Водоподготовка для ликероводочных производств

Как бы тривиально это ни звучало, но поскольку водка на 60% состоит из воды, ее качественные показатели в очень большой мере определяются составом воды.

Следует отметить, что никакой особой технологии водоподготовки для ликероводочной промышленности не существует. Все применяемые технологические операции свойственны для любых других установок водоподготовки. Аналогичны и аппаратурно-технологические решения. Требования по составу воды много ниже, чем для тепловых и атомных станций, электронных и медицинских производств.

Основным отличием водоподготовки для ликероводочной промышленности, как и для любой пищевой, является обязательное требование использования оборудования, материалов и реагентов, сертифицированных для применения в пищевых процессах.

Единственным специфическим требованием, предъявляемым к воде для водки, впрочем, как и для безалкогольных напитков, являются ее вкусовые характеристики. Образцы вод, имеющих разный химический состав в пределах, заданных соответствующей ТИ 10-04-03-09-88, име ют различный вкус. Корректируя состав, можно добиться определенного вкуса воды и сделанной из нее водки. Не потеряла актуальности идея об обессоливании воды с последующим введением в нее определенных солей, обеспечивающих наилучшие дегустационные показатели водки при ее высокой стабильности. Такой подход широко распространен в пивоварении. Однако такой путь и наиболее дорог.

В большинстве случаев на предприятиях используется вода из городского водопровода или собственных артезианских скважин, состав которой путем соответствующей водоподготовки – т.н. «исправления» воды – доводится до заданного технологической инструкцией ТИ 10-04-03-09-88 по лимитирующим компонентам (жесткость воды, содержание в воде железа, органики и т.п.).

Схема такой водоподготовки зависит от состава исходной воды и требований производителя. Поэтому технологическая схема и состав оборудования таких установок водоподготовки может существенно различаться. Рассмотрим два примера установок водоподготовки для «хорошей» и «плохой» исходной воды при обеспечении высокого качества очищенной «исправленной» воды.

В г. Черноголовка водопроводная вода по всем показателям, кроме жесткости, удовлетворяет условиям производства водки и безалкогольных напитков. Особенно качественная вода добывается из артскважины глубиной 170 м. Состав воды типично гидрокарбонатный.

Вода в г. Электрогорске даже после очистки на городских и заводских системах водоснабжения содержит значительные количества органических соединений и железа. Это обусловлено особенностями гидрогеологического строения подземных горизонтов, а также наличием большого числа торфяников в этом районе. Последнее при нарушении герметичности обсадных труб скважины приводит к очень сильному загрязнению воды органическими веществами.

В цехах предприятий уже действовали установки водоподготовки нескольких типов, поэтому при создании новых установок водоподготовки имелась возможность сравнения их параметров.

Поскольку на этих производствах качеству продукции уделяется большое внимание, то у заказчиков были повышенные требования к качеству воды, как по составу, так и по его стабильности, а также по надежности работы оборудования водоподготовки.

Следует отметить, что создание этих установок водоподготовки производилось в очень короткие сроки (от 2 до 4 недель) на ограниченных производственных площадях при требовании немедленного, после пуска, получения высококачественной воды. Это заставило использовать в некоторых узлах не оптимальные решения.

ОСТ АЛКО

При разработке установки водоподготовки для ООО «ОСТ АЛКО» (ныне ООО «ЧЗАП Ост-Алко») было необходимо обеспечить стабильную минимальную жесткость и содержание в воде железа. Поскольку содержание железа в исходной воде незначительно, для упрощения установки и в связи с ограниченностью в тот момент производственных площадей, было решено использовать только ионообменное умягчение с дополнительной микрофильтрацией через патронные фильтрующие элементы с размером пор 50 мкм. Отсутствие в воде активного хлора позволило отказаться от использования угольного фильтра-дехлоратора. Однако наличие корпусов микрофильтров типа Big Blue позволяет, при необходимости, установить в нем угольный картридж.

Умягчение воды производится на сильнокислотном катионите типа Purolit e C-100Е пищевого качества, являющемся аналогом КУ-2-8чс в Na -форме. Он позволяет при линейных скоростях раствора до 20 м/ч, а объемных до 40 V к /ч умягчать воду с исходной жесткостью 5–10 до 0,05–0,1 мг-экв/л. Регенерация катионита производится поваренной солью.

Расчет ионообменных фильтров производится, исходя из их производительности, жесткости очищаемой воды, принятой емкости ионита и удельной производительности. Для промышленных установок водоподготовки необходимо учитывать также режим их работы и суточную производительность с тем, чтобы продолжительность фильтроцикла обеспечивала бы не менее суточного объема очищенной воды. При постоянной работе фильтра требуемый объем ионита может оказаться существенно больше рассчитанного, исходя из часовой и удельной производительности.

Схема установки водоподготовки приведена на рис. 4.2, а , а ее внешний вид на рис. 4.2, б .

Установка состоит из двух идентичных цепочек аппаратов. Каждая их них включает в себя: грязевик 2 ; установку умягчения воды 3 , 4 , 5 ; микрофильтр 7 ; контрольный манометр 6 ; электромагнитный клапан 9 ; пробоотборник 10 ; запорную арматуру; трубопроводы.

Вода из водопровода через запорный шаровой кран поступает в установку. Для удаления растворенного в воде воздуха на трубопроводе подачи воды установлен воздухоотделитель. Подача воды на каждую нитку установки водоподготовки производится через шаровые краны. После крана вода поступает в грязевик 2 , где из нее извлекаются крупные частицы (песок, окалина). После этого вода подается в блок управления 3 установки умягчения воды. В блоке 3 расположены: счетчик расхода очищенной воды; программно-временное устройство, обеспечивающее проведение регенерации катионита, его отмывки и взрыхления; многоходовой клапан с электроприводом.

а

б

Рис. 4.2. Схема установки водоподготовки на ООО «ОСТ-Алко» ( а ),
и ее внешний вид ( б ):

1 – воздухоотделитель; 2 – грязевик; 3 – блок управления; 4 – корпус фильтра; 5 – солерастворитель; 6 – манометр; 7 – микрофильтр; 8 – соль; 9 – электромагнитный клапан; 10 – пробоотборник; 11 – слой гравия; 12 – дренаж; 13 – катионит; 14 – шаровой кран

При работе установки умягчения на очистке вода из блока 3 поступает в корпус фильтра 4 , фильтруется сверху вниз через слой катионита в Na -форме 13 , очищается от солей жесткости, катионов тяжелых металлов и взвешенных частиц и через расположенный внизу корпуса фильтра дренаж 12 выводится из него. Умягченная вода поступает в микрофильтр 7, перед которым установлен манометр 6 для контроля загрязненности микрофильтра и определения момента для замены фильтрующего элемента.

Очищенная вода через запорный шаровой кран и нормально открытый электромагнитный клапан 9 поступает в коллектор и из него через общий запорный шаровой кран 14 – в цеховые сборники воды.

Перед коллектором установлен пробоотборник 10 для отбора проб воды с любой из ниток установки.

После исчерпания емкости катионита проводится его регенерация, как описано выше.

Технические характеристики установки водоподготовки:

Производительность составляет, м³ /ч:

– на номинальном режиме – 10;

– на форсированном режиме – 16;

– при регенерации одной из ионообменных установок – 8.

Режим работы – автоматический с включением регенерации по счетчику расхода воды.

Марка фильтров – SF -55 M .

Производительность номинальная фильтра – 5,5 м³ /л.

Производительность максимальная фильтра – 8,0 м³ /л.

Скорость раствора при номинальном режиме линейная – 25 м/ч.

Количество очищенной воды до регенерации, м³ – 2 ? 55.

Потери напора – 0,6–1,0 атм.

Рабочее давление – до 8 кг/см 2 .

Габариты, мм: диаметр x высота

– фильтра 560 x 1780

– бака-солерастворителя 710 x 1060

Занимаемая площадь – 3 x 1,5 м вдоль стены.

Объем катионита, л – 2 x 200.

Масса в сборе, кг – 720.

Рабочая обменная емкость при дозе соли на регенерацию 80–150 г/л смолы, г-экв – 180–220.

Напряжение электрической сети – 220 ± 10% В, 50 Гц.

Давление воды на входе в установку:

– не менее 2,5 атм.

– не более 8,0 атм.

Для сравнения, существовавшая ранее установка водоподготовки (2 фильтра диаметром 1500 и высотой 2000 мм и общий солерастворитель объемом около 4 м³ ) с ручным управлением, занимала помещение площадью около 36 м² , в углу которого и разместилась наша установка. Эта установка не обеспечивала заданной жесткости воды и ее стабильности, требовала больших затрат ручного труда, особенно для загрузки и растворения соли.

Новая установка водоподготовки первой очереди пущена в эксплуатацию в марте 1997 г . Интенсивность работы была такова, что фильтры регенерировались чаще, чем раз в сутки. Качество очищенной воды ни разу не выходило за установленные на заводе пределы (жесткость до 0,1 мг-экв/л). Стабильно жесткость воды поддерживается на уровне предела определения – 0,05 мг-экв/л. За первые прошедшие 4 года качество очистки не изменилось. Уменьшился объем воды, очищенной за один фильтроцикл. Если в начале эксплуатации он составлял 55–60 м³ , то в конце 2000 г . сократился до 45–50 м³ , т.е. на 15–20%. Это связано как с механическим и осмотическим износом (измельчением) ионита с последующим его выносом из фильтра и уменьшением рабочего объема ионита, так и с некоторым отравлением его железом. После замены катионита в конце 2000 г . длительность фильтроцикла восстановилась.

Обслуживание установки свелось к засыпке соли в солерастворитель и периодическому контролю качества воды, особенно в конце фильтроцикла. По результатам анализов персонал самостоятельно регулирует продолжительность фильтроцикла.

Эксплуатация установки водоподготовки показала, что загрязнения микрофильтров не происходит, а попадание воздуха в подающей водопровод было ликвидировано. Поэтому при монтаже второй установки эти элементы были исключены (рис. 4.2, б ).

Высокое и стабильное качество воды в городском водопроводе
г. Черноголовки позволило на первом этапе не устанавливать систему обеззараживания воды. Практика первых лет эксплуатации установок водоподготовки подтверждала правильность такого решения. Однако при аварии на водопроводе возникло обсеменение трубопроводов и загрузки фильтров. Длительные остановки в работе в этот период усугубили ситуацию. Наличие биозагрязнений в воде могло сказаться на качестве продукта, о котором очень заботятся на данном производстве. Поэтому были приняты технические решения и разработаны технологические приемы и рекомендации, позволившие решить проблему. В них вошли: установка дополнительных микрофильтров, введение в слой катионита специального стерилизующего средства, изменение циклограммы работы фильтра при длительных остановках, а также введение УФ обеззараживания очищенной воды.

Некоторые проблемы возникали с узлом приготовления насыщенного раствора соли. В 1997 г . гранулированная соль была еще дорога и малодоступна. Среди производственников идея замены дешевой отечественной соли на импортную таблетированную не вызывала энтузиазма. Следует отметить, что вклад стоимости водоподготовки в общую себестоимость продукции составляет доли процента, а стоимости соли еще меньше. Однако при больших масштабах производства эти стоимости составляют внушительные цифры. При использовании обычной соли возникают три основные проблемы в работе солерастворителя: низкая концентрация соли в растворе, наличие значительного объема грязи, забивание солью трубки засоса солевого раствора в головку управления.

При использовании обычной соли необходимо применять солерастворители с ложным днищем. Это несколько улучшает растворение соли, правда и затрудняет отмывку солерастворителя от грязи. Для насыщения раствора применяются периодическое механическое перемешивание вручную веслом, насосом или барботаж воздухом.

Крупная соль обычно сильно загрязнена глинистыми включениями, и они собираются в нижней части солерастворителя. Поэтому периодически возникает необходимость в очистке солерастворителя. Для этого после проведения регенерации головку управления отключают на фазе отмывки фильтра, не давая воде заполнить солерастворитель. Сняв опорную решетку, солерастворитель с помощью сифона отмывают от грязи.

Мелкая качественная соль, например, «Экстра», как ни странно, требует лучшего перемешивания и значительно чаще забивает трубку засоса солевого раствора. Последнее требует постоянного наблюдения за работой установок водоподготовки и ликвидируется путем промывки системы забора солевого раствора.

В настоящее время несколькими предприятиями выпускается отечественная гранулированная соль с разумной стоимостью, и ее применение для установок водоподготовки производительностью до 10–20 м³/ч оправдано во всех отношениях. Для установок большей единичной производительности проблема приготовления солевого раствора должна решаться на других принципах.

В дальнейшем для снижения солесодержания и щелочности воды была смонтирована установка обратного осмоса. Смешивая обессоленную и умягченную воду в заданном соотношении, можно получать необходимые вкусовые качества водки.

ФЕРЕЙН

Низкое качество воды в г. Электрогорске связано с содержанием значительных количеств органических соединений и железа. Поэтому схема водоподготовки требует введения операций по удалению этих загрязнений.

Существовавшая на ООО «Ферейн» установка водоподготовки не обеспечивала необходимого количества и качества воды. Она состояла из песочных и ионообменных фильтров диаметром 1500 мм , а также аналогичного угольного фильтра, каждый объемом 2 м³ . Причем замену угля приходилось вести раз в две недели. В противном случае окисляемость оказывалась выше норм, принятых для качественных водок.

Полученные пробы воды, как оказалось, не представительные, а с качеством выше среднего, показали, что содержание железа не превышает 0,7–1,2 мг/л, а окисляемость 7–8 мг О₂ /л. Их обработка активным хлором в количестве до 5–9 мг/л давала практически полное разрушение органики и удаление железа до 0,1–0,15 мг/л, что полностью устраивало производство.

Для обеспечения заданного качества воды была разработана аппаратурно-технологическая схема водоподготовки, включающая очистку методами окисления, обезжелезивания, дехлорирования и сорбции, а также умягчения воды (натрий-катионирования). Окисление имеющихся в исходной воде органических загрязнений и двухвалентного железа производится активным хлором и его оксидами. Извлечение взвеси окислов железа и дехлорирование воды осуществляется на многослойной загрузке из активированного угля типа АГ-3 или АГ-5 и каталитического материала Birm . Умягчение производится на сильнокислотном катионите Purolite C -100Е, являющемся аналогом КУ-2-8чс.

НПО «Экран» активно пропагандирует электрохимические установки обработки воды, в том числе генераторы активного хлора и его оксидов типа «Аквадез», как более эффективные, чем раствор гипохлорита. Поэтому на первом этапе была принята схема с такой установкой.

Установка водоподготовки включает в себя (рис. 4.3):

• приемную емкость 1 ;
• блок фильтров обезжелезивания, дехлорирования 2 ;
• установку умягчения воды 3 ;
• установку «Аквадез» или расходную емкость с реагентом 4 и насосом 5 ;
• питающий насос 6 с системой автоматики: реле давления 7 , гидробаком 9 ;
• контрольный манометр 8 ;
• систему стабилизации уровня воды в баке с электромагнитным клапаном 10 , датчиками уровня 11 , 12 и реле уровня 13 ;
• рабочие запорные шаровые краны 14 ;
• шаровые краны для отключения отдельных аппаратов 15 ;
• пробоотборник 16 ;
• головки управления фильтрами обезжелезивания-дехлорирования с последовательным выводом на регенерацию в заданное время 17 ;
• общий счетчик воды 19 , включающий блоки 18 управления фильтров умягчения 3 на регенерацию, система «дуплекс»;
• трубопроводы.

а

б

Рис. 4.3. Установка водоподготовки АО «Ферейн». Схема ( а ), внешний вид ( б ):

1 – буферная емкость; 2 – механические фильтры; 3 – ионообменные фильтры; 4 – емкость с реагентом; 5 – насос-дозатор; 6, 7, 9 – насос с реле давления и гидробаком; 8 – манометр; 10 – электромагнитный клапан; 11–13 – реле уровня с датчиками; 14, 15 – краны; 16 – пробоотборник; 17, 18 – блоки управления; 19 – счетчик воды

Технические характеристики установки водоподготовки :

Производительность составляет, м³ /ч:

– на номинальном режиме – 10;

– на форсированном режиме – 12.

Площадь, занимаемая установкой, – 2,5 x 3,5 м² .

Технические характеристики блока обезжелезивания-дехлорирования:

марка фильтров – BF -25Т;

количество одновременно работающих фильтров – 3;

режим работы – автоматический с включением регенерации по таймеру;

производительность при регенерации одного фильтра – 8 м³ /ч;

скорость раствора при номинальном режиме линейная – 12 м/ч;

потери напора – 0,6–1,0 атм;

рабочее давление – до 8 кг/см 2 ;

габариты, мм, диаметр x высота

– фильтра 560 x 1780

объем загрузки в одном фильтре, л – 3 x 200.

Технические характеристики блока ионообменной очистки:

марка – SF -75 D -28;

режим работы – автоматический с включением регенерации по счетчику расхода воды и последовательной регенерацией фильтров;

производительность при регенерации одного фильтра – 8–10 м³ /ч;

скорость раствора при номинальном режиме линейная – 25 м/ч;

габариты, мм, диаметр x высота

– фильтра 610 x 2030

– бака-солерастворителя 740 x 1110

объем катионита, л – 2 x 300;

рабочая обменная емкость при дозе соли на регенерацию 80–150 г/л смолы, г-экв – 2 ? (280 – 340).

Вода из водопровода через электромагнитный клапан 10 поступает в емкость 1 . Уровень воды в емкости поддерживается автоматически включением и выключением клапана 10 с помощью реле уровня 13 по сигналу от датчиков уровня 11 , 12 . В эту же емкость подается вода, содержащая активный хлор и его оксиды, из установки «Аквадез» 4 . Время выдерживания (контактирования) воды с оксидантами составляет не менее 20 минут.

В электрохимический генератор оксидантов подается умягченная вода и концентрированный раствор соли. Подача воды производится от фильтров умягчения. Раствор оксидантов вводится в трубопровод подачи исходной воды в емкость 1 с помощью насоса-дозатора 5 .

Вода с окисленными органическими примесями и железом, содержащая избыточный активный хлор, подается насосом 6 на установку обезжелезивания-дехлорирования. Насос 6 включается автоматически от реле давления 7 при уменьшении давления в системе, когда начина ется отбор очищенной воды в производство. Для уменьшения колебаний давления установлен гидробак 9 объемом 24 л .

Вода одновременно подается в три параллельно установленных фильтра 2 . При работе фильтра на очистке, вода фильтруется сверху вниз через слой загрузки, состоящей из активированного угля и Birm . При этом она очищается от активного хлора и органических загрязнений, а также железа и взвешенных частиц. Запорные краны 15 используются при необходимости отключения одного из фильтров для проведения с ним каких-либо работ.

Из коллектора вода подается в два параллельно включенных по системе «дуплекс» фильтра умягчения 3 . «Дуплекс» отличается тем, что регенерация фильтров производится последовательно по сигналу общего счетчика расхода очищенной воды 19 , расположенного на сборном коллекторе. В головках управления 18 фильтров умягчения расположены: программно-временное устройство, обеспечивающее проведение регенерации катионита, его отмывки и взрыхления, и многоходовой клапан.

Первое время качество очищенной воды было очень высоким по всем показателям. Сочетание хлорирования с дехлорированием и сорбцией на активированном угле обеспечивало окисляемость на уровне 1–2 мг О₂ /л и содержание железа около 0,1 мг/л. Жесткость воды не превышала
0,1 мг-экв/л.

Основные проблемы создавала неустойчивая работа установки «Аквадез». Поэтому вместо нее был установлен насос-дозатор, который подавал товарный гипохлорит из емкости 4 в трубопровод подачи воды в емкость 1 .

Через 3–4 месяца, когда поверхность активированного угля насытилась (загрязнилась) крупными органическими молекулами, не поддающимися разрушению хлорированием, эффективность очистки по органике и железу снизилась до 3–5 мг О₂ /л и 0,17–0,23 мг/л соответственно. Жесткость воды никогда не увеличивалась выше 0,1 мг-экв/л.

Производить замену фильтрующей загрузки в корпусах без специальных загрузочных штуцеров затруднительно, поэтому в лаборатории были проведены опыты по поиску методов полного окисления органики. Оказалось, что наличие большого количества чрезвычайно химически устойчивых гуминовых и фульвокислот не позволяет полностью их удалить даже при дозах хлора до 100 мг/л, а озона 10–20 мг/л. Выяснилось, что остаточное железо закомплексовано с органикой и не удаляется никакими традиционными методами удаления железа. Оно извлекалось только при разрушении или удалении органики.

Необходим был поиск других путей удаления органики. На одной из действовавших на предприятии установок органика удалялась при интенсивной аэрации и последующей фильтрации через смоченную загрузку при малой скорости, около 0,5 м/ч. Установка работала в режиме биофильтра. Для установок большой производительности это оказалось непригодным из-за необходимости применения аппаратов больших размеров. Для данного состава воды эффективной оказалась очистка коагуляцией хлоридом алюминия. Раствор последнего дозировался, аналогично гипохлориту, в приемную емкость 1 , использовавшуюся, как промежуточный отстойник-хлопьеобразователь. Вода со взвесью подавалась на фильтры. Таким путем удалось получить воду необходимого качества. Другим путем является использование специального анионита для удаления органики. Он позволил снизить окисляемость до 1 мг О₂ /л, а содержание железа до 0,1 мг/л. При этом один объем сорбента позволяет очистить 15–20 тысяч объемов воды. Сорбент поддается регенерации.

С 1997 г . установка водоподготовки устойчиво обеспечивала работу предприятия при изменении состава и объемов воды. При сильных колебаниях состава требовался подбор доз реагентов. Качество очищенной воды соответствовало всем требованиям производства.

Сравнение схем умягчения воды

Интересно сравнить применение установок с регенерацией по индивидуальным счетчикам и дуплексную, триплексную и т. п. системы.

В первом случае имеется возможность оптимизировать работу каждого фильтра. Дело в том, что количество ионита в фильтрах несколько различается, и это различие может увеличиваться по мере износа ионита. Кроме того, сопротивление фильтров также не совсем одинаково. Поэтому «проскок» жесткости может наступать не при одинаковом объеме очищенной воды. При использовании индивидуальных фильтров это различие может быть скорректировано оператором. В «дуплексе» вывод на регенерацию производится по суммарному объему очищенной воды, который устанавливается по результатам работы худшего фильтра. В результате второй фильтр оказывается не полностью насыщенным. Это увеличивает расход соли на регенерацию.

В то же время «дуплекс» всегда обеспечивает подачу воды на производство. При индивидуальных фильтрах возможен случай, когда оба фильтра выходят на регенерацию одновременно и в течение примерно
2 часов происходит перерыв в подаче воды. С другой стороны, выход из строя блока управления в «дуплексе» приводит к полному прекращению водоснабжения, а в индивидуальной системе – к сокращению его на половину. Следовательно, преимуществом индивидуальных фильтров является меньший расход соли и большая надежность, а «дуплекса» – более стабильная подача воды и несколько (на 4–7%) меньшая стоимость.