Вода и ее подготовка в производстве спиртопродуктов

Введение

Для приготовления водок и ликеро-водочных изделий применяют питьевую воду, отвечающую требованиям ГОСТ 2874--82.

Согласно ГОСТу вода должна быть прозрачной, бесцветной, не иметь посторонних привкусов и запахов, не содержать патогенных микроорганизмов. Вода должна иметь минимальное количество продуктов распада органических азотистых веществ и легкоокисляющихся неорганических примесей. Допускается содержание нитратов не более 40 мг/л, аммиака и нитритов -- следи; окисляемость -- не выше 6 мг 0₂/л или 1,518 мг КМп 0₄/л.

Вода и ее подготовка в производстве спиртопродуктов

При производстве ликеро-водочной продукции особое значение имеет жесткость воды, которая обусловливается содержанием солей кальция и магния. Общая жесткость складывается из карбонатной (временной) н некарбонатной (постоянной) жесткости.

Карбонатная жесткость обусловливается содержанием гидрокарбонатных солей -- Са(НС0₃)₂ и Mg(HCO_s)₂, разлагающихся при кипячении на карбонаты, углекислоту и воду. Некарбонатная жесткость обусловлена содержанием хлоридов, сульфатов и других солей кальция и магния.

Жесткость воды выражают в миллиграмм-эквивалентах ионов кальция или магния в 1 л воды 1 мг-экв./л жесткости соответствует содержанию 20,04 мг Са²+ или 12,16 Mg²+.

По степени жесткости питьевую воду делят на очень мягкую--0--1,5 мг-экв./л, мягкую--1,5--3; средней жесткости -- 3--6, жесткую -- 6--9 и очень жесткую -- более 9 мг-экв./л.

Питьевая вода с общей жесткостью до 1 мг-экв./л, соответствующая требованиям, предъявляемым к питьевой воде, может быть использована для приготовления ликеро-водочных изделий и водок без умягчения (например, вода из Невы).

При использовании воды более высокой жесткости последнюю необходимо подвергать умягчению. Для приготовления ликеро-водочной продукции пригодна умягченная вода к жесткостью не выше 0,36 мг-экв./л, для шприцевания бутылок в бутылкомоечных машинах на последней стадии мойки -- не выше 1,8 мг-экв./л.

Строгий контроль за жесткостью воды необходим, так как в спиртово-водном растворе уменьшается растворимость ролей жесткости и возможно выпадение осадка, который состоит из СаСОз, MgC0₈, Ca(HG0₃)₂, Mg(HC0₃)₂, CaS0₄ и MgS0₄ с преобладанием СаС0₃.

При изготовлении ликеро-водочных изделий соли кальция и магния вступают вр взаимодействие с пектиновыми и дубильными веществами соков, морсов и настоев, образуя нерастворимые соединения. Эти процессы протекают медленно и обнаруживаются иногда только в период хранения продукции.

Другой очень важный показатель воды для ликеро-водочного производства -- щелочность, обусловленная в основном содержанием гидрокарбонатов НСОз.

Во избежание образования осадков в водках щелочность не должна превышать 6 мл 0,1 н. раствора НС1 на 100 мл виды.

При смешивании воды со спиртом происходит выпадение осадка вследствие смещения равновесия реакции.

По данным Я. В. Зельцера, углекислый магний в 40 %-ном спиртово-водном растворе выпадает в осадок при его концентрации более 125 мг (в пересчете на MgO) в 1 л.

Растворимость сернокислого кальция и сернокислого магния, по данным Я. В. Зельцера, повышается при повышении температуры и понижается с повышением крепости спиртово-водного раствора. ,

Учесть все факторы, влияющие на снижение растворимости солей жесткости в воде, очень сложно. Следует отметить, что с уменьшением содержания солей в воде, идущей на приготовление водки, увеличивается их стабильность.

Содержание железа в питьевой воде регламентируется величиной 0,03 мг/л, однако, как показали исследования ВНИИПрБ, для ликеро-водочного производства его наличие в воде не должно превышать 0,15 мг/л, в противном случае в водках может выпасть осадок, особенно при наличии в воде солей других металлов.

Подготовка воды. Наличие в воде солей металлов и других макро- и макроэлементов определяет вкус воды, а следовательно и продукции. Исходя из требований к подготовленной воде, разработаны различные способы обработки воды в ликеро-водочном; производстве.

Питьевую воду общей жесткостью 1--7 мг-экв./л рекомендуется умягчать с помощью катионитов, а жесткостью выше 7 мг-экв./л и щелочностью выше 6 мл 0,1 н. НС1 на 100 мл воды (соответствует карбонатной жесткости, 5,3 мг-экв./л) подвергают до обработки катионитами известкованию или же совместному Н--Na-катионированию.

Воды, загрязненные минеральными и органическими примесями в коллоид но-дисперсном состоянии, до умягчения осветляют коагулянтами и фильтруют через песочные фильтры.

Осветление воды. Речные воды, особенно в период паводка и дождей, часто загрязнены минеральными и органическими примесями в коллоидно-дисперсном состоянии, которые не задерживаются песочными фильтрами на городских водоочистительных станциях: Наиболее типичными из этих примесей являются кремниевая кислота, ее соли и гуминовые вещества. Воду со стабильной мутью или опалесценцией, не удаленными фильтрацией на песочных фильтрах, осветляют коагуляцией.

В качестве* коагулянтов используют неочищенный сульфат алюминия (глинозем) A1₂(S0₄)3- 18H₂О или железный купорос FeS0₄-7H₂0 концентрацией 5 %.

Химизм процесса коагуляций следующий: сульфат алюминия в водном растворе подвергается гидролизу, в результате которого образуется малорастворимый гидроксид алюминия:

Частицы: гидроксида алюминия заряжены положительно, частицы кремниевой кислоты и ее солей, гуминовых веществ -- отрицательно. Происходят нейтрализация зарядов и взаимная седиментация.

Ввиду того что ионы водорода, освободившиеся при гидролизе сульфата алюминия, вступают в реакцию с гидрокарбонатами воды

наблюдается снижение гидрокарбонатмой жесткости (на 0,7-- 1,0 мг-экв./л) при одновременном таком же повышении некарбонатной жесткости.

Хлопья гидроксидов и скоагулированных коллоидов имеют сильноразвитую, поверхность, способную сорбировать растворимые органические вещества с большой молекулярной массой, благодаря чему вода обесцвечивается и освобождается от неприятного привкуса.

Гидролиз сульфата алюминия лучше протекает в слабощелочной среде (рН 7,5--7,8}При недостаточной щелочности в воду добавляют гидроксид натрия, кальцинированную соду иди гашеную известь, количество которых (в мг/л)

С помощью регулирующего крана 5, расположенного на трубе, в комплекте с датчиком уровня и балансным реле поддерживается определенный уровень в сборнике 7.

Вода поступает в верхнюю часть фильтра 1, который представляет собой стальной цилиндрический бак высотой 4,5 м, диаметром 2,2 м. Фильтр' покрыт изнутри кислотоупорным лаком.

В нижней его части расположен дренажный коллектор //, состоящий из крестообразно соединенных нержавеющих труб. Фильтр заполнен гравием и песком трех фракций в следующем порядке, начиная снизу: слой высотой 20 см с размером песчинок 2--4 мм, затем слой высотой 60 см с размером песчинок 1,2--2 мм и слой высотой 1,2 м с размером песчинок 1,2--0,8 мм.

Фильтр работает без промывки в течение 24--30 ч. Перед промывкой перекрывают подачу осветляемой воды и раствора коагулянта и в течение 35--45 мин подают воду с большой скоростью через тот же дренажный, коллектор с помощью насоса снизу вверх. При этом слой песка взрыхляется, фильтрующая пленка разрушается и удаляется в канализацию вместе с промывной' водой через сливное устройство 9.

При необходимости в фильтр подают воздух через коллектор 10.

При переключении фильтра на работу по осветлению воды вначале раствор коагулянта/ подают в количестве на 50 % больше расчетного, чтобы ускорить образование фильтрующей пленки. Температуру воды поддерживают в пределах 18--25 °С.

Для удаления закисных солей железа воду аэрируют, в результате чего образуется гидрат окиси железа, который нерастворим! в воде:

Для удаления сульфата железа воду подвергают известкованию в специальных установках. Железо, содержащееся в виде гуматов, полностью удаляется при коагуляции коллоидных примесей.

. Для удаления гуминовых и других окрашивающих веществ сильноокрашенные воды следует обрабатывать кроме коагуляции анионитами АВ-22, АВ-172 и др.

Дезодорирование. Устранить неприятные запахи и привкусы воды (дезодорировать ее) можно окислением и адсорбцией. Окисление проводят с помощью различных окислителей.

Наиболее универсальным окислителем является озон, но озонирование-- дорогой способ обработки. Более дешевым способом является применение активного угля. Для этой цели пригоден порошкообразный и гранулированный уголь.

На ликеро-водочных заводах с целью улучшения вкуса воды применяют способ обработки воды активным углем марок БАУ-А и ДАК. Фильтр с активным углем включают в технологическую линию водоподготовки.

Скорость фильтрации через фильтр с активным углем должна быть в пределах скорости фильтрации воды через сульфо-угольный фильтр (5--15м/ч).

Q6 эффективности действия угля судят по разности показателей ркисляемости воды, исходной и обработанной активным углем (она должна быть не ниже 0,2--0,3 мг0₂/л).

Умягчение воды.

I. Na-катионитовый способ. В ликеро-водочном производстве умягчение воды производят в основном Na-катионитовым спосо- бом. Сущность катионитового спсоба умягчения заключается в обмене ионов Са и Mg воды на ионы Na. Схематически реакцию умягчения воды можно представить следующими уравнениями:

Катиониты -- высокомолекулярные органические соединения (твердые гели), содержащие ионогенные активные группе кис- лотного характера, способные к реакциям катионного обмена. Они нерастворимы в воде, растворах минеральных кислот, щелочей и в органических растворителях.

В настоящее время в качестве катионитов применяют сульфоуголь и ионообменные смолы. /

Сульфоуголь получают сульфированием дробленых Коксующихся каменных углей концентрированной дымящей серной кислотой при высокой температуре с последующей промывкой и сушкой.

При сульфировании углей образуются нерастворимые сульфокислоты и сложные карбоновые кислоты. Способность сульфоуглей к катионному обмену обусловлена наличием водорода в группах -- S0₃H и --СООН.

Сульфоуголь представляет собой черные гранулы размером от 0,3 до 2 мм, выпускается он как в Н-, так и в Na-форме.

Синтетические катиониты получают полимеризацией, например, катиониты марки КУ-2-- полимеризацией стирола и ди-винилбензола.

Катионит КУ-2-8 состоит из сферических зерен размером 0,32--1,25 мм желтого или коричневого цвета.

Министерством здравоохранения СССР разрешены к применению катиониты КУ-2-8чС, КУ-23-ч и КУ-23 как более чистые, чем исходный катионит КУ-2-8.

Главный показатель качества катионитов -обменная емкость, которая выражается числом грамм-эквивалентов катионов, поглощенных 1 м³ набухшего катионита.

Различают полную и рабочую обменную емкость.

Полная емкость определяет максимально возможное насыщение катионита солями жесткости, рабочая--практически целесообразное насыщение, после которого резко падает степень умягчения воды. Рабочая емкость составляет 75--85 % полной емкости и определяется составом и строением катионитов, природой обменивающихся катионов, степенью и однородностью зернения.

Характеристика сульфоуглей и синтетических катионитов приводится в табл. 10--5.

При жесткости воды до 7 мг-экв./л и щелочности не выше (6 мл 0,1 и. раствора HG1 на 100 мл воды (что соответствует карбонатной жесткости 5,3 мг-экв./л) наиболее подходящим способом является Na-катионитовый.

Установка для Nг-катионирования состоит из катионитового фильтра, солерастворителя, сборников умягченной воды и оборотных солевых вод.

Катионитовый фильтр (рис, 10--4) представляет собой стальной вертикальный цилиндрический корпус со сферическими крышкой и днищем. верхней части корпуса имеется люк 8 для загрузки кварцевого песка и катионита, в нижней части -- люк 9.

На залитом бетоном днище расположено дренажное устройство 10, предназначенное для равномерного сбора проходящей через катионит умягчённой воды, а также воды, подводимой под слой катионита при его взрыхлении. Через это же устройство осадит раствор поваренной соли при регенерации.. Дренажное устройство состоит из горизонтальной, заглушённой на основной трубок и отходящих от нее заглушённых патруб которым приварены на равном расстоянии небольшие вертикальные патрубки с навинченными на них шестигранными колпачками. На каждой грани колпачка просверлены отверстия метром 2--3 мм. Поверх дренажного устройства насыпано слоя кварцевого песка общей высотой 400 мм, служащих для предотвращения уноса катионита в дренажную систему.

Рекомендуемая высота двух верхних слоев песка по Д25 мм, нижнего--150 мм.

Величина зерен кварцевого песка в нижнем слое 5-l0 мм, в среднем -- 2,5--5,1, в верхнем--1--2,5 мм. На кварцевый песок насыпают слой катионита высотой 1,5--2 м. примерно 34 % фильтра оставляют свободным для компенсирования расширения катионита при взрыхлении и обеспечения равномерного распределения воды при умягчении по всему сечению фильтра (создания водяной подушки).

В центре фильтра под крышкой укреплена коническая распределительная воронка 7, через перфорированные стенки которой в процессе умягчения поступает жесткая вода, а при регенерации -- раствор поваренной соли. По этой же воронке во »время взрыхления катионита отводится промывная вода. Воздух из фильтра при его заполнении удаляется через трубку 4 с краном. Для спуска водяной подушки и контроля за уровнем раствора поваренной соли при регенерации служит трубка 5. Трубки 15 и 16 служат для отбора проб жесткой и умягченной воды. Концы этих трубок выведены к сливной воронке 14, соединенной с канализацией. Краны /, 2, 3 служат для подачи жесткой воды, раствора поваренной соли, отвода промывной воды по одному и тому же трубопроводу, краны 11, 12 и 13 --для подачи промывной воды, отвода умягченной воды и спуска солевого раствора. Манометры 6 служат для контроля за давлением в трубопроводах.

Фильтры работают под давлением 0,4--0,6 МПа. Размеры фильтров марок ХВ-122 и ХВ-040-1: 4=0,7-М,0 м, высота от 3,2 до 3,6 м.

Солерастворитель служит для приготовления раствора поваренной, соли (рис. 10--5). Корпус солерастворителя представляет собой стальной цилиндр с приваренным сферическим днищем и съемной сферической крышкой. Для загрузки соли служит воронка 2 с поднимающимся цилиндрическим стаканом 6, вставляемым в открытую задвижку 3 и служащим для предохранения ее от попадания соли. В нижней части аппарата расположено дренажное устройство 10 в виде коробки со щелями у основания. Выше дренажа располагается трехслойная подстилка из кварцевого песка высотой 300--400 мм с различными размерами зерен: в нижнем слое 5--7 мм, в среднем 2--3 и в верхнем--1,5--2 мм.

Соль насыпают поверх кварцевого песка и разравнивают через люк 4. После загрузки соли и закрытия задвижки 3 в солерастворитель подают воду по питающей 'трубе 5, соль растворяют, ее раствор фильтруется через слой кварцевого песка и выводится из аппарата через дренажное устройство.

Четыре крана, имеющихся на коммуникациях, позволяют переключать воду (на верхнее или нижнее питание солерастворителя. В процессе наполнения солерастворителя водой воздух удаляется через трубку 7, подведенную к сливной воронке 9 для сброса воды.. Пробы раствора соли отбирают с помощью трубки 8 с краном.

Для сокращения расхода соли на регенерацию катионита часть промывной воды от промывки катионита направляют в сборники вместимостью 2--2,5 м³ и используют для взрыхления катионита.

Схема катионитовой установки показана на рис. 10--6. Полный цикл работы установки складывается из следующих операций: умягчение воды, промывка и взрыхление катионита, регенерация катионита раствором поваренной соли, и отмывка солей жесткости и избытка поваренной соли.

Подготовка к пуску установки. Катионитовый фильтр перед загрузкой подвергают внутреннему осмотру и гидравлическому испытанию для проверки герметичности корпуса, трубопроводов, /задвижек и вентилей.

Для предотвращения уноса катионита умягченной водой над /дренажным устройством засыпают кварцевый песок трех фракций в описанной ранее последовательности. Свежий кварцевый песок обрабатывают раствором соляной кислоты и тщательно промывают.

На слой из кварцевого песка насыпают сульфоуголь слоем не менее 1,5м.

Загруженный в фильтр сульфоуголь промывают чистой водой снизу вверх с небольшой скоростью для удаления мелких частиц и посторонних мелких примесей. Промывку ведут до получения прозрачной промывной воды.

Промытый после загрузки сульфоуголь для восстановления обменной способности обрабатывают 15--20 %-ным раствором хлорида натрия в течение 8--10 мин. После пропуска солевого раствора через слой сульфоугля последний отмывают от продуктов регенерации и остатка хлорида натрия. Промывку прекращают при, получении прозрачной воды и жесткости выходящей воды 0,05--0,07 мг-экв./л.

Перед вводом в эксплуатацию солерастворитель подвергают техническому осмотру и испытанию, после чего на дренажное устройство засыпают слой песка в такой же последовательности, как и при загрузке фильтра.

Песчаную загрузку промывают в восходящем потоке воды. Длительность промывки около 10 мин (в дальнейшем песок промывают после каждой загрузки соли). По окончании промывки воду из солерастворителя спускают.

Затем загружают отмеченное количество поваренной соли. Раствор соли 15--20%-ной концентрации готовят с применением воды температурой 50--60 °С.

Работа установки. Воду, поступающую из напорного бака, фильтруют сверху вниз со скоростью 3--20 м⁸/ч. Умягченную воду отводят из дренажной системы. Когда через катионит пройдет определенное количество воды и будет достигнута степень насыщения, соответствующая рабочей емкости катионита> жесткость умягченной воды постепенно повысится. При средней величине жесткости умягченной воды в сборнике 0,1--0,14 мгХ Хэкв./л фильтр переключают на регенерацию.

БД начале работы установки или после регенерации жест- кость воды в сборнике контролируют По мыльной пробе через каждые 2 ч, а под конец фильтрации, перед регенерацией -- ежечасно.

Промывка и взрыхление катионита. Промывку и взрыхление (проводят водой из водопроводной сети путем пуска потока в дренажную систему снизу вверх. Отходящую воду направляют в канализацию. Линейная скорость воды при взрыхлении 8-- 12 м/ч 4ли 2,2--3,3 л/с на 1 м^э, температура воды 4--35°C_V Взрыхление проводят в течение 15 мин. Если после этого сливная вода не будет прозрачной, рыхление и промывку продолжают до достижения требуемой прозрачности.

Регенерация катионита. Для регенерации катионита 10%-ным раствором поваренной соли воду из фильтра спускают в канализацию с таким расчетом, чтобы уровень воды оставался на 10 см выше слоя катионита. Затем в солерастворитель, загруженный соответствующим количеством хлорида натрия, подают такое количество воды, чтобы получить концентрацию солевого раствора в среднем 10 %. Раствор соли в фильтр додают со скоростью 3--4 м/ч.

Отмывку катионита после регенерации проводят умягченной водой из стояка водопроводной воды вначале со скоростью 4-5 м/ч, затем увеличивая скорость до 6--8 м/ч (при отсутствии помутнения при прибавлении 5%-ного pacтвора соды). Отмывку заканчивают, когда промывная вода станет прозрачной, а ее жесткость не будет превышать 0,05-- 0,07 мг-экв./л.

После отмывки фильтр включают в работу, умягченную воду направляют в сборник умягченной воды.

Вода из городского трубопровода поступает через подогреватель 1 (в зимнее время) или без подогрева (в летнее 1ремя} в верхнюю часть катионитовой колонки 5, где происходит об- мен всех катионов на катион водорода, содержащийся Н-катионитовом фильтре.

Вода, прошедшая через катионитовый фильтр, содержит вместо солей эквивалентное количество сильных кислот (соляной; серной, азотной). Карбонатные соли заменяются на свободную углекислоту.

При выходе из нижней части анионитовой колонки деминерализованная вода через угольную колонку 7 направляется в, промежуточный приемник 9, откуда насосом 8 подается в сборник деминерализованной воды 3.

Скорость пропускания воды при деминерализации составляет 10--15 м/ч.

По мере истощения ионитов скорость пропускания воды уменьшается. Средняя скорость фильтрации при деминерализа- ции 5~7 М/Ч.

После истощения ионитов проводят их регенерацию. Для этого иониты взрыхляют обратным током воды со скоростью 5--7 м/ч.

Катионит регенерируют 5%-ным раствором соляной кислоты. После регенерации катионит переходит в Н¹⁺-форму. Для приготовления раствора кислоты используют деминерализованную или отмывочную воду.

Отмывку катионита ведут питьевой водой, подавая ее сверху вниз со скоростью 2-10 м/ч. Во время отмывки из катионита удаляется избыток свободной кислоты.

Регенерацию анионита проводят 2%-ным раствором гидроксида натрия или 4%-ным раствором кальцинированной соды. После регенерации анионит в колонке снова переходит в ОН^_форму. Для приготовления регенерирующего раствора используют как деминерализованную, так и отмывочную воду. Скорость подачи раствора 1--2 м/ч.

Отмывку анионита ведут деминерализованной водой, подавая ее сверху вниз со скоростью 2--3 м/ч.

II. Подготовка воды с использованием обратного осмоса. Процесс обессоливания основан на удалении ионов солей из раствора под действием приложенного давления (превышающего осмотическое) с помощью селективно-проницаемых мембран.

Обратноосмотическая очистка воды осуществляется на установках различных конструкций и мощностей. Основным их элементом является полупроницаемая мембрана. Наиболее широкое распространение получили ацетатцеллюлозные мембраны. Реальный срок их службы при давлении 3,7-- 5,0 МПа составляет 8--25 тыс. ч. Оптимальная величина кислотности среды для их работы рН 5; допускается работа при рН 2--7.

При работе мембран нежелательна большая мутность воды, так как это приводит к быстрому загрязнению поверхности мембраны и снижению производительности. При использовании ацетатцеллюлозной мембраны воду рекомендуется предварительно фильтровать для удаления примесей размером 25 мкм и подкислять до рН 4--6; чтобы избежать гидролиза мембраны и карбоната кальция.