Патент на изобретение №2311849

Предлагаемое изобретение относится к физико-химическим технологиям и технике обработки воды и тары для ее хранения, розлива и закупорки качественной воды в герметичную тару, подготовленную для ее длительного хранения. Изобретение может быть использовано в промышленных производствах высококачественной воды.

Известен способ приготовления бутилированной кислородонасыщенной питьевой воды и комплекс оборудования для его осуществления [Патент Германии №1047826. Производство питьевой воды длительного хранения, разлитой в бутыли, насыщенной кислородом в виде воздуха (кислородом и углекислым газом). С02F 1/68 (НКИ BG7D 1/00 Н4С), 16.10.1998 г.].

В известном способе воду сначала насыщают под давлением (до 6 ати) и при пониженной температуре (не более 10°С) кислородом воздуха. Затем пересыщенную кислородом воду разбрызгивают в потоке воздуха, находящегося под уменьшенным избыточным давлением (до 3 ати) и при пониженной температуре. Обогащенный кислородом из капелек пересыщенной кислородом воды воздух смешивается под давлением с кондиционируемой питьевой водой в отдельной напорной накопительной емкости, из которой она направляется на розлив. В способе также предусмотрено смешение двух газов (O₂ и CO₂), применяемых с целью улучшения вкусовых качеств питьевой кислородонасыщенной воды.

Пересыщенную кислородом экологически чистым способом с концентрацией кислорода от 10 до 40 мг О₂/л Н₂O питьевую воду направляют под избыточным давлением на розлив в бутылки. После операции розлива бутылки с кислородонасыщенной водой закупоривают. Герметичную тару (бутылки и пробки) заранее обеззараживают известными методами.

Недостатки способа приготовления бутилированной кислородонасыщенной воды:

– неустойчивость пересыщенного кислородом состояния питьевой воды, разлитой в бутылки под давлением (во время хранения и при открывании герметичной бутылки);

– высокие энергозатраты на процесс насыщения воды кислородом, связанные с поддержанием избыточного давления в колоннах, низкой температуры воды и расходом кислородосодержащего газа.

Комплекс оборудования для осуществления данного способа включает установку насыщения питьевой воды кислородом, состоящую из последовательно соединенных накопительных напорных емкостей (колонн) для сбора и обработки воды кислородосодержащим газом под давлением, вспомогательного оборудования для поддерживания в установке насыщения воды кислородом избыточного давления и пониженной температуры, установки розлива и закупорки кислородонасыщенной воды в бутыли, подсоединенной трубопроводом к установке насыщения питьевой воды кислородом.

Недостатки комплекса оборудования для осуществления способа:

– высокая энергоемкость и материалоемкость оборудования установки насыщения питьевой воды кислородом;

– возможность попадания микроорганизмов при розливе кислородонасыщенной воды в бутылки и при их герметизации пробками (бутыли обеззараживаются от микроорганизмов до операции розлива);

– возможность возгорания в кислороде при избыточном давлении машинного масла, пары которого могут попасть из вспомогательного оборудования в установку насыщения питьевой воды кислородом.

Известен способ приготовления кислородонасыщенной питьевой воды и установка для его осуществления в промышленном производстве бутилированной воды [Патент США №6284293. Способ для производства кислородонасыщенной воды. В1 А23L 100 (НКИ 426/67) 04.09.2001 г.].

Этот способ заключается в смешивании кислородосодержащего газа с обрабатываемой охлажденной водой под давлением с целью получения пересыщенного кислородом состояния обработанной воды. При осуществлении данного способа питьевая вода проходит предварительную обработку обратным осмосом и способом электролиза.

Энергоемкие физико-химические процессы используются в установке насыщения воды кислородом для повышения устойчивости пересыщенного кислородом состояния воды за счет снижения концентрации солей в воде и ввода в воду заряженных пузырьков Н₂+O₂ электролизного газа.

Известные физико-химические способы предварительной обработки питьевой воды обладают рядом недостатков:

– электролиз воды вызывает загрязненность питьевой воды продуктами электролиза (активным хлором, ионами тяжелых металлов);

– опреснение воды обратным осмосом до уровня дистиллята отрицательно действует на клетки пищевода (вызывает их осмотический шок).

Наиболее близким по технической сущности и достигаемому эффекту является способ приготовления бутилированной кислородонасыщенной воды (Патент РФ №2246882, A23L 2/54, С25В 1/04, 2003.08.27.), включающий последовательное эжекционное и напорно-флотационное смешение полученной плазмохимотронным методом кислородосодержащей парогазовой смеси Н₂O₂+О₂ с водой, розлив и закупорку кислородонасыщенной воды в бутылки, а также комплекс для его осуществления, включающий систему насыщения воды кислородом, которая состоит из эжекционно-флотационной системы, содержащей соединенные циркуляционно-проточным трубопроводом основной насос, эжектор и флотационную колонну, и соединена парогазовым трубопроводом с системой получения парогазовой смеси, состоящей из соединенных эрлифтным циркуляционно-проточным трубопроводом газожидкостного сепаратора, емкости водного раствора электролита и плазмохимотронного аппарата, синтезирующего кислородосодержащую парогазовую смесь, при этом система получения парогазовой смеси через флотационную колонну подсоединена к циркуляционно-проточному трубопроводу кислородонасыщенной воды в системе подачи и розлива кислородонасыщенной воды в бутылки, которая содержит вспомогательный насос, эжектор, соединенный парогазовым трубопроводом с системой получения парогазовой смеси, и аппарат розлива кислородонасыщенной воды в бутылки, выполненный с возможностью подачи их в аппарат розлива транспортером и последующим перемещением заполненных кислородонасыщенной водой бутылок транспортером в аппарат закупоривания бутылок пробками.

Недостатками способа и комплекса являются высокие энергетические и материальные затраты как на подготовку кислородосодержащей парогазовой смеси, так и на процесс насыщения, а также имеет место загрязнение кислородосодержащей парогазовой смеси парами щелочи.

Технической задачей изобретения является снижение энергетических и материальных затрат как на подготовку кислородосодержащей парогазовой смеси, так и на процесс насыщения путем повышения эффективности процесса насыщения, рациональной организации процесса с получением стабильного продукта с высоким качеством, а также устранение загрязнения кислородосодержащей парогазовой смеси парами щелочи.

Поставленная техническая задача достигается тем, что в способе приготовления бутилированной кислородонасыщенной воды, включающем последовательное эжекционное и напорно-флотационное смешение кислородосодержащего газа с водой, розлив и закупорку кислородонасыщенной воды в бутылки, новым является то, что эжекционное смешение производят в жидкостно-газовом струйном аппарате путем насыщения воды кислородом, выделенным из воздуха через полупроницаемую поверхность узкой части его камеры смешения, при этом охлаждение воды во флотационной колонне осуществляют разрежением, создаваемым жидкостно-газовым струйным аппаратом, причем исходную воду подают в ее верхнюю часть, а насыщенную кислородом воду отбирают из нижней части.

В комплексе для приготовления бутилированной кислородонасыщенной питьевой воды, содержащем эжекционно-флотационную систему насыщения воды кислородом, состоящую из эжектора и флотационной колонны, систему получения кислородосодержащей газовой смеси, систему подачи и розлива кислородонасыщенной воды в бутылки, в которую входит вспомогательный насос, эжектор и аппараты розлива кислородонасыщенной воды в бутылки и закупоривания их пробками, а также трубопроводы для подачи исходной воды и отвода кислородонасыщенной воды, новым является то, что эжекторы систем насыщения воды кислородом, подачи и розлива кислородонасыщенной воды в бутылки выполнены в виде жидкостно-газовых струйных аппаратов, у которых узкая часть камеры смешения изготовлена из полупроницаемого материала, вокруг которой расположена напорная камера с винтовыми каналами, причем камера разрежения эжектора трубопроводом соединена с верхней частью напорной колонны, трубопровод подачи исходной воды присоединен к верхней части флотационной колонны, а трубопровод отвода кислородонасыщенной воды в бутылки присоединен к ее нижней части, при этом система получения кислородосодержащей газовой смеси представляет собой последовательное расположение керамических, абсорбционных и мембранных фильтров для очистки воздуха от жидких, вязких и твердых частиц и предварительного обогащения его кислородом.

Технический результат изобретения заключается в снижении энергетических и материальных затрат как на подготовку кислородосодержащей парогазовой смеси, так и на процесс насыщения путем повышения эффективности процесса насыщения, рациональной организации процесса с получением стабильного продукта с высоким качеством, а также устранении загрязнения кислородосодержащей парогазовой смеси парами щелочи.

На фиг.1 представлена схема комплекса для осуществления предлагаемого способа приготовления бутилированной кислородонасыщенной воды, а на фиг.2 – схема эжектора систем насыщения воды кислородом, подачи и розлива кислородонасыщенной воды в бутылки.

Основу комплекса составляет установка насыщения воды кислородом (системы I, II чертежа), которая взаимосогласована в комплексе циркуляционно-проточным трубопроводом кислородонасыщенной воды с установкой розлива и закупорки кислородонасыщенной воды в бутылки (системы III, IV чертежа). Подробно аппарат закупорки бутылок пробками системы IV установки розлива и закупорки на чертеже не показан.

Система I установки насыщения воды кислородом содержит напорно-флотационную колонну 1, основной насос 2, эжектор 3 и соединена герметично трубопроводом с системой II получения кислородосодержащей газовой смеси, состоящей из последовательно расположенных керамических 4, абсорбционных 5 и мембранных 6 фильтров для очистки воздуха от жидких, вязких и твердых частиц и предварительного обогащения его кислородом.

К верхней части флотационной колонны 1 также присоединен трубопровод подачи исходной воды, для того 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. Причем трубопровод отвода кислородонасыщенной воды в бутылки присоединен к нижней части флотационной колонны 1. Такое присоединение трубопровода отвода кислородонасыщенной воды в бутылки обусловлено тем, что в нижней части можно обеспечить для проведения эффективного процесса насыщения воды кислородом допустимое технологическим режимом давление (например, 0,6 МПа), создаваемое столбом воды, и тем самым отбирать воду с максимальной степенью насыщения кислородом. Поэтому высота 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 кислородонасыщенной воды к системе подачи и розлива III установки розлива и закупорки кислородонасыщенной воды в бутылки.

Система III содержит циркуляционно-проточный трубопровод кислородонасыщенной воды, соединяющий флотационную колонну 1, вспомогательный насос 7, эжектор 8, регулятор 9 расхода воды возвратного в колонну 1 потока, регулятор 10 расхода воды трубопровода подачи кислородонасыщенной воды в аппарат розлива 11 для ее дозировки в бутылки 12. Автоматическая линия передвижения бутылок, аппарат закупорки пробками порционно наполненных кислородонасыщенной водой бутылок 12 представлены системой чертежа упрощенно, как система IV (система транспортировки и закупорки бутылок установки розлива и закупорки кислородонасыщенной воды в бутылки). Система IV комплекса взаимосвязана с системой III через аппарат розлива 11. Система IV выполняет вспомогательные функции в технологии комплекса.

Для подачи воздуха в эжекторы 3 и 8 используются компрессоры 13 и 14.

При этом эжекторы 3 и 8 систем насыщения воды кислородом II, подачи и розлива кислородонасыщенной воды в бутылки III выполнены в виде жидкостно-газовых струйных аппаратов (фиг.2), состоящих 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 [Архаров А.М. и др. Криогенные системы: Учебник для студентов вузов по специальности «Техника и физика низких температур»: В 2 т. Т1 Основы теории и расчета / А.М.Архаров, Е.И.Микулин. – 3-е изд., перераб. и доп. – М.: Машиностроение, 1996. С.518]), вокруг которой расположена напорная камера с винтовыми каналами 19. Сопло 13 и вход сужающегося участка 14 размещены в камере разрежения 20.

При этом камеры разрежения 20 эжекторов 3 и 8 трубопроводом соединены с верхней частью напорной колонны 1, в которой обеспечивается разрежение на уровне (например, 650-700 Па), соответствующем созданию в результате испарительного охлаждения воды необходимой ее температуры (например, не более 10°С).

Комплекс работает следующим образом.

После подготовки, включения и вывода системы II на технологический режим, который обеспечивает на керамических 4, абсорбционных 5 и мембранных 6 фильтрах очистку воздуха от жидких, вязких и твердых частиц и предварительное обогащение его кислородом, включается система I комплекса.

Автоматом-пускателем (не показан) включается основной насос 2 (фиг.1). Вентилями циркуляционно-проточного трубопровода, соединяющего флотационную колонну 1, насос 2, эжектор 3, и вентилями на трубопроводах входа и выхода воды из колонны 1 (не показаны) устанавливается разрежение (например, 620-650 Па) в камере разрежения 17 эжектора 3 и сбалансированный расход входящей (исходной) и выходящей (кислородонасыщенной) воды. Контроль регулировки разрежения в камере разрежения 20 эжекторов 3 и 8 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 13 и 14 нагнетается предварительно очищенный и обогащенный кислородом в системе II воздух под давлением (например, 0,1-0,11 МПа [Дытнерский Ю.И. и др. Мембранное разделение газов. / Ю.И.Дытнерский, В.П.Брыков, Г.Г.Каграманов – М., Химия, 1991. – 344 с.]), обеспечивающим 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 во флотационной колонне 1 обеспечивается путем откачки парогазовой смеси из верхней ее части и последующего испарительного охлаждения до допустимой температуры (например, не более 10°С), определяемой технологической инструкцией.

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 17 эжекторов 3 и 8, 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 систем I и II 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 циркуляционно-проточный трубопровод установки розлива и закупорки кислородонасыщенной воды в бутылки, соединяющий флотационную колонну 1, насос 7, эжектор 8 и регулятор возвратного потока 9.

Регулятором возвратного в колонну потока 9 и регулятором потока 10, установленным в трубопроводе, соединяющем вспомогательный циркуляционно-проточный трубопровод кислородонасыщенной воды с аппаратом розлива 11, устанавливается производительность аппарата розлива и уровень разрежения (например, 620-650 Па) в камере разрежения 20 эжектора 8.

Полный технологический контроль приготовленной в комплексе кислородонасыщенной воды осуществляется:

– на входе в комплекс (система I установки насыщения воды кислородом комплекса);

– на выходе из аппарата розлива установки розлива и закупорки кислородонасыщенной воды в бутылки (система III комплекса);

– в герметично закупоренных бутылках с кислородонасыщенной водой при их хранении (из системы IV комплекса).

Преимущества предлагаемого способа и комплекса для его осуществления 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 разрежением, создаваемым жидкостно-газовым струйным 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, создаваемом 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 кислородосодержащей газовой 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.

Данные, приведенные в таблице, позволяют сделать заключение об эффективности предлагаемого технического решения по сравнению с известным.

Формула изобретения

1. Способ приготовления бутилированной кислородонасыщенной воды, включающий последовательное эжекционное и напорно-флотационное смешение кислородосодержащего газа с водой, розлив и закупорку кислородонасыщенной воды в бутылки, отличающийся тем, что эжекционное смешение производят в жидкостно-газовом струйном аппарате путем насыщения воды кислородом, выделенным из воздуха через полупроницаемую поверхность узкой части его камеры смешения, при этом охлаждение воды во флотационной колонне осуществляют разрежением, создаваемым жидкостно-газовым аппаратом, причем исходную воду подают в ее верхнюю часть, а насыщенную кислородом воду отбирают из нижней части.

2. Комплекс для приготовления бутилированной кислородонасыщенной питьевой воды, содержащий эжекционно-флотационную систему насыщения воды кислородом, состоящую из эжектора и флотационной колонны, систему получения кислородосодержащей газовой смеси, систему подачи и розлива кислородонасыщенной воды в бутылки, в которую входит вспомогательный насос, эжектор и аппараты розлива кислородонасыщенной воды в бутылки и закупоривания их пробками, а также трубопроводы для подачи исходной воды и отвода кислородонасыщенной воды, отличающийся тем, что эжекторы систем насыщения воды кислородом, подачи и розлива кислородонасыщенной воды в бутылки выполнены в виде жидкостно-газовых аппаратов, у которых узкая часть камеры смешения изготовлена из полупроницаемого материала, вокруг которой расположена напорная камера с винтовыми каналами, причем камера разрежения эжектора трубопроводом соединена с верхней частью напорной колонны, трубопровод подачи исходной воды присоединен к верхней части флотационной колонны, а трубопровод отвода кислородонасыщенной воды в бутылки присоединен к ее нижней части, при этом система получения кислородосодержащей газовой смеси представляет собой последовательно расположенные керамические, абсорбционные и мембранные фильтры для очистки воздуха от жидких, вязких и твердых частиц и предварительного обогащения его кислородом.

РИСУНКИ