CN114506952A - 一种低氘矿泉水的生产系统及其工艺 - Google Patents

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Abstract

本发明提出了一种低氘矿泉水的生产系统及其工艺，涉及水加工技术领域。一种低氘矿泉水的生产系统，包括接入原料水的净化组件，与所述净化组件对接的换热组件，与所述换热组件对接的精馏塔组，以及与所述精馏塔组连接的真空泵组。本发明制备的低氘矿泉水的氘含量低，且整个制备对于能耗的消耗少，且能够充分利用能源，工艺热效率高，大幅度节约了工艺成本，并且整个工艺步骤简单便捷，所出来的介质只有水和蒸汽，无污染。

Description

一种低氘矿泉水的生产系统及其工艺
技术领域
本发明涉及水加工领域，具体而言，涉及一种低氘矿泉水的生产系统及其工艺。
背景技术
氘的原子量为2，是氢元素(原子量为1)的重同位素，自然界中，氘元素的天然丰度为150ppm左右；人们把氘含量小于150ppm的水称为“低氘水”，或“贫氘水”或“超轻水”，由于其在医学、保健、生命科学、环境科学及美容化妆领域有着广泛的用途，近年来，国内外非常重视低氘水生产工艺的研究及推广。
经过匈牙利科学家Gabor Somlyai和日本神奈川大学关邦博等的试验证明，低氘水有多种有益于人体的生物效应：1)活化人体细胞：当体内重氢浓度的整体降低，能明显促进酶反应，提高基础代谢，利于活化机体细胞；2)增强人体免疫力：可提高NK细胞活性值，改善身体免疫障碍，从而增强了人体免疫功能；3)防癌保健功能：因剥夺癌细胞增值所需重氢环境，增大血氧的含量和氧吸收，活化人体组织细胞生机，提高细胞免疫力，恢复细胞组织、器官及系统整体功能，故可达到降低肿瘤指标值，抑制劣变细胞及癌细胞增殖。
低氘水和重水生产的原料都是资源丰富、价格低廉的天然水，目前生产低氘水及重水的方法主要有高塔分层蒸馏法和水/氢双温交换法。
蒸馏法基于天然水多种组分(如H2O、HDO，以及极少量D2O)的不同挥发性，在气、液两相共存期间可以发生氢同位素分离。在蒸汽在上升过程中，H2O由于挥发度较高在柱顶端被逐渐富集，液体在逐级溢流到塔底的过程中，HDO和极少量D2O由于挥发度较低在柱底端被逐渐富集。水蒸馏法的优点是不需要使用催化剂或化学试剂，生产工艺简单、成熟；但由于分离系数很小，约1.03～1.06，因此需要串联很多分离级，故设备高大、复杂，建设投资大；此外，由于需要反复冷凝及汽化，生产过程中需要处理的水量非常大，能源消耗大，运行费用高。
发明内容
本发明的目的在于提供一种低氘矿泉水的生产系统，此系统具有生产低氘矿泉水效率高、结构简单和能源利用率高的优点。
本发明的目的还在于提供一种低氘矿泉水的生产工艺，此生产工艺具有生产低氘矿泉水效率高、结构简单和能源利用率高的优点。
本发明解决其技术问题是采用以下技术方案来实现的。
一方面，本申请实施例提供一种低氘矿泉水的生产系统，包括接入原料水的净化组件，与所述净化组件对接的换热组件，与所述换热组件对接的精馏塔组，以及与所述精馏塔组连接的真空泵组。
在本发明的一些实施例中，上述净化组件包括依次连接的砂滤罐、碳滤罐、精密过滤器、软化器和三级精滤器。
在本发明的一些实施例中，上述换热组件包括依次连接第一换热器和第二换热器，其中，第一换热器与净化组件连接，第二换热器与精馏塔组的输入端连接。
在本发明的一些实施例中，上述精馏塔组包括多个从前到后依次连接的精馏塔，其中，前一个精馏塔的上端与后一个精馏塔的输入端连接，后一个精馏塔的下端与前一个精馏塔的输入端连接，首个精馏塔的输入端与第二换热器连接，尾个精馏塔的上端与第一换热器连接，真空泵组分别与每个精馏塔下端连接。
在本发明的一些实施例中，上述精馏塔的下端连接有再沸器，再沸器的输入端和输出端分别与精馏塔的下端连接，精馏塔塔身设置有加热套。
在本发明的一些实施例中，上述前一个精馏塔的上端与后一个精馏塔的输入端的连接管道上安装有第一阀门，尾个精馏塔的上端与第一换热器的连接管道上安装有第二阀门。
在本发明的一些实施例中，上述真空泵组包括分别与每个精馏塔的下端连接的真空泵，以及安装于真空泵与每个精馏塔的下端的连接管道上的第三阀门。
另一方面，本申请实施例提供本发明还提供低氘矿泉水的生产工艺，具体包括如下步骤：
抽真空：关闭第一阀门和第二阀门，开启第三阀门，通过加热套调整精馏塔内部温度，同时开启真空泵对精馏塔抽真空，抽真空结束后，关闭第三阀门、加热套和真空泵，开启第一阀门和第二阀门；
换热精馏：在抽真空步骤结束后，将原料水输入净化组件进行净化，再依次经过第一换热器和第二换热器加热，再将加热的原料水按照从前到后的顺序依次经过每个精馏塔精馏；
产出：在换热精馏步骤结束后，将从尾个精馏塔上端输出的蒸汽输入第一换热器对原料水供热后，得到低氘矿泉水成品，将从尾个精馏塔下端输出的余液输入第二换热器对原料水供热后，作为废水排出。
在本发明的一些实施例中，上述抽真空步骤调整精馏塔内部温度到230-280℃，调整真空度到15-20Pa。
在本发明的一些实施例中，上述换热精馏步骤在在每个精馏塔精馏时，精馏塔内部温度为110-135℃；在精馏塔开始精馏时，通过再沸器对精馏塔内液体加热。
相对于现有技术，本发明的实施例至少具有如下优点或有益效果：
本发明制备的低氘矿泉水的氘含量低(低于130ppm)，且整个制备对于能耗的消耗少，且能够充分利用能源，工艺热效率高，大幅度节约了工艺成本，并且整个工艺步骤简单便捷，所出来的介质只有水和蒸汽，无污染。
本发明制备的低氘矿泉水的获得思路主要为对水进行精馏，由于水的沸点是100℃，水和重水的沸点不同，本发明通过对水反复精馏，能够减少水中的氘含量，进而得到需要的低氘水。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本发明的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。
图1为本发明的低氘矿泉水的生产系统结构示意图。
图标：1-第一换热器；2-第二换热器；3-精馏塔；4-再沸器；5-第一阀门；6-第二阀门；7-真空泵；8-加热套；9-压缩器；10-收集罐；11-第三阀门；12-砂滤罐；13-碳滤罐；14-精密过滤器；15-软化器；16-三级精滤器。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。实施例中未注明具体条件者，按照常规条件或制造商建议的条件进行。所用试剂或仪器未注明生产厂商者，均为可以通过市售购买获得的常规产品。
需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考具体实施例来详细说明本发明。
以下结合实施例和附图对本发明的特征和性能作进一步的详细描述。
实施例1
本发明提供一种低氘矿泉水的生产系统，包括接入原料水的净化组件，与净化组件对接的换热组件，与换热组件对接的精馏塔组，以及与精馏塔组连接的真空泵组。
在本实施例中，净化组件能够对原料水进行净化，除去原料水中的杂质、污染和微生物，本发明采用的原料水为在海拔7千多米的雪山上流出的雪水，该地区为无人区，没有工业污染，年最高温度在17℃，最低温度在-42℃，根据勘探确认，该地区的水平均流量超过16T/h，产水量大14w吨以上该地区的水质优良，用于生产矿泉水绝佳；换热组件进料端和出料端分别与净化组件和精馏塔组连接，换热组件可以利用精馏塔组处理后的低氘矿泉水和重水废水的残余热量对原料水进行初步加热；精馏塔组输入端能够接受被换热组件初步加热的原料水，对其进行精馏，在精馏过程中，低氘水随着温度升高气化从顶部输出，而重水则留在塔内，在精馏完成以后，其上端输出的蒸汽和下端输出的重水废水被输入到换热组件进行换热，能够节约能源；真空泵组与精馏塔组的底部连接，能够对精馏塔组抽真空，排出其内部残余的水分，保证生产的低氘矿泉水的质量。
实施例2
本发明提供一种低氘矿泉水的生产系统，其与实施例1基本相同，区别在于：净化组件包括依次连接的砂滤罐12、碳滤罐13、精密过滤器14、软化器15和三级精滤器16。
在本实施例中，砂滤罐12内填充有过滤石英砂料，其能够除去水中的杂质，且其过滤阻力小、比表面积大，还具有耐酸碱性强和抗污染性好的优点，其出水端与碳滤罐13连接；碳滤罐13与砂滤罐12对接，其内部填充有活性炭填料，其具有多孔结构，能够对中、小分子物质进行吸附，其表面分布有大量羟基和羧基官能团，能够吸附有机物和有害物质，能够对水源起到净化作用，其出水端与精密过滤器14连接；精密过滤器14的过滤精度为3-8μm，优选为5μm，其滤芯材质为聚四乙烯、聚砜或聚丙烯，其出水端与软化器15连接；软化器15于精密过滤器14连接，其能够除去水中的钙离子和镁离子，降低水的硬度，其出水端与三级精滤器16连接；三级精滤器16与第一换热器1的输入端连接，其内部依次设置有pp棉、活性炭过滤层和RO反渗透膜，能够对水再次过滤，进而保证水质干净。
实施例3
本发明提供一种低氘矿泉水的生产系统，其与实施例1基本相同，区别在于：换热组件包括依次连接第一换热器1和第二换热器2，其中，第一换热器1与净化组件连接，第二换热器2与精馏塔组的输入端连接。
在本实施例中，第一换热器1和第二换热器2依次连接，第一换热器1的输入端与净化组件连接，其输出端与第二换热器2连接，其可以接入精馏塔组输出的蒸汽，并将该蒸汽的热能传递给原料水，对原料水进行加热，冷却后的蒸汽为低氘矿泉水成品；第二换热器2输出端与蒸馏塔组输入端连接，能够利用精馏完成的重水废水中的热量对原料水进行再次加热，而由于重水废水中的热量相较于蒸汽中的热量更多，能够对原料水梯度加热，充分利用能源，冷却后的重水废水被排出。
实施例4
本发明提供一种低氘矿泉水的生产系统，其与实施例3基本相同，区别在于：精馏塔组包括多个从前到后依次连接的精馏塔3，其中，前一个精馏塔3的上端与后一个精馏塔3的输入端连接，后一个精馏塔3的下端与前一个精馏塔3的输入端连接，首个精馏塔3的输入端与第二换热器2连接，尾个精馏塔3的上端与第一换热器1连接，尾个精馏塔3的下端与第二换热器2连接，真空泵组分别与每个精馏塔3下端连接。
在本实施例中，精馏塔3数量有多个，至少为2个，多个精馏塔3从前到后依次通过管道连接，前一个精馏塔3的上端与后一个精馏塔3的输入端连接，能够对低氘水进行多次精馏，使得得到的低氘水品质高；后一个精馏塔3的下端与前一个精馏塔3的输入端连接，在后一个精馏塔3处理后的水中的含氘量是低于前一个精馏塔3处理后的水中的含氘量，通过后一个精馏塔3下端将处理的水输入回前一个精馏塔3的输入端，对处理后的水进行再利用，能够起到节约资源的作用；尾个精馏塔3的上端与第一换热器1连接，尾个精馏塔3输出的为最后的蒸汽态的低氘矿泉水，将其输入第一换热器1内进行换热，能够充分利用能源，且能够便于其液化后进行成品包装；尾个精馏塔3的下端与第二换热器2连接，能够将最后处理得到的废水输入第二换热器2内进行换热，对能源充分利用。
优选的，尾个精馏塔3的上端与第一换热器1的连接管道上安装有压缩器9，能够将蒸汽态的低氘矿泉水进行压缩，便于能源集中对第一换热器1加热。
优选的，第一换热器1连接有收集罐10，在蒸汽态的低氘矿泉水换热后，输入到收集罐10内存储，便于后续处理。
实施例5
本发明提供一种低氘矿泉水的生产系统，其与实施例4基本相同，区别在于：精馏塔3的下端连接有再沸器4，再沸器4的输入端和输出端分别与精馏塔3的下端连接，精馏塔3塔身设置有加热套8。
在本实施例中，每个精馏塔3的下端均连接有一个再沸器4，能够在生产的开始对原料水进行加热，便于生产的快速进行，提高生产效率；再沸器4的输入端和输出端分别与精馏塔3的下端连接，能够循环加热精馏塔3内的液体；并且除首个精馏塔3外的精馏塔3下端连接的再沸器4与后一个精馏塔3下端与前一个精馏塔3输入端的连接管道连接，能够便于加热后的液体直接输入前一个精馏塔3进行处理，节约处理工艺，简化生产步骤；每个精馏塔3的塔身上均套设有加热套8，能够对塔内的液体进行加热。
实施例6
本发明提供一种低氘矿泉水的生产系统，其与实施例5基本相同，区别在于：前一个精馏塔3的上端与后一个精馏塔3的输入端的连接管道上安装有第一阀门5，尾个精馏塔3的上端与第一换热器1的连接管道上安装有第二阀门6。
在本实施例中，第一阀门5数量有多个，其分别安装在前一个精馏塔3的上端与后一个精馏塔3的输入端的连接管道上，用于控制管道的开闭，能够在需要对精馏塔3真空处理时，便于真空操作；第二阀门6安装在尾个精馏塔3的上端与第一换热器1的连接管道上，用于控制管道的开闭。
实施例7
本发明提供一种低氘矿泉水的生产系统，其与实施例6基本相同，区别在于：真空泵组包括分别与每个精馏塔3的下端连接的真空泵7，以及安装于真空泵7与每个精馏塔3的下端的连接管道上的第三阀门11。
在本实施例中，上述真空泵7通过管道分别与每个精馏塔3的底部连接，能够对每个精馏塔3进行真空处理；第三阀门11数量有多个，分别安装在每个精馏塔3与真空泵7的连接管道上，便于真空处理。
实施例8
本发明提供一种低氘矿泉水的生产工艺，包括如下步骤：
抽真空：关闭第一阀门5和第二阀门6，开启第三阀门11，通过加热套8调整精馏塔3内部温度为230℃，同时开启真空泵7对精馏塔3抽真空，使得精馏塔3内真空度为15Pa，抽真空结束后，关闭第三阀门11、加热套8和真空泵7，开启第一阀门5和第二阀门6；
换热精馏：在抽真空步骤结束后，将原料水输入净化组件进行净化，再依次经过第一换热器1和第二换热器2加热，再将加热的原料水按照从前到后的顺序依次经过每个精馏塔3精馏，在精馏塔3开始精馏时，通过再沸器4对精馏塔3内液体加热，在每个精馏塔3精馏时，精馏塔3内部温度为110℃；
产出：在换热精馏步骤结束后，将从尾个精馏塔3上端输出的蒸汽输入第一换热器1对原料水供热后，得到低氘矿泉水成品，将从尾个精馏塔3下端输出的余液输入第二换热器2对原料水供热后，作为废水排出。
实施例9
本发明提供一种低氘矿泉水的生产工艺，包括如下步骤：
抽真空：关闭第一阀门5和第二阀门6，开启第三阀门11，通过加热套8调整精馏塔3内部温度为245℃，同时开启真空泵7对精馏塔3抽真空，使得精馏塔3内真空度为16Pa，抽真空结束后，关闭第三阀门11、加热套8和真空泵7，开启第一阀门5和第二阀门6；
换热精馏：在抽真空步骤结束后，将原料水输入净化组件进行净化，再依次经过第一换热器1和第二换热器2加热，再将加热的原料水按照从前到后的顺序依次经过每个精馏塔3精馏，在精馏塔3开始精馏时，通过再沸器4对精馏塔3内液体加热，在每个精馏塔3精馏时，精馏塔3内部温度为120℃；
产出：在换热精馏步骤结束后，将从尾个精馏塔3上端输出的蒸汽输入第一换热器1对原料水供热后，得到低氘矿泉水成品，将从尾个精馏塔3下端输出的余液输入第二换热器2对原料水供热后，作为废水排出。
实施例10
本发明提供一种低氘矿泉水的生产工艺，包括如下步骤：
抽真空：关闭第一阀门5和第二阀门6，开启第三阀门11，通过加热套8调整精馏塔3内部温度为255℃，同时开启真空泵7对精馏塔3抽真空，使得精馏塔3内真空度为18Pa，抽真空结束后，关闭第三阀门11、加热套8和真空泵7，开启第一阀门5和第二阀门6；
换热精馏：在抽真空步骤结束后，将原料水输入净化组件进行净化，再依次经过第一换热器1和第二换热器2加热，再将加热的原料水按照从前到后的顺序依次经过每个精馏塔3精馏，在精馏塔3开始精馏时，通过再沸器4对精馏塔3内液体加热，在每个精馏塔3精馏时，精馏塔3内部温度为125℃；
产出：在换热精馏步骤结束后，将从尾个精馏塔3上端输出的蒸汽输入第一换热器1对原料水供热后，得到低氘矿泉水成品，将从尾个精馏塔3下端输出的余液输入第二换热器2对原料水供热后，作为废水排出。
实施例11
本发明提供一种低氘矿泉水的生产工艺，包括如下步骤：
抽真空：关闭第一阀门5和第二阀门6，开启第三阀门11，通过加热套8调整精馏塔3内部温度为280℃，同时开启真空泵7对精馏塔3抽真空，使得精馏塔3内真空度为20Pa，抽真空结束后，关闭第三阀门11、加热套8和真空泵7，开启第一阀门5和第二阀门6；
换热精馏：在抽真空步骤结束后，将原料水输入净化组件进行净化，再依次经过第一换热器1和第二换热器2加热，再将加热的原料水按照从前到后的顺序依次经过每个精馏塔3精馏，在精馏塔3开始精馏时，通过再沸器4对精馏塔3内液体加热，在每个精馏塔3精馏时，精馏塔3内部温度为135℃；
产出：在换热精馏步骤结束后，将从尾个精馏塔3上端输出的蒸汽输入第一换热器1对原料水供热后，得到低氘矿泉水成品，将从尾个精馏塔3下端输出的余液输入第二换热器2对原料水供热后，作为废水排出。
实验例1
分别取用实施例8-11制备的低氘矿泉水依据GB8537-1995《食品安全国家标准饮用天然矿泉水》进行数据检查，结果如表1所示。
表1
Figure BDA0003453238760000121
Figure BDA0003453238760000131
根据表1，可以看出，其中有3项参数均符合标准，因此，该矿泉合格；而且本申请的矿泉水为富含锶、锂、游离态二氧化碳和偏硅酸的天然高矿化冷泉水。同时，对碳酸氢根离子、氨氮、硫化物、游离余氯、氯化物、硫酸盐、钠离子、钾离子、铝、钼、钴、铍、钡、钒、铊、总α放射性和总β放射性等组分进行了检测，其中，有益组分碳酸氢根离子含量超过2000mg/L，上述组分中的饮用水限量指标也符合生活用水标准。
实验例2
分别取用实施例9和依云矿泉水进行成分分析对比，结果如表2所示。
表2
Figure BDA0003453238760000132
Figure BDA0003453238760000141
根据表2，可以看出，本申请获得的矿泉水的微量元素含量明显多于依云矿泉水，这说明本申请获得的矿泉水为天然高矿化冷泉水。
实验例3
取用实施例8-11制备的低氘矿泉水进行检查，确认矿泉水中的氘含量，检查结果如表3所示。
表3
试样 实施例8 实施例9 实施例10 实施例11
氘含量 129.6ppm 125.7ppm 128.1ppm 124.3ppm
根据表3，可以看出，本申请制备的低氘水的氘含量较低。
综上所述，本发明制备的低氘矿泉水的氘含量低，且整个制备对于能耗的消耗少，且能够充分利用能源，工艺热效率高，大幅度节约了工艺成本，并且整个工艺步骤简单便捷，所出来的介质只有水和蒸汽，无污染。
以上所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

Claims (10)

1.一种低氘矿泉水的生产系统，其特征在于，包括接入原料水的净化组件，与所述净化组件对接的换热组件，与所述换热组件对接的精馏塔组，以及与所述精馏塔组连接的真空泵组。
2.根据权利要求1所述的一种低氘矿泉水的生产系统，其特征在于，所述净化组件包括依次连接的砂滤罐、碳滤罐、精密过滤器、软化器和三级精滤器。
3.根据权利要求1所述的一种低氘矿泉水的生产系统，其特征在于，所述换热组件包括依次连接第一换热器和第二换热器，其中，所述第一换热器与净化组件连接，所述第二换热器与精馏塔组的输入端连接。
4.根据权利要求3所述的一种低氘矿泉水的生产系统，其特征在于，所述精馏塔组包括多个从前到后依次连接的精馏塔，其中，前一个所述精馏塔的上端与后一个所述精馏塔的输入端连接，后一个所述精馏塔的下端与前一个所述精馏塔的输入端连接，首个所述精馏塔的输入端与第二换热器连接，尾个所述精馏塔的上端与第一换热器连接，尾个所述精馏塔的下端与第二换热器连接，所述真空泵组分别与每个精馏塔下端连接。
5.根据权利要求4所述的一种低氘矿泉水的生产系统，其特征在于，所述精馏塔的下端连接有再沸器，所述再沸器的输入端和输出端分别与精馏塔的下端连接，所述精馏塔塔身设置有加热套。
6.根据权利要求5所述的一种低氘矿泉水的生产系统，其特征在于，前一个所述精馏塔的上端与后一个所述精馏塔的输入端的连接管道上安装有第一阀门，尾个所述精馏塔的上端与第一换热器的连接管道上安装有第二阀门。
7.根据权利要求6所述的一种低氘矿泉水的生产系统，其特征在于，所述真空泵组包括分别与每个精馏塔的下端连接的真空泵，以及安装于所述真空泵与每个精馏塔的下端的连接管道上的第三阀门。
8.一种低氘矿泉水的生产工艺，其特征在于，其采用权利要求7所述系统来制备低氘矿泉水，具体包括如下步骤：
抽真空：关闭第一阀门和第二阀门，开启第三阀门，通过加热套调整精馏塔内部温度，同时开启真空泵对精馏塔抽真空，抽真空结束后，关闭第三阀门、加热套和真空泵，开启第一阀门和第二阀门；
换热精馏：在抽真空步骤结束后，将原料水输入净化组件进行净化，再依次经过第一换热器和第二换热器加热，再将加热的原料水按照从前到后的顺序依次经过每个精馏塔精馏；
产出：在换热精馏步骤结束后，将从尾个精馏塔上端输出的蒸汽输入第一换热器对原料水供热后，得到低氘矿泉水成品，将从尾个精馏塔下端输出的余液输入第二换热器对原料水供热后，作为废水排出。
9.根据权利要求8所述的一种低氘矿泉水的生产工艺，其特征在于，所述抽真空步骤调整精馏塔内部温度到230-280℃，调整真空度到15-20Pa。
10.根据权利要求8所述的一种低氘矿泉水的生产工艺，其特征在于，所述换热精馏步骤在在每个精馏塔精馏时，精馏塔内部温度为110-135℃；在精馏塔开始精馏时，通过再沸器对精馏塔内液体加热。
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