del primo tratto dell essiccatoio L C 86 Temperatura dell aria T AC al punto L C 86 Lunghezza del secondo tratto dell essiccatoio L TOT -L C Essiccazione negli essiccatoi discontinui (tipo a silo) Velocità di essiccazione Tempo di essiccazione Tipologie di essiccatoi in corrente d aria Riciclo dell aria Essiccatoio a silo Essiccatoi ad armadio con ripiani Essiccatoi a tunnel Essiccatoi a nastro Essiccatoi a tamburo rotante Essiccatoi a letto fluido Essiccatoi pneumatici Spray dryers Generalità Atomizzatori Atomizzatori a turbina Atomizzatori a spruzzatore a pressione Atomizzatori pneumatici Camera di essiccazione Limiti dell essiccazione in corrente d aria Liofilizzazione (crioessiccazione) Sublimazione Termodinamica della liofilizzazione Fasi della liofilizzazione Fase di congelamento Fase di essiccazione primaria Fase di essiccazione secondaria 118 (fase di desorbimento) Considerazioni relative alle fasi della liofilizzazione Limiti della liofilizzazione Applicazioni numeriche 121 Applicazione numerica n Applicazione numerica n Applicazione numerica n

6 X 3. REFRIGERAZIONE E MACCHINE FRIGORIFERE 3.1 Refrigerazione Sistema evaporatore-condensatore Macchina frigorifera a compressione di vapore Ciclo frigorifero Fluidi frigorigeni Sorgenti a bassa ed alta temperatura e bilancio energetico Efficienza frigorifera (COP) e potenza frigorifera (q E ) Ciclo teorico di Carnot e ciclo pratico Variazione del COP rispetto alle temperature Generalità sulla macchina frigorifera a compressione di vapore Evaporatore e sorgente a bassa temperatura Condensatore e sorgente ad alta temperatura Compressori Compressori volumetrici Compressore volumetrico a pistoni Compressore volumetrico a vite Compressore a spirale orbitante (scroll) Compressori centrifughi Valvola di laminazione Valvola di laminazione a galleggiante (alimentazione allagata) Valvola termostatica (alimentazione ad espansione secca) Caratteristiche dei fluidi frigorigeni Ammoniaca Freon Applicazioni numeriche 163 Applicazione numerica n Applicazione numerica n Appendice al capitolo A.3.10 Macchine frigorifere ad assorbimento 165 A Principio di funzionamento 165 A Macchine frigorifere ad assorbimento ad acqua 169 e bromuro di litio A Macchine frigorifere ad assorbimento ad ammoniaca 171 e acqua A.3.11 Macchine frigorifere con ciclo a gas 173 A Premessa 173 A Principio di funzionamento CONGELAMENTO 4.1 Congelamento nell industria alimentare Congelamento dell acqua e delle soluzioni acquose Generalità Congelamento dell acqua pura Congelamento delle soluzioni acquose con punto eutettico 183

7 XI Soluzioni acquose con concentrazione inferiore a quella 185 eutettica: calcolo della frazione di acqua non congelata 4.3 Congelamento dei prodotti alimentari Generalità Congelamento di un prodotto alimentare: temperatura 187 iniziale di congelamento Massa molecolare equivalente della materia solida 187 di un prodotto alimentare Congelamento di un prodotto alimentare: calcolo della frazione 188 di acqua non congelata 4.4 Calcolo del tempo di congelamento Modelli matematici Modello di Plank Ipotesi del modello di Plank Modello matematico della teoria di Plank e calcolo 191 del tempo di congelamento I coefficienti di forma P e R Modello di Nagaoka Calcolo del tempo di congelamento Calcolo della differenza di entalpia specifica Δh Caratteri fisici dei prodotti alimentari sottoposti a congelamento Generalità Calcolo della densità ρ Calcolo del calore specifico c Calcolo della conducibilità termica λ Impianti per il congelamento Congelatori discontinui Congelatori ad aria (discontinui) Congelatori a contatto (discontinui) Congelatori continui Congelatori ad aria (continui) Congelatori a letto fluido (continui) Congelatori a contatto (continui) Congelatori a gas criogenici Applicazioni numeriche 208 Applicazione numerica n Applicazione numerica n Applicazione numerica n Applicazione numerica n Applicazione numerica n Applicazione numerica n LA CRISTALLIZZAZIONE 5.1 Cristallizzazione in campo alimentare Concentrazione delle soluzioni 221

8 XII Generalità Concentrazione percentuale massa su massa riferita 222 al solvente Concentrazione percentuale massa su massa riferita 222 alla soluzione Relazioni tra concentrazioni espresse diversamente Solubilità e sovrasaturazione Generalità Solubilità Sovrasaturazione Le curve di saturazione e sovrasaturazione Fasi dell operazione di cristallizzazione Generalità Prima fase: la nucleazione La nucleazione primaria La nucleazione secondaria Il tempo di induzione e la velocità di nucleazione Seconda fase: l accrescimento dei cristalli La fase diffusiva La fase di deposizione La velocità di accrescimento del cristallo Gli impianti di cristallizzazione Generalità Cristallizzatori a raffreddamento Cristallizzatore discontinuo in assenza di agitazione Cristallizzatore discontinuo in presenza di agitazione Cristallizzatore a superficie raschiata Cristallizzatori a evaporazione Cristallizzatore sottovuoto Cristallizzatore Oslo Applicazioni numeriche 239 Applicazione numerica n Applicazione numerica n Applicazione numerica n Appendice al capitolo A.5.8 Il fenomeno del flash-cooling (flash-evaporazione 247 o raffreddamento adiabatico) 6. ESTRAZIONE SOLIDO-LIQUIDO MEDIANTE SOLVENTE 6.1 Estrazione solido-liquido nell industria alimentare Principi fisici alla base dell estrazione solido-liquido Estrattore discontinuo a singolo stadio Principio di funzionamento Simbologia: definizioni e significati Relazioni fondamentali 255

9 XIII Resa di estrazione η Bilancio di massa nell estrattore a singolo stadio Ipotesi fondamentali Casi di risoluzione Risoluzione con F e S noti Risoluzione con F e η noti Quantità minima di solvente impiegabile Relazione tra resa e quantità di solvente impiegato Estrattore discontinuo a esaurimento a stadi multipli Principio di funzionamento Simbologia: definizioni e significati Ipotesi fondamentali Relazioni fondamentali Risoluzione del bilancio di massa Estrattore discontinuo a stadi multipli in controcorrente Generalità Simbologia, principio di funzionamento e ipotesi Quantità note al momento della definizione del processo Risoluzione del bilancio di massa Determinazione della soluzione imbibente W i 269 uscente dallo stadio i-esimo Determinazione dell estratto E i uscente 269 dallo stadio i-esimo Determinazione della concentrazione di soluto 270 nella fase liquida x Zi uscente dallo stadio i-esimo Metodo iterativo per il calcolo del numero di stadi 271 dell estrattore Metodo diretto per il calcolo del numero di stadi dell estrattore Dimostrazione della relazione per il calcolo 274 del numero degli stadi in un estrattore in controcorrente tramite metodo diretto Aspetti pratici dell estrazione a multiplo stadio 276 in controcorrente 6.6 L estrattore continuo Processo continuo e regime stazionario Processo discontinuo (a batch) e regime non stazionario Ipotesi fondamentali relative all estrattore continuo Impianti di estrazione solido-liquido mediante solvente Generalità Estrattori a immersione Estrattori a immersione discontinui Estrattori a immersione continui Estrattori a percolazione Percolatori a singolo stadio Percolatori a stadi multipli 284

10 XIV Percolatore rotante Percolatore a tappeto forato Fluidi supercritici Generalità Passaggi dallo stato di liquido a quello di gas: 289 trasformazioni termodinamiche Stati subcritici e supercritici: confronto tra trasformazioni 294 termodinamiche 6.9 Estrazione mediante fluidi supercritici Impianti di estrazione che utilizzano fluidi supercritici Componenti dell estrattore-separatore Funzionamento dell estrattore-separatore Applicazioni numeriche 299 Applicazione numerica n Applicazione numerica n Applicazione numerica n Applicazione numerica n Applicazione numerica n DISTILLAZIONE 7.1 Miscele ideali e non ideali di due liquidi Miscela ideale di due liquidi: tensione di vapore a temperatura 309 costante Miscela ideale di due liquidi: temperatura di ebollizione 310 a pressione costante Miscela ideale di due liquidi: composizione del vapore saturo Diagramma di equilibrio a pressione costante per le miscele 313 ideali e non ideali di due liquidi 7.2 Distillazione frazionata Generalità sulla distillazione frazionata in campo alimentare Tipologie di apparecchiature per la distillazione frazionata Sistema evaporatore-condensatore a singolo stadio Sistema evaporatore-condensatore a stadi multipli Sistema evaporatore-condensatore a stadi multipli 320 con riflusso Tronchi di esaurimento e di arricchimento Distillazione in colonne a piatti Principio di funzionamento Struttura della colonna a piatti Simbologia per la colonna di distillazione a piatti Flussi molari in ingresso (F) e in uscita (D, W) relativi alla colonna 331 di distillazione Relazioni fondamentali Rapporto di riflusso Flusso in ingresso F 332

11 XV Condizioni per q = Condizioni per q = Condizioni per 0 < q < Condizioni per q > Condizioni per q < Ipotesi relativa ai calori latenti molari di evaporazione Flussi molari di vapore V e di liquido L nel piatto i-esimo Generalità Costanza dei flussi molari di liquido L e di vapore V relativi 336 al piatto i-esimo Flussi di vapore V nei tronchi di arricchimento ed esaurimento Flussi di liquido L nei tronchi di arricchimento ed esaurimento Relazione che legano V D con V W e L D con L W Altre relazioni tra i flussi di vapore V e i flussi di liquido L Relazioni che legano le frazioni molari dei flussi di vapore e di liquido Relazioni tra le frazioni molari del liquido in un piatto 343 e quelle del vapore che da esso promana Relazioni tra le frazioni molari del liquido in un piatto 343 e quelle del vapore che promana dal piatto sottostante Caso del tronco di arricchimento. 344 Retta di arricchimento o di lavoro superiore Caso del tronco di esaurimento. Retta di esaurimento 345 o di lavoro inferiore Retta di arricchimento e di esaurimento: punto 347 di intersezione e linea q 7.9 Composizione del liquido e del vapore nei piatti dei tronchi 349 di arricchimento ed esaurimento Metodo analitico per la determinazione della composizione 350 dei fluidi presenti nei piatti Caso del tronco di arricchimento Caso del tronco di esaurimento Metodo grafico per la per la determinazione 351 della composizione dei fluidi presenti nei piatti Caso del tronco di arricchimento Caso del tronco di esaurimento Metodo McCabe - Thiele per la determinazione del numero 354 teorico di piatti nella colonna di distillazione Parametri noti della colonna di distillazione Determinazione delle condizioni di alimentazione 355 (parametro q) Scelta del valore di R, rapporto di riflusso Calcolo del numero teorico dei piatti della colonna 356 di distillazione Generalità Procedura di calcolo 357

12 XVI 7.11 Applicazioni numeriche 359 Applicazione numerica n a parte: calcoli preliminari a parte: applicazione del metodo McCabe - Thiele 361 Appendice al capitolo A.7.12 Relazioni che legano frazioni molari x e frazioni in massa x* 366 A.7.13 Uso del diagramma di equilibrio: modelli matematici 368 Esempio n Esempio n Bibliografia essenziale 373 Indice analitico 375 Appendice Sistemi di unità di misura di uso corrente 381 Tabelle di conversione 385 Unità di lunghezza x 385 Unità di massa m 385 Unità di forza F 385 Unità di intervallo di temperatura ΔT 385 Unità di energia E 386 Unità di potenza P 386