Техніко-економічний аналіз способів способів приготування сортівки та її обробки у виробництві горілок (ID:1010090)

Водопідготовка – початкова стадія процесу одержання горілки. Задачею водопідготовки є коригування чи оптимізування сольового складу води, видалення з механічних сторонніх домішок, колоїдних і органічних речовин, що впливають на стійкість, органолептичні і фізико-хімічні показники готового продукту. Взалежності від складу вихідної води застосовують способи водопідготовки: іонообмінний, зворотноосмотичний, сорбційний та інші. Механічне фільтрування Під час кондиціювання води спосіб фільтрування є обовязковим, під час якого вона очищується від зважених механічних домішок, колоїдної зависі, пластівців осаду, часток винесеного катіоніту або активного вугілля, тощо. Фільтрування - фізико-хімічний процес адгезії зважених і колоїдних домішок води до зерен фільтруючого матеріалу. Важливими вимогами до якості фільтрувальних матеріалів (ФМ), що використовуються у підготовці води для виробництва напоїв, є їх хімічна стійкість до води, кислот, лугів і реагентів [1]. Ці вимоги обумовлені тим, щоб вода, яка фільтрується крізь завантаження, не збагачувалася б речовинами, шкідливими для здоров'я людей та не впливала на якість готової продукції. Крім того, фільтрувальний матеріал повинен мати оптимальний фракційний склад для забезпечення гідродинамічних умов фільтрування, високу ступінь однорідності та механічної міцності, не руйнуватися в процесі відновлення його властивостей, під час водних і періодичних хімічних промивках. Адсорбційне очищення Адсорбційне очищення як один з етапів водопідготовки включає в себе знезалізнення та видалення органічних речовин. Обов'язковість проведення даного етапу водопідготовки полягає в тому, що більшість води питної, яка використовується у лікеро-горілчаній промисловості містить високу концентрацію заліза та марганцю та органічних речовин, які знижують якість води підготовленої, і в свою чергу – лікеро-горілчаних напоїв. Високий вміст заліза у воді надає неприємний терпкий смак; така вода, як правило, каламутна, жовтуватого кольору. При окисненні залізо переходить в гідроксид і осідає у вигляді твердих частинок. Ця властивість використовується для видалення з води розчиного у воді заліза. Забарвлення в основному обумовлюється присутністю сполук заліза у вигляді гідрокарбонату [Fe(HCO3)2] і сульфату заліза (II) [FeSO4] або гуміновими речовинами [2]. У підземних джерелах води марганець (Mn) зустрічається не так часто, як залізо, і найчастіше присутня у воді разом з розчиненим залізом Fe2+. Слід зауважити, що присутність марганцю у воді можна спостерігати за кількома ознаками, а саме: - чорний осад; - каламутна темна вода; - при тривалому контакті з водою чорніють руки і нігтьові пластини. Сірководень - безбарвний газ з характерним запахом гнилісного білка. Сірководень дуже отруйний. Сірководнева вода при стоянні на повітрі, особливо на світлі, скоро стає каламутною від сірки, яка виділяється. Це відбувається в результаті окиснення сірководню киснем повітря. Розчин сірководню у воді володіє властивостями кислоти. Сірководень – сильний відновник (ця властивість перешкоджає окисненню двовалентного заліза, присутнього у воді). Сірководень та гідросульфіди сприяють значній інтенсифікації процесів корозії сталі, продуктом корозії є сірчисте залізо FeS. Воно не утворює щільної захисної плівки на металі і не захищає залізо від подальшої корозії. Крім того, наявність сірководню у воді надає їй неприємний запах. Знезалізнення Всі різноманітні методи, які застосовуються в технології знезалізнення води, можна віднести до двох основних типів – реагентні і безреагентні. Знезалізнення підземних вод можна здійснювати лише реагентними методами, а для видалення заліза з підземних од найбільшого поширення набули безреагентні методи. Безреагентні методи знезалізнення можуть бути застосовані, коли ви- вихідна вода характеризується: рН - не менше 6,7; лужністю – не менше 1 мг-екв / л; перманганатная окислюваність - не більше 7 мг О2 / л. Метод окислення заліза шляхом спрощеної аерації заснований на здатності води, що містить двовалентне залізо і розчиний кисень, при фільтруванні на поверхні зерен, утворюючи каталітичну плівку з іонів та оксидів дво- і тривалентного заліза. Ця плівка активно інтенсифікує процес окиснення і виділення заліза з води. На самому початку процесу знезалізнення при надходженні на фільтр перших порцій води, коли поверхня завантаження ще чиста, адсорбція сполук заліза на її поверхні відбувається в мономолекулярному шарі, тобто має місце фізична адсорбція. Після утворення мономолекулярного шару процес виділення з'єднань заліза на зернах піску не припиняється, а навпаки, посилюється, внаслідок того, що утворився моношар хімічно більш активний, ніж чиста поверхня завантаження (піску) [3]. Адсорбційні властивості плівки із з'єднань заліза на зернах фільтрувального завантаження, висока її питома поверхня та наявність великої кількості зв'язаної води дозволяють зробити висновок, що плівка являє собою дуже сильний адсорбент губчастої структури. Реагентні методи знезалізнення води слід застосовувати при низьких значеннях рН, високій окиснюваності, нестабільності води. Знезалізнення води спрощеною аерацією, хлоруванням і фільтруванням полягає у видаленнні надлишку вуглекислоти і збагачення води киснем при аерації, що сприяє підвищенню рН і первинному окисненню органічних сполук заліза. Остаточне руйнування комплексних сполук заліза (II) і часткове його окиснення досягається шляхом введення у воду, що обробляється окиснювача (хлору, озону, перманганату калію і т.ін.). Пом'якшення Процес видалення з води солей жорсткості (Ca2 + і Mg2+) називається пом'якшенням, для чого в технології водопідготовки застосовується три основні способи: - реагентне пом'якшення (вапнування і содовапнування); - іонний обмін; - мембранні способи (зворотній осомос). Більш загальним є поняття знесолення, тобто зниження змісту не тільки солей жорсткості, але й інших розчинених мінеральних солей. В даний час пом'якшення проводять переважно методами іонообміну. Іонообмін - процес обміну іонів твердої матриці (іоніту) з іонами розчину. В даний час іонний обмін є одним із основних способів пом'якшення води та її знесолення, навіть за наявності очищення зворотнім осмосом метод використовується в якості попереднього для зниження навантаження на мембранний блок. Крім того, це єдиний спосіб, що дозволяє вибіркове очищення компонентів розчину, наприклад, важких металів, солей жорсткості. Іоніти - тверді розчинні речовини, що мають у своєму складі групи, здатні до обміну на інші іони, що знаходятьсяв розчині. При іонізації виникають два різновиди іонів: одні жорстко закріплені на каркасі (матриці) іоніту, інші - протилежного знаку, здатні переходити в розчин в обмін на еквівалентну кількість інших іонів того ж знаку з розчину. Іоніти поділяються на чотири основні групи: - катіоніти; - аніоніти; - амфоліти; - селективні іоніти. За походженням іонітів поділяються на: - неорганічні іоніти; - органічні іоніти. Катіоніти - іоніти із закріпленими на матриці аніонами, які обмінюються з розчином катіонами. Аніоніти - іоніти із закріпленими на матриці катіонітами, що обмінюють- ся з розчинами аніонітами. Амфоліти містять одночасно катіонообмінні та аніонообмінні групи та в залежності від зовнішніх умов можуть бути як катіонітами, так і аніонітами. У лікеро-горілчаній промисловості не застосовуються. Селективні іоніти містять спеціально підібрані іонообмінні групи, що мають спорідненість до певної групи іонів та використовуються для вилучення, наприклад, бору, важких металів, радіонуклідів. Основні характеристики іонітів: - обмінна ємність; - селективність; - механічна міцність; - осмотична стабільність; - хімічна стабільність; - температурна стійкість; - фракційний склад. Для пом’якшення води використовують автоматичні фільтри-пом'якшувачі. В основі їх роботи лежить іонообмінний процес, при якому розчинені у воді жорсткі солі замінюються м'якими, які не утворюють твердих відкладень. Автоматичний пом'якшувач являє собою пластиковий корпус з керуючим блоком (клапаном) і баком для приготування та зберігання регенеруючого розчину. Жорстка вода, надходячи до фільтру, проходить через шар засипки з високоякісної іонообмінної смоли. При цьому відбувається зміна хімічного складу розчинених солей за рахунок заміни іонів кальцію і магнію на іони натрію, які хімічно пов'язані зі смолою. Коли ж поглинаюча здатність смоли знижується до певного рівня, блок керування автоматично починає цикл регенерації – відновлення ресурсів смоли. Потім всі забруднення вимиваються з фільтру в дренаж. Залежно від розмірів пом’якшувача цикл регенерації -промивки може тривати до 2-3 год. Під час регенерації набір води проводити не рекомендується, тому що на вихід буде надходити жорстка вода. Саме з цієї причини більшість одиночних систем (що складаються з одного фільтра з одним блоком управління) Сучасні синтетичні смоли надзвичайно надійні і довговічні, дозволяють працювати на високих швидкостях потоків, завдяки чому знаходять застосування в системах з високою продуктивністю. Термін служби смоли може досягати 6-8 років залежно від якості початкової води. В даний час, завдяки великій різноманітності смол, фільтри – пом’якшувачі, крім свого основного призначення, можуть бути використані для видалення з води заліза та марганцю, важких металів, органічних сполук, а також селективного видалення нітратів, нітритів, сульфідів і т.д. Демінералізація води Демінералізація води здійснюється у процесі її фільтрації через іонооб-мінні смоли – катіоніт та аніоніт. Спосіб демінералізації застосовують при жорсткості води від 7,0 до 10 ммоль/дм і сухому залишку 250-750 мг/дм3 . Процес демінералізації води складається з таких основних стадій: завантаження (засипання) та підготовка іонітів; очистка води від іонів мінеральних солей; регенерація іоніту. Іонітні фільтри мають вигляд циліндричних колон із сферичними днища-ми, у нижчій та верхній частинах містяться дренажні пристосування у вигляді штуцерів з різьбою, на які нагвинчені розподільні ковпачки зі щільовими по-здовжніми отворами. З метою запобігання виносу у фільтрат дрібних фракцій смоли на ковпа-чки (на низ колони) насипають шар кварцового піску розміром зерен 1-5 мм та висотою 200-300 мм. Після цього засипають товарні іоніти з урахуванням на-бухання. Іоніти заливають 20 %-ним розчином кухонної солі та витримують у ньо¬му 24 год. для повільного набухання. Після цього іоніти ретельно відмива-ють від бруду водопровідною водою, потім від низькомолекулярних та роз-чинних сполук 4%-ним розчином їдкого натру та 5%-ним розчином соляної ки¬слоти. В контакті з цими розчинами іоніти витримують по 4 години двічі з ко¬жним розчином. Після цього проводять регенерацію катіоніту та аніоніту. При пуску установки систему заповнюють водою до повного вилучення з неї повітря. Робота іонітної установки полягає у послідовному пропуску води через катіонітовий та аніонітовий фільтри. На початку процесу демінералізації перші порції знесоленої води зливають у збірник та використовують для промивки іонітів. У колонці, яка завантажена катіонітом, відбувається обмін усіх катіонів, присутніх у воді на іон водню. Вода, яка пройшла через фільтр, вже не містить карбонатних со¬лей, які перетворюються у вугільну вуглекислоту, згідно рівняння реакції: H++NaНСО3 ►Nа+ + СO2 + Н2O З нижньої частини катіонітової колонки вода надходить у верхню части¬ну аніонітової колони, заповненої аніонітом, де про¬ходить обмін аніонів сильних кислот (3O4+, СІ-, NaO3) на гідроксильні іони ОН- при регенерації аніоніту каустичною содою, або іони СО3 при регенерації кальцинованою содою [36]. Демінералізовану воду, яка виходить з нижньої частини аніоніотової колони збирають у збірнику знесоленої води. Останні порції знесоленої води перед зупинкою фільтра на регенерацію збирають у збірнику води для промивки іоніту. Жорсткість виправленої води після аніонітового фільтра повинна бути 0,01-0,02 ммоль/дм. При нормальній роботі вода після катіонітового фільтра має рН 1,8-2,2, після аніонітового фільтра – 6,5-6,9 при лужності 0,2-0,3 см3 0,1 моль НС1/дм3 на 100 см3 води [4]. Механічне фільтрування Традиційними матеріалами для завантаження фільтрів пісочних є кварцовий пісок та подрібнений анрацит. Кварцовий пісок (річковий чи кар'єрний) – природний матеріал, який характеризується високим вмістом оксиду кремнію і незначним вмістом розчиних сполук кальцію,заліза та марганцю. Кварцовий пісок при незначному вмісті домішок відповідає всім вимогам, які пред'являються до фільтрувальних матеріалів [1]. Даний фільтрувальний матеріал володіє високою міжзернистою пористістю, має високу грязоємкість та хороші сорбційні властивості. Кварцовий пісок хімічно інертний - не вступає в реакцію з іншими речовинами. Зерна подрібненого антрациту мають менший форму, ніж кварцового піску, тому його зазвичай використовують в якості верхнього шару завантаження двохшарових фільтрів. Антрацит володіє рядом переваг: різноманітність його складу дозволяє частинкам поглинати в шар фільтрувального завантаження, що забезпечує більш тривалішу роботу в режимі сервіса і знижує втрати напору [5]. Внаслідок меншої форми зерен антрациту швидкість руху і витрат води на промивку значно менші, ніж у кварцового піску. Керамзит являє собою гранульований пористий матеріал, який отримують спалюванням глинистої сировини в спеціальних печах. Фракції керамзиту можуть бути отримані або просіюванням їх із загальної маси, або подрібненням великих гранул з відсівом потрібних фракцій. Зерна подрібненого керамзиту володіють кращою розвинутою поверхнею та відповідно кращими технологічними властивостями [2]. Filter-Ag являє собою легкі частинки, що, в свою чергу, потребує менше потоків води для зворотньої промивки. Гранули Filter-Ag (безводний оксид кремнію) зі значною поверхнею фільтрації дозволяють досягнути максимальної ефективності при видаленні завислих частинок [2]. Filter-Ag має ряд переваг поряд з іншими фільтрувальними завантаженнями: при проектуванні системи високих робочих швидкостей і більш значної ефективності, що забезпечує завантаження, обладнання може мати менші габаритні розміри. Для завантаження фільтру пісочного у даній курсовій роботі я обрала такий фільтрувальний матеріал - кварцовий пісок. Перевагами застосування кварцового піску є одномінеральність, однорідність структури, висока пористість, що забезпечить високу грязьоємкість. Використання кварцового піску забезпечить високу продуктивність процесу та якість очищення води питної. Застосовуваний матеріал має низьку собівартість порівняно з іншими фільтрувальними матерілами. Таким чином, завдяки фізико-хімічним показникам та водночас низькій собівартості кварцового піску порівняно з іншими матеріалами доцільно та економічно використовувати кварцовий пісок при механічному фільтруванні води для виробництва напоїв. Фільтрування води на механічному фільтрі Перед заповненням і включенням у роботу фільтрів пісочних проводять їх внутрішній огляд і гідравлічні випробування для перевірки герметичності корпусу, трубопроводів, і вентилів. Знайдені дефекти усувають. Вихідна вода по трубопроводу надходить в верхню частину фільтра і рівномірно розподіляється по площині перерізу фільтра. Розмір часток завантаження від 0,5-2,0 мм при висоті шару не менше 700 мм і швидкості фільтрування 10-12 м/год [3]. Кварцовий пісок повинен мати зерна округлої форми. Найкращими фракціями потрібно вважати фракції з діаметром зерен від 0,8-1,0 мм, при цьому сумарний вміст цих фракцій повинен складати не менше 80% від загальної кількості кварцового піску, який завантажується у фільтр пісочний. У кварцовому піску не допускається присутність глинистих, крейдових, вапняних і інших забруднень. Кварцовий пісок при надходженні на завод, окрім сортування за величиною зерен, його ретельно промивають водою і обробляють розчином соляної кислоти концентрацією в 2-3%, після чого знову промивають водопровідною питною водою до повного видалення залишків кислоти. На підтримуючу систему фільтра пісочного засипають три шари кварцового піску: - розмір часток 2,0-3,0 мм - висота шару 50 мм; - розмір часток 1,0-2,0 мм - висота шару 150 мм; - розмір часток 0,5-1,0 мм - висота шару 800 мм [3]. Після деякого періоду роботи фільтра пісочного швидкість проходження води в ньому уповільнюється, так як на поверхні фільтруючого шару осідають зависі. Тому кварцовий пісок в фільтрі пісочному періодично спушують і промивають вихідною питною водою у зворотному напрямку. При цьому тривалість підпушування і промивки складає 20-30 хвилин. Адсорбційне очищення (знезалізнення,видалення органічних речовин) Очищення води від заліза, марганцю та органічних речовин може проводитися з використанням активного вугілля, іонітів та аераційного окиснення. Сорбційне очищення води активним вугіллям є найбільш застосовуваним для: - покращення смаку, запаху та зменшення забарвленості води; - видаляння з води розчинених органічних речовин; - видаляння активного хлору та хлорорганічних речовин; - видаляння заліза, марганцю, азотовмісних сполук та інших токсичних елементів. При очищенні води за допомогою природних іонітів природні або штучні смоли, які використовуються у цьому методі очищення, «забирають» у металів вільні іони, підміняючи їх натрієм і, утворюють, таким чином, нешкідливу для організму і побутових приладів натрієву сіль. Цей метод виявляється технологічно складним у застосуванні. Для здійснення аерації застосовують аераційну колону круглої або квад-ратної форми в перерізі, висотою 2,5-4,5 м. Вихідну воду направляють у верх-ню частину колони і розсівають тонкими струменями за допомогою розподі-льного дощувального пристрою. В зустрічному до потоку води напрямі вен-тилятором подають повітря. При цьому виділяється незв'язана вуглекислота, а вода насичується киснем. Вміст кисню у воді повинен бути не менше 0,6 мг/дм3. Насиченість води киснем залежить від кількості домішок води, сухого залишку і тривалості контакту крапель води з повітрям, тобто від висоти аера¬ційної колони. Збільшення насиченості води повітрям можна досягнути заван¬таженням колони кільцями Рашига. Для проведення етапу водопідготовки – адсорбційного очищення (знезалізнення та видалення органічних речовин) у даній курсовій роботі я обрала матеріал – активне вугілля Cullar. По-перше, використання даного матеріалу забезбечить знезалізнення води питної, видалення органічних речовин, що забезпечить економічність даного етапу водопідготовки. По-друге, склад та властивості активного вугілля забезпечують високу ефективність проведення процесу та низьку собівартість. Однак, одночасно з високим ефектом очищення води від органічних домішок, активне вугілля може підвищувати твердість, лужність, масову концентрацію карбонатів, ортофосфатів, силікатів у підготовленій воді. Це може негативно впливати на якість готової продукції, в якій утворюються осади та погіршуюються фізико-хімічні та органолептичні показники горілок, горілок особливих та напоїв. У автоматичних фільтрах марки Cullar як фільтрувальне завантаження застосовують активне вугілля Cullar, так як у порівнянні зі звичайним це сорбент, який має більшу питому поверхню за рахунок мікропор. Активне вугілля Cullar має здатність видаляти з води хлор, який є причиною неприємного запаху та смаку води. Для підтримування вугілля в робочому стані, концентрація хлору у воді не повинна бути більше ніж 4 мг/дм3. При наявності складних сполук хлору, необхідно підтримувати мінімальну швидкість потоку. Робота у такому режимі можлива за умови, якщо масова концентрація вільного хлору не перевищує 1 мг/дм3. Активне вугілля Cullar також адсорбує органічні домішки, які є причиною небажаної забарвленості та смаку води. Додатковий прошарок з кварцевого піску затримує зважені частки та попереджує замутнення води після циклу зворотної промивки активного вугілля. Зворотну промивку здійснюють автоматично за допомогою електронного програмного пристрою або у ручному режимі. Фільтр автоматично відновлює роботу після закінчення циклу зворотної промивки. Для ефективної роботи фільтра проводять зворотну промивку хлорованою водою кожні 1-2 дні, а також не залишають фільтр на тривалий час у режимі простою з вологим фільтрувальним завантаженням. Воду після фільтра іонітного подають в верхню частину фільтра сорбційного вугільного для покращання органолептичних показників за рахунок видалення органічних домішок. Швидкість фільтрування води, крізь фільтр сорбційний вугільний, повинна бути не менше швидкості фільтрування крізь фільтр іонітний [5]. Пом’якшення води Помякшення води здійснюють на послідовно або паралельно з’єднаних установках. В даній курсовій роботі використовується установка типу Дуплекс, на якій пом’якшення здійснюють шляхом фільтрування питної води крізь шар сильнокислотного катіоніту. На підприємствах використовують іонообмінний матеріал КУ-2-8-чС, однак він показує недостатньо позитивний результат в порівнянні з сильнокислотним катіонітом Dow HCR-D-S у натрієвій формі, який має іони натрію, здатні до обміну на іони кальцію і магнію. У даній курсовій роботі я обрала вищезазначений матеріал для пом'якшення води, оскільки при фільтрації води через шар сильно- кислотного катіоніту Dow HCR-D-S у натрієвій формі в профільтрованій пом’якшеній воді містяться в основному солі натрію, які мають високу розчинність та не утворюють осаду в горілках та інших напоях при відповідних значеннях лужності та вмісту мікроелементів. Процес помякшення води має циклічний режим та складається з таких послідовних операцій: - підпушування шару катіоніту потоком вихідної води; - регенерація катіоніту фільтруванням через нього розчину хлориду натрію; - швидке відмивання катіоніту; - фільтрування води крізь шар сильнокислотного катіоніту Dow HCR-S в Na+- формі до моменту досягнення гранично-допустимої твердості води; - заповнення солерозчинника. Установка складається з управляючого клапану, блоку живлення, витратоміру, верхнього розподільного пристрою, центрального розподільного стояку, нижнього розподільного пристрою, баку-солерозчиннику. Під час роботи ємності високого тиску працюють поперемінно та забезпечують неперервне помякшення води, тобто одна ємність регенерується, друга переходить з режиму очікування у робочий цикл помякшення води. Управління циклічністю роботи здійснюється «здвоєним блоком управління» (здвоєним управляючим клапаном). Вода у верхню частину іонітного фільтра, заповненого сильнокислотним катіонітом у натрієвій формі. В процесі роботи фільтра іонітного обмінна ємкість катіоніту знижується, а твердість підготовленої води знижується. Лінійна швидкість подачі води при фільтруванні через шар катіоніту 10-15 м3/год. Якщо середня твердість при очистці води становить більше ніж 0,1 ммоль/дм3, фільтр іонітний відключають на регенерацію [1].