Thermodynamic and hydrodynamic characterization of the vacuum evaporation process during concentration of dairy products in a falling film evaporator

Abstract

Falling film evaporators (FFE) are widely used in the chemical, refrigeration, petroleum refining, desalination and food industries. In the dairy industry FFE is applied for the concentration of solutions prior to the drying step. Despite the economic importance of the vacuum evaporation process in the manufacture of dairy dried products, the knowledge about the process is mostly empirical. Research aiming to improve the efficiency of the process is therefore necessary. The objective of this PhD project was to characterize experimentally a FFE during the concentration of dairy products by means of thermodynamic and hydrodynamic approaches, in order to study the interactions between the products properties and the operating parameters. A pilot-scale, single-stage falling film evaporator that describes the same process as that of an industrial scale from a hydrodynamic point of view was instrumented and used to establish the mass and energy balances. The evaporation rate and the overall heat transfer coefficient were calculated from the experimental data to follow up the process. A methodology for the determination of the experimental residence time distribution (RTD) functions was developed. RTD functions provide global information about the flow of the products during concentration in a FFE. Increasing of the concentration of skim milk, mass flow rate and the distance covered by the product resulted in an increase in the dispersion of the products particles. The experimental RTD functions were modelled by a combination of two perfectly mixed reactor tanks in series. From the interpretation of this model, two different flows, a main and a minor flow, were identified. The RTD methodology developed on skim milk was applied to sweet whey and lactic acid whey and the study was extended to the formation of fouling during a 5-hour concentration. The mean residence time was more sensitive to identify fouling than the overall heat transfer coefficient and the evaporation rate. This study emphasized the crucial role of process characterization to improve the performance of FFE and product quality.

Os evaporadores de película descendente (EPD) são amplamente utilizados nas indústrias químicas, de refrigeração, de refino de petróleo e de alimentos. Nas indústrias de laticínios, os EPD são mais comumente utilizados para a concentração de soluções antes do processo de secagem por spray-dryer. Apesar da importância econômica do processo de evaporação a vácuo na produção de produtos lácteos desidratados, o conhecimento do processo é essencialmente empírico. Estudos visando a otimização do processo são portanto necessários. O objetivo deste projeto de doutorado é o de caracterizar experimentalmente um EPD durante a concentração de produtos lácteos, utilizando de abordagens termodinâmicas e hidrodinâmicas afim de se estudar as interações entre as propriedades dos produtos e os paramêtros operacionais. Um evaporador de película descendente, simples efeito, em escala piloto, que descreve o mesmo processo em escala industrial de um ponto de vista hidrodinâmico, foi instrumentado e utilizado para a determinação dos balanços de massa e de energia. A capacidade evaporativa e o coeficiente global de transferência de calor foram calculados a partir dos dados experimentais. Uma metodologia para a determinação experimental da função de distribuição dos tempos de residência (DTR) foi desenvolvida. As funções DTR fornecem informações essenciais sobre o escoamento dos produtos durante a concentração em EPD. O aumento da concentração, da vazão mássica e da distância percorrida pelo produto, provocam um aumento na dispersão das partículas do fluxo. Estas funções foram modelados por uma combinação de reatores em cascada, perfeitamente agitados. De acordo com a interpretação deste modelo, dois fluxos, um primário e um secundário, correspondendo a duas camadas de produto que fluem sobrepostas através dos tubos de evaporação, foram propostos. A metodologia para o cálculo das funções DTR foi aplicada a diferentes produtos lácteos (leite desnatado, soro de leite doce e ácido), e o estudo foi estendido para a formação de fouling durante a concentração por evaporação a vácuo. O tempo de residência médio real foi mais sensível para identificar a formação de fouling que o coeficiente global de transferência de calor e do que a capacidade evaporativa. Este estudo enfatizou o papel crucial da caracterização do processo de evaporação a vácuo para a otmização de EPD e da qualidade dos produtos oriundos dessa tecnologia.