Process modelling of scraped surface heat exchanger

Abstract

[ES] Los fluidos altamente viscosos en la industria química y de alimentos son a menudo tratados en intercambiadores de calor de superficie raspada (ICSR) para diferentes procesos continuos como la transferencia de calor y la cristalización. En la industria de alimentos muchos fluidos se comportan de forma no newtoniana, por esta razón se utilizan a menudo este tipo de intercambiadores de calor que puede evitar los efectos de ensuciamiento en las paredes del ICSR gracias a que los raspadores barren el interior del rotor. El objetivo de este estudio es describir el proceso de modelado para un ICSR. La distribución de los tiempos de residencia se obtiene con la ayuda de un trazador no reactivo, mezclado con el fluido viscoso newtoniano y no newtoniano en el intercambiador de calor de superficie raspada experimental, midiendo de manera continua los cambios en la conductividad del fluido y obteniendo así el tiempo y el modelo de dispersión que permiten el control de procesos y la predicción de las propiedades del producto debidas al cizallamiento y la transferencia de calor. Los resultados obtenidos sugieren que el tiempo medio de residencia es influenciado levemente por la velocidad de rotación del eje, y este es mayor cuando se utiliza un flujo de alimentación más bajo con una velocidad de rotación del eje más alta, por lo tanto, la dispersión del fluido es menor en estas condiciones aproximándose así al flujo-pistón. La transferencia de calor también se ve afectada por el efecto de las aspas raspadoras sobre la velocidad y los cambios en la viscosidad del fluido.

[EN] High viscous fluids are often treated in scraped surface heat exchangers (SSHE) in food and chemical industry for several continuous processes as heat transfer and crystallization. In food industry several fluids behave as non-Newtonian fluids, for this reason are often used this type of heat exchangers that can avoid the fouling effects on SSHE walls due to the scraper blades that constantly sweep inside the rotor. The aim of this study is to describe a process model for a SSHE. The residence time distribution is obtained with the help of a non-reactive tracer mixed with the Newtonian and non-Newtonian viscous fluids in an experimental scraped surface heat exchanger, measuring the fluids continuous conductivity changes in order to obtain the mean residence time and its dispersion model to enable processes control and predicting product properties due to shearing and heat transfer. The results obtained suggest that the mean residence time is slightly influenced by the rotational speed and it is larger when using the lowest feed flow with the highest shaft rotational speed and also the fluid dispersion is lower under this conditions approaching to the plug-flow behavior. The heat transfer was affected by the effect of scraper blades on the fluid velocity and viscosity changes.

[CA] Els fluids altament viscosos en la indústria química i d’aliments són sovint tractats en intercamviadors de calor de superfície raspada (ICSR) per a diferents processos continus com la transferència de calor i la cristal·lització. En la indústria d'aliments molts fluids es comporten de forma no newtoniana, per aquesta raó s'utilitzen sovint aquest tipus d'intercanviadors de calor que pot evitar els efectes d'embrutiment en les parets de l'ICSR gràcies a què els raspadors raspen l'interior del rotor. L'objectiu d'aquest estudi és descriure el procés de modeltge per a un ICSR. La distribució dels temps de residència es va obtindre amb l'ajuda d'un traçador no reactiu, mesclat amb el fluid viscós newtonià i no newtonià en l'intercanviador de calor de superfície raspada experimental, mesurant de manera contínua els canvis en la conductivitat del fluid obtenint així el temps i el model de dispersió que permeten el control de processos i la predicció de les propietats del producte degudes al cisallament i la transferència de calor. Els resultats obtinguts suggerixen que el temps mitjà de residència és influenciat lleument per la velocitat de rotació de l'eix, i este és major quan s'utilitza un flux d'alimentació més baix amb una velocitat de rotació de l'eix més alta, per tant, la dispersió del fluid és menor en aquestes condicions aproximant-se així al flux-pistó. La transferència de calor també es veu afectada per l'efecte de les aspes raspadores sobre la velocitat i els canvis en la viscositat del fluid.