Разработка комплекса насыщения питьевой воды кислородом воздуха

Все большей популярностью в США, Японии и странах Западной Европы пользуются напитки, обогащенные кислородом. Сегодня по всему миру насчитывается более 100 производителей кислородной воды. Наиболее крупные – Oxy-Water, Oxygen Water, Active O2, Aqua Rush [3].

Развитие рынка кислородосодержащей воды рассматривается специалистами как наиболее перспективное по следующим причинам:

Во-вторых, стоимость производства кислородной воды не превышает стоимости обычной газировки.

В-третьих, для производства не требуется дорогостоящее дополнительное оборудование.

Как отмечают специалисты, кислородная вода наиболее востребована среди людей ведущих здоровый образ жизни. В ближайшее время прогнозируется рост спроса на кислородную воду со стороны авиаперевозчиков, жителей мегаполисов, спортсменов, а так же пожилых людей. К указанным категориям следует добавить и жителей северных регионов, которые проживают в условиях постоянного кислородного голодания (в силу особенностей строения атмосферы количество кислорода в северных широтах на 25% ниже нормы).

Недостатками существующих комплексов и оборудования для осуществления способа приготовления кислородонасыщенной питьевой воды [4, 5, 6] являются высокие энергетические и материальные затраты, как на подготовку кислородосодержащей парогазовой смеси, так и на процесс насыщения, а также невысокая степень насыщения получаемой воды кислородом связанная с невозможностью соблюдения условий насыщения т.е обеспечения высокого давления и пониженной температуры смеси для лучшего растворения кислорода в воде.

Поэтому для устранения вышеизложенных недостатков предложен комплекс для осуществления высокоэффективного способа приготовления бутилированной кислородонасыщенной воды (рисунок 1).

Основу комплекса (рисунок 1) составляет установка насыщения воды кислородом (система I), которая взаимосогласована в комплексе циркуляционно-проточным трубопроводом кислородонасыщенной воды с установками очистки воздуха и предварительного его обогащения кислородом (система II) и подготовки воды (система III), а также розлива (система IV) и закупорки кислородонасыщенной воды в бутылки (система V). Подробно аппарат закупорки бутылок пробками системы V установки розлива и закупорки на чертеже не показан.

Система I установки насыщения воды кислородом содержит напорно-флотационную колонну 1, насос 2 для подачи в нее воды на насыщение, эжектор 3. При этом напорнофлотационная колонна 1 (рисунок 1, 2) снабжена последовательно расположенными и разнесенными между собой конусообразными воронками 4 и 5, большими основаниями, направленными в сторону подачи внапорно-флотационную колонну 1 смеси воды с кислородом из эжектора 3, при этом нижняя из воронок 5 соединена с трубопроводом 6 на розлив, а верхняя воронка 4- с трубопроводом 7 на насыщение.

Напорно-флотационная колонна 1 имеет корпус, выполненный из цилиндрической 8 и конусообразной частей 9, а также эллиптическую крышку 10.

В нижней части напорно-флотационной колонны 1 под нижней воронкой 5 размещен конус 11 своей вершиной обращенный к подаче в колонну 1 смеси воды с кислородом из эжектора 3. При этом конус снабжен винтовыми направляющими 12.

В верхней части флотационной колонны 1 размещена гребенка 13 с форсунками 14 для подачи воды и ее распыления в верхней части колонны 1, что связано с обеспечением условий, чтобы в разреженном пространстве над поверхностью воды происходило испарение еще ненасыщенной исходной воды и это препятствовало бы дегазации насыщенной кислородом в нижней части колонны 1.

А эжектор 3 системы насыщения воды кислородом I выполнен в виде жидкостногазового аппарата (рисунок 3), состоит из сопла 15 и камеры смешения с входным сужающимся участком 16 и выходным цилиндрическим участком 17, на конце которого может быть установлен диффузор 18. При этом узкая часть камеры смешения изготовлена из полупроницаемого материала (например, силоксана [1, 2]), вокруг которой расположена напорная камера с винтовыми каналами 19.В начале узкой части камеры смешения эжектора 3 установлено суперкавитационное лопастное колесо 20.

Сопло 15 и вход сужающегося участка 16 размещены в камере разряжения 16, которая трубопроводом 21 соединена с верхней частью напорной колонны 1.

Трубопровод 7 для подачи воды на насыщение соединен с соплом 15 и снабжен насосом 22. А напорная камера с винтовыми каналами 19 эжектора 3 соединена герметично трубопроводом с системой II получения кислородосодержащей газовой смеси, состоящей из последовательно расположенных керамических 23, абсорбционных 24 и мембранных 25 фильтров для очистки воздуха от жидких, вязких и твердых частиц и предварительного обогащения его кислородом.

Рисунок 1 - Комплекс для осуществления высокоэффективного способа приготовления бутилированной кислородонасыщенной воды.

Система III подготовки воды (рисунок 1) включает в себя мешочный фильтр 26 (например, РВН-4200) высокой производительности (138 - 188 л/мин), крышка, корпус, корзина, вентиляционная пробка, и сливная пробка которого изготовлены из полипропилена. При этом внутри корпуса мешочного фильтра 26 в корзинах расположены сменные элементы.

Для улучшения вкуса и запаха питьевой воды и удаления органики из воды в системе подготовки воды III предусмотрен песочный фильтр 27(например, серии КАС), который состоит из двух технических устройств: управляющего механизма и колонны с фильтрующим кварцевым песком.

Парогазовая смесь

Подача исходной воды

Вода на насыщение

Вода на розлив

А „            .

Возвратная вода насыщенная кислородом у t=+6^c\

Р=0,6 МПа

Смесь воды с кислородом

Возвратная вода насыщенная кислородом

Рисунок 2 - Напорно-флотационная колонна.

Рисунок 3 – Эжектор.

Для умягчения воды и удаления растворенного железа в системе IIIпредназначена ионообменная установка, включающая в себя: управляющий механизм (не показан), две ионообменные колонны 28 и бак для регенерирующего раствора соли 29.После ионообменной установки установлен фильтр мешочного типа 30, соединенный трубопроводом 31 через центробежный насос 2 с гребенкой 13, размещенной в верхней части флотационной колонны 1 (системы насыщения I). Обеспечение подачи воды в верхнюю часть колонны 1 связано с тем, чтобы в разреженном пространстве над поверхностью воды происходило испарение еще ненасыщенной исходной воды, что препятствовало бы дегазации насыщенной кислородом в нижней части колонны 1. Таким образом, обеспечивается увеличение концентрации кислорода в столбе воды по направлению к нижней части колонны 1. Трубопровод 6 отвода кислородонасыщенной воды в бутылки присоединен к нижней воронке 5, обусловленное тем, что в нижней части можно обеспечить допустимое технологическим режимом давление для проведения эффективного процесса насыщения воды кислородом, например, 0,6 МПа, создаваемое столбом воды, и тем самым отбирать воду с максимальной степенью насыщения кислородом. Поэтому высота H флотационной колонны 1 конструктивно выбирается исходя из условий обеспечения необходимого давления в слое воды в его нижней части.

Установка насыщения воды кислородом через систему I подсоединена герметично циркуляционно-проточным трубопроводом 6 кислородонасыщенной воды к системе розлива IV установки розлива и закупорки кислородонасыщенной воды в бутылки и имеет вспомогательный насос 32, эжектор 33, камера разряжения которого соединена трубопроводом 34 с системой II очистки воздуха и предварительного его обогащения кислородом. При этом конструкция эжектора 33 идентична конструкции эжектора 3.

Трубопровод 6 имеет ответвление в виде трубопровода 35 для возвратного в колонну 1 потока, с регулятором 36 расхода воды, и в виде трубопровода 37 с регулятором 38 расхода воды подачи кислородонасыщенной воды в аппарат розлива 39 для ее дозировки в бутылки 40. При этом трубопровод 35 для возвратного в колонну 1 потока кислородонасыщенной воды присоединен тангенциально к цилиндрической части 8 корпуса напорнофлотационной колонны 1 в месте сопряжения с ее конусообразной частью 9.

Автоматическая линия передвижения бутылок, аппарат закупорки пробками порционно наполненных кислородонасыщенной водой бутылок 40 представлены системой V (система транспортировки и закупорки бутылок установки розлива и закупорки кислородонасыщенной воды в бутылки). Система V комплекса взаимосвязана с системой IV через аппарат розлива 39. Система V выполняет вспомогательные функции в технологии комплекса. Для подачи воздуха в эжекторы 3 и 33 используются компрессоры 41 и 42.

Комплекс работает следующим образом.

После подготовки, включения и вывода системы II на технологический режим, который обеспечивает на керамических 23, абсорбционных 24 и мембранных 25 фильтрах очистку воздуха от жидких, вязких и твердых частиц и предварительное обогащение его кислородом, включается система II комплекса.

Автоматом-пускателем (не показан) включается основной насос 22 (рисунок 1). Вентилями циркуляционно-проточного трубопровода, соединяющего флотационную колонну 1, насос 22, эжектор 3, и вентилями на трубопроводах входа и выхода воды из колонны 1 (на схеме не показаны) устанавливается разрежение (например, 620-650 Па) в камере разряжения 16 эжектора 3 и сбалансированный расход входящей (исходной) и выходящей (кислородонасыщенной) воды. Контроль регулировки разрежения в камере разряжения 16эжекторов 3 и 33 осуществляют с помощью дифманометра, правильность регулировок расхода в основном циркуляционно-проточном трубопроводе - устойчивым уровнем обработанной воды во флотационной колонне 1.

Одновременно в винтовые каналы 19 напорной камеры компрессорами 41 и 42 нагнетается предварительно очищенный и обогащенный кислородом в системеII воздух под давлением (например, 0,1-0, 11МПа [2]), обеспечивающем его разделение через пористый полупроницаемый материал (например, силоксана) из которого выполнена узкая часть 17 камеры смешения.

Т.к. процесс насыщения во флотационной колонне 1 осуществляется в его нижней части, то уровень столба воды в нем устанавливается таким, чтобы давление в этой части было рациональным с точки зрения проведения процесса по технологической инструкции (например, 0,5-0,7 МПа).

Температура воды в напорно -флотационной колонне 1 обеспечивается испарительным охлаждением на уровне определяемой технологической инструкцией, например, не более 10 0С, путем откачки парогазовой смеси из верхней ее части в камеры разряжения 16 эжекторов 3 и 33 до остаточного давления, например, 650-700 Па.

Этим же обусловлена и подача исходной воды в верхнюю часть флотационной колонны 1, испарение которой препятствует обратному процессу дегазации воды, обогащенной кислородом в нижней части колонны 1, и отбираемой там же для ее розлива в бутылки. Пары же воды смешиваясь с кислородом в узкой части 16 эжекторов 3 и 33, образуют ассоциированные молекулы пара воды и газообразного кислорода, стойкие к разрушению при дальнейшей обработке и хранении.

Технологический контроль процесса насыщения воды кислородом в установке (система I), осуществляется одновременно на входе и на выходе воды из системы I установки порционно-проточными датчиками кислородомера (например, АЖА-101), измерение рН кислородонасыщенной воды системы I - порционным рН-метром (например, рН-121).

С помощью приборов контроля кислородонасыщенной воды в установке насыщения воды кислородом устанавливается режим работы системы I при фиксированных: производительности установки и расходе электроэнергии. После подготовки, включения и вывода установки насыщения воды кислородом на технологический режим автоматом-пускателем (не показан) включается вспомогательный циркуляционнопроточный трубопровод установки розлива и закупорки кислородонасыщенной воды в бутылки, соединяющий флотационную колонну 1, насос 32, эжектор 33 и регулятор возвратного потока 36.

Регулятором возвратного в колонну потока 36 и регулятором потока 37, установленным в трубопроводе, соединяющим вспомогательный циркуляционно-проточный трубопровод кислородонасыщенной воды с аппаратом розлива 39, устанавливается производительность аппарата розлива и уровень разрежения (например, 620650 Па) в камере разряжения 16эжектора 33.

Полный технологический контроль приготовленной в комплексе кислородонасыщенной воды осуществляется:

• -    на входе в комплекс (система II установки насыщения воды кислородом комплекса);

• -    на выходе из аппарата розлива установки розлива и закупорки кислородонасыщенной воды в бутылки (система IV комплекса);

• -    герметично закупоренных бутылок с кислородонасыщенной водой при их хранении (из системы V комплекса).

Преимущества предлагаемого комплекса заключаются в следующем:

• -    использование эжекционного смешения в жидкостно-газовом струйном аппарате путем насыщения воды кислородом, выделенным из воздуха через полупроницаемую поверхность узкой части его камеры смешения позволяет снизить энергетические и материальные затрат, так как на подготовку

кислородосодержащей парогазовой смеси, не требуются дополнительные реагенты, а в процессе насыщения затраты связаны только с работой насосов и компрессоров;

• -    осуществление охлаждения воды во флотационной колонне разряжением, создаваемым жидкостно-газовым аппаратом позволяет снизить энергозатраты на поддержание необходимой температуры процесса и обеспечить качество получаемого продукта;

• -    подача исходной воды в ее верхнюю часть, а отбор насыщенной кислородом воды из нижней части позволяет рационально организовать процесс насыщения с высокой эффективностью и низкими потерями, в результате осуществления разделения проведения процесса испарительного охлаждения ненасыщенной кислородом исходной воды, и процесса насыщения воды кислородом при высоком давлении, создаваемым столбом воды.

• -    расположение напорной камеры вокруг узкой камеры смешения эжектора позволяет обеспечить надежное и эффективное отделение кислорода от других компонентов воздуха путем направленности и увеличения траектории движения предварительно очищенного и обогащенного кислородом воздуха.

• -    использование системы получения кислородосодержащейгазовой смеси в виде последовательно расположенных керамических, абсорбционных и мембранных фильтров позволяет обеспечить получение качественного продукта с высокой эффективностью проведения процесса насыщения, т.к. позволяет произвести очистку воздуха от жидких, вязких и твердых частиц, а также предварительно обогатить его кислородом.