プロセスバイパスストリームは、不要な熱曝露を避けることで製品品質を保護します。 エバポレーターなどの熱濃縮ユニットでは、新鮮なフィードの一部を制御してヒーターとエバポレーターを迂回させ、残りのフィードは最終目標値よりも濃く濃縮されます。その後、濃縮されたストリームと未処理のストリームを混合して、必要とされる最終固形分濃度を達成し、風味、ビタミン、または生物学的活性の保持を向上させます。

バイパスシステムは、過濃縮された熱処理ストリームと新鮮なバイパスストリームを組み合わせることで、所望の最終濃度を達成します。流量は、フィードの分岐点、エバポレーター、および再混合点での物質収支によって決定されます。

バイパスストリームが使用される理由

熱に敏感な成分の保護

熱濃縮は、熱や滞留時間に敏感な化合物に損傷を与える可能性があります。これには、風味化合物、ビタミン、色素、酵素、その他の生物学的に活性な成分が含まれる場合があります。

バイパスストリームはエバポレーターを完全に回避し、フィードの一部を元の状態で保存します。

最終製品品質の回復

エバポレーターストリームは、最終仕様よりも高い固形分濃度になるように意図的に濃縮されます。これを濃度の低いバイパスストリームと混合することで、必要な最終濃度を達成しながら、製品全体の熱負荷を低減します。

したがって、バイパス分率は組成制御変数として機能します。

熱およびエネルギーロードの低減

フィードの一部のみがエバポレーターを通過するため、機器は同じ熱強度で全フィードを処理する必要がありません。これにより、熱量が削減され、製品の平均熱曝露が制限される可能性があります。

必要な3つのバランス位置

バイパス計算は、完全にラベル付けされたプロセスフロー図に基づく必要があります。3つのシステムノードが不可欠です。

フィード分岐点

次のように定義します：

(F) = 総新鮮フィード質量流量
(B) = バイパスストリーム質量流量
(E) = エバポレーターフィード質量流量

総質量バランスは次のとおりです：

[ F = B + E ]

したがって：

[ E = F - B ]

バイパス分率が (f_B) として指定されている場合：

[ B = f_B F ]

および：

[ E = (1-f_B)F ]

バイパスストリームとエバポレーターフィードストリームは、分岐直後は通常、新鮮なフィードと同じ組成を持ちます。

エバポレーターユニット

次のように定義します：

(x_F) = 新鮮フィード中の固形分の質量分率
(x_C) = エバポレーター濃縮物中の固形分の質量分率
(C) = エバポレーター濃縮物の質量流量
(V) = 蒸発水の質量流量

エバポレーターで固形分が失われないと仮定すると、固形分バランスは次のとおりです：

[ E x_F = C x_C ]

したがって、エバポレーター濃縮物の流量は次のとおりです：

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

(E=F-B) を使用すると：

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

エバポレーター周りの総質量バランスは次のとおりです：

[ E = C + V ]

したがって、水分除去速度は次のとおりです：

[ V = E-C ]

または：

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

この計算は、除去される物質が水であり、溶解固形分が液体製品に残ると仮定しています。

再結合点

次のように定義します：

(P) = 最終製品の質量流量
(x_P) = 望ましい最終製品の固形分質量分率

混合点での総質量バランスは次のとおりです：

[ P = B+C ]

固形分バランスは次のとおりです：

[ P x_P = Bx_F + Cx_C ]

プロセス全体で固形分が保存される場合、全体の固形分バランスからも次の式が得られます：

[ F x_F = P x_P ]

したがって：

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

(P) と (C) がわかれば、バイパス流量は次から求められます：

[ B=P-C ]

バイパス流量の計算

総フィードと最終製品仕様が既知の場合

実用的な計算手順は次のとおりです：

全体の固形分バランスから最終製品流量を計算します：

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

エバポレーター濃縮物の濃度 (x_C) を選択または決定します。
再結合バランスを使用します：

[ B=P-C ]

エバポレーターの固形分バランスを適用します：

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

これらの方程式は、(B) と (C) について連立させて解くことができます。

バイパス分率の直接的な式は次のとおりです：

[ \frac{B}{F}

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

この式は、バイパスストリームが元のフィード濃度を持ち、エバポレーター濃縮物の濃度が (x_C) であり、固形分が保存される場合に適用されます。

バイパス分率が指定されている場合

バイパス分率がすでにわかっている場合は、次を計算します：

[ B=f_BF ]

[ E=(1-f_B)F ]

次に、エバポレーター濃縮物の流量を決定します：

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

結果として得られる最終製品流量は次のとおりです：

[ P=B+C ]

その実際の固形分濃度は次のとおりです：

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

このアプローチは、提案されたバイパス設定が最終製品にどのように影響するかを評価するのに役立ちます。

計算例

与えられたプロセス条件

プロセスが次の条件であるとします：

新鮮フィード: (F=1{,}000\ \text{kg/h})
フィード固形分: (x_F=0.10)
望ましい最終固形分: (x_P=0.20)
エバポレーター濃縮物固形分: (x_C=0.50)

全体の最終製品流量は次のとおりです：

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

バイパス分率は次のとおりです：

[ \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 ]

したがって：

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

エバポレーターフィードは次のとおりです：

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

エバポレーター濃縮物の流量は次のとおりです：

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

最終製品流量は次のとおりです：

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

蒸発水の速度は次のとおりです：

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

したがって、最終製品には (500\ \text{kg/h}) の製品中に (100\ \text{kg/h}) の固形分が含まれ、望ましい (20%) 固形分濃度が確認されます。

トレードオフを理解する

より高いバイパス流量

バイパス分率が高いほど、熱処理にさらされる製品量が減少します。ただし、エバポレーターに入る部分は、同じ最終製品濃度を維持するためにより強力に濃縮する必要があります。

これにより、必要なエバポレーター濃度、粘度、伝熱の困難さ、またはファウリングのリスクが増大する可能性があります。

より低いバイパス流量

バイパス分率が低いほど、より多くの材料がエバポレーターを通過し、一般にエバポレーター出口の必要な濃度が低下します。これにより蒸発が簡素化されますが、製品のより多くの部分が熱にさらされます。

結果として得られる製品は、より大きな風味損失または熱劣化を経験する可能性があります。

組成と特性の仮定

基本式は、バイパスストリームが新鮮なフィードと同じ組成を持ち、エバポレーターが水のみを除去すると仮定しています。固形分が失われたり、揮発性成分が除去されたり、ストリームの密度が異なる場合は、追加の成分バランスが必要です。

流量は、質量流量または体積流量として一貫して扱う必要もあります。濃度バランスは、質量流量と質量分率を使用する場合に最も信頼性が高くなります。

選択した濃度の実現可能性

従来のバイパス構成では、最終濃度は通常、バイパスストリーム濃度とエバポレーター濃縮物濃度の間にある必要があります：

[ x_F \leq x_P \leq x_C ]

要求された最終濃度がこの範囲外の場合、提案されたフロー構成では、別のストリームまたは運転条件の変更なしに目標を達成できません。

これをプロジェクトに適用する方法

信頼性の高い計算は、ラベル付けされたフロー図、定義された濃度基準、および各ノードでの総量と固形分の個別バランスから始まります。

主な関心が製品品質である場合： 熱曝露を制限するのに十分なだけバイパス分率を増やし、エバポレーターが必要な過濃縮に到達できることを確認します。
主な関心がエネルギー削減である場合： 伝熱性能、粘度、ファウリング、および達成可能な濃縮物濃度を確認しながら、エバポレーターフィード分率を最小化します。
主な関心が最終組成制御である場合： 混合点の固形分バランスを使用し、バイパス分率を主要な操作変数として扱います。
主な関心が機器設計である場合： エバポレーターフィード、濃縮物、および水分除去速度を個別に計算します。それぞれが異なる機器要件を決定するためです。

バイパスストリームは基本的に、制御された組成調整メカニズムであり、その流量は、分岐点、エバポレーター、および混合点での総量および成分物質収支から直接導き出されます。

要約表：

プロセスポイント	主要なバランスまたは式	目的
フィード分岐	`F = B + E`	新鮮フィードをバイパスストリームとエバポレーターストリームに分割します
エバポレーター	`C = Ex_F / x_C`	固形分保存から濃縮物流量を計算します
水分除去	`V = E - C`	蒸発水の流量を決定します
再結合	`P = B + C`	バイパスストリームと濃縮ストリームを組み合わせます
最終製品	`P = Fx_F / x_P`	全体の固形分バランスから製品流量を計算します
バイパス分率	`B/F = [(x_F/x_P) - (x_F/x_C)] / [1 - (x_F/x_C)]`	目標濃度に到達するために必要なバイパスを決定します

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