Uma corrente de bypass de processo protege a qualidade do produto ao evitar uma exposição térmica desnecessária. Em uma unidade de concentração térmica, como um evaporador, uma parte controlada da alimentação fresca desvia do aquecedor e do evaporador, enquanto o restante da alimentação é concentrado além da concentração final desejada. As correntes concentrada e não processada são então misturadas para produzir a concentração final de sólidos necessária, com melhor retenção de aromas, vitaminas ou atividade biológica.

Um sistema de bypass alcança a concentração final desejada combinando uma corrente superconcentrada e termicamente tratada com uma corrente fresca de bypass. As vazões são determinadas por meio de balanços de massa nos pontos de divisão da alimentação, no evaporador e de recombinação.

Por que uma Corrente de Bypass é Utilizada

Proteção de Componentes Sensíveis ao Calor

A concentração térmica pode danificar compostos sensíveis ao calor ou ao tempo de residência. Estes podem incluir compostos aromáticos, vitaminas, corantes, enzimas ou outros componentes biologicamente ativos.

A corrente de bypass evita completamente o evaporador, preservando uma parte da alimentação em sua condição original.

Restabelecimento da Qualidade Final do Produto

A corrente do evaporador é intencionalmente concentrada até uma concentração de sólidos superior à especificação final. Misturá-la com a corrente de bypass menos concentrada reduz a carga térmica sobre o produto como um todo, ao mesmo tempo que alcança a concentração final necessária.

A fração de bypass atua, portanto, como uma variável de controle da composição.

Redução da Carga Térmica e Energética

Como apenas parte da alimentação passa pelo evaporador, o equipamento não precisa processar toda a alimentação com a mesma intensidade térmica. Isso pode reduzir a carga térmica e limitar a exposição térmica média do produto.

Os Três Pontos de Balanço Necessários

Um cálculo de bypass deve basear-se em um diagrama de fluxo de processo totalmente identificado. Três nós do sistema são essenciais.

Ponto de Divisão da Alimentação

Considere:

(F) = vazão mássica total da alimentação fresca
(B) = vazão mássica da corrente de bypass
(E) = vazão mássica da alimentação do evaporador

O balanço de massa total é:

[ F = B + E ]

Portanto:

[ E = F - B ]

Se a fração de bypass for especificada como (f_B), então:

[ B = f_B F ]

[ E = (1-f_B)F ]

A corrente de bypass e a corrente de alimentação do evaporador geralmente têm a mesma composição da alimentação fresca imediatamente após a divisão.

Unidade do Evaporador

Considere:

(x_F) = fração mássica de sólidos na alimentação fresca
(x_C) = fração mássica de sólidos no concentrado do evaporador
(C) = vazão mássica do concentrado do evaporador
(V) = vazão mássica da água evaporada

Supondo que não haja perda de sólidos no evaporador, o balanço de sólidos é:

[ E x_F = C x_C ]

Assim, a vazão do concentrado do evaporador é:

[ C = \frac{E x_F}{x_C} ]

Usando (E=F-B):

[ C = \frac{(F-B)x_F}{x_C} ]

O balanço de massa total ao redor do evaporador é:

[ E = C + V ]

Portanto, a taxa de remoção de água é:

[ V = E-C ]

ou:

[ V = (F-B)-\frac{(F-B)x_F}{x_C} ]

Este cálculo pressupõe que o material removido é água e que os sólidos dissolvidos permanecem no produto líquido.

Junção de Recomposição

Considere:

(P) = vazão mássica do produto final
(x_P) = fração mássica desejada de sólidos no produto final

O balanço de massa total no ponto de mistura é:

[ P = B+C ]

O balanço de sólidos é:

[ P x_P = Bx_F + Cx_C ]

Se os sólidos forem conservados em todo o processo, o balanço global de sólidos também fornece:

[ F x_F = P x_P ]

Portanto:

[ P = \frac{F x_F}{x_P} ]

Uma vez conhecidos (P) e (C), a vazão de bypass pode ser determinada por:

[ B=P-C ]

Cálculo da Vazão de Bypass

Quando a Alimentação Total e a Especificação do Produto Final são Conhecidas

Uma sequência prática de cálculo é:

Calcule a vazão do produto final a partir do balanço global de sólidos:

[ P=\frac{F x_F}{x_P} ]

Selecione ou determine a concentração do concentrado do evaporador (x_C).
Use o balanço de recomposição:

[ B=P-C ]

Aplique o balanço de sólidos do evaporador:

[ C=\frac{(F-B)x_F}{x_C} ]

Estas equações podem ser resolvidas simultaneamente para (B) e (C).

Uma expressão direta para a fração de bypass é:

[ \frac{B}{F}

\frac{\dfrac{x_F}{x_P}-\dfrac{x_F}{x_C}} {1-\dfrac{x_F}{x_C}} ]

Esta expressão se aplica quando a corrente de bypass possui a concentração original da alimentação, o concentrado do evaporador possui concentração (x_C) e os sólidos são conservados.

Quando a Fração de Bypass é Especificada

Se a fração de bypass já for conhecida, calcule:

[ B=f_BF ]

[ E=(1-f_B)F ]

Em seguida, determine a vazão do concentrado do evaporador:

[ C=\frac{E x_F}{x_C} ]

A vazão resultante do produto final é:

[ P=B+C ]

Sua concentração real de sólidos é:

[ x_P=\frac{B x_F+C x_C}{P} ]

Esta abordagem é útil para avaliar como uma configuração de bypass proposta afeta o produto final.

Exemplo de Cálculo

Condições de Processo Fornecidas

Suponha que um processo tenha:

Alimentação fresca: (F=1{,}000\ \text{kg/h})
Sólidos na alimentação: (x_F=0.10)
Sólidos finais desejados: (x_P=0.20)
Sólidos no concentrado do evaporador: (x_C=0.50)

A vazão global do produto final é:

[ P=\frac{1{,}000(0.10)}{0.20}=500\ \text{kg/h} ]

A fração de bypass é:

[ \frac{B}{F}

\frac{\dfrac{0.10}{0.20}-\dfrac{0.10}{0.50}} {1-\dfrac{0.10}{0.50}}

\frac{0.50-0.20}{0.80} =0.375 ]

Assim:

[ B=0.375(1{,}000)=375\ \text{kg/h} ]

A alimentação do evaporador é:

[ E=1{,}000-375=625\ \text{kg/h} ]

A vazão do concentrado do evaporador é:

[ C=\frac{625(0.10)}{0.50}=125\ \text{kg/h} ]

A vazão do produto final é:

[ P=B+C=375+125=500\ \text{kg/h} ]

A taxa de água evaporada é:

[ V=E-C=625-125=500\ \text{kg/h} ]

O produto final contém, portanto, (100\ \text{kg/h}) de sólidos em (500\ \text{kg/h}) de produto, confirmando a concentração desejada de (20%) de sólidos.

Compreensão dos Compromissos

Maior Vazão de Bypass

Uma fração de bypass maior reduz a quantidade de produto exposta ao tratamento térmico. No entanto, a parte que entra no evaporador deve ser concentrada mais intensamente para manter a mesma concentração do produto final.

Isso pode aumentar a concentração necessária no evaporador, a viscosidade, a dificuldade de transferência de calor ou o risco de incrustação.

Menor Vazão de Bypass

Uma fração de bypass menor envia mais material através do evaporador e geralmente reduz a concentração necessária na saída do evaporador. Isso pode simplificar a evaporação, mas expõe uma fração maior do produto ao calor.

O produto resultante pode sofrer maior perda de aroma ou degradação térmica.

Pressupostos de Composição e Propriedades

As equações básicas pressupõem que a corrente de bypass tenha a mesma composição da alimentação fresca e que o evaporador remova apenas água. Se houver perda de sólidos, remoção de componentes voláteis ou diferentes densidades entre as correntes, serão necessários balanços adicionais de componentes.

As vazões também devem ser tratadas de forma consistente como vazões mássicas ou volumétricas. Os balanços de concentração são mais confiáveis quando se utilizam vazões mássicas e frações mássicas.

Viabilidade das Concentrações Selecionadas

Para uma configuração convencional de bypass, a concentração final normalmente deve situar-se entre a concentração da corrente de bypass e a concentração do concentrado do evaporador:

[ x_F \leq x_P \leq x_C ]

Se a concentração final solicitada estiver fora desse intervalo, a configuração de fluxo proposta não poderá atingir o objetivo sem outra corrente ou uma alteração nas condições operacionais.

Como Aplicar Isto ao Seu Projeto

Um cálculo confiável começa com um diagrama de fluxo identificado, uma base de concentração definida e balanços totais e de sólidos separados em cada nó.

Se o seu foco principal for a qualidade do produto: Aumente a fração de bypass o suficiente para limitar a exposição térmica e, em seguida, verifique se o evaporador consegue atingir a superconcentração necessária.
Se o seu foco principal for a redução de energia: Minimize a fração de alimentação do evaporador, verificando simultaneamente o desempenho da transferência de calor, a viscosidade, a incrustação e a concentração alcançável do concentrado.
Se o seu foco principal for o controle da composição final: Utilize o balanço de sólidos no ponto de mistura e trate a fração de bypass como a principal variável operacional.
Se o seu foco principal for o projeto do equipamento: Calcule separadamente as vazões de alimentação do evaporador, concentrado e remoção de água, pois cada uma determina um requisito de equipamento diferente.

Uma corrente de bypass é fundamentalmente um mecanismo controlado de ajuste da composição, e suas vazões resultam diretamente dos balanços de massa total e de componentes nos pontos de divisão, evaporador e mistura.

Tabela-Resumo:

Ponto do processo	Balanço ou equação principal	Finalidade
Divisão da alimentação	`F = B + E`	Divide a alimentação fresca entre as correntes de bypass e do evaporador
Evaporador	`C = Ex_F / x_C`	Calcula a vazão do concentrado a partir da conservação de sólidos
Remoção de água	`V = E - C`	Determina a vazão de água evaporada
Recombinação	`P = B + C`	Combina as correntes de bypass e concentrada
Produto final	`P = Fx_F / x_P`	Calcula a vazão do produto a partir do balanço global de sólidos
Fração de bypass	`B/F = [(x_F/x_P) - (x_F/x_C)] / [1 - (x_F/x_C)]`	Determina o bypass necessário para atingir a concentração desejada

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