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MEMOIRE DESCRIPTIF déposé à l'appui d'une DEMANDE DE BREVET D'INVENTION procédé et dispositif de conditionnement de dioxyde de carbone destiné à être mis en bonbonne.
Deux méthodes différentes sont employées pour remplir les bonbonnes de CO2. La première est surtout employée en Allemagne, tandis que la seconde est plus courante en Belgique, France, U.S.A. etc.
La première consiste à déverser le CO2, condensé dans le condenseur, dans un récipient d'une assez grande contenance, où il est accumulé temporairement. Les bonbonnes sont alimentées, non pas directement du condenseur, mais du bas du récipient accumulateur, qui peut prendre la forme d'un serpentin plat fixé au mur de la salle de remplissage. Ce récipient-accumulateur présente l'avantage d'effectuer le remplissage avec une seule équipe, quoique l'installation de production de CO2 liquide marche à trois équipes. Dans cette méthode le CO2 qui afflue vers les bonbonnes est toujours à l'état liquide.
Dans la deuxième méthode, le CO2 venant du condenseur est
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distribué directement aux bonbonnes par un tuyau sur lequel les prises des bonbonnes sont embranchées. Tout liquide qui se forme est aussitôt évacué vers les bonbonnes. Par cette méthode de remplissage, on évite les récipients-accumulateurs dont le prix est relativement élevé. Par contre, si l'installation productrice de CO2 marche continuellement, il faut aussi trois équipes au remplissage.
Cette méthode présente encore d'autres inconvénients. Le nombre de bonbonnes, raccordées simultanément au condenseur, doit être relativement grand, pour éviter que, lors d'un accroc à une ou deux bonbonnes, le condenseur ne soit inondé, et que la pression ne monte pas outre mesure. Le temps pendant lequel du C02 afflue vers une bonbonne donnée sous forme de liquide ne doit être qu'une fraction - mettons 2/3 -, du temps pendant lequel cette bonbonne est effectivement en connexion avec le condenseur.
Pendant la différence de ces deux temps, - donc le tiers du temps de connexion effective, dans notre exemple -, le CO2 peut affluer sous forme de gaz. Il s'ensuit un grand ralentissement du remplissage, parce que l'enthalpie du CO2 entrant dans la bonbonne à l'état gazeux est beaucoup plus grande que celle du C02 entrant à l'état liquide. Cet excès d'énergie doit être dissipé dans !-'ambiance par radiation et convection, ce qui demande du temps.
La quantité de CO2 gazeux entrant dans la bonbonne est appréciable parce que la différence de pression entre le condenseur d'une part, et l'intérieur d'une bonbonne fraîchement raccordée au condenseur est grande. De plus, la quantité de CO2 gazeux entrant dans les bonbonnes, varie fortement d'une bonbonne à l'autre, suivant la place de la bonbonne au poste de remplissage.
L'inconvénient le plus grave est le suivant : le CO2 produit par les installations usuelles n'est jamais pur, mais contient oujours des gaz étrangers. Ces gaz sont solubles dans le C02 liquide, mais plusieurs d'entre eux le sont mal. Dans un condenseur, dans lequel le C02 gazeux est admis en haut, et le CO2 liquide
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soutiré en bas, les gaz étrangers se dissolvent en partie dans le CO2 liquide, au fur et à mesure que leur pression partielle augmente dans leur acheminement vers le bas du condenseur, mais une partie reste gazeuse, et forme un tampon de gaz entre deux bouchons de liquide.
Ces gaz étrangers ne sont pas distribués uniformément sur toutes les bonbonnes, mais entrent par à-coups, dans une bonbonne donnée, raccordée au tube de distribution à une place telle qu'elle est exposée à recevoir plus de gaz que les autres. Il en résulte que la bonbonne ayant reçu une dose de gaz étrangers particulièrement grande, sera difficile à remplir on ne pourra pas établir un rythme régulier de remplissage pour toutes les bonbonnes et surtout la quantité de gaz étrangers dans cette bonbonne donnée sera tellement grande, que le contenu de cette bonbonne est impropre pour certains usages. Toute la production de la fabrique acquiert une mauvaise réputation, si chaque sixième ou dixième bonbonne occasionne des troubles lors de son emploi, ce qui n'arriverait pas si les gaz étrangers étaient uniformément répartis sur toutes les bonbonnes.
Le remplissage des bonbonnes avec du dioxyde de carbone liquide demande que la pression du liquide soit nettement supérieure à la tension de vapeur correspondant à la température de l'ambian- ce de la bonbonne. Si la salle de remplissage est chaude en été, il faut dans les installations usuelles que la pression dans le condenseur soit élevée, nonobstant l'éventualité où l'eau de réfrigération disponible est froide. Avec tout accroissement de la contrepresaion, que le compresseur doit surmonter, le débit en poids diminue fortement, et la puissance consommée par unité de débit-poids augmente.
Si le dioxyde de carbone entrant dans le condenseur était absolument pur, si l'eau de réfrigération était abondante et froide, si la salle de remplissage était tiède, et si le dioxyde de carbone condensé était éliminé du condenseur au fur et à mesure de sa formation, il serait impossible de créer la pression
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élevée requise par le remplissage de bonbonnes dans une ambiance tiède, le CO2 gazeux se condensant à une pression voisine de la tension de vapeur correspondant à la température de l'eau de réfrigération, pression inférieure à la tension de vapeur correspondant à la température de l'ambiance de la bonbonne. Tout liquide pénétrant par hasard dans la bonbonne, s'y évapore dans ces conditions.
La haute pression s'établissant dans les condenseurs des installations usuelles est due au fait que le dioxyde de carbone fourni par des installations utilisant le procédé Ozouf, ou par des procédés de fermentation, et autres, n'est jamais pure mais contient toujours une proportion assez forte de gaz étrangers, ceux qui donne la contrepression étant, dans le cas du procédé Ozouf, le N2, O2, Ar et CO. Ces gaz étrangers ne peuvent pas s'échapper des condenseurs de construction usuelle. Au cours de leur acheminement vers le bas du condenseur leur pression partielle monte, puisque le volume du CO2 gazeux diminue par condensation du CO2, et progressivement ces gaz étrangers sont dissous dans le C02 liquide.
Dans le cas où la méthode de remplissage permet que du C02 gazeux pénètre dans les bonbonnes, le restant des gaz étrangers y est entraîné à l'état gazeux, et dissous en majeure partie, ce qui ralentit considérablement le remplissage.
Vu la relativement forte teneur en gaz étrangers du C02 produit dans les installations usuelles, la somme des pressions partielles, formant la contrepression additionnelle, crée dans le condenseur une pression totale dépassant de beaucoup celle requise par le remplissage aisé des bonbonnes. C'est donc grâce aux gaz étrangers qu'un remplissage des bonbonnes peut être effectué dans les installations usuelles, lorsque latempérature de l'ambiance des bonbonnes est tiède ou chaude, mais ces mêmes gaz étrangers font dépasser de beaucoup le but, et provoquent des contrepressions qui réduisent souvent le débit-poids horaire'de 50 % et plus.
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Soulignons enfin que la présence de gaz étrangers dans les bonbonnes ralentit considérablement le remplissage :au début du remplissage, une forte proportion du liquide admis dans la bonbonne s'évapore, les gaz étrangers préalablement dissous dans le CO2 liquide passent dans la phase gazeuse, s'échauffent lors de leur compression par le liquide qui continue d'affluer dans la bonbonne, et ne sont redissous vers la fin du remplissage que très lentement, retardant ainsi l'opération de remplissage. Enfin la présence de ces gaz étrangers dans le dioxyde de carbone est indésirable dans une foule d'applications de ce produit.
Il est connu de prévoir un séparateur au bas des condenseurs usuels, et de l'éventer périodiquement, dans le but d'éliminer les gaz étrangers. Si la méthode de remplissage - première méthode - consiste à déverser le CO2 condensé dans un récipient-accumulateur, qui lui, à son tour, alimente le poste de remplissage, et si on place le dit séparateur entre le condenseur et le récipient-accumulateur, on arrive effectivement à séparer une partie gazeuse, riche en gaz étrangers, du C02 liquide, à condition de prendre certaines dispositions, ce que l'on néglige de faire. De fait l'arrangement usuel équivaut à éventer le haut du récipient-accumulateur. Il présente l'inconvénient grave de faire perdre beaucoup de CO2 gazeux accompagnant les gaz étrangers.
Une bonne partie de ce C02 gazeux provient du récipient-accumulateur, où il s'est évaporé à cause de rentrées de chaleur de l'extérieur.
Si la méthode de remplissage - deuxième méthode - consiste à évacuer tout liquide qui se forme aussitôt vers les bonbonnes, sans intercaler un récipient entre le condenseur et le tube distributeur de C02 aux bonbonnes, il est nécessaire de laisser parvenir la phase gazeuse jusqu'aux bonbonnes, si on veut éviter que le condenseur ne soit inondé, ce qui entraîne une forte augmentation de la pression. On prévoit parfois dans des installations devant fonctionner d'après cette deuxième méthode de rem-
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plissage, un séparateur au bas du condenseur, qui doit diriger le liquide vers les bonbonnes, et évacuer les gaz étrangers vers l'absorbeur ou l'extérieur. Ce séparateur ne peut pas fonctionner comme prévu, quelques moments fortuits exceptés.
En effet, puisque la phase gazeuse doit pouvoir parvenir jusqu'aux bonbonnes, c'est du C02 gazeux contenant des gaz étrangers peu concentrés qui s'échappera par le tube d'évacuation. Si d'autre part le condenseur est inondé, les gaz étrangers seront totalement, ou presque, dissous dans le CO2 liquide, avant d'arriver au séparateur. Il y a plus de chance que l'on évacue du C02 liquide par le tube d'évacuation que des gaz étrangers.
La présente invention évite les inconvénients des procédés usuels. vise à mettre le CO2 dans des conditions telles que le remplissage s'effectue aisément, tout en ayant une pression dans le condenseur aussi basse que possible. Les gaz étrangers sont élimines dans la mesure du possible. La composition du contenu de toutes les bonbonnes est uniforme ; le remplissage étant régulier et s'effectuant d'après un rythme régulier, il est ra- pide, sans danger de surremplissage. La consommation d'eau de réfrigération est aussi petite que possible.
Suivant la température de la salle de remplissage quatre cas peuvent se présenter.
1) la température de la salle de remplissage dépasse la température critique du CO2, soit + 31 Cels. J'écarte ce cas limite se présentant dans les pays chauds.
2) la température de la salle de remplissage est chaude, mais inférieure à + 31 Cels. Ce cas se présente dans presque toutes les fabriques en été, c'est-à-dire au moment de la plus forte demande. Pour les raisons sus-exposées, le remplissage est lent, la pression au condenseur élevée, et la production diminue jusqu'à 50 % et plus.
3) la température de la salle de remplissage est normale, c'est-à-dire autour de + 180 C. Tout marche bien, même dans les
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installations usuelles, à part l'irrégularité de la composition du contenu des bonbonnes, et l'excès éventuel de gaz étrangers.
4) la température de la salle de remplissage est froide.
Il y a danger de sur-remplissage des bonbonnes, surtout sides gaz étrangers ont été éliminés.
L'invention comporte des variantes, suivant que l'on emploie la première ou la deuxième méthode de remplissage.
Ayant écarté le cas 1 (t > + 31 ), on passe au cas 2 (t < + 31 ). Pour chaque température de la salle de remplissage, il existe une pression au condenseur qu'il faut atteindre, mais qu'il est superflu de dépasser. De même, pour chaque température de la salle de remplissage, il existe une température qui est la plus appropriée pour le CO2 liquide. Il est admis, parce que de règle dans la pratique, que l'eau de réfrigération disponible a une température inférieure à celle de la salle de remplissage. La pression et la température du CO2 se tiennent, et peuvent être variées simultanément dans le même sens, mais puisqu'une augmentation de la pression diminue le débit du compresseur, tandis qu'une augmentation de la température du C02 ne présente guère de gain, il est utile de choisir la pression aussi basse que possible.
Le procédé conforme à l'invention va être décrit ci-dessous en se référant au dessin annexé qui représente schématiquement l'ensemble du dispositif de condensation, de sous-refroidissement et de remplissage, la description du procédé allant forcément de pair avec celle de 7.''installation, Fig.l est une vue d'ensemble et Fig.a est une vue à plus grande échelle du dispositif dis- tributeur pour le remplissage des bonbonnes par la deuxième méthode.
A la fig.l, B désigne le condenseur principal, C le séparateur, E un réservoir intermédiaire entre ce séparateur et le distributeur K de remplissage, A-D-F-G des chemins de circulation d'eau. Le dioxyde de carbone venant du compresseur arrive par 14 ;
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les gaz étrangers séparés sortent par 15. L'eau de réfrigération du condenseur principal entre par le robinet 16, en contre-courant avec le CO2.
Suivant l'invention, on ne laisse pas la pression libre de s'établir de soi-même suivant la teneur du CO2 en gaz étrangers et suivant d'autres facteurs non contrôlés, mais cette pression ajustée délibérément par le contre-maître, par une soupape 13, et on force le C02 d'assumer cette pression en diminuant en 16 le débit de l'eau de réfrigération - supposée être à une température appréciablement inférieure à celle de la salle de remplissage -, jusqu'à ce que la température de l'eau de réfrigération quittant le condenseur B, qu'elle traverse en contre-courant avec le C02, atteigne une valeur voisine, mais inférieure, de la température qui correspond a une tension de vapeur du CO2 égale à la pression choisie pour la soupape 13, moins la somme des pressions partielles des gaz étrangers à l'entrée du condenseur principal B.
(Le "Ueberraschungsmoment" de la théorie des inventions du Patentamt allemand). D'après la présente invention, on fait donc le contraire de ce que l'on fait d'habitude, si en été on se heurte à des difficultés de remplissage à cause de la température élevée de la salle de remplissage : au lieu d'augmenter autant que possible le débit de l'eau de réfrigération, supposée être froide, on le diminue.
Pour être sûr que l'eau de réfrigération quittant le condenseur B ait une température qui diffère de peu de celle du CO2 qui se condense dans la première partie du condenseur principal, celui-ci peut être précédé d'un pré-refroidisseur A qui enlève au CO2, venant du compresseur par 14, sa surchauffe, et condense même, le cas échéant, une infime partie du C02. Le débit de l'eau de réfrigération, - débit total ou complémentaire - peut être réglé par un régleur automatique 16-16' pour B et 17-17' pour A, réglant d'après la température de sortie de l'eau de réfrigération ; température ajustée par le contre-maître en accord avec la pression de la soupape 13.
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L'effet de ces mesures est le suivant : dans le bas du condenseur B, où le C02 gazeux et liquide est en rapport thermique avec l'eau de réfrigération froide, la tension de vapeur du CO2 sera notablement plus petite que la pression totale fixée par la soupape 13. La différence entre la pression totale et la tension de vapeur du CO2 est comblée par la somme des pressions partielles des gaz étrangers. La concentration des gaz étrangers dans le mélange gazeux quittant avec le CO2 liquide le condenseur principal B sera donc relativement grande, et la perte de CO2 par l'évacuation de ce mélange gazeux relativement petite.
Ce mélange gazeux est évacué par la soupape 13 susmentionnée.
(Conduite 18 partant du séparateur C). On peut aussi prévoir un by-pass à côté de cette soupape, et y intercaler un orifice de laminage 19 réglé, par exemple, par un pointeau 20, que l'on ouvre jusqu'à ce que la soupape 13 ne joue plus que de temps en temps.On peut aussi procéder en ordre inverse et laisser échapper par l'orifice de laminage un débit donné de mélange gazeux, mesuré, par exemple, par un ajutage Venturi, choisi d'après la quantité de gaz étrangers à éliminer, puis ajuster le régleur 16-16' de l'eau de réfrigération du condenseur principal, jusqu'à ce que la soupape 13 ne joue plus qu'occasionnellement.
Pour que les organes de détente ne se givrent pas, ou soient immobilisés par de la glace d'eau se déposant à cause du froid produit par la détente du C02, le mélange gazeux, quittant le séparateur C au bas du condenseur principal B, est réchauffé éventuellement dans un réchauffeur D où circule de l'eau tiède.
Le cas échéant, ce réchauffeur D et le pré-refroidisseur A, précédant le condenseur principal, peuvent former un seul appareil, qui reçoit son eau de réfrigération, le cas échéant, du condenseur principal.
Dans l'exemple, le réchauffeur D est alimenté en eau par 22 ; si on désire alimenter en eau l'appareil combiné A-D, à partir du condenseur, on raccorde le conduit 23 de sortie du condenseur à l'entrée de cet appareil combiné A-D.
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Le liquide et le mélange gazeux sortant du bas du conden- sa.teur principal B, sont séparés dans le séparateur C. Dans le cas où la première méthode de remplissage est employée, le liquide est déversé dans le récipient-accumulateur (non représenté).
Dans le cas représenté où la deuxième méthode de remplissage est employée, le liquide est déversé d'après la présente invention dans un petit récipient intermédiaire E. Dans les deux cas, le liquide passe, avant d'être distribué aux postes de remplissage, par un sous-refroidisseur F où de l'eau de réfrigération froide le porte à la température propice à un remplissage aisé. Le débit de cette eau de réfrigération peut être réglé par un régleur automatique 24-24', réglant d'après la température de CO2 liquide quittant le sous-refroidisseur.
D'après la présente invention, le contre-maître peut donc, tenant compte de la température de la salle de remplissage, ajuster l'appareillage de telle façon que le CO2 liquide possède la température la plus propice à un remplissage aisé, et la pression la plus basse compatible avec le remplissage aisé. La pression requise dans l'appareillage de haute pression est obtenue avant tout par la tension de vapeur du CO2 se condensant dans la première partie du condenseur principal B, et ne repose plus sur l'appoint de pression donné par la pression partielle des gaz étrangers contraints a se dissoudre dans le dioxyde de carbone liquide.
Incidemment on peut éliminer une partie des gaz étrangers.
La pression partielle des gaz étrangers dans le mélange gazeux sortant du condenseur principal dépendait de la différence de température de l'eau de réfrigération dans le haut et le bas du condenseur principal. Plus cette différence de température est grande, plus la somnie des pressions partielles des gaz étrangers sera élevée, plus de gaz étrangers seront dissous dans le dioxyde de carbone liquide, plus la. contrepression dans les bonbonnes, due aux gaz'étrangers sera forte, plus la pression totale au condenseur devra être élevée, et plus le débit-poids du compres-
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seur diminuera. D'autre part, plus de gaz étrangers étant dissous dans le CO2 liquide, moins il en faut évacuer avec le mélange gazeux, dont le volume diminue en outre quand la pression partielle des gaz. étrangers augmente.
Eloc, plus la pression partielle' des gaz. étrangers augmente, plus d'une part la perte par diminution du débit-poids du compresseur augmente, et d'autre part, la perte par évacuation du mélange gazeux diminue, et vice-versa.
Il y a donc une valeur optimum pour la pression partielle des gaz étrangers, qu'il s'agit d'établir.
.Pour faire varier la différence de température de l'eau de réfrigération entre le haut et le bas du condenseur principal, il faut, avant tout, agir sur la température d'admission de l'eau de réfrigération en 16. La température la plus basse est donnée par l'eau fraîche. Pour l'augmenter, on peut faire circuler une partie de l'eau en circuit fermé par la pompe 25 et les conduites 26, ou mélanger à l'eau fraîche venant de 16 l'eau provenant du'sous-refroidisseur F (par la conduite 27), ou de l'eau tiède, etc.
D'après la présente invention, le bon fonctionnement du séparateur 0 est obtenu en équilibrant les pressions dans le condenseur B d'une part et d'autre part dans le récipient auxiliaire E dans lequel le liquide séparé par le séparateur est déversé. Le liquide est déversé dans le bas de ce récipient auxiliaire par un tube plongeur 28 toujours noyé par un minimum de liquide qui ne peut quitter le récipient auxiliaire. Le haut de ce récipient auxiliaire est relié, non pas au haut du séparateur, mais d'après la présente invention au haut du condenseur principal par la conduite 29. Puisque le C02 traversant le condenseur y rencontre une résistance hydraulique, le niveau du liquide dans le séparateur C sera plus élevé de la hauteur H que le niveau dans le récipient auxiliaire E.
Si la première méthode de remplissage est employée, le récipient auxiliaire peut constituer réservoir-accumulateur. Pour
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maintenir un minimum de liquide dans le réservoir, on peut pratiquer une poche en-dessous du tube plongeur 28, ou faire puiser le tuyau de prise 30 à un niveau supérieur à l'embouchure du tube plongeur. Mettre le haut du réservoir-accumulateur en 'communica- tion avec le haut du condenseur, comme l'indique la présente invention, donne encore l'avantage suivant : le réservoir-accumula- teur peut être mis en rapport thermique avec la salle de remplis- sage, dont la température est plus élevée que celle de l'eau de réfrigération. Le C02 liquide dans le réservoir-accumulateur va donc s'échauffer.
Sa tension de vapeur va augmenter, et puisque la pression totale garde sa valeur, la pression partielle des gaz étrangers doit diminuer. Des gaz étrangers, dissous dans le CO2 liquide vont donc se dégager du liquide, et un courant de mélange gazeux allantvers le haut du condenseur (par 29) va s'établir. Le CO2 liquide s'épure donc de lui-même dans une mesure qui dépendra de son temps de séjour dans le réservoir-accumulateur, et de la température qu'il atteint. Puisque le niveau du CO2 varie dans le réservoir-accumulateur, il faut que le séparateur ait une hauteur correspondante.
Si la deuxième méthode de remplissage est employée, le niveau du liquide dans le récipient auxiliaire ; reste plus ou moins constant, puisqu'il dépend du niveau du liquide dans le distributeur K dont il diffère par la hauteur h qui correspond aux résistances hydrauliques du sous-refroidisseur et du réchauffeur.
Si la température de la salle de remplissage est normale, l'appareillage fonctionne comme décrit ci-dessus, avec cette différence que le sous-refroidisseur peut être mis hors service.
Enfin, si la température de la salle de remplissage est basse, il y a lieu de réchauffer le CO2 liquide avant de le dis- tribuer aux bonbonnes. En effet, le danger du sur-remplissage est plus grand si la température du CO2 est inférieure à une valeur donnée, que si la pression totale dépasse quelque peu la valeur la plus propice pour un remplissage aisé. Pour réaliser ce réchauf-
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fement du CO2 liquide, on peut, d'après la présente invention, dériver dans le réchauffeur G une partie ou tout l'eau de réfri- gération quittant le condenseur principal (conduit 31).
Puisque le sous-refroidisseur F est hors service lorsque le réchauffeur G marche, et.vice-versa, on peut réunir ces deux appareils en un . seul, les sens des liquides étant renversés par l'ouverture ou la fermeture de robinets placés de façon appropriée. La température du C02 liquide quittant le réchauffeur G peut être réglée automa- tiquement, par un régleur 32 qui règle le débit de l'eau de ré- chauffement.
La partie du dispositif servant au remplissage des bonbonnes (deuxième méthode) et dont le distributeur K est représenté à la fig.l, est donnée à plus grande échelle à la fig.2. Ce dispositif de remplissage évite les inconvénients de la deuxième méthode de remplissage, à part celui de nécessiter la même durée de marche que celle de l'installation de production du C02.
Le C02 liquide et le CO2 gazeux qui affluent vers les bon- bonnes ne sont pas puisés dans la même partie du condenseur, c'est-à-dire dans le bas du condenseur, mais le CO2 gazeux est pris à l'entrée du condenseur (conduite 29) donc dans le haut du condenseur, et seulement le C02 liquide est soutiré dans le bas du condenseur. Admettons, à titre d'exemple, que le CO2, provenant de l'installation de production de C02, contient un pour cent de gaz étrangers. C'est de ce gaz, à faible teneur en gaz étrangers, qu'une petite partie est dirigée par la conduite 29 vers le distributeur
K. Le C02 liquide pris par 30 est amené au centre du distributeur, par le bas, par la conduite 3. Le distributeur K contient un bassin central 4 alimenté par la conduite 3.
De ce bassin central 4, le
CO2 liquide se déverse, par des encoches 5 pratiquées dans le bord du bassin 4, dans des compartiments 6-6'-6"... groupés autour du bassin central 4 en nombre égal au nombre de postes de remplissage raccordés au distributeur. Une conduite 7-7'-7"... amène le C02 de chaque compartiment 6 à un petit réservoir 8 d'où, à travers le
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robinet 9, il entre dans la bonbonne 10 placée sur une balance 11. Le tube 12 équilibre la pression entre le distributeur K et la bouteille au bas du condenseur.
L'arrangement symétrique des compartiments 6 autour du bassin central 4 dans le distributeur assure une répartition uniforme du CO2 à toutes les bonbonnes. On pourra donc établir un rythme régulier pour le remplissage.
Le remplissage, décrit dans ses détails, s'effectue comme suit : lorsqu'une nouvelle boabonne 10, vide, est raccordée, le robinet 9 est fermé, et tous les organes (tuyau entre 9 et 8, récipient 8, tuyau 7 et compartiment 6) jusqu'à l'encoche (5) du compartiment correspondant sont pleins de CO2 liquide. Après raccordement de la bonbonne, on ouvre le robinet 9 et le CO2 liquide, emmagasiné entre l'encoche 5 et le robinet 9, entre dans la bonbonne. Cn donne au compartiment 6 et au récipient 8 plus la tuyauterie un volume total tel qu'il correspond environ aux deux siers de la charge d'une bonbonne. Cette quantité de CO2 entre d'abord très vite, puis de plus en plus lentement dans la bonbonne au fur et à mesure que la contrepression dans la bonbonne s'élève.
Cette masse de CO2 étant introduite dans la bonbonne, vient la période pendant laquelle le CO2 liquide déversé par l'encoche 5 passe à la bonbonne accompagné d'un peu de CO2 gazeax provenant du naut du distributeur K. La différence de pression entre le distributeur et la bonbonne 10 devenant de plus en plus petite, la bonbonne ne prend plus le C02 liquide aussi vite qu'il se déverse par l'encoche b dans le compartiment 6, du liquide commence à s'accumuler dans le récipient 8, du gaz cesse de parvenir jusqu'à la bonbonne, et à peu près au même temps que la bonbonne a re'u son plein de CO2, 'l'espace entre l'encoche 5 et le robinet 9 est de nouveau rempli de C02 liquide.
Un des grands avantages de ce procédé de remplissage est que, sans nécessiter de grands récipients-accumulateurs (première méthode de remplissage) la quantité de CO2 qui.entre dans la bon-
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bonne à l'état gazeux est minime, parce que du C02 gazeux ne peut pénétrer dans la bonbonne que lorsqu'elle a déjà reçu une partie substantielle de sa charge, et que la différence de pression entre le distributeur et la bonbonne 10 est devenue petite de ce fait. L'excès d'énergie, provenant de la différence de l'enthalpie du CO2 gazeux et liquide, qui devra être dissipé dans l'ambiance, sera petit, et le remplissage s'effectuera rapidement, soit environ dans la moitié du temps de la deuxième méthode usuelle de remplissage.
En ce qui concerne la rapidité du remplissage, les petits récipients 8 donnent un remplissage presqu' aussi rapide que des réservoirs-accumulateurs mille fois plus grands.
Mentionnons enfin que l'invention évite le grave inconvénient de la première méthode de remplissage, qui réside dans le fait que le C02 n'est jamais bien conditionné : quand on remplit les grands réservoirs-accumulateurs, on ne sait pas encore quelle sera la température de la salle de remplissage le jour suivant la température du CO2 n'est jamais la plus favorable.
REVENDICATIONS.
**ATTENTION** fin du champ DESC peut contenir debut de CLMS **.
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DESCRIPTIVE MEMORY filed in support of a PATENT OF INVENTION APPLICATION process and device for conditioning carbon dioxide intended to be bottled.
Two different methods are used to fill the CO2 canisters. The first is mostly used in Germany, while the second is more common in Belgium, France, U.S.A. etc.
The first is to pour the CO2, condensed in the condenser, into a container with a fairly large capacity, where it is temporarily accumulated. The cylinders are supplied, not directly from the condenser, but from the bottom of the accumulator receptacle, which may take the form of a flat coil fixed to the wall of the filling room. This accumulator-receptacle has the advantage of carrying out the filling with a single shift, although the installation for the production of liquid CO2 operates with three shifts. In this method, the CO2 which flows into the carboys is always in the liquid state.
In the second method, the CO2 coming from the condenser is
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distributed directly to the cylinders by a pipe to which the cylinder sockets are connected. Any liquid that forms is immediately evacuated to the carboys. By this method of filling, the relatively expensive accumulator-receptacles are avoided. On the other hand, if the CO2-producing installation operates continuously, three teams are also required for filling.
This method has yet other drawbacks. The number of cylinders, simultaneously connected to the condenser, must be relatively large, to prevent, during a hitch in one or two cylinders, the condenser from being flooded, and that the pressure does not rise excessively. The time during which CO2 flows to a given cylinder in liquid form should only be a fraction - say 2/3 - of the time during which this cylinder is actually in connection with the condenser.
During the difference of these two times, - therefore a third of the effective connection time, in our example -, CO2 can flow in the form of gas. This results in a great slowing down of filling, because the enthalpy of CO2 entering the cylinder in the gaseous state is much greater than that of the CO2 entering in the liquid state. This excess energy must be dissipated in the environment by radiation and convection, which takes time.
The quantity of gaseous CO2 entering the cylinder is appreciable because the pressure difference between the condenser on the one hand, and the interior of a cylinder freshly connected to the condenser is large. In addition, the quantity of gaseous CO2 entering the cylinders varies greatly from one cylinder to another, depending on the place of the cylinder at the filling station.
The most serious drawback is the following: the CO2 produced by conventional installations is never pure, but always contains foreign gases. These gases are soluble in liquid CO2, but many of them are poorly so. In a condenser, in which the gaseous CO2 is admitted at the top, and the liquid CO2
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withdrawn at the bottom, the foreign gases dissolve in part in the liquid CO2, as their partial pressure increases in their routing to the bottom of the condenser, but a part remains gaseous, and forms a gas buffer between two plugs of liquid.
These foreign gases are not distributed evenly on all the cylinders, but enter in spurts, in a given cylinder, connected to the distribution tube in a place such that it is exposed to receive more gas than the others. As a result, the cylinder having received a particularly large dose of foreign gas will be difficult to fill, it will not be possible to establish a regular filling rate for all the cylinders and above all the quantity of foreign gas in this given cylinder will be so large that the contents of this cylinder are unsuitable for certain uses. All the production of the factory acquires a bad reputation, if every sixth or tenth cylinder causes trouble in its use, which would not happen if the foreign gases were evenly distributed over all the cylinders.
Filling the cylinders with liquid carbon dioxide requires that the pressure of the liquid be significantly higher than the vapor pressure corresponding to the ambient temperature of the cylinder. If the filling room is hot in summer, in usual installations the pressure in the condenser must be high, notwithstanding the possibility that the available refrigeration water is cold. With any increase in the counterpresaion, which the compressor must overcome, the flow rate by weight decreases sharply, and the power consumed per unit of flow-weight increases.
If the carbon dioxide entering the condenser was absolutely pure, if the refrigeration water was plentiful and cold, if the filling room was lukewarm, and if the condensed carbon dioxide was removed from the condenser as it was collected. training, it would be impossible to create the pressure
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required by the filling of cylinders in a lukewarm atmosphere, the gaseous CO2 condensing at a pressure close to the vapor pressure corresponding to the temperature of the cooling water, pressure lower than the vapor pressure corresponding to the temperature of the atmosphere of the cylinder. Any liquid entering the carboy by chance evaporates there under these conditions.
The high pressure being established in the condensers of the usual installations is due to the fact that the carbon dioxide supplied by installations using the Ozouf process, or by fermentation processes, and others, is never pure but always contains a proportion strong enough foreign gases, those which give the back pressure being, in the case of the Ozouf process, N2, O2, Ar and CO. These foreign gases cannot escape from condensers of conventional construction. During their conveyance to the bottom of the condenser their partial pressure rises, since the volume of the gaseous CO2 decreases by condensation of the CO2, and gradually these foreign gases are dissolved in the liquid CO2.
In the event that the filling method allows CO2 gas to enter the cylinders, the remainder of the foreign gases is entrained therein in the gaseous state, and mostly dissolved, which considerably slows down filling.
Considering the relatively high foreign gas content of the CO2 produced in usual installations, the sum of the partial pressures, forming the additional backpressure, creates in the condenser a total pressure much exceeding that required by the easy filling of the cylinders. It is therefore thanks to foreign gases that the cylinders can be filled in usual installations, when the ambient temperature of the cylinders is lukewarm or hot, but these same foreign gases greatly exceed the target, and cause backpressures which often reduce the hourly weight flow by 50% or more.
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Finally, it should be noted that the presence of foreign gases in the cylinders considerably slows down filling: at the start of filling, a large proportion of the liquid admitted into the cylinder evaporates, the foreign gases previously dissolved in the liquid CO2 pass into the gas phase, s 'heat up during their compression by the liquid which continues to flow into the cylinder, and are redissolved towards the end of filling only very slowly, thus delaying the filling operation. Finally, the presence of these foreign gases in carbon dioxide is undesirable in a host of applications of this product.
It is known to provide a separator at the bottom of conventional condensers, and to ventilate it periodically, with the aim of removing foreign gases. If the filling method - first method - consists of pouring the condensed CO2 into an accumulator-receptacle, which in turn feeds the filling station, and if the said separator is placed between the condenser and the accumulator receptacle, we actually manage to separate a gaseous part, rich in foreign gases, liquid CO 2, on condition of taking certain measures, which we neglect to do. In fact the usual arrangement is equivalent to venting the top of the accumulator-receptacle. It has the serious drawback of losing a lot of gaseous CO2 accompanying the foreign gases.
Much of this gaseous CO 2 comes from the storage container, where it has evaporated due to incoming heat from the outside.
If the filling method - second method - consists in evacuating any liquid which forms immediately towards the cylinders, without inserting a receptacle between the condenser and the tube distributing C02 to the cylinders, it is necessary to allow the gas phase to reach the cylinders. carboys, if you want to prevent the condenser from being flooded, which leads to a strong increase in pressure. It is sometimes foreseen in installations which must operate according to this second method of filling.
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pleating, a separator at the bottom of the condenser, which must direct the liquid towards the cylinders, and evacuate the foreign gases towards the absorber or the outside. This splitter may not work as expected except for a few fortuitous moments.
In fact, since the gaseous phase must be able to reach the carboys, it is gaseous CO 2 containing not very concentrated foreign gases which will escape through the discharge tube. If, on the other hand, the condenser is flooded, the foreign gases will be totally, or almost, dissolved in the liquid CO2, before reaching the separator. There is a greater chance that liquid CO 2 will be discharged through the discharge tube than foreign gases.
The present invention avoids the drawbacks of the usual methods. aims to put the CO2 in conditions such that filling is carried out easily, while having a pressure in the condenser as low as possible. Foreign gases are removed as far as possible. The composition of the contents of all cylinders is uniform; the filling being regular and taking place at a regular rate, it is rapid, with no danger of overfilling. The consumption of refrigeration water is as small as possible.
Depending on the temperature of the filling room, four cases may arise.
1) the temperature of the filling room exceeds the critical temperature of CO2, i.e. + 31 Cels. I rule out this borderline case occurring in hot countries.
2) The temperature of the filling room is hot, but less than + 31 Cels. This case occurs in almost all factories in summer, that is to say at the time of the greatest demand. For the above reasons, filling is slow, condenser pressure high, and production decreases by up to 50% and more.
3) the temperature of the filling room is normal, that is to say around + 180 C. Everything works fine, even in
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usual installations, apart from the irregularity of the composition of the contents of the cylinders, and the possible excess of foreign gases.
4) The temperature of the filling room is cold.
There is a danger of overfilling the cylinders, especially if foreign gases have been eliminated.
The invention has variants, depending on whether the first or the second filling method is used.
Having discarded case 1 (t> + 31), we move on to case 2 (t <+ 31). For each temperature in the filling room, there is a pressure in the condenser which must be reached, but which it is superfluous to exceed. Likewise, for each temperature in the filling room, there is a temperature which is most suitable for liquid CO2. It is accepted, because of the rule in practice, that the available cooling water has a lower temperature than that of the filling room. The pressure and the temperature of the CO2 are held together, and can be varied simultaneously in the same direction, but since an increase in pressure decreases the flow rate of the compressor, while an increase in the temperature of the CO2 has little gain, it is useful to choose the pressure as low as possible.
The process according to the invention will be described below with reference to the appended drawing which schematically represents the entire condensation, sub-cooling and filling device, the description of the process necessarily going hand in hand with that of 7 . '' installation, Fig.l is an overall view and Fig.a is a view on a larger scale of the dispensing device for filling cylinders by the second method.
In fig.l, B designates the main condenser, C the separator, E an intermediate tank between this separator and the filling distributor K, A-D-F-G water circulation paths. Carbon dioxide coming from the compressor arrives at 14;
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the separated foreign gases exit through 15. The refrigeration water from the main condenser enters through the tap 16, in counter-current with the CO2.
According to the invention, the free pressure is not left to establish itself according to the content of CO2 in foreign gases and according to other uncontrolled factors, but this pressure is deliberately adjusted by the foreman, by a valve 13, and the CO2 is forced to assume this pressure by decreasing in 16 the flow of the refrigeration water - supposed to be at a temperature appreciably lower than that of the filling room -, until the temperature of the refrigeration water leaving the condenser B, which it passes through in countercurrent with the C02, reaches a value close to, but lower, the temperature which corresponds to a vapor pressure of the CO2 equal to the pressure chosen for the valve 13, minus the sum of the partial pressures of the foreign gases at the inlet of the main condenser B.
(The "Ueberraschungsmoment" of the theory of inventions of the German Patentamt). According to the present invention, we therefore do the opposite of what we usually do, if in summer we encounter filling difficulties because of the high temperature of the filling room: instead of increase as much as possible the flow of refrigeration water, supposed to be cold, it is reduced.
To be sure that the refrigeration water leaving the condenser B has a temperature which differs little from that of the CO2 which condenses in the first part of the main condenser, this one can be preceded by a precooler A which removes to CO2, coming from the compressor at 14, its overheating, and even condenses, if necessary, a tiny part of the CO2. The flow of refrigeration water - total or additional flow - can be regulated by an automatic regulator 16-16 'for B and 17-17' for A, adjusting according to the temperature of the refrigeration water outlet ; temperature adjusted by the foreman in accordance with the valve pressure 13.
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The effect of these measures is as follows: in the bottom of condenser B, where the gaseous and liquid CO2 is thermally related to the cold refrigeration water, the vapor pressure of the CO2 will be significantly smaller than the set total pressure. by valve 13. The difference between the total pressure and the vapor pressure of CO2 is made up by the sum of the partial pressures of the foreign gases. The concentration of the foreign gases in the gas mixture leaving with the liquid CO 2 the main condenser B will therefore be relatively large, and the loss of CO 2 through the discharge of this gas mixture relatively small.
This gas mixture is discharged through the above-mentioned valve 13.
(Line 18 starting from separator C). It is also possible to provide a by-pass next to this valve, and insert therein a rolling orifice 19 adjusted, for example, by a needle 20, which is opened until the valve 13 no longer plays. You can also proceed in reverse order and let escape through the rolling orifice a given flow of gas mixture, measured, for example, by a Venturi nozzle, chosen according to the quantity of foreign gas to be eliminated, then adjust the 16-16 'adjuster for the main condenser refrigeration water, until valve 13 only occasionally operates.
So that the expansion units do not freeze, or are immobilized by water ice depositing due to the cold produced by the expansion of the CO2, the gas mixture, leaving the separator C at the bottom of the main condenser B, is possibly reheated in a heater D where lukewarm water circulates.
Where appropriate, this heater D and the pre-cooler A, preceding the main condenser, can form a single device, which receives its cooling water, if applicable, from the main condenser.
In the example, the heater D is supplied with water by 22; if it is desired to supply the combined apparatus A-D with water, from the condenser, the condenser outlet pipe 23 is connected to the inlet of this combined apparatus A-D.
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The liquid and the gas mixture leaving the bottom of the main condenser B, are separated in the separator C. In the case where the first filling method is used, the liquid is discharged into the accumulator-container (not shown) .
In the case shown where the second filling method is employed, the liquid is discharged according to the present invention into a small intermediate container E. In both cases, the liquid passes, before being distributed to the filling stations, through a sub-cooler F where cold refrigeration water brings it to the temperature suitable for easy filling. The flow rate of this cooling water can be regulated by a 24-24 'automatic regulator, adjusting according to the temperature of liquid CO2 leaving the sub-cooler.
According to the present invention, the foreman can therefore, taking into account the temperature of the filling room, adjust the equipment so that the liquid CO2 has the temperature most suitable for easy filling, and the pressure lowest compatible with easy filling. The pressure required in the high pressure switchgear is obtained above all by the vapor pressure of the CO2 condensing in the first part of the main condenser B, and is no longer based on the additional pressure given by the partial pressure of the foreign gases. forced to dissolve in liquid carbon dioxide.
Incidentally, part of the foreign gases can be eliminated.
The partial pressure of foreign gases in the gas mixture leaving the main condenser depended on the temperature difference of the refrigeration water at the top and bottom of the main condenser. The greater this temperature difference, the greater the somnia of the partial pressures of foreign gases, the more foreign gases will be dissolved in the liquid carbon dioxide, the greater the. backpressure in the cylinders, due to foreign gases, the higher the total pressure at the condenser must be, and the greater the flow-weight of the compressor.
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its will decrease. On the other hand, the more foreign gases being dissolved in the liquid CO 2, the less it has to be evacuated with the gas mixture, the volume of which also decreases when the partial pressure of the gases. foreigners increases.
Eloc, plus the partial pressure of the gases. foreigners increases, more on the one hand the loss by reduction in the flow-weight of the compressor increases, and on the other hand, the loss by evacuation of the gas mixture decreases, and vice versa.
There is therefore an optimum value for the partial pressure of the foreign gases, which must be established.
.To vary the temperature difference of the refrigeration water between the top and the bottom of the main condenser, it is first of all necessary to act on the temperature of the refrigeration water inlet at 16. The highest temperature. low is given by cool water. To increase it, part of the water can be circulated in a closed circuit through the pump 25 and the pipes 26, or mixed with the fresh water coming from the water coming from the sub-cooler F (by the pipe 27), or lukewarm water, etc.
According to the present invention, the correct operation of the separator 0 is obtained by balancing the pressures in the condenser B on the one hand and on the other hand in the auxiliary vessel E into which the liquid separated by the separator is discharged. The liquid is poured into the bottom of this auxiliary container through a dip tube 28 still flooded with a minimum of liquid which cannot leave the auxiliary container. The top of this auxiliary vessel is connected, not to the top of the separator, but according to the present invention to the top of the main condenser by line 29. Since the CO2 passing through the condenser meets a hydraulic resistance there, the level of the liquid in the condenser. the separator C will be higher by the height H than the level in the auxiliary container E.
If the first filling method is used, the auxiliary receptacle may constitute a reservoir-accumulator. For
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maintain a minimum of liquid in the reservoir, it is possible to make a pocket below the plunger tube 28, or to draw the intake tube 30 at a level above the mouth of the plunger tube. Placing the top of the accumulator-tank in communication with the top of the condenser, as indicated by the present invention, still gives the following advantage: the accumulator-tank can be thermally connected to the filling room. - sage, the temperature of which is higher than that of the cooling water. The liquid CO2 in the reservoir-accumulator will therefore heat up.
Its vapor pressure will increase, and since the total pressure keeps its value, the partial pressure of foreign gases must decrease. Foreign gases, dissolved in liquid CO2, will therefore be released from the liquid, and a stream of gas mixture going towards the top of the condenser (by 29) will be established. The liquid CO2 therefore purifies itself to an extent which will depend on its residence time in the reservoir-accumulator, and on the temperature it reaches. Since the level of CO2 varies in the reservoir-accumulator, the separator must have a corresponding height.
If the second filling method is used, the level of the liquid in the auxiliary vessel; remains more or less constant, since it depends on the level of the liquid in the distributor K from which it differs by the height h which corresponds to the hydraulic resistances of the sub-cooler and of the heater.
If the temperature in the filling room is normal, the switchgear operates as described above, with the difference that the sub-cooler can be taken out of service.
Finally, if the temperature in the filling room is low, the liquid CO2 must be heated before distributing it to the cylinders. In fact, the danger of overfilling is greater if the temperature of the CO2 is lower than a given value, than if the total pressure somewhat exceeds the value most favorable for easy filling. To make this heater
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Without liquid CO2, it is possible, according to the present invention, to divert part or all of the refrigeration water leaving the main condenser (line 31) into the heater G.
Since sub-cooler F is out of service when heater G is on, and vice versa, these two devices can be combined into one. alone, the directions of liquids being reversed by opening or closing appropriately placed taps. The temperature of the liquid CO 2 leaving the heater G can be regulated automatically, by an adjuster 32 which regulates the flow rate of the heating water.
The part of the device used for filling the cylinders (second method) and of which the distributor K is shown in fig.l, is given on a larger scale in fig.2. This filling device avoids the drawbacks of the second filling method, apart from that of requiring the same operating time as that of the installation for producing C02.
The liquid CO2 and the gaseous CO2 which flow to the cylinders are not drawn from the same part of the condenser, that is to say from the bottom of the condenser, but the gaseous CO2 is taken at the inlet of the condenser. (line 29) therefore at the top of the condenser, and only liquid CO2 is withdrawn from the bottom of the condenser. Let us assume, as an example, that the CO2, coming from the CO2 production plant, contains one percent foreign gas. It is of this gas, with a low content of foreign gases, that a small part is directed through line 29 to the distributor
K. The liquid C02 taken by 30 is brought to the center of the distributor, from the bottom, through line 3. Distributor K contains a central basin 4 supplied by line 3.
From this central basin 4, the
Liquid CO2 is poured through notches 5 in the edge of the basin 4, into compartments 6-6'-6 "... grouped around the central basin 4 in a number equal to the number of filling stations connected to the distributor. pipe 7-7'-7 "... brings the C02 from each compartment 6 to a small tank 8 from where, through the
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tap 9, it enters the cylinder 10 placed on a scale 11. The tube 12 balances the pressure between the distributor K and the bottle at the bottom of the condenser.
The symmetrical arrangement of the compartments 6 around the central basin 4 in the distributor ensures a uniform distribution of the CO2 to all the cylinders. We can therefore establish a regular rhythm for the filling.
Filling, described in detail, is carried out as follows: when a new, empty boabonne 10 is connected, the tap 9 is closed, and all the components (pipe between 9 and 8, container 8, pipe 7 and compartment 6) up to the notch (5) of the corresponding compartment are full of liquid CO2. After connecting the cylinder, the valve 9 is opened and the liquid CO2, stored between the notch 5 and the valve 9, enters the cylinder. Cn gives the compartment 6 and the receptacle 8 plus the piping a total volume such that it corresponds approximately to the two siers of the charge of a cylinder. This quantity of CO2 first enters the cylinder very quickly, then more and more slowly as the back pressure in the cylinder rises.
This mass of CO2 being introduced into the cylinder, comes the period during which the liquid CO2 discharged through the notch 5 passes to the cylinder accompanied by a little CO2 gas coming from the naut of the distributor K. The pressure difference between the distributor and the cylinder 10 becoming smaller and smaller, the cylinder no longer takes the liquid CO2 as quickly as it pours through the notch b into the compartment 6, liquid begins to accumulate in the vessel 8, gas stops reaching the cylinder, and at about the same time as the cylinder has received its full CO2, the space between notch 5 and tap 9 is again filled with liquid CO2.
One of the great advantages of this filling process is that, without requiring large accumulator receptacles (first filling method) the quantity of CO2 which enters the good.
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good in the gaseous state is minimal, because CO2 gas can only enter the cylinder when it has already received a substantial part of its charge, and the pressure difference between the distributor and the cylinder 10 has become small thereby. The excess energy, resulting from the difference in the enthalpy of the gaseous and liquid CO2, which will have to be dissipated in the environment, will be small, and the filling will be carried out quickly, that is to say approximately in half the time of the second usual method of filling.
With regard to the rapidity of filling, the small containers 8 give almost as fast filling as reservoirs-accumulators a thousand times larger.
Finally, it should be noted that the invention avoids the serious drawback of the first filling method, which lies in the fact that the C02 is never well conditioned: when the large storage tanks are filled, we do not yet know what the temperature will be. in the filling room the next day the CO2 temperature is never the most favorable.
CLAIMS.
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