Обработка активным углем

Водно-спиртовая смесь является полупродуктом водочного производства. Характерные для водки вкус и аромат смесь при­обретает только после обработки ее активным углем.

Общие сведения и характеристика активных углей. Еще в

1785 г. русский химик Т. Е. Ловиц впервые обратил внимание на поглотительную и обесцвечивающую способность древесного угля, и с тех пор по его предложению древесный уголь стали применять в русском флоте для очистки питьевой воды, на водочных заводах для очистки спиртов и в сахарной промышленности для обесцве­чивания сахарных растворов.

С этого времени уголь, вначале древесный простого обжига, а с 30-х годов нашего столетия активный, становится основным ре­агентом при очистке водно-спиртовых смесей в водочном произ­водстве и, как доказано многолетней практикой работы, повышает вкусовые и ароматические свойства водок.

Обработка водно-спиртовых смесей углем является сложным физико-химическим процессом.

Очистка смесей активным углем основана на его способности поглощать (сорбировать) содержащиеся в спирте примеси, ухуд­шающие органолептические свойства водок, и ускорять окисли­тельно-восстановительные реакции.

При сорбционных процессах водно-спиртовые смеси освобож­даются по части содержащихся в ней примесей, а в результате окислительно-восстановительных реакций происходят качествен­ные и количественные изменения в составе примесей.

Активным углем называют получаемый специальным способом мелкопористый уголь с высокоразвитой внутренней поверхностью, Достигающей 500—1000 м²/г, обусловливающей его большую ад­сорбционную способность.

В отличие от ионитов уголь поглощает (адсорбирует) вещест­ва из окружающей среды.

Адсорбцией называется свойство углей и других твердых тел удерживать на своей поверхности пары, газы и растворенные ве­щества.

Обычный древесный уголь простого обжига, получаемый при обугливании древесины без доступа воздуха, обладает слабой ад­сорбционной способностью, так как образующиеся при повышении температуры некоторые продукты перегонки (смола, тяжелые уг­леводороды) заполняют значительную часть его пор, уменьшая активную поверхность.

Производство активных углей из древесного угля простого об­жига заключается в том, чтобы освободить его поры от указанных веществ и тем самым увеличить активную поверхность. Это до­стигается путем прокаливания угля простого обжига при темпе­ратуре около 800 °С в потоке водяного пара или углекислого газа, обладающих слабым окислительным действием. При этом смоли­стые вещества выгорают и активность остающегося угля возра­стает в десятки раз по сравнению с исходным.

В других случаях активирование древесного угля прокалива­нием производится с предварительным пропитыванием его или ис­ходной древесины различными химическими веществами, напри­мер хлоридом кальция, хлоридами магния или цинка, которые увеличивают его активную поверхность. В этих случаях активиро­вание угля происходит при более низкой температуре (500— 600 °С).

Органическое вещество угля состоит в основном из углерода (до 96%), небольшого количества водорода (1—2,5%), азота (0,3—1,5%) и серы (до 1 %). В состав минеральных веществ вхо­дят железо, алюминий, магний, калий, кальций и кремний. Неко­торые из минеральных веществ, особенно окислы железа и маг­ния, могут играть роль катализаторов различных химических ре­акций.

Согласно ГОСТ 6217—74 активный уголь должен иметь сле­дующие показатели: суммарная пористость из воды не менее 1,6 см³/г, содержание золы не более 7%, насыпная плотность 0,24 г/м³, влажность не более 10 %. Активность угля по адсорбции уксусной кислоты (по Ошмяну) не менее 50 ед.; активность по щелочности водного настоя (по Шульману) не менее 2—3 мл.

Качество угля имеет большое значение, так как в основном оно определяет органолептические показатели готовой водки. Однако, несмотря на давность применения угля в водочном производстве, пока нет точно сформулированных требований к его качеству, ко­торые бы надежно характеризовали очистительные свойства, про­являемые углем при обработке водно-спиртовых смесей.

Согласно теории академика M. M. Дубинина адсорбционные свойства активных углей тесно связаны с их пористой структурой.

Различают следующие разновидности пор активных углей: мак­ропоры, переходные и микропоры.

Основная роль в адсорбции принадлежит наиболее мелким по­рам угля — микропорам, так как у них более развитая внутрен-

няя поверхность, чем у макропор или переходных, и потому они отличаются особым механизмом происходящих в них адсорбцион­ных или капиллярных процессов.

Так, для микропор характерно объемное заполнение адсорб­ционного пространства, а при заполнении поверхности переходных и макропор — последовательное образование адсорбционных слоев. Это свидетельствует о том, что уголь с большим содержанием микропор обладает большей адсорбционной (поглотительной) способностью. Однако, выбирая мелкопористый уголь, как более активный, следует учитывать, что его поры могут оказаться более мелкими, чем молекулы примесей водно-спиртовых растворов, ко­торые он должен сорбировать, и это может значительно затруд­нить процесс.

В настоящее время промышленность выпускает много марок углей, различных по структуре, и, следовательно, с разными свой­ствами. Подбор угля с определенными, оптимальными для ликерно-водочной промышленности параметрами имеет актуальное зна­чение как для улучшения качества водок, так и для повышения производительности очистных цехов. Соответствующую марку угля следует подбирать с учетом его структурных свойств.

В настоящее время усилия исследователей направлены на поиск соответствующей марки угля и на разработку прямого или косвенного метода определения активности угля, который наибо­лее полно отражал бы процессы, происходящие при обработке водно-спиртовых смесей.

Активный уголь проявляет избирательное (селективное) дей­ствие к различным примесям: альдегидам, эфирам, сивушным маслам, кислотам. Это явление объясняется тем, что процесс ад­сорбции зависит не только от структуры угля, но и от химической природы адсорбируемого вещества.

В водочном производстве следует обращать внимание на чи­стоту угля, его механическую прочность, адсорбционную и ката­литическую способность. Активный уголь способен поглощать различные вещества, находящиеся в окружающей его атмосфере, поэтому при его перевозке и хранении он должен быть упакован в стальные или фанерные бочки, выложенные изнутри плотной бумагой. Допускается его упаковка и в бумажные многослойные мешки.

Способы обработки водно-спиртовых смесей активным углем. В течение длительного времени на отечественных ликерно-водоч-ных заводах применяли различные упрощенные периодичес­кие способы обработки, которые заключались в смешива­нии угля с водно-спиртовым раствором в напорном чане или прокачивании раствора через патроны с активным углем, встав­ляемые в напорные чаны. Основные недостатки этих периодиче­ских методов — прерывность процесса, низкая производительность, незначительный эффект использования угля и трудоемкость опера­ций, связанных с извлечением и регенерацией угля. Кроме того, Действие малых доз угля на большие объемы водно-спиртовых растворов даже при интенсивном пе­ремешивании не обеспечивает получе­ния однородной по качеству водки.

В настоящее время обработку сор­тировки углем осуществляют непре­рывно двумя способами: динамическим и во взвешенном слое угля. -

Динамический способ при­меняется по предложению В. Ф. Ко­марова, И. Ф. Майского и В. Г. Свириды. Это непрерывный способ обработ­ки водно-спиртовых смесей активным углем, заключающийся в том, что смесь пропускают через одну, две или три последовательно соединенные меж­ду собой угольные колонки.

Активный уголь различной степени зернения загружают в медные, лужен­ные изнутри колонки (рис. 15) высо­той 4,2 м и диаметром 0,7 м и через них снизу вверх пропускают водно-спиртовой раствор. В одну колонку объемом 1,6 м³ помещается от 250 до 300 кг угля. Уголь укладывают на ре­шетку с отверстиями диаметром 8 мм, покрытую тканевой салфеткой. Высо­та слоя угля 4 м. Сверху уголь по­крывают тканевой салфеткой, поверх которой накладывают разъемную ме­таллическую луженую решетку, кото­рую свободно вынимают через верх­ний люк. Через 10—15 дней работы, когда уголь несколько осядет, колон­ку догружают.

В центре крышки расположены три штуцера, предназначенные для выхода водки, для установки предохранитель­ного клапана и подачи пара. На крышке установлен герметически закрывающийся лючок. В нижней части колонки, сбоку, имеется патрубок для установки термометра.

Установка для обработки сортировки активным углем состоит из двух песочных фильтров (форфильтры) одной, двух или трех угольных колонок, соединенных между собой последовательно, и двух керамических фильтров для окончательной фильтрации вод­ки после угольных колонок (рис. 16).

Очистка водно-спиртовых смесей происходит следующим обра­зом: из напорного чана смесь самотеком поступает на предвари­тельную фильтрацию в форфильтры-песочники (или предваритель­ные фильтры) для предотвращения загрязнения угля посторонними частицами, вносимыми с водой и механически увлекаемыми водно-спиртовой смесью из напорного чана. Пройдя форфильтры, смесь поднимается в угольные колонки, а затем для окончатель­ной фильтрации — в керамические или песочные фильтры, а из _них _ в сборники готовой продукции. Последняя фильтрация (после очистки углем) необходима для задержания мелкодисперсных чистичек угля, образующихся в колонке при движении через плотный вертикальный слой угля значительной высоты.

Перед загрузкой угля проверяют исправность колонки, вход­ных и выходных коммуникаций и арматуры к ним, наличие ниж­него и верхнего металлических сит, герметичность нижнего и верх­него люков, исправность отводной трубки для воздуха и пробного-краника.

Уголь загружают в колонку через верхний люк. При этом мож­но пользоваться переносной воронкой. При загрузке принимают меры для предотвращения попадания угольной пыли в помещение очистного цеха, для чего люк угольной колонки обертывают влаж­ной тканью или уголь перед загрузкой предварительно смачивают водно-спиртовой смесью.

После загрузки колонки до горловины вставляют верхнее сито, люк закрывают и плотно завинчивают. Через 10—15 дней работы, когда уголь осядет, колонку снова загружают углем до горловины. Затем к колонке последовательно подключают форфильтры и ке­рамические фильтры.

На фильтр для предварительной фильтрации водно-спиртовую смесь подают через наполнительную коммуникацию при закрытом нижнем кране и открытом воздушнике. Жидкость, постепенно за­полняет форфильтр, вытесняя из него воздух. Появление струи жидкости в воздушнике сигнализирует о том, что фильтр заполнен смесью, тогда воздушник закрывают и одновременно открывают сливной кран.

Первые мутные порции фильтрата направляют в сортировочное отделение на переработку. Время перекачивания потока водки на угольные колонки устанавливают путем периодического отбора проб через краник на выходной коммуникации. Пробы проверяют на прозрачность. Когда фильтрат станет прозрачным, переключа­ют кран и смесь поступает в угольные колонки.

Угольную колонку заполнять жидкостью следует медленно при открытых воздушных и пробных краниках (для выхода воздуха). После заполнения пробный краник закрывают (воздушный кран остается открытым). Первые порции фильтрата, имеющие пони­женную крепость, направляют в смеситель. После того как кре­пость фильтрата становится стандартной, поток направляют на керамические или песочные фильтры, а затем прозрачный фильт­рат — в сборники готовой продукции.

Скорость фильтрации постепенно увеличивают до требуемой в зависимости от вида водки и активности угля. Скорость фильтра­ции регулируется входными и выходными кранами фильтров, ско­рость потока — с помощью ротаметра, установленного на ком­муникации, после угольной колонки.

Скорость подачи водно-спиртовой смеси на фильтрационные установки для обработки сортировок зависит от вида водки и ка­чества угля. Предельно допустимая скорость подачи сортировки на одну угольную колонку со свежим углем для водки типа Экст­ра 30 дал/ч, для водки типа Водка 60 дал/ч.

Активность угля в процессе фильтрования снижается, поэтому приходится уменьшать и скорость фильтрации, которая для водки типа Экстра оставляет минимально 5 дал/ч, а для водки типа Вод­ка — 10 дал/ч.

Продолжительность работы угольной колонки без регенерации может колебаться в широких пределах и составлять от 15 до 100 тыс. дал.

Активный уголь в процессе обработки водно-спиртовых раство­ров постепенно утрачивает свои очистительные свойства. Восста­новление активной способности угля называется регенерацией.

Регенерацию осуществляют непосредственно в колонке, воздей­ствуя на уголь насыщенным водяным паром температурой 1 ΙΟ­Ι 15 °С при давлении 0,07 МПа.

Последовательность операции при регенерации угля следую­щая: вначале колонку отключают от батареи и спускают находя­щуюся в ней водку в смеситель для переработки, затем на колон­ке закрывают спускной и воздушный краны, открывают крышку верхнего люка, вынимают из горловины сетку и вновь закрывают люк. Открыв кран на трубопроводе, соединяющем колонку с хо­лодильником, и паровой вентиль, начинают медленно пускать в нее насыщенный пар. Одновременно открывают доступ холодной воде в холодильник и, регулируя ее подачу, следят за тем, чтобы температура спиртового отгона по выходе из холодильника не пре­вышала 15—18 °С.

Паровая коммуникация снабжена редукционным клапаном и манометром. Крепость отгона контролируют с помощью спиртоме­ра, установленного внутри фонаря. Отгон, содержащий спирт, направляют в специальный сборничек, а не содержащий спирта — в канализацию.

В результате регенерации угля из одной колонки получают 50—60 дал спиртового отгона крепостью 55—60 % об., который направляют на ректификацию или денатурацию. Обработку угля паром ведут в течение 6—8 ч, после чего подачу пара в колонку прекращают. После регенерации уголь в колонке охлаждают ес­тественным путем при открытом верхнем люке или продуванием сжатого воздуха, подаваемого от компрессора или воздуходувки. При втором способе сокращается время, необходимое на охлаж­дение угля, удаляется лишняя влага и уголь насыщается кислоро­дом воздуха. Когда температура угля понизится до 50—55 °С, продувку прекращают, закладывают решетку, колонку закрывают крышкой и вновь включают в работу.

Регенерацию проводят 3—4 раза в год. Расход угля на 1000 дал сортировки составляет 1,6 кг.

Регенерация угля насыщенным паром малоэффективна, так как из пор угля не полностью удаляются адсорбированные при­меси, температура кипения которых выше 110 °С, и поэтому не полностью восстанавливаются исходные свойства активного угля. В связи с этим усилия ученых и специалистов промышленно­сти направлены на дальнейшие поиски лучших способов регене­рации.

Внедрение в производство динамического способа позволило значительно интенсифицировать и упростить процесс обработки сортировок углем, повысить качество водки, уменьшить расход угля, снизить потери спирта.

Однако этот способ имеет и существенные недостатки, главные из которых — все еще низкая производительность угольных коло­нок и неравномерность, обработки сортировок. Уголь в колонках находится в виде плотного вертикального слоя, и не вся эффек­тивная поверхность угля участвует в процессе. Поток водно-спир­товой смеси в плотном слое угля движется по каналам, образуя зоны, слабо участвующие или совсем не принимающие участия в процессе очистки. Неравномерность обработки и длительный

Производительность установки 500 дал/ч. Для оптимизации окислительных и сорбционных процессов и снижения удельного расхода угля сортировку пропускают через систему реакторов, в которых создается турбулентный режим движения потока.

Основным аппаратом установки является колонна-реактор, представляющая собой цилиндрический корпус диаметром 0,7 м и высотой 4,5 м, оканчивающийся коническим днищем, а в верх­ней части—сепаратором.

Сепаратор состоит из трех частей: цилиндрической диаметром 1,2 м и высотой 0,4 м, конической крышки и переходного конуса, с помощью которого он соединяется с корпусом колонки. На крыш­ке имеются люк, предназначенный для загрузки реактора углем, штуцер для вывода обработанной сортировки и патрубок для уда­ления воздуха в спиртоловушку. Сепаратор служит для предотвра­щения уноса частичек угля из колонки. В сепараторе за счет уве­личения сечения с 0,7 до 1,2 м резко снижается скорость потока, отчего частички угля теряют скорость движения и возвращаются в цилиндрическую часть колонки. В низу цилиндрической части реактора имеется люк для выгрузки угля.

Сортировку центробежным насосом непрерывно через форфильтры в реакторы, предварительно заполненные на 55-60 % по объему) активным углем. Скорость потока постепенно увеличивают и доводят до критической, т. е. до величины, когда уголь переходит в состояние взвешенного слоя (турбулентный режим движения). Достигнув критической скорости, давление по­тока жидкости, подаваемой снизу, становится равным массе зер­нистого слоя угля. При дальнейшем увеличении скорости потока. частички угля приобретают хаотическое движение (поступатель­ное и вращательное). При этом уголь поднимается по центру ко­лонн и опускается у стенок. Интенсивность потока в 5—8 л/(м²-с) обеспечивает переход неподвижного слоя угля во взвешенное со­стояние; при этом объем его увеличивается на 140—160 % от пер­воначального. Благодаря турбулентному режиму движения и не­большим размерам зерен угля обмен интенсифицируется и, сле­довательно, увеличивается производительность установки.

Последовательность подключения колонн-реакторов в батарее может меняться в зависимости от истощения активного угля. Вод­но-спиртовая смесь, обработанная активным углем, поступает в фильтр предварительной очистки (с намывным слоем) для задер­жания частичек угольной пыли, а затем в фильтр тонкой очистки и в сборник готовой продукции. Установка может состоять из 3—4 реакторов в зависимости от производительности завода.

При обработке водно-спиртовых смесей во взвешенном слое достигается эффективное перемешивание частичек угля в раство­ре, что обеспечивает более интенсивный обмен между твердой и жидкой фазами и равномерность обработки водно-спиртовых растворов по всему объему колонны. Небольшое гидравлическое сопротивление взвешенного слоя угля, не зависящее от скорости фильтрации, позволяет использовать уголь мелкого зернения, об­ладающий развитой поверхностью контакта.

С решением проблемы непрерывного приготовления водно-спир­товых смесей и разработкой нового, высокоэффективного способа их обработки во взвешенном слое угля приготовление водок мо­жет быть полностью переведено на непрерывный замкнутый цикл

производства.

На рис. 18 приведена технологическая схема непрерывно действующей автоматизированной линии приготовления водки.

Приготовление водки на этой линии осуществляется следую­щим образом: ректификованный спирт из спиртохранилища посту­пает самотеком в сборник, установленный в сортировочном отде­лении. Спирт, умягченная вода (каждый из своего сборника) и ра­створ вкусовых добавок из сборника ингредиентов поступают самотеком через бачки с регуляторами уровня и расходомеры в смеситель непрерывного действия. Получаемая водно-спиртовая смесь дополнительно перемешивается центробежным насосом, •автоматически корректируется по крепости и подается через форфильтры в угольные колонны-реакторы, где в условиях турбулент­ного движения происходит обработка смеси активным углем при интенсивном перемешивании.

метичность оборудования. Благодаря компактности все оборудова­ние линии может быть размещено на значительно меньших произ­водственных площадях. Схема обеспечивает получение стабильных по качеству водочных изделий.

Дата добавления: 2014-10-31