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

This thesis investigates the design and digital simulation of a mixed-feed multiple-effect evaporation (MEE) system for tomato paste production, with the purpose of improving energy efficiency and supporting process optimization through digital technologies. The study focuses on the concentration of tomato juice from 5 °Brix to approximately 30 °Brix, representing typical industrial processing conditions. The methodology integrates steady-state thermodynamic modelling and dynamic simulation. A steady-state model was first developed to solve the mass, energy, and heat-transfer balances for all mixed-feed configurations ranging from two to six effects. This analysis enabled the identification of the most efficient configuration for each number of effects, which was subsequently evaluated through an economic assessment combining capital and operating expenditures. The results of this assessment were used to determine the optimal configuration from both a technical and economic perspective. The selected configuration was then implemented in AVEVA Dynamic Simulation to develop a Digital Twin able to reproduce the system’s dynamic behaviour during start-up and shutdown operations. The dynamic analysis demonstrated short transient times to reach steady-state and emptying conditions, limited off-specification production, and stable control behaviour under realistic operating conditions. Overall, the integrated use of steady-state modelling and dynamic simulation provided a comprehensive evaluation of mixed-feed evaporation, offering a structured framework for analysing design choices and operational behaviour in industrial tomato concentration processes.

La presente tesi analizza la progettazione e la simulazione digitale di un sistema di evaporazione a multiplo effetto con alimentazione mista (MEE) per la produzione di passata di pomodoro, con l’obiettivo di migliorare l’efficienza energetica e supportare l’ottimizzazione del processo attraverso tecnologie digitali. Lo studio riguarda la concentrazione del succo di pomodoro da 5 °Brix a circa 30 °Brix, rappresentativa delle condizioni operative tipiche degli impianti industriali. La metodologia integra la modellazione termodinamica in regime stazionario con la simulazione dinamica. È stato innanzitutto sviluppato un modello stazionario per risolvere i bilanci di massa, energia e trasporto di calore per tutte le configurazioni con alimentazione mista comprese tra due e sei effetti. Tale analisi ha permesso di identificare la configurazione più efficiente per ciascun numero di effetti, successivamente valutata tramite un’analisi economica che combina costi di investimento (CapEx) e costi operativi (OpEx). I risultati di questa valutazione sono stati utilizzati per determinare la configurazione ottimale sia dal punto di vista tecnico sia da quello economico. La configurazione selezionata è stata quindi implementata in AVEVA Dynamic Simulation per sviluppare un Digital Twin in grado di riprodurre il comportamento dinamico del sistema durante le principali fasi transitorie, ossia avviamento e arresto. L’analisi dinamica ha mostrato tempi transitori ridotti per il raggiungimento dello stato stazionario e delle condizioni di svuotamento, una limitata produzione di prodotto fuori specifica e un comportamento di controllo stabile in condizioni operative realistiche. Nel complesso, l’integrazione tra modellazione stazionaria e simulazione dinamica ha permesso una valutazione completa dell’evaporazione con alimentazione mista, offrendo un quadro strutturato per l’analisi delle scelte progettuali e del comportamento operativo nei processi industriali di concentrazione del pomodoro.