공정 바이패스 스트림은 불필요한 열 노출을 방지하여 제품 품질을 보호합니다. 증발기와 같은 열 농축 장치에서 신선한 공급 원료의 일부를 제어하여 히터와 증발기를 우회시키고, 나머지 공급 원료는 최종 목표치 이상으로 농축합니다. 그런 다음 농축된 스트림과 처리되지 않은 스트림을 혼합하여 풍미, 비타민 또는 생물학적 활성을 더 잘 보존하면서 필요한 최종 고형분 농도를 얻습니다.

바이패스 시스템은 과농축되어 열처리를 거친 스트림과 신선한 바이패스 스트림을 결합하여 원하는 최종 농도를 달성합니다. 유량은 공급 분할 지점, 증발기 및 재결합 지점에서의 물질 수지를 통해 결정됩니다.

바이패스 스트림을 사용하는 이유

열에 민감한 성분 보호

열 농축은 열이나 체류 시간에 민감한 화합물을 손상시킬 수 있습니다. 여기에는 향료 화합물, 비타민, 색소, 효소 또는 기타 생물학적 활성 성분이 포함될 수 있습니다.

바이패스 스트림은 증발기를 완전히 우회하므로 공급 원료의 일부를 원래 상태로 보존합니다.

최종 제품 품질 복원

증발기 스트림은 최종 사양보다 높은 고형분 농도로 의도적으로 농축됩니다. 이를 농도가 낮은 바이패스 스트림과 혼합하면 전체 제품에 가해지는 열적 부담을 줄이면서 필요한 최종 농도를 달성할 수 있습니다.

따라서 바이패스 분율은 조성 제어 변수 역할을 합니다.

열 및 에너지 부하 감소

공급 원료의 일부만 증발기를 통과하기 때문에 장비가 전체 공급 원료를 동일한 열 강도로 처리할 필요가 없습니다. 이는 열 부하를 줄이고 제품의 평균 열 노출을 제한할 수 있습니다.

필요한 세 가지 균형 지점

바이패스 계산은 완전히 라벨이 지정된 공정 흐름도(PFD)를 기반으로 해야 합니다. 세 가지 시스템 노드가 필수적입니다.

공급 분할 지점

다음과 같이 정의합니다:

(F) = 총 신선 공급 원료 질량 유량
(B) = 바이패스 스트림 질량 유량
(E) = 증발기 공급 원료 질량 유량

총 물질 수지는 다음과 같습니다:

[ F = B + E ]

따라서:

[ E = F - B ]

바이패스 분율이 (f_B)로 지정된 경우:

[ B = f_B F ]

그리고:

[ E = (1-f_B)F ]

바이패스 스트림과 증발기 공급 스트림은 일반적으로 분할 직후 신선한 공급 원료와 동일한 조성을 가집니다.

증발기 유닛

다음과 같이 정의합니다:

(x_F) = 신선 공급 원료의 고형분 질량 분율
(x_C) = 증발기 농축액의 고형분 질량 분율
(C) = 증발기 농축액 질량 유량
(V) = 증발된 수분 질량 유량

증발기에서 고형분이 손실되지 않는다고 가정하면, 고형분 수지는 다음과 같습니다:

[ E x_F = C x_C ]

따라서 증발기 농축액 유량은 다음과 같습니다:

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

(E=F-B)를 사용하면:

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

증발기 주변의 총 물질 수지는 다음과 같습니다:

[ E = C + V ]

따라서 수분 제거율은 다음과 같습니다:

[ V = E-C ]

또는:

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

이 계산은 제거된 물질이 물이며 용존 고형분은 액체 제품에 남아 있다고 가정합니다.

재결합 지점

다음과 같이 정의합니다:

(P) = 최종 제품 질량 유량
(x_P) = 원하는 최종 제품 고형분 질량 분율

혼합 지점에서의 총 물질 수지는 다음과 같습니다:

[ P = B+C ]

고형분 수지는 다음과 같습니다:

[ P x_P = Bx_F + Cx_C ]

전체 공정에서 고형분이 보존된다면, 전체 고형분 수지는 다음과 같습니다:

[ F x_F = P x_P ]

따라서:

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

(P)와 (C)를 알면 바이패스 유량은 다음과 같이 구할 수 있습니다:

[ B=P-C ]

바이패스 유량 계산

총 공급 원료 및 최종 제품 사양을 알고 있는 경우

실무적인 계산 순서는 다음과 같습니다:

전체 고형분 수지에서 최종 제품 유량을 계산합니다:

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

증발기 농축액 농도(x_C)를 선택하거나 결정합니다.
재결합 수지를 사용합니다:

[ B=P-C ]

증발기 고형분 수지를 적용합니다:

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

이 방정식들을 (B)와 (C)에 대해 동시에 풀 수 있습니다.

바이패스 분율에 대한 직접적인 표현식은 다음과 같습니다:

[ \frac{B}{F}

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

이 표현식은 바이패스 스트림이 원래 공급 농도를 가지고, 증발기 농축액이 (x_C) 농도를 가지며, 고형분이 보존될 때 적용됩니다.

바이패스 분율이 지정된 경우

바이패스 분율을 이미 알고 있다면 다음을 계산합니다:

[ B=f_BF ]

[ E=(1-f_B)F ]

그런 다음 증발기 농축액 유량을 결정합니다:

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

결과적인 최종 제품 유량은 다음과 같습니다:

[ P=B+C ]

실제 고형분 농도는 다음과 같습니다:

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

이 접근 방식은 제안된 바이패스 설정이 최종 제품에 미치는 영향을 평가하는 데 유용합니다.

계산 예시

주어진 공정 조건

공정 조건이 다음과 같다고 가정합니다:

신선 공급 원료: (F=1{,}000\ \text{kg/h})
공급 고형분: (x_F=0.10)
원하는 최종 고형분: (x_P=0.20)
증발기 농축액 고형분: (x_C=0.50)

전체 최종 제품 유량은 다음과 같습니다:

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

바이패스 분율은 다음과 같습니다:

[ \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 ]

따라서:

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

증발기 공급 원료는 다음과 같습니다:

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

증발기 농축액 유량은 다음과 같습니다:

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

최종 제품 유량은 다음과 같습니다:

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

증발된 수분율은 다음과 같습니다:

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

따라서 최종 제품은 (500\ \text{kg/h})의 제품 속에 (100\ \text{kg/h})의 고형분을 포함하며, 이는 원하는 (20%) 고형분 농도를 확인해 줍니다.

트레이드오프 이해

높은 바이패스 유량

바이패스 분율이 높을수록 열처리에 노출되는 제품의 양이 줄어듭니다. 그러나 증발기로 들어가는 부분은 동일한 최종 제품 농도를 유지하기 위해 더 많이 농축되어야 합니다.

이는 증발기 농도, 점도, 열전달 난이도 또는 파울링 위험을 증가시킬 수 있습니다.

낮은 바이패스 유량

바이패스 분율이 낮을수록 더 많은 물질이 증발기를 통과하며 일반적으로 증발기 출구의 요구 농도가 낮아집니다. 이는 증발 과정을 단순화할 수 있지만 제품의 더 큰 부분이 열에 노출됩니다.

결과 제품은 더 많은 풍미 손실이나 열적 열화를 겪을 수 있습니다.

조성 및 물성 가정

기본 방정식은 바이패스 스트림이 신선 공급 원료와 동일한 조성을 가지며 증발기가 물만 제거한다고 가정합니다. 고형분이 손실되거나 휘발성 성분이 제거되거나 스트림의 밀도가 다른 경우 추가적인 성분 수지가 필요합니다.

유량은 질량 유량 또는 부피 유량으로 일관되게 처리해야 합니다. 농도 수지는 질량 유량과 질량 분율을 사용할 때 가장 신뢰할 수 있습니다.

선택된 농도의 타당성

일반적인 바이패스 구성의 경우 최종 농도는 일반적으로 바이패스 스트림 농도와 증발기 농축액 농도 사이에 있어야 합니다:

[ x_F \leq x_P \leq x_C ]

요청된 최종 농도가 이 범위를 벗어나면 제안된 흐름 구성으로는 다른 스트림이나 작동 조건의 변경 없이는 목표를 달성할 수 없습니다.

프로젝트에 적용하는 방법

신뢰할 수 있는 계산은 라벨이 지정된 흐름도, 정의된 농도 기준, 각 노드에서의 개별 총 물질 수지 및 고형분 수지에서 시작됩니다.

제품 품질이 주된 관심사인 경우: 열 노출을 제한할 만큼 충분히 바이패스 분율을 높인 다음, 증발기가 필요한 과농축 수준에 도달할 수 있는지 확인하십시오.
에너지 절감이 주된 관심사인 경우: 열전달 성능, 점도, 파울링 및 달성 가능한 농축액 농도를 확인하면서 증발기 공급 분율을 최소화하십시오.
최종 조성 제어가 주된 관심사인 경우: 혼합 지점 고형분 수지를 사용하고 바이패스 분율을 주요 작동 변수로 취급하십시오.
장비 설계가 주된 관심사인 경우: 증발기 공급, 농축액 및 수분 제거율을 각각 계산하십시오. 각 항목이 서로 다른 장비 요구 사항을 결정하기 때문입니다.

바이패스 스트림은 근본적으로 제어된 조성 조정 메커니즘이며, 그 유량은 분할 지점, 증발기 및 혼합 지점에서의 총 물질 수지 및 성분 수지를 직접 따릅니다.

요약 표:

공정 지점	주요 수지 또는 방정식	목적
공급 분할	`F = B + E`	신선 공급 원료를 바이패스 및 증발기 스트림으로 나눔
증발기	`C = Ex_F / x_C`	고형분 보존을 통해 농축액 유량 계산
수분 제거	`V = E - C`	증발된 수분 유량 결정
재결합	`P = B + C`	바이패스 스트림과 농축 스트림 결합
최종 제품	`P = Fx_F / x_P`	전체 고형분 수지에서 제품 유량 계산
바이패스 분율	`B/F = [(x_F/x_P) - (x_F/x_C)] / [1 - (x_F/x_C)]`	목표 농도 달성에 필요한 바이패스 결정

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