Countercurrent multiple-effect evaporators for tomato paste: optimal design and comparison supported by digital twin simulation

The present work focuses on the design, optimization and dynamic simulation of a countercurrent multiple-effect evaporation (MEE) system for the industrial production of tomato paste. The process was designed to concentrate 50000 kg/h of tomato juice from 5°Brix to 30°Brix, corresponding to an 84\% reduction in water content. A steady-state model was first developed in Python, solving a system of nonlinear equations derived from mass and energy balances and heat transfer correlations. The model was used to size configurations ranging from 2 to 6 effects in terms of operating pressures, temperatures, and vapor flow rates. The techno-economic analysis showed that the 3-effects configuration is the optimal solution, resulting in a total cost of 36.3 million USD, a steam economy of 2.90, and a fresh steam demand of 14352 kg/h. The selected configuration was implemented as a digital twin in AVEVA Dynsim, enabling the dynamic simulation of the process during the start-up and shut down transient operations. Three start-up strategies (Basic, Controlled and Fast) are compared in terms of stabilization time, steam consumption, and off-specification product generation. The Fast start-up achieved the shortest duration (55 minutes) and the lowest steam consumption, whereas the controlled start-up ensures the most stable temperature and pressure profiles, producing the smallest quantity of off-spec tomato.

Questo studio affronta il design, l’ottimizzazione e la simulazione dinamica di un sistema di evaporazione a multiplo effetto per la produzione industriale di concentrato di pomodoro. Il processo è stato sviluppato per concentrare 50000 kg/h di succo di pomodoro da 5 °Brix a 30°Brix, corrispondenti a un’evaporazione complessiva dell’84% dell’acqua. È stato innanzitutto sviluppato in Python un modello in condizioni stazionarie per la risoluzione di un sistema non lineare di equazioni, derivate dai bilanci di massa ed energia e dalle correlazioni di scambio termico. Il mod ello ha consentito il dimensionamento del sistema di evaporazione considerando configurazioni con un numero di effetti compreso tra 2 e 6, calcolando pressioni e temperature operative nonché le portate di vapore generate in ciascun effetto. Attraverso un’analisi tecnico-economica, è stato possibile determinare che la configurazione a tre effetti rappresenta la soluzione ottimale, con un costo totale di 36.3 milioni USD, una steam economy di 2.90 e un consumo di vapore vergine pari a 14352 kg/h. La configurazione ottimale è stata quindi implementata come digital twin nel software AVEVA Dynsim, al fine di eseguire la simulazione dinamica del processo durante le fasi di avviamento e spegnimento dell’impianto. Le tre strategie di avviamento (Basic, Controlled e Fast) sono state confrontate in termini di tempo di stabilizzazione, consumo di vapore e quantità di prodotto fuori specifica generato. Tra queste, la strategia Fast è risultata la più rapida (55 minuti), mentre la Controlled ha mostrato l’andamento più stabile per temperature e pressioni, con la minore produzione di prodotto fuori specifica.