Способ приготовления бутилированной кислородонасыщенной воды и комплекс для его осуществления

Изобретение относится к области физико-химических технологий и технике обработки воды кислородосодержащим газом, розлива воды и обработки тары при хранении воды. Оно может быть использовано в промышленных производствах приготовления качественной воды и растворов. Кислородонасыщенную воду получают эжекционно-флотационным смешением воды с кислородосодержащим газом с последующим розливом кислородонасыщенной воды в бутылки и их закупоркой пробками с использованием во всех перечисленных выше технологических операциях синтезированной плазмохимотронным методом парогазовой смеси H₂O₂+O₂. Комплекс оборудования для осуществления способа включает эжекционно-флотационную установку насыщения воды кислородом и установку подачи и розлива кислородонасыщенной воды в бутылки. Технический эффект - приготовление качественной бутилированной кислородонасыщенной питьевой воды, имеющей длительный срок хранения, полученной с минимальными затратами энергии и расхода материалов на процесс насыщения воды кислородом, розливом кислородонасыщенной воды, обработки и закупорки бутылок. 2 с. и 2 з.п. ф-лы, 1 ил., 4 табл.

 

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. Конкретное внедрение изобретения планируется в промышленном производстве бутилированной кислородонасыщенной питьевой воды и напитков с торговыми марками “СУПЕРВОДА”, “ОКСИ”, “ЛЕГКАЯ ВОДА”, “СОК ЖИЗНИ” и других.

Анализ научно-технической и патентной информации [1, 2] показывает, что в известных технических решениях насыщение воды кислородом можно осуществить смешением кислородосодержащего газа с водой и менее эффективно разбрызгиванием (распылением) воды в кислородсодержащем газе с последующей коалесцентцией (слипанием) капелек воды и ее отводом из водогазовой смеси.

В первом случае кислород находится в воде в виде мельчайших пузырьков кислородосодержащего газа, из которых молекулярный кислород сорбируется водой на межфазной границе газ - жидкость и насыщает воду.

Во втором случае кислород находится в кислородосодержащем газе, в котором распылены мельчайшие капельки воды. Молекулярный кислород сорбируется водой на межфазной границе жидкость - газ.

Межфазная граница пузырька кислородосодержащего газа в воде и капельки воды в кислородосодержащем газе может быть заряжена электрическим полем, фотонами высоких энергий, поверхностно-активным веществом и другими физико-химическими воздействиями, влияющими на глубину насыщения воды кислородом и скорость перехода молекулярного кислорода через межфазную границу.

Известен способ приготовления бутилированной кислородонасыщенной питьевой воды и комплекс оборудования для его осуществления [3].

В этом способе, так же как в напорной флотации [2, с.231], воду сначала насыщают под давлением (до 6 ати) и 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 пониженной температуре. Обогащенный кислородом из капелек пересыщенной кислородом воды воздух смешивается под давлением с кондиционируемой питьевой водой в отдельной напорной накопительной емкости, из которой 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 [3] с концентрацией кислорода от 10 до 40 мг O₂/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 [1].

Комплекс оборудования для осуществления способа [3] 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.

Построение комплекса патента [3] является наиболее близким (по комплекту оборудования, необходимого для производства бутилированной кислородонасыщенной питьевой воды) в заявленном техническом решении.

Недостатки способа приготовления бутилированной кислородонасыщенной воды [3]:

- 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.

Недостатки комплекса оборудования для осуществления способа [3]:

- 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 [4].

Этот способ заключается в смешивании кислородосодержащего газа с обрабатываемой охлажденной водой под давлением (так же как и в напорной флотации [2, с.231]) с целью получения пересыщенного кислородом состояния обработанной воды.

В отличие от технического решения [3] питьевая вода проходит предварительную обработку обратным осмосом и способом электролиза.

Энергоемкие физико-химические процессы используются в установке насыщения воды кислородом [4] для повышения устойчивости пересыщенного кислородом состояния воды за счет снижения концентрации солей в воде и ввода в воду заряженных пузырьков Н₂+О₂ 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).

Для экологически чистой кислородосодержащей питьевой воды из перечисленных выше способов предварительной обработки может быть использован только модифицированный электролизный способ для получения кислородосодержащей парогазовой смеси Н₂+О₂ [5].

Продуктами загрязнения кислородосодержащей парогазовой смеси Н₂+О₂ в этом техническом решении являются только пары воды и пары щелочи.

В заявленном комплексе построение электрохимической системы [5] было использовано в построении плазмохимотронной системы синтеза парогазовой смеси Н₂О₂+О₂, основанной на патенте [6].

Способу насыщения воды кислородом и установке для его осуществления [4] присущи недостатки, рассмотренные в известном техническом решении [3].

С учетом проведенного выше анализа научно-технической и патентной. информации техническим решением задачи является повышение эффективности обработки воды кислородосодержащим газом путем достижения при глубоком насыщении кислородом воды (от 30 до 40 мг О₂ /л Н₂О) устойчивого во времени пересыщенного кислородом состояния воды при нормальных условиях, снижение энергозатрат на процесс насыщения воды кислородом и энергоемкости комплекса для осуществления способа.

Решение задачи достигается:

1. Применением последовательного эжекционного и напорно-флотационного смешивания полученной плазмохимотронным. способом кислородосодержащей парогазовой смеси Н₂О₂+О₂ патента [6] с обрабатываемой водой, позволяющего повысить эффективность обработки воды кислородосодержащим газом, применить модернизированную, малоэнергоемкую систему напорной флотации в производстве бутилированной кислородосодержащей воды, снизить энергозатраты на обработку воды.

2. Использованием аномальных физико-химических свойств кислородосодержащей парогазовой Н₂О₂+О₂ смеси для глубокого насыщения обрабатываемой воды кислородом и достижения устойчивого во времени пересыщенного кислородом состояния обработанной воды при нормальных условиях.

3. Использованием аномальных физико-химических свойств кислородосодержащей парогазовой Н₂О₂+О₂ смеси мгновенно (в течение секунд) растворяться при смешивании с обработанной водой для ее эжекционного ввода в напорной части флотационной системы между насосом и колонной (емкостью).

4. Использованием аномальных физико-химических свойств кислородосодержащей парогазовой Н₂О₂+О₂ смеси взаимодействовать с кремнесодержащими материалами и углеводородными полимерами, примененными в системе обработки воды кислородосодержащей парогазовой смесью.

Проведенный выше анализ уровня техники позволил установить, что аналоги, характеризующиеся совокупностями признаков, тождественных всем признакам заявленного способа и комплекса для его осуществления, отсутствуют. Следовательно, каждое из заявленных изобретений соответствует условию патентоспособности “новизна”.

Результаты поиска известных решений в данной и смежных областях техники с целью выявления признаков, совпадающих с отличительными от прототипов признаками каждого заявленного изобретения, показали, что они не следуют явным образом из уровня техники. Из определенного выше уровня техники не выявлена известность влияния предусматриваемых существенными признаками каждого из заявленных изобретений преобразований на достижение технического результата. Следовательно, каждое из заявленных изобретений соответствует уровню патентоспособности “изобретательский уровень”.

В заявленном техническом решении соблюдено требование единства изобретения, поскольку способ и комплекс предназначены для насыщения воды кислородом и получения бутилированной кислородонасыщенной питьевой воды. Заявленное изобретение решает одну и ту же задачу - повышение эффективности обработки воды кислородосодержащей газовой смесью и снижение энергозатрат на процесс насыщения воды кислородом.

На чертеже схематично изображен комплекс для осуществления предлагаемого способа приготовления бутилированной кислородонасыщенной воды.

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, соединенные циркуляционно-проточным трубопроводом в нижней части колонны, трубопровод подачи исходной воды, трубопровод, сообщающий колонну с атмосферой, трубопровод отвода кислородонасыщенной воды в бутылки.

Система I подсоединена герметично трубопроводом парогазовой смеси (условное обозначение на чертеже Н₂O₂+O₂) с плазмохимотронной (электрохимической) системой II получения кислородосодержащей парогазовой смеси.

Система II содержит емкость водного электролита 4, соединенную герметично трубопроводом с плазмохимотронным (электрохимическим) аппаратом 5 и газожидкостным сепаратором 7, образующими эрлифтный циркуляционно-проточный контур. Электропитание и управление плазмохимотронного аппарата 5 осуществляется блоком 6. В систему 6 также входят регулятор расхода кислорода 8 и регуляторы расхода кислородосодержащей парогазовой смеси 9, 10.

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 11, эжектор 12, регулятор расхода воды 13, регулятор расхода воды 14 трубопровода подачи кислородонасыщенной воды в аппарат розлива 15 для ее дозировки в бутылки 16. Автоматическая линия передвижения бутылок, аппарат закупорки пробками порционно наполненных кислородонасыщенной водой бутылок 16 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 15.

Система IV выполняет вспомогательные функции в технологии комплекса.

Комплекс работает следующим образом.

В емкость 4 и аппарат 5 системы II комплекса заливают водный раствор электролита. Для электрохимического аппарата 10% раствор щелочи (NаОН или КОН+Н₂O), для плазмохимотронного аппарата - 4%. Регуляторами расхода 8, 9, 10 и блоком управления 6 в циркуляционно-проточном трубопроводе, соединяющим емкость 4, плазмохимотронный (электрохимический) аппарат 5 и газожидкостной сепаратор 7, создается эрлифтный газожидкостной поток.

Ориентировочно ротаметром (на схеме не показан) устанавливается расход парогазовой смеси. Блоком управления 6 устанавливается температура кислородосодержащей парогазовой смеси (не ниже 70° С).

Парогазовая смесь до выхода на рабочие параметры выпускается в атмосферу через регуляторы расхода 9, 10.

После подготовки, включения и вывода системы II на технологический режим включается система I комплекса.

Автоматом-пускателем (на схеме фиг.1 не показан) включается основной насос 2. Вентилями циркуляционно-проточного трубопровода, соединяющего флотационную колонну 1, насос 2, эжектор 3, и вентилями на трубопроводах входа и выхода воды из колонны 1 (на схеме не показаны) устанавливается разрежение в эжекционном аппарате 3 и сбалансированный расход входящей (исходной) и выходящей (кислородонасыщенной) воды. Контроль регулировки разрежения в эжекторе 3 осуществляют с помощью дифманометра, правильность регулировок расхода в основном циркуляционно-проточном трубопроводе - устойчивым уровнем обработанной воды во флотационной колонне 1.

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

С помощью приборов контроля кислородонасыщенной воды в установке насыщения воды кислородом устанавливается режим работы систем I и II при фиксированных: производительности установки, расходе электроэнергии, кислорода, реагента (NаОН или КОН) и дистиллированной воды в физико-химической системе II, обеспечивающих в трубопроводе кислородонасыщенной воды, соединенной с установкой розлива и закупорки кислородонасыщенной воды в бутылки, рН 7,3±0,8, СO₂≥15 мг O₂/дм³.

После подготовки, включения и вывода установки насыщения воды кислородом на технологический режим автоматом-пускателем (на фиг.1 не показан) включается вспомогательный циркуляционно-проточный трубопровод установки розлива и закупорки кислородонасыщенной воды в бутылки, соединяющий флотационную колонну 1, насос 11, эжектор 12 и регулятор возвратного потока 13.

Регулятором возвратного в колонну потока 13 и регулятором потока 14, установленным в трубопроводе, соединяющим вспомогательный циркуляционно-проточный трубопровод кислородонасыщенной воды с аппаратом розлива 15, устанавливается производительность аппарата розлива и уровень разрежения в эжекционном аппарате 12.

Расход парогазовой смеси H₂O₂+O₂ в установке розлива и закупорки кислородонасыщенной воды в бутылки производят с помощью регулятора 10 эжекционного аппарата 12. Расход парогазовой смеси Н₂O₂+O₂ определяют ротаметром, тарированным объемометрическим методом (на схеме не показан).

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);

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

Как было рассмотрено выше, при фиксированной температуре и давлении окружающей среды, исходной и кислородонасыщенной воды контроль осуществляется по содержанию растворенного в воде кислорода (СO₂) и рН. Применяемые заявителями приборы и методики анализов были проверены аттестованным Государственным центром питьевых вод г. Краснодара.

В таблицах 1-4 представлены экспериментальные данные испытаний заявленного технического решения в реальных условиях опытно-промышленного производства приготовления кислородонасыщенной воды, разрешенного санитарно-эпидемиологической службой г. Краснодара.

Условия проведения опытно-промышленного эксперимента:

Исходная вода - питьевая артезианская вода ГОСТ 2874-82 с солесодержанием по шкале NаСl 0,4-0,6 г/дм³;

Содержание растворенного кислорода в исходной воде - 3,2±0,4 мг O₂/дм³;

рН исходной воды - 7,2±0,1;

Температура исходной воды - 25±2° С;

Предельное насыщение исходной воды кислородом воздуха (н.у.) на линии насыщения для границы вода - воздух при удельном расходе воздуха не менее 1,5 дм³/дм³ воды - 8,8±0,2 мг O₂/дм³. Примененные в испытаниях приборы контроля воды были указаны ранее.

В таблице 2 представлены экспериментальные данные испытания комплекса с добавлением в систему II (система синтеза парогазовой смеси) сжатого кислорода через регулятор расхода.

Условие проведения эксперимента испытаний комплекса в таблице 1 и таблице 2 адекватны

В таблице 3 представлены экспериментальные данные испытания комплекса, учитывающие технологические операции промывки бутылок и пробок обеззараживающей серебряной водой [1] с последующей их промывкой кислородонасыщенной водой, выходящей из системы III установки розлива и закупорки кислородонасыщенной воды в бутылки комплекса.

Данные технологические операции позволяют снизить количество примесей (микроорганизмов, ионов тяжелых металлов, органических веществ на материале бутылки, пробки и, как следствие, в бутилированной кислородонасыщенной питьевой воде) и повысить глубину обработки полимерного материала парогазовой смесью Н₂О₂+О₂.

Условия проведения испытаний опытно-промышленного комплекса таблицы 3 адекватны условиям проведения испытаний комплекса в таблице 2.

Данными таблицы 4 представлено влияние материалов, входящих в состав основных систем комплекса, на эффективность обработки питьевой воды кислородосодержащей парогазовой смесью Н₂O₂+O₂.

Условия проведения эксперимента адекватны условиям проведения эксперимента таблиц 2, 3;

Если не учитывать влияние кислородосодержащей парогазовой смеси Н₂O₂+O₂ на качество питьевой воды по вкусовым и энергетическим параметрам, более длительный срок сохранности пересыщенного кислородом состояния обработанной воды, то для конкретной бутилированной кислородонасыщенной воды “Окси” при глубине насыщения кислородом до 40 мг O₂/л Н₂O стоимость опытно-промышленных партий воды не превышала 0,4 доллара США за 1 литр питьевой воды “Окси” (в 2 раза ниже стоимости продукции известной фирмы “Аqvа Rush”, см. обзор компании “Аqvа Rush” “Бутилированная кислородонасыщенная вода” Система информации “Интернет”, http: // www аquа rush соm.).

Это связано с тем, что в производстве бутилированной кислородонасыщенной воды компании “Аqvа Rush” использовано известное энергоемкое техническое решение [4].

Высокая дегустационная оценка качества бутилированных кислородонасыщенных питьевых вод марок “Супервода” и “Окси”, срок сохранности кислородонасыщенной воды не менее 6 месяцев, полученные заявленным способом и комплексом для его осуществления, доказывают конкурентоспособность новой продукции на потребительском рынке и, как следствие, промышленную применимость изобретения.

На основании представленного выше материала авторы считают, что техническая задача в заявленном изобретении решена в полном объеме.

ИСТОЧНИКИ ИНФОРМАЦИИ

1. Кульский Л.А. Основы химии и технологии воды. - Киев: Наукова Думка, 1991, 568 с.

2. Родионов А.И., Клушин В.Н., Торочешников Н.С. Техника защиты окружающей среды, М.: Химия, 1989, 512 с.

3. Хехтль Кристиан. Производство питьевой воды длительного хранения, разлитой в бутыли, насыщенной кислородом в виде воздуха (кислородом и углекислым газом). Патент Германии №1047826, С 02 F 1/68 (НКИ ВG 7 D 1/00 Н 4 С), 16.10.1998 г.

4. Джеффери Грандеил и другие. Способ для производства кислородонасыщенной воды. Патент США №6284293 В 1 А 23 L 100 (НКИ 426/67) 04.09.2001 г.

5. Вердиев М.Г. и др. Электролизер для получения смеси кислорода и водорода. Патент России №2091508 С 1, С 25 В 1/04, 27.09.1997 г. Способ получения смеси кислорода и водорода. Патент России №2091507 С 1, С 25 В 1/04, 27.09.1997 г.

6. Зыков Е.Д., Щербак В.Н. Плазмохимотронный способ получения парогазовой смеси Н₂O₂+O₂. Патент России №2171863 С 2, С 25 В 1/30, 1/04, С 02 F 1/46, 30.07.1998 г.

1. Способ приготовления бутилированной кислородонасыщенной воды, включающий смешение кислородосодержащего газа с водой, розлив и закупорку кислородонасыщенной воды в бутылки, отличающийся тем, что осуществляют последовательное эжекционное и напорно-флотационное смешение полученной плазмохимотронным методом кислородосодержащей парогазовой смеси Н₂О₂+О₂ с водой.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что бутылки и пробки перед технологической операцией розлива и закупорки кислородонасыщенной воды промывают обеззараживающим раствором, содержащим ионы серебра, с последующей их промывкой кислородонасыщенной питьевой водой, приготовленной с использованием парогазовой смеси Н₂О₂+О₂.

3. Комплекс для приготовления бутилированной кислородонасыщенной питьевой воды, содержащий систему насыщения воды кислородом, отличающийся тем, что система насыщения воды кислородом 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.

4. Комплекс по п.3, отличающийся тем, что конструктивные элементы систем насыщения воды кислородом, подачи и розлива кислородонасыщенной воды в бутылки, а также трубопроводы подачи кислородосодосодержащей парогазовой смеси изготовлены из стеклянных, пластмассовых, резиновых и силиконовых материалов.