工艺旁路物流通过避免不必要的热暴露来保护产品质量。在蒸发器这类热浓缩单元中，一部分受控的新鲜进料绕过加热器和蒸发器，而其余进料则被浓缩至超过最终目标浓度。随后将浓缩物流和未处理物流混合，以在更好地保留风味、维生素或生物活性的同时，达到所需的最终固形物浓度。

旁路系统通过将过度浓缩的热处理物流与新鲜旁路物流混合，实现所需的最终浓度。流量通过进料分配点、蒸发器和混合点的质量衡算确定。

为什么要使用旁路物流

保护热敏组分

热浓缩可能损害对热或停留时间敏感的化合物，可能包括风味化合物、维生素、色素、酶或其他生物活性成分。

旁路物流完全避开蒸发器，保留了部分进料的原始状态。

恢复最终产品质量

蒸发器物流被有意浓缩至高于最终规格的固形物浓度。将其与浓度较低的旁路物流混合，在达到所需最终浓度的同时，降低了整体产品的热负荷。

因此，旁路分率可作为组成控制变量。

降低热负荷和能耗

由于只有部分进料通过蒸发器，设备无需以相同的热强度处理全部进料。这可以降低热负荷并限制产品的平均热暴露。

三个必需的衡算位置

旁路计算应基于完全标注的工艺流程图。有三个系统节点是必需的。

进料分配点

设：

(F) = 总新鲜进料质量流量
(B) = 旁路物流质量流量
(E) = 蒸发器进料质量流量

总质量衡算为：

[ F = B + E ]

因此：

[ E = F - B ]

如果旁路分率指定为 (f_B)，则：

[ B = f_B F ]

并且：

[ E = (1-f_B)F ]

在分配点之后，旁路物流和蒸发器进料物流通常与新鲜进料具有相同的组成。

蒸发器单元

设：

(x_F) = 新鲜进料中固形物的质量分数
(x_C) = 蒸发器浓缩液中固形物的质量分数
(C) = 蒸发器浓缩液质量流量
(V) = 蒸发水质量流量

假设固形物在蒸发器中无损失，则固形物衡算为：

[ E x_F = C x_C ]

因此，蒸发器浓缩液流量为：

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

使用 (E=F-B) 代入：

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

蒸发器周围的总质量衡算为：

[ E = C + V ]

因此，脱水量为：

[ V = E-C ]

或：

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

该计算假设移除的物质是水，且溶解固形物保留在液体产品中。

混合节点

设：

(P) = 最终产品质量流量
(x_P) = 期望的最终产品固形物质量分数

混合点的总质量衡算为：

[ P = B+C ]

固形物衡算为：

[ P x_P = Bx_F + Cx_C ]

如果固形物在整个过程中守恒，则总固形物衡算也为：

[ F x_F = P x_P ]

因此：

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

一旦 (P) 和 (C) 已知，旁路流量可由下式求出：

[ B=P-C ]

计算旁路流量

当总进料和最终产品规格已知时

实际计算步骤如下：

根据总固形物衡算计算最终产品流量：

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

选择或确定蒸发器浓缩液浓度 (x_C)。
使用混合衡算：

[ B=P-C ]

应用蒸发器固形物衡算：

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

这些方程可联立求解 (B) 和 (C)。

旁路分率的直接表达式为：

[ \frac{B}{F}

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

该表达式适用于旁路物流具有原始进料浓度、蒸发器浓缩液浓度为 (x_C) 且固形物守恒的情况。

当旁路分率已指定时

如果旁路分率已知，则计算：

[ B=f_BF ]

[ E=(1-f_B)F ]

然后确定蒸发器浓缩液流量：

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

所得最终产品流量为：

[ P=B+C ]

其实际固形物浓度为：

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

此方法可用于评估拟议的旁路设置如何影响最终产品。

计算示例

给定工艺条件

假设某工艺具有：

新鲜进料： (F=1{,}000\ \text{kg/h})
进料固形物： (x_F=0.10)
期望最终固形物： (x_P=0.20)
蒸发器浓缩液固形物： (x_C=0.50)

总最终产品流量为：

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

旁路分率为：

[ \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 ]

因此：

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

蒸发器进料为：

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

蒸发器浓缩液流量为：

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

最终产品流量为：

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

蒸发水量为：

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

因此最终产品含有 (100\ \text{kg/h}) 的固形物在 (500\ \text{kg/h}) 的产品中，证实了期望的 (20%) 固形物浓度。

理解权衡

较高的旁路流量

较高的旁路分率减少了暴露于热处理的物质量。然而，进入蒸发器的部分必须被更重地浓缩，以维持相同的最终产品浓度。

这可能会增加所需的蒸发器浓缩浓度、粘度、传热难度或结垢风险。

较低的旁路流量

较低的旁路分率使更多物料通过蒸发器，通常会降低蒸发器出口所需的浓度。这可以简化蒸发操作，但会使更大比例的产品暴露于热量中。

所得产品可能会经历更大的风味损失或热降解。

组成与性质假设

基本方程假设旁路物流与新鲜进料具有相同的组成，且蒸发器仅除去水。如果存在固形物损失、挥发性组分被移除或各物流密度不同，则需要额外的组分衡算。

流量也应一致地视为质量流量或体积流量。浓度衡算在使用质量流量和质量分数时最为可靠。

所选浓度的可行性

对于常规旁路布置，最终浓度通常应介于旁路物流浓度和蒸发器浓缩液浓度之间：

[ x_F \leq x_P \leq x_C ]

如果所要求的最终浓度超出此范围，则所提议的流量布置无法在没有另一股物流或改变操作条件的情况下达到目标。

如何应用于您的项目

可靠的计算始于带标注的流程图、明确的浓度基准以及每个节点上独立的总衡算和固形物衡算。

如果主要关注产品质量：增加旁路分率以限制热暴露，然后验证蒸发器能否达到所需的过度浓缩。
如果主要关注节能：在检查传热性能、粘度、结垢和可达到的浓缩浓度的同时，最小化蒸发器进料分率。
如果主要关注最终组成控制：使用混合点固形物衡算，并将旁路分率作为主要操作变量。
如果主要关注设备设计：分别计算蒸发器进料、浓缩液和脱水量，因为每一项决定了不同的设备要求。

旁路物流本质上是一种受控的组成调节机制，其流量直接由分配点、蒸发器和混合点的总质量衡算及组分质量衡算得出。

汇总表：

工艺位置	关键衡算或方程	目的
进料分配	`F = B + E`	将新鲜进料分为旁路物流和蒸发器物流
蒸发器	`C = Ex_F / x_C`	根据固形物守恒计算浓缩液流量
脱水量	`V = E - C`	确定蒸发水流量
混合	`P = B + C`	混合旁路物流和浓缩物流
最终产品	`P = Fx_F / x_P`	根据总固形物衡算计算产品流量
旁路分率	`B/F = [(x_F/x_P) - (x_F/x_C)] / [1 - (x_F/x_C)]`	确定达到目标浓度所需的旁路流量