автореферат диссертации по технологии продовольственных продуктов, 05.18.12, диссертация на тему:Разработка и научное обеспечение системы процессов насыщения воды кислородом



На правах рукописи

// /

МАРКОВ Александр Анатольевич

РАЗРАБОТКА И НАУЧНОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ СИСТЕМЫ ПРОЦЕССОВ НАСЫЩЕНИЯ ВОДЫ КИСЛОРОДОМ

Специальность 05.18.12 - Процессы и аппараты пищевых производств

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

1 В МАЙ 2013

005058964 1 0 1 |Я''

Воронеж - 2013

005058964

Работа выполнена в Федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Воронежский государственный университет инженерных технологий» (ФГБОУ ВПО «ВГУИТ»).

Научный руководитель - заслуженный изобретатель РФ,

доктор технических наук, профессор Антипов Сергей Тихонович (ФГБОУ ВПО «Воронежский государственный университет инженерных технологий»)

Официальные оппоненты - Почетный работник высшего профессионального образования, доктор технических наук, профессор, Алексеев Геннадий Валентинович (Институт холода и биотехнологий ФГБОУ ВПО Санкт-Петербургского национального исследовательского университета информационных технологий, механики и оптики), заведующий кафедрой

доктор технических наук Титов Сергей Александрович (ФГБОУ ВПО «Воронежский государственный университет инженерных технологий», доцент

Ведущая организация - ФГБОУ ВПО «Воронежский государственный технический университет»

Защита диссертации состоится « 13 » июня 2013 г. в 14— часов на заседании совета по защите диссертаций на соискание ученой степени кандидата наук, на соискание ученой степени доктора наук Д 212.035.01 при ФГБОУ ВПО «Воронежский государственный университет инженерных технологий» по адресу: 394036, г. Воронеж, проспект Революции, 19, конференц-зал.

Автореферат размещен на сайте http://vak.ed.gov.ru С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ВГУИТ.

Автореферат разослан «13» мЭя 2013 г.

Ученый секретарь совета по защите диссертаций на соискание ученой степени ^ кандидата наук, на соискание ученой степени доктора наук Д 212.035.01,

доктор технических наук, профессор^ ^ Г.В. Калашников

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. Сегодня массовым явлением становится недостаточное снабжение органов и тканей тела человека кислородом - гипоксия, которая сводит на нет многие усилия по поддержанию высокого жизненного тонуса. Преждевременно стареют клетки организма, в теле собираются шлаки и свободные радикалы, накапливается усталость.

Недостаток кислорода можно восполнить только самим кислородом. Все большее применение в косметологии и курортном лечении получают кислородные маски, появились и кислородные коктейли. Однако единственным средством, которое можно использовать регулярно и без особых дополнительных условий, является оксигенированная, то есть насыщенная кислородом, питьевая вода.

В ближайшее время прогнозируется рост спроса на кислородную воду со стороны авиаперевозчиков, жителей мегаполисов, спортсменов, а так же пожилых людей. В России к указанным категориям следует добавить и жителей северных регионов, составляющих весьма значительную часть населения страны, которые проживают в условиях постоянного кислородного голодания (в силу особенностей строения атмосферы количество кислорода в северных широтах на 25 % ниже нормы).

Для потребителя избыточный кислород оказывает благоприятное влияние на организм человека - не раздражает слизистую оболочку желудка, не вызывает аллергических реакций, предотвращает гипоксию (кислородное голодание), способствует снижению веса, улучшает обмен веществ, замедляет процессы старения (а не ускоряет, как это считалось до недавнего времени), является отличным антиоксидантным средством, связывая свободные радикалы, повышает выносливость, предотвращает снижение глюкозы в крови, положительно влияет на кровеносную систему, способствует очищению и восстановлению кожи, вследствие ускоренной регенерации.

Социологические исследования показывают, что регулярное употребление оксигенированной воды способствует повышению жизненного тонуса, улучшению работы головного мозга,

стимулирует восстановительные процессы после тяжелых физических и умственных нагрузок, снижает воздействие частых стрессовых ситуаций. Благодаря кислороду нормализуются содержание сахара в крови, сердечная деятельность и уровень артериального давления.

Исходя из этого развитие рынка кислородосодержащей воды рассматривается специалистами как наиболее перспективное. Причем есть все основания полагать, что Россия в ближайшее время достигнет уровня зарубежных стран по производству и потреблению кислородосодержащих напитков.

Однако при этом остаются нерешенными проблемы эффективного насыщения кислородом воды в производственных условиях, из-за отсутствия технических решений для реализации данной проблемы.

Известные установки и комплексы оборудования для насыщения воды кислородом обладают в основном следующими главными недостатками: высокая энергоемкость и материалоемкость оборудования установки насыщения питьевой воды кислородом; низкая эффективность насыщения.

Поэтому для снижения энергетических затрат на процесс приготовления кислородонасыщенной питьевой воды и повышения эффективности процесса насыщения путем рациональной организации процесса с получением стабильного продукта и высокой надежности работы имеется потребность в разработке комплекса оборудования обеспечивающего устранение данных недостатков.

Данная работа выполнена в соответствие с планом госбюджетной НИР кафедры машин и аппаратов пищевых производств ВГУИТ (№ ГР 01201253880 Код ГРНТИ: 65.13.19) «Адаптация пищевых машинных технологий к тепло- и массообменным процессам на основе диагностики техники и технологий пищевых производств».

Цель и задачи диссертационной работы. Целью работы является разработка и научное обеспечение системы насыщения воды кислородом и получение инновационных технологических и конструкторских решений при практической реализации процесса.

В соответствии с поставленной целью решались следующие задачи:

- анализ современного состояния технологии и техники для насыщения жидких пищевых сред газами;

- изучение основных качественных параметров исходных продуктов как объектов процесса насыщения воды кислородом;

- синтез и анализ математической модели процесса насыщения воды кислородом;

- численное решение математической модели и сравнение полученных теоретических зависимостей с экспериментальными данными;

- разработка методик и экспериментальной установки для исследования процесса насыщения воды кислородом и осуществление исследований, подтверждающих теоретические предпосылки повышения эффективности процесса насыщения воды кислородом;

- апробация процесса насыщения воды кислородом путем создания и испытания промышленной установки насыщения воды кислородом и исследование качественных показателей полученной воды;

- разработка технических решений, обеспечивающих реализацию системы процессов насыщения воды кислородом.

Научная новизна. Изучено влияние давления, температуры и геометрических параметров струйного аппарата на концентрацию кислорода и объемный коэффициент подачи. Исследованы кинетические закономерности насыщения воды в струйном аппарате. Разработана математическая модель, описывающая закономерности течения двухфазной среды в процессе насыщения воды кислородом в струйном аппарате.

Практическая значимость работы заключается в разработке системы насыщения воды кислородом.

Разработаны новые технические, обеспечивающие получение воды насыщенной кислородом, новизна которых подтверждена патентами РФ на изобретения №2329860, 2331456 и на полезную модель №85835.

Апробация работы. Основные результаты исследований доложены и обсуждены на международных научно-технических конференциях (г. Воронеж, 2011, 2012); (г. Красноярск, 2012), отчетных научных конференциях ВГТА (г. Воронеж, 2010-2011).

Результаты работы экспонировались на постоянно действующих межрегиональных выставках г. Воронежа: II областной выставке инновационных проектов «Промышленность Воронежской области 2010»; «Продторг 2011»; «Пивной сезон. Напитки 2011»; VI международной выставке «Агротехмаш-2011» и отмечены 3 дипломами выставок.

Результаты работы используются в учебном процессе в качестве материалов курсового и дипломного проектирования.

Публикации. По теме диссертации опубликовано 13 работ, в том числе 1 монография, 2 статьи в изданиях, рекомендованных ВАК, 2 патента на изобретения, 1 патент на полезную модель, 1 свидетельство РОСПАТЕНТА о государственной регистрации программы для ЭВМ.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав, основных выводов и результатов, списка литературы и приложения. Работа изложена на 192 страницах машинописного текста, содержит 79 рисунков и 14 таблиц. Список литературы включает 137 наименований. Приложения к диссертации представлены на 20 страницах.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении охарактеризовано современное состояние насыщения жидких пищевых сред газами, обоснована актуальность темы диссертационной работы, научная новизна и практическая значимость выполненных исследований.

В первой главе систематизированы литературные данные о современном состоянии теории, техники и технологии насыщения жидких пищевых сред газами, отмечены основные направления совершенствования технологии и установок для насыщения. Приведена общая классификация оборудования, представлены конструкции установок для обеспечения приготовления кислоро-донасыщенной воды. Уделено внимание анализу особенностей гидродинамики в процессе насыщения воды кислородом.

На основании проведенного анализа сформулированы цель и задачи диссертационной работы, обоснован выбор объекта исследования, определены методы решения поставленных задач.

Во второй главе изложено описание экспериментальных исследований процесса насыщения воды кислородом и осуществлен анализ факторов, влияющих на гидродинамику и массообменные процессы в струйных аппаратах и определяющих эффективность и экономичность работы сатураторов данного типа.

В процессе водоподготовки при баробембранном разделении в специально спроектированном аппарате были осуществлены экспериментальные исследования частичного насыщения воды кислородом в зависимости от давления, которые показывают (рис. 1), что данный процесс рационально проводить при давлении в диапазоне 0,5 -0,7 МПа, согласующийся с условиями удаления приме-

Ша1

Рис. 1. Зависимость насыщения воды кислородом от давления в баромембранном аппарате

сей методом ультрафильтрации.

С целью получения устойчивого раствора 02 и рационального режима проведения процесса насыщения с использованием струйного устройства для лабораторных исследований (рис. 2) изучено влияние давления (рис. 3), температуры (рис. 4) и геометрических параметров струйного аппарата (рис. 5) на концентрацию кислорода Со2 и объемный коэффициент подачи иа, а также потерь 02 от времени выдержки (рис. 6)

струйного устройства для проведения лабораторных исследований: 1-входной штуцер; 2-рабочее сопло; 3-приемная камера; 4-патрубок отвода газа; 5-игла шприца; б -газовая камера сепаратора; 7-жидкосная камера сепаратора; 8-капиляр для отвода газа; 9-резиновая прокладка; 10-корпус струйного аппарата; 11 -ди<Ы1)\<зор; 12-шгуцер отвода насыщенной рабочей жидкости.

Рис. 3. Зависимость характеристик струйных аппаратов от давления

рабочей жидкости: гг-Л; с1р =2,2 мм; с1к =4 мм; 4 =150 мм

Рис. 4. Зависимость характеристик струйных аппаратов от температуры поступающей воды: п — \\с1р= 1,6 мм;¿4=3 мм; 4= 175 мм;

Р„ = 0,26 С; Рс = 0,32 МПа; 1„ = 12,5 с. Рр = 1,1 МПа; Р„= 0,26 МПа; Рс= 0,45 МПа

Анализ графика на рис. 3 показывает, что с повышением величины рабочего давления Р величины и и Со2 возрастают.

Концентрация кислорода в воде сначала интенсивно растет, затем темп роста значительно падает и при повышении давления подаваемой воды более 0,6 МПа практически не изменяется, исходя из этого дальнейшее повышение давления приводит к неоправданным затратам энергии.

Анализ кривых (рис.4) показывает, что температура воды оказывает незначительное влияние на коэффициент подачи струйных аппаратов. При увеличении температуры от 3°С до 14°С массовый коэффициент подачи уменьшается от 7,50 г/кг до 7,30 г/кг., и дальнейшее повышение температуры практически не влияет на величину и, при этом содержание кислорода в насыщенной воде уменьшилось почти в 2 раза.

Влияние основного геометрического параметра т =//,//, на характеристики струйного аппарата исследовалось со следующими размерами и режимами работы: струйный аппарат - одно-сопловой; диаметр рабочего сопла йР= 1,6 мм; диаметр камеры смешения ¿4=3; 3,5; 4 мм; Соответственно т= 3,51; 4,79; 6,25; длина камеры смешения 7К=175 мм; давление в приемной камере Р„ =0,26 МПа; давление рабочей жидкости Рр =1,1 МПа; рабочая жидкость - вода; 1Р— 12°С, = 18°С.

Параметрическое соотношение т оказывает решающее значение на величину значения объемного коэффициента подачи щ струйных аппаратов (рис. 5).

При повышении значения Рс (уменьшении А Р/А Рс) коэффициент щ уменьшается незначительно до определенного значения А Р/А Рс При дальнейшем повышении противодавления Рс кривые характеристик струйного аппарата резко падают и при некотором значении Рс,р всасывание газа прекращается и камера смешения заполняется водой. Анализ графика показывает, что значение АР/АРад, (или Рар) зависит от параметра/^. и при увеличении его величина Ра:р уменьшается.

о,

% масс

от выдержки 1 нас 24

Рис. 5. Зависимость объёмного ко- Рис. 6. Зависимость потерь О, от вре-эффициента подачи от параметра т мени выдержки

Для проверки предположения о влиянии способа и режимов насыщения на прочность связи кислорода в насыщенной воде производились эксперименты по исследованию десорбции 02 воды, разлитой в бутылки при изобарических условиях. Бутылки термостатиро-вались в первой партии бутылок - 1 час, во второй - 24 часа после налива при температуре +10°С и осторожно открывались. Пробы из бутылок отбирались с глубины 40-50 мм шприцом с диаметром иглы 1,5 мм. Из графика (рис. 6) видно, что скорость дегазации кислорода из бутылок второй партии значительно меньше, чем в первой. При более значительной выдержке прочность связи не изменяется.

На основе экспериментальных исследований было осуществлено определение объемных коэффициентов массопередачи на начальном участке и в зоне гомогенного двухфазного потока.

Анализ графиков (рис. 7) зависимости коэффициента массопередачи на начальном участке от давления подаваемой воды, показывает, что коэффициент массопередачи возрастает с увеличением скорости рабочего потока и уменьшается с увеличением длины начального участка. Наиболее значительно влияние длины начального участка при значениях \ШК ~ 8... 16, при больших значениях коэффициент массопередачи стабилизируется.

В результате обработки экспериментальных данных получено критериальное уравнение для определения коэффициента массопере-дачи при спутном движении струи рабочей жидкости и кислорода в пределах 47-103<Яе < 86-Ю3,13,7 <Рг <5,42,5,0 <Ш„< 30

г . Л"0-18

ТУм = 4,41-10~5 Ые0,91 Рго и

(1)

Экспериментальные данные в области гомогенного двухфазного потока (рис. 8) показывают, что объемный коэффициент масоопе-редачи возрастает с уменьшением величины основного геометрического параметра струйного аппарата ///р - отношению площади камер смешения к суммарной площади выходных отверстий рабочего сопла, что объясняется увеличением диссипации энергии в единице объема и уменьшением продольного перемешивания вследствие обратного пристенного тока двухфазной среды. В результате математической обработки экспериментальных результатов получено критериальное уравнение для расчета объемного коэффициента массопередачи в области гомогенного двухфазного потока

/■ х-2,97 У \1,34 , 4-0,35

^ = 5,27-Ю7 со

RjL Рж J

(2)

где

К = 0,Sl^Dpa)* / <т

(3)

Тг:

2.0

1 -1

i> чь

®-L

е- о

^3

к., if 8.0 7.0 6.0 5.0 4,0 3.0 2.0 to

10

20

i,/4

30

35

}

Л

VI fV

V

tv.

-Q "■-Ч-о

Ч

■

: I

50

I, МИ

100

Рис. 7. Зависимость коэффициента массопередачи от кислорода к струе воды на начальном участке, п = 1; с1„= 2,6 мм: с1„ = 5,5 мм Р„ = 0,34 МПа. 1 - Р„ = 1,0 МПа; Р.. = 0,32 МПа, 2 - Р„=0,8 МПа; Рг = 0,28 МПа. 3 - Р„= 0,54 МПа; Р„—0,2 Р„ = 1,1 МтцРс = 0,42 МПа 5 МПа (давления избыточные)

Рис. 8. Зависимость коэффициента массопередачи в области гомогенного штока от режимов насыщения; п= 4; d„ - 1,1 мм; d, = 4,0 мм. 4 = 150 мм. t„= 13 °С; Р„ = 0,265 МПа. Давления Р„ и Р,- МПа, соответственно (избыточные): 1 - 0.8; 0.32,2 - 0,7; 0,32,3-0,6; 0А 4 - 0,50:0,30,5 - 0,40; 0,27.

В третьей главе рассматривается моделирование процесса насыщения воды кислородом.

Зона

Рис. 9. Расчетная схема проточной части инжектора.

Закономерности течения двухфазной среды на начальном участке в камере смешения описываются системой дифференциальных уравнений (4), (5), (6), (7). Основные уравнения, которым подчиняется работа, струйного аппарата: законы сохранения массы, импульса и энергии.

Параметры потоков рассчитываются в пределах каждого шага Ж

1. Уравнения неразрывности: для газовой фазы

'а

для жидкой фазы:

(4)

1к РР^1\1~(РгУа>Р=Кг{с02-С02\/к-,

2. Уравнение сохранения импульса: для газовой фазы

¿/й> „ йР Рг'Фг' 03г--7Г = ~ <Рг ~ '

<П

(И

(5)

(6)

для жидкой фазы:

Граничными условиями для расчета параметров потоков являются: -начальная концентрация газа в рабочей жидкости; Рн -

давление газа в приемной камере; -температура рабочей жидкости; iн -температура газа в приемной камере; Щ -коэффициент объемной подачи; т -значение основного геометрического параметра; ^-давление подаваемой рабочей жидкости.

Скорость газовой фазы на выходе в камеру смешения определяется по уравнению

^ = арио —Ц--

171 — 1

Значение величины (рг определяется по заданному значению основного геометрического параметра

(9)

т

Сила трения на поверхности раздела фаз, отнесенная к единице длины

Е = С/-Рг{а>р-й)г^-Л:-с1р, (10)

Сила трения, отнесенная к единице объема

Р = сгрг(а>р-<ог)-(\- <р)°'5 /Я, (11)

Объемный коэффициент массопередачи можно определить по коэффициенту при спутном движении газа и струи рабочей жидкости:

К^Л.К^-^, (12)

Коэффициент сопротивления с/ при спутном движении жидкостной и газовой струи определяется при числах Рейнольдса Яе<5-105 по формуле Блазиуса:

С/=1,328Д/£ё7. (13)

Число Рейнольдса подсчитывается по формуле:

(ео„ — со, ^ • /?, ■ 7.

--з (14)

Мг

При числах Ие больше 5-105

с{ = 0,0576 • Яе^'2. (15)

Динамическая вязкость газов в области умеренных давлений не зависит от числа молекул в единице, то есть от давления и является функцией температуры газа и может быть определена по формуле Сатерленда

_ 273,2 + С с (_Т_\ „2 (16)

Ъ-Р Т + Сс 1^273,2) '

Для умеренных температур можно принять

С = 184,5.

Значение динамической вязкости при умеренных давлениях и температуре 273,2 К

^39^0-^ = 13,65-

м м

Окончательное выражение для определения динамической вязкости газа имеет вид:

_ 6,248-10"3 п Т у/2 н е (17)

457,6 + 7" ^ 273,2 м2 '

Расчет заканчивается в сечении начала распада струи. Значения параметров, получившиеся в результате расчета начального участка, являются входными данными для расчета параметров в области молочно-белой эмульсии.

Для расчета двухфазного потока в области гомогенного двухфазного потока примем следующие упрощения:

1. Длина участка, на котором происходит распад струи в гомогенный поток, крайне незначительна и ею можно пренебречь.

2. Изменение структуры потока не сопровождается заметным растворением углекислого газа в рабочей жидкости.

Входными данными для расчета паромеров в зоне гомогенного потока являются данные последнего шага расчета начального участка.

Процессы гидродинамики и массопередачи в области молочно-белой эмульсии описываются системой дифференциальных уравнений:

сЬс

ар

<1(р

Р <р(1 -9?)'

V2-/?

1 (Я? т т П

-----2-

/* Л т Л

др

(11 ~ \-м2

1 ¿Ьс_К,(С-С)рг х (И (1 -(р)ржоз Рж{\-ф)<в/к=со1Ш

где

К(с'-с)рг

= 1

а.

Р = РЖ{}-<Р) Р

Дополнительные уравнения: -= сот1

Рг Рг

(18)

(19)

Для кислорода Л =259,7 Дж/(кг К)

Касательное напряжение трения двухфазного потока о стенки камеры определятся по формуле: _ 0,085 р-со2 Г° Яе0,25 2 '

где

(20)

ке=4(^)

(21)

В результате численного эксперимента были получены следующие показатели представленные в графической форме на рис. 10

Вода

Сечение распада струй

/„« 48мм

' W

1

,S Si

«S

120

135

о - экспериментальные точки о - расчетные тачах

100

О

о - экспериментальные тачка,

о - расчетные тачки Сц - рЛнаЬесная концентрация кис/юода б bode

Рис. 10. Графическая интерпретация результатов численной реализации математической модели

В четвертой главе осуществлено описание разработанной промышленной установки и исследование ее параметров, а также качества воды полученной на ней.

Для исследования влияния параметров процесса насыщения воды кислородом на технологические и технико-экономические показатели было выполнено математическое планирование эксперимента, позволяющее варьировать одновременно все факторы и по-

лучать количественные оценки эффектов их взаимодействия. В качестве основных факторов, влияющих на процесс регенерации кизельгура, были выбраны: Х1 - массовый коэффициент подачи, и, м3/ч; Х2 - температура воды, То, "С; Х3 -давление воды, Р0, МПа.

Выбор интервалов изменения факторов обусловлен технологическими условиями процесса насыщения воды кислородом, конструктивными характеристиками т установки.

Критериями оценки влияния различных факторов на процесс насыщения воды кислородом были выбраны: У1 - степень насыщения воды кислородом, мг/л; У2 - удельные энергозатраты на проведение процесса, кВт ч/кг.

% = 152,61 + 1,131Х, + 2,09Х2 + 4,251 Хг - 4,156Х,2 - 4,324Х2 - 1,468Х32 +

+ 0,238Х,Х2-\,\9Х1Хъ-0,Л16Х1Х3-, У2 = 2,219 + 0,072Х, + 0,038Х2 + 0,062Х3 -0,062Х2 -0,092Х22 -0,087^ + + 0,021Х1Х1 + 0,009Х2Х3.

На основе уравнений регрессий получены кривые равных значений выходных параметров, которые несут смысл номограмм и представляют практический интерес.

Поиск оптимальных режимов процесса регенерации кизельгура показал, что для выходных параметров в качестве оптимальных могут быть приняты следующие интервалы значений: Х1= 10... 11 г/кг, Х2=5...7 °С; Х3 =0,5-0,7 МПа

Вода, насыщенная кислородом подвергнута испытаниям на качество, по результатам которых установлено, что физико-химические и микробиологические показатели находились в установленных нормативными документами диапазонах и тем самым была доказана высокая эффективность способа насыщения.

В пятой главе предложены новые технические решения, обеспечивающие получение высокачественной кислородонасьпценной воды.

Для осуществления процесса насыщения воды газом разработан аппарат (рис. 11), преимущества которого заключаются в том, что:

установка основного газового и дополнительного жидкостного сопел внутри корпуса и снабжение их выходными трубками из пористой металлокерамики, образующими кольцевое жидкостное сопло, и образование дополнительным соплом и

корпусом кольцевого газового канала обеспечивает мелкое дис-пегирование газа в воде и напитках при подаче газа через пористые металлокерамические трубки в движущуюся с большой скоростью жидкость, высокую эффективность процесса насыщения за счет увеличения коэффициента инжекции и, соответственно, газосодержания двухфазного потока и образования пенной структуры, а также эффективной турбулизации двухфазного потока в камере смешения;

насадочная колонна, работающая в режиме эмульгирования, позволяет осуществлять рациональную организацию процесса с получением продукта со стабильно высокой концентрацией растворенного газа.

1-колонка насыщения; 2-инжектор; 3-камера смешения; 4-насадочная колонна; 5-контактные элементы; 6,7-патрубки подвода жидкости и газа; 8,9-газовое и дополнительное жидкостное сопла инжектора; 10,11-выходные трубки сопла;

12-корпус.

Предложенный комплекс приготовления бутилированной кислородонасыщенной питьевой воды (рис. 6) позволяет:

- снизить энергетические и материальные затрат, так как на подготовку кислородосодержащей парогазовой смеси, не требуются дополнительные реагенты, а в процессе насыщения затраты связаны только с работой насосов и компрессоров за счет использования эжекционного смешения в жидкостно-газовом струйном аппарате путем насыщения воды кислородом, выделенным из воздуха через полупроницаемую поверхность узкой части его камеры смешения;

а

Рис. 11 Комплекс приготоапения бугалированной кислородонасыщенной питьевой воды а) схема комплекса; б) эжектор; в) напорно-флотоционная колонна; г) баромембранная установка 1-нагюрно-флотационнуго колонна; 2,22-насосы для подачи воды; 3,33-эжекшр; 4,5- верхняя и нижняя воронки; 6-трубопровод на розлив,7- трубопровод на насыщение;

8,9-цшпщцрическая и конусообразная части корпуса; 1О-эллипгическая крышка; 11-конус; 12-винговые направляющие; 13-гребенка; 14-форсунки для подачи и распыления вода; 15-сопло; 16,17-вход1юй сажающийся и выходной цилиндрический участки камеры смешения; 18-диффузор; 19-вшгговые каналы; 20-суперкавигащюнное лопастное колесо; 21-трубопровод парогазовой смеси; 23,24,25-керамические, абсорбционные и мембранные фильтры; 26-мешочный фильтр; 27-песочный фильтр; 28-шнообменные колонны; 29-бак регенерации раствора соли; 30-баромембранная установка; 31- трубопровод подачи исходной воды; 32-вспомогательный насос; 34-трубопровод к системе очистки воздуха^35-трубопровод д тя возврата в колонну;36,38-регулятор расхода воды;37-трубопровода подачи кислородонасыщенной воды; 39-аппараг розлива; 40-бутылки;

41,42-компрессоры; 43-цилинарический корпус системы подготовки воды; 44 -патрубками для подачи воды; 45-фильтрат; 46-концгнграта; 47-трубчатъш мембранный модуль; 48-инжектор; 49-форсунка для подаяи парогазовой смеси; 50-трубопровод от баромембршпюй установки; 51-насос (см. также на с. 19)

¿ауяратнаа вода ясыщгямля кислородом

Рис. 11. Окончание.

- снизить энергозатраты на поддержание необходимой температуры процесса и обеспечить качество получаемого продукта в результате осуществления охлаждения воды во флотационной колонне разряжением, создаваемым жидкосгно-газовым аппаратом;

- рационально организовать процесс насыщения с высокой эффективностью и низкими потерями, в результате осуществления разделения проведения процесса испарительного охлаждения ненасыщенной кислородом исходной воды, и процесса насыщения воды кислородом при высоком давлении, создаваемым столбом воды благодаря подаче исходной воды в ее верхнюю часть, а отбор насыщенной кислородом воды осуществлять из нижней части;

- обеспечить надежное и эффективное отделение кислорода от других компонентов воздуха путем направленности и увеличения траектории движения предварительно очищенного и обогащенного кислородом воздуха за счет расположения напорной камеры вокруг узкой камеры смешения эжектора;

- обеспечить получение качественного продукта с высокой эффективностью проведения процесса насыщения, т.к. позволяет произвести очистку воздуха от жидких, вязких и твердых частиц, а также предварительно обогатить его кислородом в результате использования системы получения кислородосодержащей газовой смеси в виде последовательно расположенных керамических, абсорбционных и мембранных фильтров позволяет.

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ И РЕЗУЛЬТАТЫ

1. Проведенные экспериментальные исследования процесса насыщения воды кислородом позволили определить рациональные режимы проведения процесса (массовый коэффициент подачи 10...11 г/кг; температура воды, 5...7 °С; давление воды 0,50,7 МПа); выявить кинетические закономерности процесса и подтвердить теоретические предпосылки повышения эффективности процесса насыщения.

3. Разработанная математическая модель процесса позволяет адекватно описывать процессы массообмена насыщения воды кислородом, найти влияние различных факторов на степень насыщения.

4. Разработка новых технических решений позволяет обеспечить реализацию системы насыщения воды кислородом

5. Разработанный способ автоматического управления про-

цессом насыщения воды кислородом позволяет повысить точность управления и снизить энергозатраты.

6. Проведенные производственные испытания в условиях завода «Фруктовые воды» доказали высокую эффективность предложенного способа.

7. Расчет экономической эффективности показал, что внедрение в производство аппарата является инновационно привлекательным и экономически выгодным. Предлагаемые технические решения позволяют обеспечить годовой экономический эффект 13,75млн. руб. при сроке окупаемости 18 месяцев.

УСЛОВНЫЕ ОБОЗНАЧЕНИЯ

тг, тж - соответственно массовые расходы кисорода и воды в расчетном сечении при заданном значении длины / участка гомогенного потока, рг, рж - соответственно плотности кислорода и воды в расчетном сечении, /к - площадь камеры смешения, ^ - суммарная площадь выходных отверстий рабочего сопла с1К - диметр камеры смешения, и -массовый коэффициент подачи, Ку - объемный коэффициент массопе-редачи от газовой фазы к движущейся струе воды, со - характеристика турбулентного потока (скорость двухфазного потока), Р- гидростатическое давление двухфазного потока, Рр - давление жидкости (рабочей среды) на входе в рабочее сопло; Р» - давление инжектируемой среды (кислорода) в приемной камере; Рс - давление двухфазного потока после диффузора; 4> - диаметр выходного отверстия рабочего сопла; Д -диаметр входного цилиндрического участка камеры смешения; й/^ -диаметр цилиндрической горловины камеры смешения; /? - угол полураскрытия конусной часта камеры смешения; 10 - длина начального участка; /к - - длина конусной части; 1Ч, - длина цилиндрической горловины; 2 - текущая координата на начальном участке; / - текущая координата на конусном участке и горловине, Г- сила трения на поверхности раздела жидкостной струи и газовой фазы, К - коэффициент мас-сопередачи при спутном движении газовой и жидкой фаз, Су коэффициент сопротивления, 2 - расстояние от выходного сечения сопла до рассчитываемого, П - периметр канала камеры смешения; тю - касательное напряжение трения двухфазного потока о стенки канала камеры смешения, С - равновесная концентрация кислорода при текущих значениях абсолютного давления и температуры; С - текущая концентрация кислорода в воде, Ьт - массообменный множитель, М- число Маха, ак - скорость звука в двухфазном потока, <р - объемная концентрация газовой фазы, равная отношению объема газовой фазы потока к общему объему двухфазной среды х - массовая концентрация газовой фазы численно равная отношению массы газовой фазы в единице объема к общей массе двухфазного потока, Сс-постоянная Сатерленда, Я - газовая постоянная. цж динамическая вязкость воды.

Основные положения диссертации опубликованы в следующих

работах: Монография

1. Антипов, С.Т. Разработка и научное обеспечение системы процессов насыщения воды кислородом [Текст] /С.Т. Антипов, В.Е. Игнатов, A.A. Марков, C.B. Шахов; Воронеж, гос. ун-т инженерных технологий. - Воронеж: ВГУИТ, 2012. -192 с.

Статьи в журналах, рекомендованных ВАК РФ

2. Шахов C.B. Приготовление кислородонасьпценной питьевой воды на установке непрерывного действия [Текст] / C.B. Шахов, С.И. Кленчшцева, A.A. Марков, В.Е. Игнатов, Д.А. Нестеров // Вода: химия и экология. - 2013. - № 3. - С. 7-9.

3. Игнатов В.Е., Марков A.A., Шахов C.B., Нестеров Д.А. Расчет параметров массообменных процессов в камере смешения струйных аппаратов [Текст] // Фундаментальные исследования. — 2013.-№ 1-С. 142

Статьи и материалы конференций

4. Нестеров ДА., Шахов C.B., Марков A.A., Сибирская Е.В. Способ получения кислородонасьпценной воды с использованием мембранных технологий разделения // Инновационные разработки молодых ученых Воронежской области на службу региона. Научная конференция студентов, аспирантов и молодых ученых, 16-17 апреля 2012 года. Сборник докладов. - Воронеж: Воронежский ЦНТИ - филиал ФГБУ «РЭА» Минэнерго РФ, 2012. - с. 21-22.

5. Марков АЛ., Шахов C.B., Игнатов В.Е., Шевляков Р.В. Разработка способа приготовления бутилированной кислородонасьпценной воды и комплекса для его осуществления» // Современная российская наука глазами молодых исследователей: Сб. статей (по итогам II Всероссийской научно-практической конференции моодых ученых и специалистов) Т.2 / Красноярск: Изд. Научно-инновационный центр, 2012. - 201-205

6. Марков A.A., Бурхан Е.Д., Игнатов В.Е., Шахов C.B. Разработка установки приготовления кислородонасьпценной питьевой воды // Успехи современного естествознания. - 2012. - № 6-С. 142-142

7. Марков A.A. Влияние основных физических и конструктивных параметров на процесс насыщения воды кислородом //

Сборник материалов I Международной научно-практической конференции «Сельскохозяйственные науки и агропромышленный комплекс на рубеже веков» / Под общ. ред. С.С. Чернова. -Новосибирск: ООО агенство «СИБПРИНТ». - 2013-С. 179-182

8. Колодежнов В.Н., Игнатов В.Е., Марков A.A., Шахов C.B. Разработка нового способа насыщения жидких пищевых продуктов газами и его теоретическое обоснование / Материалы международной науч. - тех. конф. «Адаптация ведущих технологических процессов к пищевым машинным технологиям»: В 3 ч. Ч. 2 Воронеж гос. ун-т инж. технол. Воронеж ВГУИТ, 2012. -С.168-171

Патенты на изобретения

10. Патент 2329860 (Российская Федерация), МКИ В 01 D 63/00 Установка для мембранного фильтрования газонасыщенных жидких продуктов / C.B. Шахов, А.И. Потапов, A.A. Марков, A.B. Огурцов, С.А. Колиух - Заявл. 10.04.2007, №2007113078/15, опубл. в Б.И., 2008 № 21

11. Патент 2331456 (Российская Федерация), МКИ В 01 D 27/08, В 01 D 63/06 Мембранный аппарат с направленными потоками / А.И. Ключников, С.В.Шахов, А.И.Потапов, A.A. Марков, A.B. Огурцов, С .А. Колиух - Заявл. 19.02.2007, №2007106333/15, опубл. в Б.И., 2008 №23

Патент на полезную модель

12. Патент 85835 (Российская Федерация), МКИ В 01 D 27/00 Экспериментальная установка для лабораторных исследований процесса мембранного разделения пищевых сред в тангенциальном режиме / И.Т. Кретов, C.B. Шахов, А.И. Потапов, Е.С. Попов, Д.С. Попов, Марков A.A. - Заявл. 07.04.2009, № 2009112985/22, опубл. в Б.И., 20.08.2009, №23

Свидетельство о государственной регистрации программы для ЭВМ

13. Свидетельство 2010613148 (Российская Федерация), Обработка результатов моделирования процесса мембранного разделения пищевых сред в тангенциальном режиме / И.Т. Кретов, C.B. Шахов, A.C. Шахов, А.И. Потапов, Е.С. Попов, Д.С. Попов, В.В. Торопцев, АЛ. Марков - Заявл. 16.03.2010 г., № 2010611282, зарегестрировано в Реестре программ для ЭВМ 13.03.2010 г.

Подписано в печать 22.04.2013 г. Формат 60x84 V] Усл. печ. л. 1,0. Тираж 100 экз. Заказ № 108 .

ФГБОУ ВПО «Воронежский государственныйуниверситет инженерных технологий» (ФГБОУ ВПО «ВГУИТ») Отдел полиграфии ФГБОУ ВПО «ВГУИТ» Адрес университета и отдела полиграфии: 394036,г. Воронеж, пр. Революции, 19

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РФ

ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ БЮДЖЕТНОЕ

ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВНИЯ ВОРОНЕЖСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ ИНЖЕНЕРНЫХ ТЕХНОЛОГИЙ

На правах рукописи

МАРКОВ АЛЕКСАНДР АНАТОЛЬЕВИЧ

РАЗРАБОТКА И НАУЧНОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ СИСТЕМЫ ПРОЦЕССОВ НАСЫЩЕНИЯ ВОДЫ КИСЛОРОДОМ

СПЕЦИАЛЬНОСТЬ 05.18.12 - ПРОЦЕССЫ И АППАРАТЫ

ПИЩЕВЫХ ПРОИЗВОДСТВ

ДИССЕРТАЦИЯ

на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научный руководитель:

заслуженный изобретатель РФ, доктор технических наук, профессор Антипов С.Т.

Воронеж - 2013

СОДЕРЖАНИЕ

Введение.............................................................................. 4

Глава 1. 1. АНАЛИЗ СОВРЕМЕННОГО СОСТОЯНИЯ ТЕОРИИ И

ТЕХНИКИ НАСЫЩЕНИЯ В ОДЫ.ГАЗАМИ....................... 8

1.1. Характеристика воды как объекта насыщения газами............. 8

1.2. Теоретические основы растворения кислорода в воде.............. 12

1.3. Способы и технические средства насыщения воды газами........ 22

1.4. Основные выводы, постановка цели и задач иследоваиия......... 69

Глава 2. ИССЛЕДОВАНИЕ ПРОЦЕССОВ ОБЕСПЕЧИВАЮЩИХ НАСЫЩЕНИЕ ВОДЫ КИСЛОРОДОМ....................................... 70

2.1. Лабораторные исследования процесса баромембранной водоподго-товки с предвари тельным частичным насыщением воды кислородом.... 70

2.2. Лабораторные исследования процесса насыщения воды кислородом в струйных аппаратах...................................................... 74

2.3. Определение объемных коэффициентов массопередачи на

начальном участке и в зоне гомогенного двухфазного потока............ 82

Глава 3. МАТЕМАТИЧЕСКОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ ПРОЦЕССА ТЕЧЕНИЯ ДВУХФАЗНОГО ГОМОГЕННОГО ПОТОКА В ПРОТОЧНОЙ ЧАСТИ ИНЖЕКТОРА................................................................... 88

3.1. Физическая модель......................................................... 88

3.2. Обоснование способа интенсификации процесса насыщения воды кислородом в струйных аппаратах..................................... 90

3.3. Математическая модель спутного течения газовой и жидкой струй па начальном участке....................................................... 93

3.4.Математическая модель течения гомогенного потока............. 98

3.5. Анализ результатов моделирования процесса насыщения воды

кислородом в струйных аппаратах............................................... 106

Глава 4. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ ПРОЦЕССА НАСЫЩЕНИЯ ВОДЫ КИСЛОРОДОМ НА ПИЛОТНОЙ УСТАНОВКЕ. 107

4.1. Экспериментальные исследования процесса насыщения воды кислородом в производственных условиях.................................. 107

4.2 Планирование эксперимента по определению оптимальных параметров работы установки........................................................ 110

4.3 Анализ регрессионных моделей........................................................................113

4.4 Многофакторный статистический анализ процесса и его

оптимизация....................................................................................................................................................114

4.3 Исследование качественных показателей воды насыщенной

кислородом полученной в производственных условия............................................124

Глава 5. ТЕХНИЧЕСКАЯ РЕАЛИЗАЦИЯ НАУЧНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ 127 5.1 Новые технические решения обеспечения процесса насыщения воды кислородом................................................................................................................................................127

5.1.1 Аппарат для насыщения жидкостей газом....................................................127

5.1.2. Комплекс приготовления бутилированной кислородона-сыщенной питьевой воды....................................................................................................................130

5.1.3. Способ автоматического управления процессом насыщения

воды кислородом..........................................................................................................................................143

5.2. Технико-экономические показатели эффективности внедрения

системы процессов насыщения воды кислородом......................................................150

5.2.1. Бизнес - план реализации проекта........................................................................150

5.2.1.1 Резюме........................................................................................................................150

5.2.1.2 Характеристика продукции......................................................................151

5.2.1.3 План маркетинга................................................................................................161

5.2.1.4 Потенциальные риски....................................................................................162

5.2.1.5 Конкуренция и конкурентные рынки..............................................165

5.2.1.6 Производственный план..............................................................................166

5.2.1.7 Финансовый план..............................................................................................169

5.2.2. Технико-экономические расчеты............................................................172

5.2.2.1 Расчет капиталовложений в проект..................................................172

5.2.2.3 Расчет дополнительных текущих затрат при реализации проекта..........................................................................................177

5.2.2.4 Расчет экономии текущих затрат при реализации проекта....,..............................................................................................................178

5.2.2.5 Расчет годового экономического эффекта..................................179

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ И РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ..........................................180

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК....................................................................................181

ПРИЛОЖЕНИЯ....................................................................................................................................193

Введение

Российский рынок безалкогольных напитков все еще демонстрирует рост, хотя некоторые из его сегментов, например газированные напитки, уже близки к насыщению. В пошлом году потребление газированных напитков по России в целом увеличилось на 3 % в натуральном выражении и почти достигло уровня в 4 млрд. литров (рис. 1). [3, 4, 10, 42]

Тренд здорового образа жизни остается одним из основных факторов, стимулирующих развитие российского рынка безалкогольных напитков. Быстро растущий средний класс потребителей тратит все больше и больше средств на более полезные для здоровья продукты. Во всех сегментах растет популярность низкокалорийных и диетических безалкогольных напитков в связи с обострением проблемы лишнего веса в России. Газированные напитки, воспринимаемые как вредные для здоровья из-за высокого содержания сахара и калорийности, первыми «попадают под удар» тренда здорового образа жизни [13, 94].

Согласно исследованиям [6, 19, 21, 26, 80], россияне все более заинтере-

сованы в функциональных продуктах, оказывающих благотворное влияние на здоровье. Стремясь удовлетворить запросы потребителей, производители предлагают широкий выбор низкокалорийных напитков и напитков с низким содержанием сахара, а также инновационные продукты - например, напитки с функциональными ингредиентами. На рассматриваемом рынке стоит ожидать внедрения новых интересных стратегий - как новых маркетинговых кампаний, направленных на стимулирование потребителей, так и нового позиционирования «полезности» продукции для формирования ее позитивного восприятия.

Сегодня массовым явлением становится недостаточное снабжение органов и тканей тела человека кислородом - гипоксия, которая сводит на не г многие усилия по поддержанию высокого жизненного тонуса. Преждевременно стареют клетки организма, в теле собираются шлаки и свободные радикалы, накапливается усталость.

Недостаток кислорода можно восполнить только самим кислородом. Все большее применение в косметологии и курортном лечении получают кислородные маски, появились и кислородные коктейли. Однако единственным средством, которое можно использовать регулярно и без особых дополнительных условий, является оксигенированная, то есть насыщенная кислородом, питьевая вода. Преимуществом оксигенированной воды перед обычными антиокси-дантами является то, что она быстро передает клеткам кислород, не вызывая при этом резкой активации свободно радикального окисления. Организм человека чрезвычайно чувствителен к содержанию в нем кислорода, при его недостатке возникает кислородное голодание - гипоксия. Снижение содержания кислорода в крови всего на несколько процентов довольно быстро приводит к гибели вначале нервных, а затем и других клеток организма. Возникает так называемая недостаточность клеточного дыхания - проще говоря, клетки начинают задыхаться [48, 52].

В ближайшее время прогнозируется рост спроса па кислородную воду со стороны авиаперевозчиков, жителей мегаполисов, спортсменов, а так же пожилых людей. В России к указанным категориям следует добавить и жите-

лей северных регионов, составляющих весьма значительную часть населения страны, которые проживают в условиях постоянного кислородного голодания (в силу особенностей строения атмосферы количество кислорода в северных широтах на 25 % ниже нормы).

Для потребителя избыточный кислород оказывает благоприятное влияние на организм человека - не раздражает слизистую оболочку желудка, не вызывает аллергических реакций, предотвращает гипоксию (кислородное голодание), способствует снижению веса, улучшает обмен веществ, замедляет процессы старения (а не ускоряет, как это считалось до недавнего времени), является отличным антиоксидантным средством, связывая свободные радикалы, повышает выносливость, предотвращает снижение глюкозы в крови, положительно влияет на кровеносную систему, способствует очищению и восстановлению кожи, вследствие ускоренной регенерации.

Социологические исследования показывают, что регулярное употребление оксигенированной воды способствует повышению жизненного тонуса, улучшению работы головного мозга, стимулирует восстановительные процессы после тяжелых физических и умственных нагрузок, снижает воздействие частых стрессовых ситуаций. Благодаря кислороду нормализуются содержание сахара в крови, сердечная деятельность и уровень артериального давления.

Исходя из этого развитие рынка кислородосодержащей воды рассматривается специалистами как наиболее перспективное. Сегодня по всему миру насчитывается более 100 производителей кислородной воды. Наиболее крупные - Оху-Water, Oxygen Water, Active 02, Aqua Rush. Вслед за мировым рынком кислородосодержащих напитков формируется и российский рынок. Причем есть все основания полагать, что Россия в ближайшее время достигнет уровня зарубежных стран по производству и потреблению кислородосодержащих напитков [31, 93].

Однако при этом остаются нерешенными проблемы эффективного насыщения кислородом воды в производственных условиях, из-за отсутствия технических решений для реализации данной проблемы.

Известные установки и комплексы оборудования для насыщения воды кислородом [33, 36, 41, 53, 16] обладают в основном главными недостатками: высокая энергоемкость и материалоемкость оборудования установки насыщения питьевой воды кислородом; низкая эффективность насыщения.

Поэтому для снижения энергетических затрат на процесс приготовления кислородонасыщенной питьевой воды и повышения эффективности процесса насыщения путем рациональной организации процесса с получением стабильного продукта и высокой надежности работы имеется потребность в разработке комплекса оборудования обеспечивающего устранение данных недостатков.

ГЛАВА 1. ВОДА, НАСЫЩЕННАЯ КИСЛОРОДОМ, КАК ОБЪЕКТ ИССЛЕДОВАНИЯ И ОСОБЕННОСТИ ПРОЦЕССА НАСЫЩЕНИЯ

1.1. Характеристика воды

Согласно СанПиН 2.1.4.1116-02 «Питьевая вода. Требования к качеству воды, расфасованной в емкости. Контроль качества. Санитарно-эпидемиологические правила и нормативы воду подразделяют на две группы:

- очищенная или доочищенная вода из водопроводной сети;

- кондиционированная вода, дополнительно обогащенная жизненно необходимыми макро- и микроэлементами.

Питьевая вода, в зависимости от вида водоисточника подразделяется на подземную - артезианскую, родниковую (ключевую), грунтовую (инфиль-трационную) и поверхностную - речную, озерную (прудовую, из водохранилища), ледниковую. Требования не распространяются на минеральные воды (лечебные, лечебно-столовые, столовые) [3, 35, 23, 91].

В таблице 1.1 нормативы СанПиНов разделены на две категории: первую (безопасную) и высшую (безопасную и оптимальную по качеству) -из автономных, надежно защищенных, как правило, подземных водоисточников. Предпочтение отдается родниковым или артезианским. Для воды, расфасованной в емкости, не допускается применение препаратов хлора; для обеззараживания предпочтительно применение озонирования и физических методов, в частности, ультрафиолетовое излучение. Не допускаются различные видимые невооруженным глазом включения, поверхностные пленки и осадки [7, 54, 95].

ПДК веществ, не указанных в СанЛиН 2.1.4.111-02 должны соответствовать СанПиН 2.1.4.1074-01.

Таблица 1.1. Сопоставление норм качества питьевой воды, расфасованной в емкости

Наименование показателей СанПин 2.1.4.1116-02 Нормы ФАО-ВОЗ

1 категоря Высшая категория

1 2 3 4

Запах при 20 °С, балл при нагревании до 60 °С, балл 0 1 0 0 -

Привкус, балл 0 0 -

Цветность, градус платинокобальтоиой шкалы 5 5

Мутность, ЕМФ 1,0 0,5 -

Водоробный показатель (рН) 6,5-8,5 6,5-8,5 -

Хлориды (СГ), мг/л 250,0 150,0 -

2 _ Сульфаты (804 ), мг/л 250,0 150,0 -

Фосфаты (Р04 ), мг/л 3,5 3,5 -

Силикаты (по 81), мг/л 10,0 10,0 -

Нитраты (N03 )' мг^л 20,0 5,0 50,0

Цианиды (СИ"), мг/л 0,035 0,035 0,07

Сероводород (НгБ), мг/л 0,003 0,003 0,05

Алюминий (А13+), мг/г 0,2 0,1 -

Барий (Ва2+), мг/л 0,7 0,1 0,7

Бериллий (Ве2+), мг/л 0,0002 0,0002 -

Железо (Ре, суммарно), мг/л 0,3 0,3 2,0

Кадмий (Сё, суммарно), мг/л 0,001 0,001 0,003

Кобальт (Со), мг/л од 0,1 -

Литий (Ьл+), мг/л 0,03 0,03 -

Марганец (Мп, суммарно), мг/л 0,05 0,05 0,5

Медь, (Си, суммарно), мг/л 1,0 1,0 1,0

Молибден (Мо, суммарно), мг/л 0,07 0,07 -

Натрий (№), мг/л 200,0 20,0 -

Никель (N1, суммарно), мг/л 0,02 0,02 0,02

Ртуть (Н§, суммарно), мг/л 0,0005 0,0002 0,001

1 2 3 4

Селен (Эе), мг/л 0,01 0,01 0,01

Серебро (А§+), мг/л 0,025 0,025 -

Свинец (РЬ, суммарно), мг/л 0,010 0,005 0,001

Стронций (8г2+), мг/л 7,0 7,0 -

Сурьма (БЬ), мг/л 0,005 0,005 0,005

Хром (Сг4+, суммарно), мг/л 0,03 0,03 0,05

Цинк (2п2+), мг/л 5,0 3,0 5,0

Бор (В, суммарно), мг/л 0,5 0,3 5,0

Мышьяк, (Аэ, суммарно), мг/л 0,01 0,006 0,01

Озон (03), мг/л 0,1 0,1 -

Бромид (Вг), мг/л 0,2 0,1 -

Хлор остаточный свободный, (С1з), мг/л 0,05 0,05 -

Хлор остаточный связанный (С1+), мг/л 0,10 0,10 -

Окисляемость перманганатная, мгО/л 3,0 2,0 3,0

Аммиак (ИНз и ТЧН^ , суммарно), мг/л 0,10 0,05 -

Нитриты (N0^)' МГ/,Л 0,50 0,005 0,02

Углерод органический, мг/л 10,0 5,0 -

Поверхностно-активные вещества, ани-оноактивные, мг/л 0,05 0,05 0

Нефтепродукты, мг/л 0,05 0,01 -

Фенолы летучие (суммарно), мкг/л 0,50 0,50 0

Хлороформ, мг/л 60,0 1,0 -

Бромоформ, мг/л 20,0 1,0 -

Дибромохлорометан, мг/л 10,0 1,0 -

Бромдихлорметан, мг/л 10,0 1,0 -

Углерод четыреххлористый, мг/л 2,0 1,0 -

Формальдегид, мг/л 5,0 5,0 -

Бенз(а)пирен, мг/л 0,005 0,001 -

Ди (2-этилгексил) фталат, мг/л 6,0 0,10 -

Гексилхлорбензол, мг/л 0,20 0,20 -

у ГХЦГ, мг/л 0,50 0,20 -

2,4-Д, мг/л 1,0 1,0 -

1 2 3 4

Гептахлор, мг/л 0,05 0,05 -

ДДТ, мг/л 0,50 0,50 0

Атразин, мг/л 0,20 0,20 -

Симазин, мг/л 0,20 0,20 -

Ни фаты и нитриты, мкг/л <0,50 <0,10 -

Удельная сумматрная а-радиактивность, Бк/л 0,10 0,10

Удельная сумматрная Р-радиактивность, Бк/л 1,0 1,0

Общее микробное число: при 22 °С, КОЕ/мл при 37 °С, КЭЕ/мл <20 < 100 <20 < 100 -

Количество всех коалиформных бактерий, КБЕ/ЮО мл отсутствие в 300 мл отсуютвие в 300 мл о гсутствие в 250 мл

Колифаги, БОЕ/100 мл отсутствие в 1000 мл отсутствие в 1000 мл

Цисты криптоспоридий, колич/50 л 0 0 -

Цисты лямблий, колич/50 л 0 0 -

Яйца гельминтов, колич/50 л 0 0 -

Кислород (Ог), мг/л не менее 5 не менее 9 -

Общая минерализация, мг/л 1000 200-500 -

Общая жесткое 1ь, ммоль/л 7,0 1,5-7,0 -

Общая щелочность, ммоль/л 6,5 0,5-6,5 -

Кальций, мг/л 130 25-80 -

Магний, мг/л 65 5-50 -

Калий, мг/л 20 2-20 -

Бикарбонаты, мг/л 400 30-400 -

Фториды, мг/л 1,5 0,6-1,2 2,0; 1,0

Иодиды, мкг/л 125 40-60 -

Консерванты: серебро, мг/л йод, диоксид углерода, % 0,0250 0,060 0,40 0,0025 0,060 0,20 -

В качестве основы для обогащения кислородом берется вода, уже содержащая природные соли и компоненты, которые определяют ее свойства, например, обычная артезианская вода, отвечающая всем гигиеническим нормативам, но сама по себе не обладающая какими-либо особо целительными свойствами. Основным фактором, определяющим целебные свойства обработанной воды, может быть насыщение ее кислородом [1, 17, 28].

1.2. Теоретические основы растворения кислорода в воде

Контроль содержания кислорода в воде - чрезвычайно важная проблема, в решении которой заинтересованы практически все отрасли народного хозяйства, включая сельское хозяйство, медицину, рыбную и пищевую промышленность и т.д. Концентрация кислорода в воде определяет величину окислительно-восстановительного потенциала и в значительной мере направление и скорость процессов химического и биохимического окисления органических и неорганических соединений. Растворенный в воде кислород находится в виде гидратированных молекул О2. Содержание растворенного кислорода зависит от температуры, атмосферного давления, степени турбу-лизации воды, количества осадков, минерализации воды др.

Растворимость газов в жидкости подчиняется закону Генри. В качестве примера в табл. 1.2. приведена растворимость основных газов при давлении, равном 101,325 кПа (1 бар). Сильно поляризованные молекулы (С02, ИгБ) имеют гораздо большую растворимость в воде, чем молекулы других газов. Кислород лучше растворяется в воде, чем азот, поэтому смесь газов, выделенных из воды, более богата кислородом, чем атмосфера, с которой вода находится в состоянии равновесия [8, 20, 52, 56, 107].

Таблица 1.2.

Растворимость газов в воде под давлением чистого газа в 1 бар

Газ Растворимость при 10 °С, мг/л

Ы2 23,2

02 54,3

со2 2318

Н23 5112

СН4 32,5

П2 1,9

К