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碳酸饮料生产中的气水混合技术应用研究

摘要：在很多化工单元操作中，气水混合技术均有应用，本文将其应用于碳酸饮料生产作业中，基于对气水混合技术原理的分析，阐明技术应用下碳酸饮料生产工艺流程及技术方案，在降低电能消耗、避免污染气体排放等方面表现出很好显的应用优势。
关键词：碳酸饮料生产，气水混合技术，生产工艺，技术方案
无论是年轻消费群体喜爱的雪碧、芬达、可乐等饮料，还是广受中老年消费群体欢迎的啤酒，全部都是人们在日常生活中购买及饮用率非常高的饮品，且它们均被划归至碳酸系列饮品的范畴之中。在我国饮料市场中，碳酸饮料所占据的市场份额比较大，但从宏观层面上来看，现如今碳酸饮料行业面临的挑战不容忽视。与社会经济水平的日益升高相伴随，人们的消费水平也呈现出不断攀升之势，和人们生活有着尤为密切的关系的物价同样节节升高，与之相对应的，劳动力成本也在逐渐增加，这又进一步在无形之中导致碳酸饮料成本的上升。在进行碳酸饮料的制作过程中，二氧化碳气体表现出来一些自身特有的化学特性，要求在对二氧化碳气体与水进行混合之时执行对饮品料液的制冷处理，而这一作业消耗的电能很大，若是有一项二氧化碳气体同水强力混合的汽水生产技术，可以在非制冷条件下，基于一定的压力支持，同时，经由相应的细化与多层次接触等处理达到充分混合二氧化碳和水的目的，便能够大幅度降低电能的消耗，并对制冷环节产生氟利昂或氨等污染气体的现象加以规避，此外，对于碳酸饮料行业生产成本的有效降低同样具有积极意义。
1气水混合技术原理
在常温状态下（不必执行制冷操作），采用定量与压力固定不变的方式，将二氧化碳、净化空气、氧气以及氮气等气体（具体的气体用量可以与实际的需要相结合而添加）输入到离心水泵或者是多级离心水泵的吸入口，与此同时，将恒定压力水（用柱塞泵或者是压力储水罐供给）同样向水泵吸入口输入，基于水泵叶轮的高速旋转作业的支撑，在特定的压力条件下在水泵工作室对水泵吸入的气体与水执行多层次细化接触处理，进一步地达到将它们充分混合的目的，经由水泵出口将得到的高压混合汽水向混合罐传送，最终在汽水减压器的运行支持下执行对高压汽水的稳定减压处理，并进入灌装生产线等应用领域，此即气水混合技术原理。
2基于气水混合技术的碳酸饮料生产工艺流程
在经过过滤与杀菌等相应处理之后，可以将原水转化为饮料用水，与此同时，通过熔化、过滤以及冷却等处理，又可达到将白砂糖转化为冷却糖浆的目的。在非制冷条件下，按照一定的比例将饮料用水与冷却后的糖浆直接放入气水混合装置中，对它们进行碳酸化处理，并将处理所得料液放置灌装系统中执行灌装操作，待完成灌装作业之后进一步做好套标、喷码以及膜包装等工作，便可得到碳酸饮料成品。图1所示为碳酸饮料生产工艺流程示意图。

图1 基于气水混合技术的碳酸饮料生产工艺流程
所谓碳酸化作用，其实就是水吸收碳酸气的作用，通常也可称之为碳酸饱和作用，该作用所用设备在我国被称作汽水混合机。
从其实质上来看，碳酸化即基于压力的作用对碳酸气与水进行混合，让两者密切接触，在此过程中产生以下反应：
CO2+H2O H2CO3
此过程对亨利定律以及道尔顿定律予以服从，从会对该过程产生影响的因素上来看，主要包括以下3点：
（1）碳酸气分压，溶解度会随着压力的不断增加而呈现出逐渐加大之势。
（2）水的温度，一般情况下，水温降低，溶解度会与之相对应而增加。
（3）气液两相接触的表面积，溶解度随着接触面积的增大而增加。
以上3个影响因素有着相同的重要性，且生产条件会对其产生限制性作用。举例而言，压力的增加会受到包装容器耐压的限制，另外，装瓶速度也会由此而受到相应的影响，造成操作费用的增加。如果将水温降低，使其与冰点相接近，冷冻的效率会非常低，这一形势下，冷冻系统的正常运行支出会大幅度增加，故而适宜将水温设定在高于4-5℃的水平上。从设计与经济性视角上来看，气液接触面的增加同样会受到一定的限制，该作业会在一定程度上增加混合机洗涤以及消毒的复杂性。
不仅如此，基于道尔顿分压定律的指导，在系统总压力下，溶解仅相关于碳酸气的分压，故而在实际的操作环节，需要提高重视，将系统中的空气排除出去，对此，国外还针对性地在碳酸化处理环节增加了对水的脱气设备的应用。
3气水混合技术应用方案
基于气水混合技术的二氧化碳气体与水强力混合汽水生产设备主要由保护性护罩、二氧化碳储罐、集气箱、混合罐、减压器、柱塞泵（或压力储水罐）构成。在输水管的支撑作用下，柱塞泵（或压力储水罐）的出水口同混合罐的入水口、二氧化碳储罐的出气口同集气箱的第一进气口建立起相互之间的连接。与实际所需相结合，集气箱上连接有若干支气管，通常情况下数量为4，其中，第一支气管同混合罐的第一进气口建立起相互之间的连接，且在该第一支气管上，按顺序进行一阀门与一单向阀的装设，若单向阀处于开启的状态，则仅允许集气箱内部的气体向混合罐流入；第二支气管上同样按顺序进行一阀门与一单向阀的装设，若单向阀处于开启的状态，则仅允许混合罐内气体向集气箱流入，且在汽水输送管路的支持下，混合罐汽水出口建立起同外设灌装机之间的相互连接；其他支气管的另一端分别与离心泵相连接。
在输水管路上，可进行若干数量的离心水泵或者是多级水泵的装设，具体的装设数量需要按照生产汽水的实际CO2含量需要来确定。
在输水管路上，针对处在柱塞泵（或压力储水罐）出水口同离心泵之间的那部分管路，按顺序进行流量表、单向阀、阀门以及调节阀的装设。
针对位于离心泵与混合罐入水口之间的那部分管路，则按设定好的顺序进行阀门、流量孔板、流量计以及调节阀的装设。
针对位于集气箱与离心泵之间的管路，按实际需要执行对阀门与单向阀的装设任务。
二氧化碳罐上进行压力表以及CO2减压器的装设，后者的作用在于使得输入集气箱的那部分CO2气体压力满足既定的要求。
集气箱上进行压力表以及安全阀的装设，集气箱下端面与排污管相连接，进一步地，排污管上进行排污阀门的装设，另一端与集污池连接。
混合罐的上端盖上分别进行压力表以及安全阀的设置，对应的，其底壁与排污管建立起相互之间的连接，该排污管上不进行排污阀门的装设，另一端同外设的排污池相连接。
汽水输送管路上分别进行液体介质减压器、压力表以及阀门3个部件的装设。减压器可以将流体的压力由3.5MPa将至低于0.1MPa的水平。
在非制冷的常温条件下（低于65℃），将CO2气体输入离心或多极离心水泵吸口，同泵前输入的恒定压力水混合，经由水泵叶轮高速旋转作业的支持，执行对CO2与H2O多层细化处理，之后，在压力条件下进一步施以CO2+H2O超饱和混合，并对水泵流量以及输入的CO2压力作相应的调节，与实际应用要求相结合，得到满足具体CO2含量要求的混合汽水，由于这些汽水压力比较高，故还需要在减压器处理下进入灌装生产线。
4结语
本文将汽水混合技术应用于碳酸饮料生产之中，该技术方案可以在常温状态下充分混合CO2与H2O，将传统方案下汽水混合需要制冷这一工序省去，避免了氟利昂或氨等污染性气体的排放，同时，亦实现了对制冷环节大量电能消耗现象的避免，因而在碳酸饮料的生产中有很好的适用性。
参考文献：
[1]王玉琨,陈长武. HACCP在碳酸饮料生产中的应用[J]. 吉林工程技术师范学院学报,2018,34(1):81-82. DOI:10.3969/j.issn.1009-9042.2018.01.028.
[2]施加林,蔡东宁.浅谈碳酸饮料混比机的工控系统[J].江苏科技信息,2013(16):58-59.

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