Pivovarennaya_inzheneria_ / Глава 4

Хлорированную воду собирают в контактном резервуаре 21, из которого ее направ ляют на угольный фильтр 25 для дехлорирования, а далее — на патронные керамичес кие фильтры 26 для тонкой очистки.

Угольный фильтр промывают ежедневно в течение 40–50 мин противотоком дехлори рованной воды и по мере необходимости регенерируют паром. Свечи керамических филь тров также каждый день промывают водой, пропускаемой противотоком в течение 10 мин.

Операторные модели систем водоподготовки, описанных выше, приведены соот ветственно на рис. 4.3 и 4.4.

4.3.ОСНОВНЫЕ МЕТОДЫ И ОБОРУДОВАНИЕ ДЛЯ ОБРАБОТКИ ВОДЫ

4.3.1.Удаление из воды взвешенных частиц

В производстве пива и напитков для осветления воды в целях выделения из нее взвешенных частиц применяют:

•осаждение (отстаивание);

•коагуляцию;

•фильтрование.

4.3.1.1.Отстаивание воды

Осаждение — процесс разделения, при котором взвешенные в жидкости частицы отде ляются от сплошной фазы под действием силы тяжести, сил инерции (в том числе центро бежных) или электростатических сил. Осаждение под действием силы тяжести называют отстаиванием. К основным преимуществам отстаивания следует отнести простоту и де шевизну осуществления по сравнению с другими процессами разделения неоднородных систем, например фильтрованием. Отстаивание используют в качестве предварительной (грубой) очистки, обеспечивающей ускорение процессов на последующих стадиях.

Как известно, в неподвижной среде частица массой m под действием силы тяжести g падает вниз, при этом скорость v ее движения первоначально возрастает, а при отсут ствии сопротивления среды изменялась бы по известному закону v = gτ. Однако с увеличением скорости возрастает сопротивление движению частицы и соответственно уменьшается ее ускорение. Вследствие этого очень быстро наступает равновесие — сила тяжести, под действием которой частица движется, становится равной силе сопро тивления среды. Начиная с этого момента ускорение движения частицы становится равным нулю — частица начинает двигаться равномерно с постоянной скоростью, которую на зывают скоростью осаждения (vос).

Скорость (м/с) осаждения частиц определяют в соответствии с законом Стокса, который справедлив для частиц размером 0,1–10 мкм и ламинарного потока:

где d — средний диаметр частиц, м; g — ускорение свободного падения, м/с2; ρт и ρж — плотность соответственно твердой фазы (частиц) и жидкости, кг/м3; µ — динамичес кая вязкость жидкости, Па с.

Анализ выражения (4.3) показывает, что способствовать увеличению скорости осаж дения можно лишь одним способом — увеличением среднего диаметра частиц. В связи с этим различают отстаивание воды в естественном состоянии (простое отстаивание) и после предварительной коагуляции.

Коагуляция — искусственное укрупнение частиц дисперсной фазы под действием некоторых веществ, называемых коагулянтами. В качестве коагулянтов обычно при меняют электролиты — растворимые в воде соли, которые в результате гидролиза об разуют хлопьевидные гидраты окислов металлов.

Коагуляция особенно целесообразна при необходимости отделения из жидкости устойчивых взвесей очень мелких или коллоидных частиц. Механизм коагуляции заключается в том, что коагулянты разрушают сольватированные оболочки и умень шают диффузионную часть двойного электрического слоя у поверхности взвешенных частиц. Благодаря этому между частицами возникают силы сцепления, способствую щие образованию агрегатов частиц, обладающих большей массой. Вследствие этого процесс отстаивания ускоряется, поскольку осаждение образовавшихся агрегатов осу ществляется с большей скоростью.

В водоподготовке для производства пива и напитков наибольшее применение в каче стве коагулянтов находят железный купорос Fe2(SO4)3 7Н2О и сульфат алюминия Аl2(SO4)3 18Н2О. Коагуляция с применением железного купороса осуществляется быст рее, поскольку плотность образующихся хлопьев гидроокиси железа больше гидроокиси алюминия примерно в 1,5 раза. Удельный расход сульфата железа в виде 5–10% ного водно го раствора составляет ориентировочно 50–180 г/м3. Наиболее эффективно образование и выпадение в осадок Fe(ОН)3 осуществляется при значениях рН в пределах 8,2–8,5.

Осаждение взвешенных частиц под действием силы тяжести осуществляют в отстойни ках — резервуарах различной вместимости цилиндрической или призматической формы. Различают отстойники вертикальные и горизонтальные. Вертикальные отстойники исполь зуют при расходе воды до 30 000 м3/сут, а горизонтальные — при более высоких расходах.

Инженерные расчеты отстойников. Производительность (м3/с) отстойника пря моугольного сечения по осветленной жидкости составляет

где wп — скорость потока жидкости вдоль отстойника, м/с; b — ширина отстойника, м; h — высота слоя осветленной жидкости, м.

где vос — скорость осаждения самой мелкой частицы, м/с.

При расчете отстойников необходимо исходить из того, что продолжительность пребывания в нем обрабатываемой воды должна быть больше или, по крайней мере, равна промежутку времени, за которое частица наименьшего размера опустится с по верхности жидкости на дно. На основании этого условия можно приравнять правые части уравнений (4.5) и (4.6), подставив вместо скорости потока wп ее выражение из уравнения (4.4):

Следовательно, производительность отстойника прямоугольного сечения, как сле дует из уравнения (4.7), составит

где F — площадь поверхности отстойника, м2.

Анализ выражения (4.8) свидетельствует, что производительность отстойника не зависит от его высоты, а зависит только от скорости и поверхности осаждения. По этому целесообразно изготавливать отстойники со значительной поверхностью осаж дения и относительно небольшой высотой, которая обычно не превышает 1,8–4,5 м.

Таким образом, необходимая площадь поверхности осаждения отстойника составляет:

Поскольку при выводе уравнения не учитывали постепенное уменьшение средней скорости отстаивания по длине аппарата и неравномерность движения жидкости в нем от точки ввода до переливного устройства, допуская при этом отсутствие в аппа рате застойных зон и вихреобразований жидкости, то в инженерных расчетах площадь поверхности отстойника обычно увеличивают ориентировочно на 30–35%.

При выполнении приближенных расчетов вместимость отстойников определяют из условия отстаивания в них воды в течение 6–12 ч.

4.3.1.2. Фильтрование воды

Фильтрование воды, как и отстаивание, осуществляют для удаления взвешенных частиц. Процесс тонкого фильтрования жидких сред с концентрацией твердой фазы менее 0,1%об., протекающий с закупориванием пор фильтровальной перегородки, называют осветлением. В пивобезалкогольной промышленности используют фильт ры, в которых в качестве фильтровальных перегородок используют слой кварцевого песка или волокнистые материалы, в порах и на поверхности которых удерживаются взвешенные частицы.

Гравийно песочные фильтры. Гравийно песочные фильтры способны задерживать час тицы диаметром 5–15 мкм. Они имеют простую конструкцию и удобны в эксплуатации.

Гравийно песочный осветлительный фильтр (рис. 4.5) представляет собой цилиндри ческий корпус 1 с коническим или эллиптическим днищем 3 и сферической крышкой 14.

На крышке смонтированы штуцер 11 для подвода воды, предохранительный клапан 12, манометр 13. Штуцер 5 в нижней части фильтра предназначен для отвода отфильтро ванной воды, штуцер 4 — для отбора проб, люк 8 — для разгрузки фильтра при переза рядке. Внутри фильтра установлены две решетки: нижняя 7 является опорой для за гружаемых слоев гравия 6 и песка 9, верхняя 10 — служит для распределения падающей струи воды. При каждой зарядке фильтра на нижнюю решетку укладывают фильтро вальную ткань 2 (фланель, сукно), на нее засыпают гравий слоем 10–12 см (средний диаметр частиц — 10–12 мм). Насыпанный гравий разравнивают и покрывают фильт ровальной тканью так, чтобы между ею и стенками фильтра не было зазоров. На филь тровальную ткань насыпают слой мелкой фракции кварцевого песка с диаметром час тиц 0,8–1,2 мм, а на нее слой более крупной фракции с диаметром частиц 1,25–2,3 мм. Слой кварцевого песка, общая высота которого может достигать 2 м, покрывают сверху еще одним полотном фильтровальной ткани. После загрузки фильтр промывают во дой, а затем подают воду на фильтрование.

Скорость протока очищаемой воды через гравийно песочные фильтры составляет 4–5 м/ч при нормальном и 8–10 м/ч при форсированном режиме. Спустя некоторый промежуток времени от начала фильтрования скорость движения воды в фильтре за медляется в результате оседания на поверхности песка взвешенных частиц, поэтому рекомендуется периодически (зависит от качества исходной воды — примерно 1 раз в неделю) фильтр промывать противотоком, пропуская сжатый воздух и очищенную воду в течение 10–20 мин в обратном направлении. Один раз в месяц фильтр разгру жают для дезинфекции песка.

Технические характеристики гравийно песочных осветлительных фильтров, выпускаемых английской фирмой Jurby Watertech International (Лондон), приве дены в табл. 4.4. Фильтры большей производительности могут быть изготовлены индивидуально.

Таблица 4.4

Технические характеристики фильтров для удаления из воды взвешенных частиц, выпускаемые фирмой Jurby Watertech International

Технические характеристики некоторых гравийно песочных осветлительных филь тров, выпускаемых ОАО «Завод «Комсомолец» (г. Тамбов), приведены в табл. 4.5.

Таблица 4.5

Технические характеристики гравийно песочных осветлительных фильтров, выпускаемых ОАО «Завод «Комсомолец»

Производительность (м3/ч) песочных осветлительных фильтров рассчитывают по

где vв — скорость протока воды через фильтр, м/ч; F — площадь поперечного сечения фильтра, м2.

Фильтр прессы для осветления воды. Фильтр пресс (рис. 4.6) представляет со бой набор фильтровальных рифленых плит 5, зажатых между упорной 4 и нажимной 8 плитами. Приливами 6 плиты опираются на балки 7. Фильтрующий материал (филь тровальный картон), расположен между плитами. В пакет плиты сжимают храповым механизмом 11 с помощью маховика 10. Пакет плит в зажатом состоянии образует ряд камер, каждая из которых разделена на две части фильтрующим картоном. Фильтр пресс может быть установлен на передвижной тележке 13, на которой также смонтиро ваны насос 15 с электродвигателем 14 и поддон 12 для улавливания капель воды из пакета плит.

3

2

11

1

12

13

Рис. 4.6. Передвижной фильтр пресс для тонкого фильтрования воды:

1 — штуцер для входа исходной воды; 2 — воронка; 3 — штуцер для выхода фильтрован ной воды; 4 — плита упорная неподвижная; 5 — плита; 6 — прилив плиты; 7 — балка опорная; 8 — плита упорная неподвижная; 9 — труба опорная; 10 — маховик; 11 — механизм храповой; 12 — поддон; 13 — тележка; 14 — электродвигатель; 15 — насос

Размер листов картона должен быть на 35–55 мм больше размера плит. Картон располагают так, чтобы поток воды был направлен от гладкой поверхности к шерша вой. Нижний край картона должен опираться на опорные трубы 9. Между плитами устанавливают герметизирующие резиновые прокладки.

Во время заполнения фильтра пресса водой через воронку 2 воздушные клапаны открывают. Нефильтрованная вода подается через штуцер 1, а фильтрованная выходит через штуцер 3. После заполнения фильтра водой воздушные клапаны закрывают. Про цесс фильтрования воды продолжается до тех пор, пока давление в фильтре прессе не достигнет 0,25 МПа.

172 ПИВОВАРЕННАЯ ИНЖЕНЕРИЯ

Технические характеристики некоторых фильтр прессов для тонкой очистки воды приведены в табл.4.6.

где qв — удельная производительность фильтровального материала по воде, м3/(м2 ч); F — рабочая площадь поверхности фильтра, м2.

4.3.2. Обеззараживание воды

Для обеззараживания воды используют химические и физические методы биоло гической очистки, в том числе:

•стерилизующее фильтрование;

•хлорирование;

•облучение ультрафиолетом;

•озонирование;

•обработку ионами серебра (серебрение);

•обработку ультразвуком;

•термическую обработку (кипячение);

•обратный осмос и ультрафильтрацию.

Последние два метода в настоящем разделе не рассматриваются, поскольку их обыч но применяют для умягчения воды, одновременно сопровождающегося стерилизующим эффектом.

Механизм стерилизации жидкостей во всех перечисленных методах (кроме сте рилизующего фильтрования, ультрафильтрации и обратного осмоса) основан на том, что под действием жестких воздействий (тепловых, химических, лучевых и пр.) микроорганизмы гибнут или разрушаются, но при этом они в нежизнеспособном виде либо в виде отдельных фрагментов остаются в обеззараженной жидкости. Лишь методы стерилизующего фильтрования, ультрафильтрации и обратного ос моса (благодаря механизму задерживания микроорганизмов на поверхности или

в толще фильтровальных материалов) обеспечивают получение стерильных жидко стей, в которых отсутствуют не только жизнеспособные, но и нежизнеспособные мик роорганизмы или их фрагменты.

В производстве пива и безалкогольных напитков в промышленном масштабе для обеззараживания воды наиболее распространены фильтрование через обеспложиваю щие материалы, обработка хлорсодержащими реагентами, облучение ультрафиолетом и озонирование.

4.3.2.1. Стерилизующее фильтрование воды

При стерилизующем фильтровании жидкостей в качестве фильтровальных пере городок используют:

•волокнистые фильтровальные материалы;

•пористую керамику или металлокерамику;

•микрофильтрационные мембраны из полимеров или неорганических материалов. Стерилизующее фильтрование воды обычно включают в систему водоподготовки

после песочного фильтра.

Фильтр прессы для стерилизующего фильтрования. По конструктивному уст ройству эти фильтры аналогичны фильтрам!прессам, описанным в разделе 4.3.1.2. От личает их лишь тип и технологические возможности применяемых фильтровальных материалов — для стерилизующего фильтрования используют обеспложивающие фильтровальные картоны.

Керамический патронный (свечевой) фильтр. Предназначен для тонкого обесп ложивающего фильтрования воды и представляет собой цилиндрический сосуд со

В нижней части фильтра расположены входной патрубок с вентилем 6 и кран 7 для спуска осадка, а в крышке имеется патрубок 3 для отвода фильтрата. Техническая характеристика одного из патронных фильтров приведена ниже.

Техническая характеристика патронного керамического фильтра ФК 2М

Производительность (при минимальном осадке), л/ч . . . . . . . . . . . 2500 Рабочее давление, МПа . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 0,2–0,25 Число фильтрующих элементов, шт. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 37 Площадь фильтрования, м2 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1,75 Габаритные размеры, мм . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 525×525×820 Масса, кг . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 60

Воду, подлежащую фильтрованию, подают в фильтр через нижний входной патру бок под давлением. Проникнув через поры керамической свечи, очищенная вода со бирается во внутренней полости фильтрующего элемента, откуда через отверстия

ввыводных штуцерах поступает в полость крышки и по верхнему выводному пат рубку направляется в производство.

Впроцессе эксплуатации фильтра необходимо ежедневно промывать свечи, пропус кая воду в течение 10 мин в обратном направлении при давлении до 0,03 МПа. Фильтр рекомендуется очищать и дезинфицировать не менее двух раз в месяц. При дезинфек ции корпус фильтра обрабатывают хлорной известью, а свечи погружают на 10–12 ч

в1% ный раствор KМnО4, после чего их ополаскивают водой. При образовании на све чах слизистого налета их необходимо прокипятить в 5% ном растворе питьевой соды.

Производительность патронных керамических фильтров, как и фильтр прессов, рассчитывают по формуле (4.11).

Микрофильтрация. Это один из самых эффективных способов обеззараживания воды, поскольку применение мембран с размером пор 0,22 мкм гарантированно обес печивает получение абсолютно стерильной воды, не содержащей не только жизнеспо собную, но и нежизнеспособную микрофлору.

Тем не менее, микрофильтрация пока не находит широкого применения в водоподго товке на пивоваренных предприятиях, поскольку относительно дорога. Более подробно особенности микрофильтрации будут рассмотрены далее в специальном разделе 4.4, посвященном мембранным процессам разделения жидких смесей.

4.3.2.2.Хлорирование воды

Хлорирование — наиболее простой и дешевый способ обеззараживания воды.

В процессе хлорирования воду обрабатывают газообразным хлором, диоксидом хлора, гипохлоритом натрия и некоторыми другими хлорсодержащими реагентами, дозируя хлорсодержащий реагент в поток воды и выдерживая обработанную воду в контактном сборнике не менее 1 ч (см. схемы на рис. 4.1 и 4.2). При этом содержание активного хлора в воде после хлорирования может достигать до 6–10 мг/дм3.

При обычных условиях хлорирования бактерицидное действие хлора эффектив но лишь по отношению к основной части микроорганизмов, не образующих споры.