Розробка електромембранної установки підготовки мінералізованих артезіанських вод для харчових виробництв: автореф. дис. на здобуття наук. ступеня канд. техн. наук: 05.18.12 – процеси та обладнання харчових, мікробіологічних та фармацевтичних виробництв

Abstract

Дисертація присвячена розробці електромембранної установки та електродіалізного апарату для підготовки води артезіанських джерел у харчових виробництвах. Розроблено методику роздільного визначення різних форм існування у воді сполук заліза та сірководню. Розроблено рекомендації для їх вилучення. Визначено фактори, які негативно впливають на процес електродіалізу: теплова поляризація мембран; різниця тиску в камерах концентрування та знесолення; екранування поверхні мембран газами, які виділяються з води. Встановлено, що зміна орієнтації мембран та камер з горизонтальної площини на вертикальну дозволяє значно зменшити витрати електроенергії на створення високої швидкості потоку і тиску в камерах знесолення. Розроблено технологію регенерації мембран від пасивації сполуками заліза, органічними речовинами і солями жорсткості. Розроблено та впроваджено на Мелітопольському пивзаводі дослідно-промислову установку, яка включає блоки накопичення води, вилучення заліза та сірководню, очистку від механічних домішок та електродіалізну демінералізацію. Проведено випробування установки протягом двох років. На основі результатів експлуатації установки та лабораторних досліджень розроблено робочі креслення нового електродіалізатора “Джерело-В”. Креслення передані на підприємство “Хартрон-Плант”, м. Харків для впровадження.

Диссертация посвящена разработке электромембранной установки и электродиализного аппарата для подготовки воды артезианских источников в пищевых производствах. Проведен анализ направлений использования мембранных методов очистки воды в пищевой промышленности. Показано, что электромембранные процессы менее требовательны к предварительной очистке исходной воды и колебаниям её солевого состава . Анализ конструкций существующих электродиализаторов показал, что основной их недостаток – большие энергозатраты на перекачивание жидкости. Рассмотрены основные методы предварительной подготовки воды. Показано, что надежность работы установок подготовки воды зависит от правильности определения форм примесей, пассивирующих мембраны. Разработана методика раздельного определения различных форм существования в воде соединений железа и сероводорода. Разработаны рекомендации по их удалению. Показано, что для удаления из воды сероводорода и ионных форм железа наиболее эффективна обработка воды воздухом в эжекторе. Для удаления железо-гуматных комплексов рекомендуется использовать коагуляцию сернокислым алюминием. Определены факторы, отрицательно влияющие на процесс электродиализа в традиционных конструкциях электродиализаторов: тепловая поляризация мембран; разница давлений в камерах обессоливания и концентрирования; экранирование поверхности мембран газами, выделяющимися из воды. Проведены исследования электродиализного обессоливания Харьковской водопроводной воды и Мелитопольской артезианской воды при различных режимах обессоливания в электродиализаторах с различной конструкцией и ориентацией камер. Экспериментально подтверждена значимость каждого из вышеперечисленных факторов. Установлено, что перевод ориентации мембран и камер из горизонтальной плоскости в вертикальное положение позволяет не только значительно уменьшить затраты электроэнергии на создание высокой скорости потока и высокого давления в камерах обессоливания, но и позволяет устранить увеличение толщины камер обессоливания под действием разности давлений, а также обеспечивает свободный выход газов под действием выталкивающей силы. Разработана технология регенерации мембран от пассивации соединениями железа, органическими веществами и солями жесткости. Разработана и внедрена на Мелитопольском пивоваренном заводе опытно-промышленная установка кондиционирования воды. Установка включает блоки накопления воды, удаления железа и сероводорода, очистки от механических примесей, и электродиализной деминерализации. Производительность установки составляет 3,0 м3 /ч по обессоленной воде. Проведен подбор и расчет оборудования. Для удаления сероводорода и окисления ионных форм железа разработан, изготовлен и установлен эжектор производительностью 9,0 м3 /ч. В состав установки входит модернизированный электродиализатор Э.400.01 производства Алма-Атинского электро-механического завода. При сборке электродиализатора использовано 240 пар ионообменных мембран. Усовершенствована конструкция токоподводов. Производственные испытания установки проведены в течение двух лет. Профилактические ревизии, включающие разборку и сборку аппарата показали, что работа устанавки удовлетворяет предъявляемым требованиям. Степень обессоливания составила 50%. Установка обеспечивает необходимые показатели качества воды для пивоварения даже при значительном колебании входных параметров воды. На основании результатов эксплуатации установки на Мелитопольском пивзаводе, а также данных лабораторных исследований разработана конструкция вертикального электродиализатора “Джерело-В”. Для лучшего уплотнения пакета мембран и прокладок аппарат собирается в горизонтальном положении с последующей установкой его вертикально. В качестве прокладки использована полиэтиленовая рамка толщиной 0,8 мм с вваренной в нее полиэтиленовой сеткой той же толщины. Аппарат не имеет существенного перепада давлений между камерами. Эффективность обессоливания воды в данном аппарате при низких скоростях движения не ниже, чем в традиционных конструкциях электродиализаторов, использующих высокие скорости воды. В результате общая потеря напора в электродиализаторе “Джерело-В” уменьшается в 50…100 раз. Общие затраты электроэнергии на обработку воды в таком электродиализаторе составляют 0,8 кВтч/м3 . Аппарат разработан в двух модификациях: с использованием анода из платинированного титана и с графитовым анодом. Прижимные плиты выполнены в облегченном варианте с ребрами жесткости. Масса прижимной плиты составляет 45 кг. Разработаны рабочие чертежи электродиализатора “Джерело-В”. Производительность такого аппарата при степени обессоливания 50% составляет 1…3 м3 /ч, габаритные размеры - 900х650х800, масса – 120 кг. Чертежи переданы на предприятие “Хартрон-Плант”, г. Харьков для изготовления по заказам предприятий.

The Thesis is devoted to development of electromembrane system and electrodialysis unit for preparation of water from artesian springs in food production. Developed methods of separate determination of different forms of presence of iron and hydrogen sulphide compounds in water and recommendations how to remove them. Specifies factors that negatively affect the process of electrodilysis: thermal polarisation of membranes; pressure difference in desalting and concentration cells; screening of membrane surface with gases, escaping from water. Found out that transfer of membrane and cell orientation from horizontal plane to vertical position enables to considerably reduce power consumption for creating high-rate flow and high pressure in desalting cells. Developed technology of membrane regeneration from passivation by iron compounds, organic substances and hardness salts. Experimental industrial system of water conditioning was developed and introduced at Melitopol Brewery. The system is composed of a water-collecting unit, iron- and hydrogen sulphide-removing unit, unit for cleaning from mechanical impurities and electrodialysis demineralisation unit. There were conducted production tests of the system during a two-year period. Basing on results of . system operation and laboratory studies there are developed working drawings of new electrodialysis unit "Dzherelo-B". The drawings were delivered to "Khartron-Plant", Kharkiv, for implementation.