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La présente invention concerne un appareil et un procédé perfectionnés d'élimination des impuretés d'un gaz extrêmement volatil, tel que l'anhydride car- bonique gazeux.
Au cours de la fabrication de la bière, l'anhydride carbonique gazeux se dégage à un certain moment de la fermentation. Dans la plupart des brasseries modernes, on recueille ce gaz, on le conserve à l'état liquide, puis on le fait revenir à l'état gazeux pour l'injecteur dans la bière vers la fin de l'opération de brassage.
L'anhydride carbonique gazeux recueilli dans les cuves de fermentation contient de l'eau et de l'alcool à l'état de vapeur et plusieurs impuretés telles que l'alcool amylique, des résines de houblon et des traces d'aldéhydes et d'es- ters. Certaines de ces impuretés s'altèrent au cours de stockage, chauffage ou traitement chimique, en formant des composés nuisibles qui ne s'éliminent pas de l'anhydride carbonique gazeux lorsqu'on le fait revenir dans la bière, en exerçant ainsi une influence nuisible sur le goût et autres caractéristiques avantageuses de la bière.
Plusieurs solutions différentes ont été adoptées jusqu'à présent en vue d'éliminer certaines de ces impuretés. Mais la meilleure solution actuelle- ment en usage provoque une altération nuisible de l'alcool et des impuretés, tout en n'éliminant que moins de la moitié des éléments indésirables. Les procédés ac- tuellement en usage consistent à éliminer les impuretés par absorption, et en les altérant par oxydation partielle sans les éliminer complètement.
Les procèdes d'élimination actuels consistent à faire usage d'absor- bants solides, d'épurateurs à eau, de solutions aqueuses d'agents oxydants et de diverses combinaisons de ces moyens. Suivant certains procédés, on élimine les im- puretés par le permanganate de potassium, et dans d'autres on fait barboter le gaz dans l'eau.
Outre que les procédés actuels ne permettent d'éliminer les impure- tés qu'imparfaitement, ils présentent d'autres inconvénients. Lorsqu'on emploie des solutions de permanganate de potassium, le traitement ne donne que des résul- tats problématiques, car il a pour effet d'oxyder l'alcool éthylique à l'état de composés intermédiaires nuisibles, tels que les aldéhydes, en formant ainsi des produits de polymérisation. Lorsque l'eau sert à l'absorption ou à lubrifier les parois des cylindres des compresseurs, elle fait arriver dans l'anhydride carbo- nique gazeux de l'air qui s'introduit ensuite dans la bière.
L'invention se propose donc notamment de fournir : - un appareil et un procédé de purification de gaz extrmement vola- tils, qui rendent inutiles les produits chimiques, un traitement à haute tempéra- ture ou des absorbants solides, en permettant ainsi de recueillir les impuretés telles que les alcools, aldéhydes et esters en fractions séparées sans qu'elles subissent d'altération chimique ; - un procédé d'élimination de la vapeur d'eau et autres impuretés d'un gaz extrêmement volatil tel que l'anhydride carbonique gazeux par condensation des impuretés à une température sensiblement inférieure à 0 C, la condensation s'effectuant par ce procédé sans formation de glace;
- un procédé tel qu'il est décrit ci-dessus, qui consiste à faire su- bir au gaz à purifier un traitement par un produit à point d'ébullition élevé et à bas point de congélation, de façon à permettre à la condensation-de s'effectuer à basse température sans formation de glace ; - un procédé convenant particulièrement à la purification de l'anhy- dride carbonique gazeux provenant d'une opération de fermentation et contenant de l'eau et de l'alcool à l'état de vapeur, en faisant usage d'une colonne de fractionnement combinée avec un condenseur, dans lesquels les vapeurs d'eau et d'alcools contenues dans le gaz sont-condensées et soumises à un reflux complet
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dans la colonne de fractionnement, de façon à enrichir le condensat en alcool au voisinage de la partie supérieure de la colonne.
En enrichissant ainsi le produit en alcool avant de le condenser, la condensation peut s'effectuer à très basse température sans formation de glace.
Pour arriver aux résultats précités, ainsi qu'à d'autres, l'invention consiste dans un appareil et un procédé perfectionnés d'élimination des impuretés de gaz extrêmement volatils et dans tous les éléments, combinaisons et équivalent: décrits ci-après avec le dessin ci-joint à l'appui, qui représente sous forme en partie schématique une installation qui convient particulièrement à l'élimina- tion des impuretés des gaz de fermentation d'une opération de brassage et dont certains éléments sont arrachés et représentés en coupe.
Suivant le dessin, le numéro 20 désigne une cuve de fermehtation de brasserie qui comporte un tuyau d'échappement 21 faisant sortir de la cuve 1'anhy0- dride carbonique gazeux de la fermentation. Cet anhydride carbonique contient de la vapeur d'eau,de l'alcool, des aldéhydes, des esters et certaines impuretés li- quides et solides. Le tuyau 21 aboutit dans un séparateur 22 d'un type classique quelconque dans lequel les solides et liquides en suspension se déposent. Un tu- yau de décompression 23 partant du séparateur aboutit dans l'atmosphère et confie! un détendeur 23' réglé de façon à empêcher la pression dans le séparateur 22 et dans les cuves de fermentation 20 de dépasser une valeur effective d'environ 0,04 kg/cm2 au manomètre, pour des raisons de sécurité.
Les gaz sortent des cuves de fermentation 20 à une température d'environ 13 C et sont à peu près saturés de vapeurs, d'alcool et d'eau. En ce qui concerne le liquide de fermentation, on ne commence généralement à recueillir l'anhydride carbonique que lorsque la teneur en alcool d'une cuve de fermentation donnée atteint une valeur de 1 %.
Le gaz sortant du séparateur 22 passe par un tuyau 24 dans un venti- lateur 25, qui le comprime à une pression d'environ 0,4 kg/cm2 au manomètre, puis dans un échangeur de chaleur à surface 26. Le gaz s'y refroidit par l'eau froide arrivant par un tuyau 27 et dont le débit est réglé par un robinet 28 de façon à maintenir une différence de température appropriée entre le gaz et l'eau. L'eau sort de l'échangeur de chaleur par un tuyau d'échappement 29 et l'anhydride car- bonique gazeux par un tuyau 30 à une température d'environ 27 C.
L'anhydride carbonique gazeux arrive ensuite à la partie inférieure d'un autre échangeur de chaleur 31 dans lequel il se refroidit à une température d'environ 0 C par un fluide de refroidissement approprié tel que l'éthylène gly- col, qui peut arriver dans l'échangeur de chaleur par un tuyau 32 et en sortir par un tuyau 33. La solution de glycol peut être refroidie d'une manière appro- priée dans un échangeur de chaleur 34 par l'ammoniaque, en faisant arriver de l'am- moniaque liquide par un tuyau 35 et par une soupape de réduction de section 36 dans l'échangeur -de chaleur, dans lequel l'ammoniaque liquide se détend et s'éva- pore en équilibre. Des valeurs d'ammoniaque sortent de l'échangeur de chaleur 34 par un tuyau 37 et peuvent revenir dans un compresseur approprié.
Le niveau du liquide dans la partie inférieure de l'échangeur de cha- leur 31 est maintenu par un tuyau de trop-plein aboutissant dans une chambre 19 contenant un flotteur qui règle automatiquement une.soupape 18 évacuant l'excès de liquide. Cet excès de liquide peut être envdyé à l'égout. Si le ventilateur 25 a tendance à aspirer une trop grande quantité de gaz de la cuve de fermentatioi 20, on dispose un tuyau de dérivation de retour 17 qui aboutit au coté d'aspira- tion du ventilateur 25. Le débit de ce gaz de retour peut être réglé automatique- ment par une soupape régulatrice de pression 16 du tuyau 17 qui fonctionne et est accouplée de façon à donner la certitude que la pression dans la cuve de fermenta- tion 20 ne devient pas inférieure à 0,66 kg/cm2 au manomètre.
L'échangeur de chaleur 31 est du type à enveloppe et tubes verticaux et le gaz y passe de bas en haut en une seule passe à contre-courant avec le condensat, qui coule de haut en bas. La proportion de vapeur, d'alcool et d'eau augmente donc dans l'anhydride carbonique gazeux avant qu'il arrive dans le tuyau
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33o Une plaque de chicane 15 peut être disposée dans la portion supérieure de l'é- changeur de chaleur 31 pour précipiter les impuretés entraînées.
Les gaz'sortant de l'échangeur de chaleur 31 arrivent par le tuyau 38 dans la partie inférieure d'une colonne de fractionnement 39 qui contient des plateaux verticalement espacés 40, 41, 42 et 43, dans chacun desquels sont dispo- sés plusieurs tuyaux asecedants 44. Une capsule de barbotage {45 est disposée au- dessus de chaque tuyau. Un tuyau de trop-plein 46 sert à maintenir le liquide à un niveau approprié au-dessus de chaque plateau et à faire arriver le trop-plein de liquide dans le compartiment situé au-dessous.
La teneur en alcool du liquide augmente progressivement sur les pla- teaux 40 à 43 vers la partie supérieure de la colonne de fractionnement 39. Par exemple, la teneur du liquide en alcool est la plus forte sur le plateau le plus haut 43, et cette teneur est relativement faible dans la partie inférieure de la colonne 39, dans laquelle le niveau du liquide est maintenu à la hauteur qu'on désire par un tuyau de trop-plein 47 aboutissant dans une chambre 48 contenant un flotteur. Le flotteur de la chambre 48 peut servir à régler automatiquement un robinet de vidange 49 de toute manière connue.
La section transversale de la colonne de fractionnement 39 et des tuyaux ascendants 44 des plateaux 40 à 43 doit être suffisante pour faire circu- ler le courant de gaz à petite vitesse et réduire au minimum les impuretés entrai- nées par les gaz qui en sortent.
Au moment où le gaz arrive dans le tuyau de sortie 50 partant de la colonne de fractionnement, il s'est enrichi en alcool. L'anhydride carbonique ga- zeux arrive ensuite dans un échangeur de chaleur horizontal 51 dans lequel il se refroidit à une température sensiblement inférieure à 0 C et, pour obtenir les meilleurs résultats, à une température d'environ -43 C. Le condensat qui se forme ainsi revient à l'état de reflux total par un tuyau de reflux 52 dans la solution de la partie supérieure du plateau le plus élevé 43 de la colonne de fractionne- ment. Le niveau du liquide est ainsi maintenu sur chacun des plateaux et l'excès de liquide éventuel se déverse par l'un des tuyaux de trop-plein 46 sur le pla- teau situé au-dessous.
La colonne contient un nombre de plateaux 44, 43 suffisant pour enrichir la solution alcoolique qui se forme -dans le condensat de l'échan- geur de chaleur 51 à une proportion d'environ 80 à 95% d'alcool en poids.
En enrichissant ainsi le condensat en alcool, on peut refroidir les gaz dans la pratique à la très basse température de -43 C dans l'échangeur de chaleur 51 sans qu'il se forme de glace. De plus, en enrichissant ainsi le conden- sat en alcool dans la colonne de fractionnement 39, toutes les impuretés solubles dans l'alcool contenues dans l'anhydride carbonique gazeux, telles que les aldé- hydes et les esters, sont dissoutes et éliminées par l'alcool concentré contenu dans la portion supérieure de la colonne. Les impuretés solubles dans l'eau, tel- les que les acides acétique et formique, sont dissoutes et éliminées par la solu- tion aqueuse diluée à la partie inférieure de la colonne 39.
Bien qu'on puisse obtenir la très basse température dans l'échangeur de chaleur 51 de toute'manière appropriée, suivant la forme de réalisation de l'invention choisie de préférence telle qu'elle est représentée, un moyen prati- que d'obtenir cette très basse température consiste à évaporer l'anhydride carbo- nique liquide obtenu à une pression et une température légèrement supérieures à son point,de rosée, à savoir à une pression absolue légèrement supérieure à 5,27 kg/cm2 (pression effective = 4,21 kg/cm2) et à une température légèrement supérieure à -57 C Cette basse température permet de refroidir le gaz à -43 C ou à une temperature plus basse, en condensant à peu près complètement l'eau et l'alcool sans comprimer le gaz fortement.
La condensation à basse pression et température constitue une caractéristique avantageuse du procédé de l'invention, car elle permet d'éliminer les impuretés sans chauffage ni traitement chimique.
Le procédé de l'invention permet aussi de faire fonctionner la colon-
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ne de fractionnement et l'échangeur de chaleur avec du gaz à haute pression, mais il est préférable d'installer la colonne du coté à basse pression, lorsque la cha- leur de la compression doit être évitée avant la purification. La compression du gaz avant purification a pour effet de polymériser les aldéhydes qu'il contient et d'encrasser les compresseurs.
Pour mettre l'installation en train, les divers plateaux 40 à 43 de la colonne de fractionnement doivent être remplis d'une solution d'alcool et d'eau contenant plus de 50 % d'alcool en poids. Cette solution peut être admise à par- tir de la sortie d'un récipient de remplissage 53 en manoeuvrant un robinet à main 54.
Le gaz qui passe de bas en haut dans la colonne de fractionnement et par les diverses capsules de barbotage 45 ne subit pas une forte baisse de tempéràtu- re avant d'arriver dans l'échangeur de chaleur 51 Ainsi qu'il a déjà été dit, la chaleur est soustraite de préférence du récipient 51 en y admettant l'anhydri- de carbonique liquide détendu d'une forte pression absolue d'environ 18,6 à une pression absolue légèrement supérieure à 5,27 kg/cm2. L'anhydride liquide s'éva- pore dans le récipient 51 à une température qui n'est pas inférieure à -57 C.
Le condensat qui se forme effectivement dans le récipient a une composition voisine de la composition azéotropique, dont le point de congélation est d'environ -73 C La solution qui arrive dans la partie inférieure de la colonne de fraction - 39 et qui sort par le robinet 49 peut être envoyée à l'égout ou, si on le désire, receuillie par tout moyen approprié.
Il peut se former un certain état nébuleux au cours de la condensa- tion des vapeurs dans le récipient 51 en raison du gradient de température 'élevé entre les deux fluides. On peut séparer ce brouillard du courant de gaz par un moyen approprié, par exemple un collecteur 55. Le liquide entraîné revient dans le tuyau de reflux 52 par un tuyau 55' Une chicane 56 peut aussi être disposée à la sortie de l'échangeur de chaleur 51 pour séparer le brouillard du courant de gaz.
En sortant du collecteur 55, l'anhydride carbonique gazeux pur à une température d'environ -43 C passe par un tuyau 57 et arrive dans un compresseur 58 d'un premier étage dans lequel il est comprimé à une pression absolue denvi- ron 5,27 kg/cm2. En sortant du compresseur 58 le gaz passe par un tuyau 59 et arrive dans l'extrémité supérieure d'un échangeur de chaleur 60, dans lequel il est refroidi par l'eau froide arrivant par un tuyau 61, sous la commande d'un ro- binet 62, et sortant par un tuyau 63. Il se refroidit ainsi à une température d'environ 27 C, et sort de l'échangeur de chaleur 60 par un tuyau 64 et passe dans un compresseur 65 d'un second étage.
Un tuyau 66 partant de l'échangeur de chaleur 51 et aboutissant dans le tuyau 64 en amont du compresseur du second éta- ge 65 fait passer l'anhydride carboniquegazeux évaporésortant de l'échangeur de chale 51 dans une soupape de réduction 67, de préférence réglée automatiquement par la pression de l'anhydride carbonique liquide s'évaporant dans l'échangeur de cha- leur 51 de façon à maintenir la pression dans le tuyau 66 à une valeur absolue légèrement supérieure à 5,27 kg/cm2 Le compresseur du second étage 65 comprime le gaz à une pression absolue d'environ 18,6 kg/cm2et le gaz arrive ensuite par un tuyau 68 dans un échangeur de chaleur 69, refroidi par de l'eau froide arri- vant par un tuyau 70 sous la commande d'un robinet 71, et sortant par un tuyau 72.
Il est indispensable que les compresseurs 58 et 65 soient d'un type dont les pistons n'ont pas besoin d'être lubrifiés à l'huile ou à l'eau, et dans lequel l'huile ni l'eau ne'viennet en contact avec l'anhydride carbonique gazeux.
Les compresseurs à bague en carbone ne donnent pas satisfaction à cause de la faible humidité. Un compresseur du type à piston vertical et faible jeu, qui fonc- tionne sans huile ni eau, peut convenir.
Les gaz sortent de l'échangeur de chaleur 69 à une température d'en- viron 27 C par un tuyau 73 aboutissant à un échangeur de chaleur 74. Un tuyau de dérivation 75 contournant les deux compreseurs 58 et 65 part du tuyau 73 et aboutit dans le tuyau 57. Une soupape 76 montée dans ce tuyau peut être commandée
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d'une manière appropriée de façon à s'ouvrir automatiquement, lorsque la pression effective dans le tuyau 24' a tendance à s'abaisser à urievaleur inférieure à
0,42 kg/cm2 environ, sous l'action d'un régulateur de pression approprié monté dans le tuyau 24.
L'échangeur de chaleur 74 est refroidi de préférence par l'ammoniaque liquide arrivant par un tuyau 77 et sortant par un tuyau 78 et se détendant en passa.nt par un détendeur 79 monté dans le-tuyau 77. Etant donné qu'une faible quantité de condensat peut se former dans l'échangeur de chaleur 74, ce condensat peut se rassembler à la partie inférieure et sortir par un tuyau de trop-plein 80 dans une chambre 81 à flotteur d'où le trop-plein passe à l'égout par un tuyau 82 sous la commande d'un robinet 83 commandé automatiquement par le flotteur de la chambre 81. On peut l'envoyer à l'égout ou le faire- revenir, si on le désire, dans le plateau 43 de la colonne de fractionnement 39.
Le gaz sortant de l'échangeur de chaleur 74 arrive par un tuyau 84 dans un récipient 85 dans lequel il peut se refroidir par détente et évaporation en équilibre de l'ammoniaque liquide qui arrive par un tuyau 86 sous la commande d'un détendeur 87 et sort par un tuyau 88. L'ammoniaque liquide établit une tempé- rature d'environ -13 C dans le récipient 85. L'anhydride carbonique gazeux se con- dense complètement dans le condenseur 85 et arrive par un tuyau 89 dans un réser- voir de stockage 90.
@ Pour se servir de l'anhydride carbonique à l'état gazeux, on le fait asser à l'état liquide en sortant du réservoir de stockage 90 par un tuyau 91 et un détendeur 92 dans un évaporateur 93 qui reçoit de la chaleur par l'ammoniac gazeux arrivant par un tuyau 94. La vapeur d'ammoniaque se condense dans un éva- porateur 93 et une pompe 95 peut faire revenir le condensat par un tuyau 96. L'an- hydride carbonique gazeux sort de l'évaporateur 93 par un tuyau 97 aboutissant à un modulateur 98 dans lequel le gaz se surchauffe à une température d'environ 15 C 'par l'eau froide qui arrive par un tuyau 99. Le détendeur 92 peut être commandé d'une manière appropriée¯par la pression dans un tuyau 100 au moyen de tout dis- positif approprié.
Ainsi qu'il a déjà été dit, on se sert de préférence de l'anhydride carbonique pour établir une très basse température dans l'échangeur de chaleur 51.
A cet effet on fait passer l'anhydride carbonique liquide du réservoir de stocka- ge 90, sous une pression absolue d'environ 18,6 kg/cm2 par un tuyau 101 dans l'é- changeur de chaleur 51 et on le fait détendre par un détendeur 102 à une pression absolue légèrement supérieure à 5,27 kg/cm, tandis qu'il s'évapore dans l'échan- geur de chaleur 51 qui reçoit de la chaleur par le courant de gaz à basse pres- sion venant de la colonne de fractionnement 39. Un détendeur 102 est commandé de préférence par la hauteur du niveau du liquide dans l'échangeur de chaleur 51 au moyen d'une soupape appropriée commandée par un flotteur.
L'installation décrite ci-dessus est à choisir de préférence pour pu- rifier les gaz de fermentation dans une brasserie. Mais il doit être bien entendu qu'elle peut être plus simple et que le principe fondamental de l'invention con- siste dans le fonctionnement des éléments 39 et 51 et des éléments qui les réunis- sent. De même, il doit être bien entendu qu'il peut convenir dans la pratique de remplacer l'alcool des plateaux 40 à 43 par d'autres composés à bas point de con- gélation en solution aqueuse, très solubles dans l'eau et qui n'existeront dans le produit final qu'à l'état de faibles traces sans inconvénient, tel que l'acé- tone, l'alcool propylique et le triéthylamine.
Le procédé de l'invention peut aus- si s'appliquer à la condensation de la vapeur d'eau provenant d'autres sources que l'anhydride carbonique, ne contenant pas d'alcool, en ajoutant de l'alcool dans la colonne de fractionnement.
L'installation du type général représenté peut aussi ne comporter qu'un seul des compresseurs 58 ou 65, quoiqu'il soit préférable d'y incorporer les deux compresseurs de l'étage inférieur et de l'étage supérieur.
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En ce qui concerne le tuyau 66 qui fait revenir l'anhydride carbonique gazeux de l'échangeur de chaleur 51 dans l'installation, il doit 'être bien enten- du que, bien que la solution représentée soit économique, elle n'est pas indispen- sable et que le tuyau 66 peut aboutir dans tout autre récipient à basse pression.
De même, il doit être bien entendu que les éléments 39 et 51 peuvent être dispo- sés en aval du compresseur 65 au lieu de la position représentée, mais là solution représentée est nécessaire lorsqu'il s'agit d'éviter la chaleur de la compression avant la purification. En comprimant le gaz avant de le purifier, les aldéhydes se polymérisent et les compresseurs s'encrassent. De plus, la condensation à bas- se pression et à basse température telle qu'elle est représentée et décrite cons- titue une caractéristique avantageuse, étant donné qu'elle permet d'éliminer les impuretés sans chauffage ni traitement chimique.
L'invention permet de purifier les gaz sans ajouter d'eau ni de pro- duits chimiques tels que le permanganate de potassium, ni des absorbants solides tels que le gel de silice, le carbone activé ou l'alumine.
L'installation de l'invention permet d'identifier et d'étudier les éléments séparés des gaz de la fermentation et par suite de régler dans de meilleu- res conditions l'opération de fermentàtion dans une brasserie.
Le procédé de l'invention permet de recueillir les diverses impuretés des gaz des cuves de fermentation telles que les alcools, aldéhydes et esters à l'état à peu près pur, sans qu'elles soient altérées par une réaction chimique quelconque résultant d'une température élevée ou d'un traitement par des produits chimiques et des absorbants solides. En opérant par le procédé de l'invention, on n'introduit pas d'air dans l'anhydride carbonique, ainsi qu'il arrive ordinaire- ment lorsqu'on emploie de l'eau saturée d'air pour absorber les impuretés et lu- brifier les parois des cylindres des compresseurs.
L'invention ne doit pas être considérée comme limitée à la forme de réalisation représentée et décrite, qui n'a été choisie qu'à titre d'exemple.
REVENDICATIONS.
1 Procédé de purification d'un gaz contenant des vapeurs d'au moins deux composés solubles l'un dans l'autre, dont les températures de solidification sont très différentes, de sorte qu'un des composés a pour effet d'abaisser nota- blement la température de solidification de l'autre lorsque les deux composés sont en solution, ce procédé consistant à augmenter la teneur du composé dont la tempé- rature de solidification est la plus basse, puis à refroidir ce gaz à une tempé- rature sensiblement inférieure à la température de solidification du composé dont la température de solidification est la plus élevée, à condenser la vapeur des deux composés dans le gaz,
en se servant du composé initial se solidifiant à basse température du gaz ainsi enrichi pour permettre à la condensation de s'ef- fectuer à basse température tout en empêchant le condensat de se solidifier et de s'accumuler ainsi sur les surfaces de refroidissement, à faire subir un reflux continu à la presque totalité du condensat dans le gaz de façon à y faire augmen- ter la teneur du composé se solidifiant à la température la plus basse, et à re- tirer le gaz non condensé refroidi.
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The present invention relates to an improved apparatus and method for removing impurities from an extremely volatile gas, such as carbon dioxide gas.
During the making of beer, carbon dioxide gas is given off at some point during fermentation. In most modern breweries, this gas is collected, kept in a liquid state, and then returned to a gaseous state for the injector into the beer towards the end of the brewing operation.
Carbon dioxide gas collected in the fermentation tanks contains water and alcohol in the vapor state and several impurities such as amyl alcohol, hop resins and traces of aldehydes and esters. Some of these impurities deteriorate during storage, heating or chemical processing, forming harmful compounds which do not remove from the carbon dioxide gas when it is returned to beer, thus exerting a deleterious influence. on taste and other beneficial characteristics of beer.
Several different solutions have been adopted so far in order to remove some of these impurities. But the best solution now in use causes deleterious alteration of alcohol and impurities, while removing less than half of the unwanted elements. The methods currently in use consist in removing impurities by absorption, and in altering them by partial oxidation without eliminating them completely.
Current disposal methods consist of the use of solid absorbents, water scrubbers, aqueous solutions of oxidizing agents and various combinations of these means. In some methods the impurities are removed with potassium permanganate, and in others the gas is bubbled through water.
Apart from the fact that the current methods allow impurities to be only imperfectly removed, they have other drawbacks. When solutions of potassium permanganate are employed, the treatment gives only problematic results, since it has the effect of oxidizing ethyl alcohol to the state of harmful intermediates, such as aldehydes, forming thus polymerization products. When water is used for absorption or for lubricating the walls of compressor cylinders, it causes air to enter carbon dioxide gas which then enters the beer.
The invention therefore proposes in particular to provide: - an apparatus and a method for purifying extremely volatile gases, which make chemicals, a high temperature treatment or solid absorbents unnecessary, thus making it possible to collect the gases. impurities such as alcohols, aldehydes and esters in separate fractions without undergoing chemical alteration; - a process for removing water vapor and other impurities from an extremely volatile gas such as carbon dioxide gas by condensation of the impurities at a temperature substantially below 0 C, the condensation taking place by this process without ice formation;
- a process as described above, which consists in subjecting the gas to be purified to a treatment with a product with a high boiling point and a low freezing point, so as to allow condensation - to be carried out at low temperature without formation of ice; - a process particularly suitable for the purification of carbon dioxide gas originating from a fermentation operation and containing water and alcohol in the vapor state, by making use of a fractionation column combined with a condenser, in which the water and alcohol vapors contained in the gas are condensed and subjected to complete reflux
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in the fractionation column, so as to enrich the alcohol condensate in the vicinity of the upper part of the column.
By thus enriching the product with alcohol before condensing it, the condensation can take place at very low temperature without the formation of ice.
To achieve the aforementioned results, as well as others, the invention consists in an improved apparatus and method for removing impurities from extremely volatile gases and in all the elements, combinations and the like: described hereinafter with the drawing attached to the support, which shows in partly schematic form an installation which is particularly suitable for the removal of impurities from the fermentation gases of a brewing operation and of which certain elements are torn off and shown in section.
According to the drawing, numeral 20 denotes a brewery closing tank which has an exhaust pipe 21 for discharging carbon dioxide gas from the fermentation from the tank. This carbon dioxide contains water vapor, alcohol, aldehydes, esters and certain liquid and solid impurities. The pipe 21 terminates in a separator 22 of any conventional type in which the solids and liquids in suspension are deposited. A decompression pipe 23 from the separator ends up in the atmosphere and confides! a pressure reducer 23 'adjusted to prevent the pressure in the separator 22 and in the fermentation tanks 20 from exceeding an effective value of about 0.04 kg / cm2 at the pressure gauge, for safety reasons.
The gases leave the fermentation tanks 20 at a temperature of about 13 ° C and are roughly saturated with vapors, alcohol and water. With regard to the fermentation liquid, the collection of carbon dioxide generally begins only when the alcohol content of a given fermentation vessel reaches a value of 1%.
The gas leaving the separator 22 passes through a pipe 24 into a ventilator 25, which compresses it to a pressure of about 0.4 kg / cm2 at a pressure gauge, and then into a surface heat exchanger 26. The gas s' y cooled by cold water arriving through a pipe 27 and the flow rate of which is regulated by a tap 28 so as to maintain an appropriate temperature difference between gas and water. The water leaves the heat exchanger through an exhaust pipe 29 and carbon dioxide gas through a pipe 30 at a temperature of about 27 C.
Carbon dioxide gas then arrives at the bottom of another heat exchanger 31 in which it is cooled to a temperature of about 0 C by a suitable cooling fluid such as ethylene glycol, which can arrive. into the heat exchanger through a pipe 32 and out through a pipe 33. The glycol solution can be cooled in a suitable manner in a heat exchanger 34 by ammonia, by supplying ammonia. - liquid moniac by a pipe 35 and by a reduction valve of section 36 in the -de heat exchanger, in which the liquid ammonia expands and evaporates in equilibrium. Ammonia values exit the heat exchanger 34 through a pipe 37 and can return to a suitable compressor.
The level of the liquid in the lower part of the heat exchanger 31 is maintained by an overflow pipe leading into a chamber 19 containing a float which automatically regulates a valve 18 discharging the excess liquid. This excess liquid can be sent to the sewer. If the fan 25 has a tendency to suck too much gas from the fermentation tank 20, a return bypass pipe 17 is available which terminates at the suction side of the fan 25. The flow of this return gas can be adjusted automatically by a pressure regulating valve 16 of pipe 17 which operates and is coupled so as to assure that the pressure in the fermentation vessel 20 does not fall below 0.66 kg / cm2 at the manometer.
The heat exchanger 31 is of the jacket and vertical tube type and the gas passes through it from bottom to top in a single countercurrent pass with the condensate, which flows from top to bottom. The proportion of vapor, alcohol and water therefore increases in carbon dioxide gas before it reaches the pipe.
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33o A baffle plate 15 may be disposed in the upper portion of the heat exchanger 31 to precipitate entrained impurities.
The gases leaving the heat exchanger 31 arrive through the pipe 38 at the bottom of a fractionation column 39 which contains vertically spaced plates 40, 41, 42 and 43, in each of which are arranged several pipes. asecedants 44. A bubbling capsule {45 is placed above each pipe. An overflow pipe 46 serves to maintain the liquid at an appropriate level above each tray and to bring the overflow of liquid into the compartment below.
The alcohol content of the liquid gradually increases on trays 40 to 43 towards the upper part of the fractionation column 39. For example, the alcohol content of the liquid is greatest on the higher tray 43, and this The content is relatively low in the lower part of the column 39, in which the liquid level is maintained at the desired height by an overflow pipe 47 leading into a chamber 48 containing a float. The chamber float 48 can be used to automatically adjust a drain valve 49 in any known manner.
The cross section of the fractionator 39 and the risers 44 of the trays 40-43 should be sufficient to circulate the gas stream at low speed and minimize the impurities entrained by the gases exiting therefrom.
As the gas enters the outlet pipe 50 from the fractionation column, it has become enriched in alcohol. Gaseous carbon dioxide then enters a horizontal heat exchanger 51 where it cools to a temperature substantially below 0 ° C. and, for best results, to a temperature of approximately -43 ° C. This forms returns to the state of total reflux through a reflux pipe 52 in the solution of the upper part of the uppermost plate 43 of the fractionation column. The level of the liquid is thus maintained on each of the trays and any excess liquid flows through one of the overflow pipes 46 onto the tray situated below.
The column contains a number of trays 44, 43 sufficient to enrich the alcoholic solution which forms in the condensate of the heat exchanger 51 to an amount of about 80 to 95% alcohol by weight.
By thus enriching the condensate with alcohol, the gases can in practice be cooled to the very low temperature of -43 C in the heat exchanger 51 without the formation of ice. Further, by thus enriching the alcohol condensate in fractionation column 39, all alcohol soluble impurities contained in the carbon dioxide gas, such as aldehydes and esters, are dissolved and removed by the concentrated alcohol contained in the upper portion of the column. Water soluble impurities such as acetic and formic acids are dissolved and removed by the dilute aqueous solution at the bottom of column 39.
Although the very low temperature in the heat exchanger 51 can be achieved in any suitable manner, depending on the embodiment of the invention preferably chosen as shown, a practical means of achieving this very low temperature consists in evaporating the liquid carbon dioxide obtained at a pressure and a temperature slightly above its dew point, namely at an absolute pressure slightly above 5.27 kg / cm2 (effective pressure = 4 , 21 kg / cm2) and at a temperature slightly above -57 C This low temperature allows the gas to be cooled to -43 C or a lower temperature, almost completely condensing the water and alcohol without compressing gas strongly.
Condensation at low pressure and temperature constitutes an advantageous characteristic of the process of the invention, since it makes it possible to eliminate the impurities without heating or chemical treatment.
The method of the invention also makes it possible to operate the colon
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and the heat exchanger with high pressure gas, but it is better to install the column on the low pressure side, when the heat of compression must be avoided before purification. The compression of the gas before purification has the effect of polymerizing the aldehydes it contains and of fouling the compressors.
To start the installation, the various plates 40 to 43 of the fractionation column must be filled with an alcohol and water solution containing more than 50% alcohol by weight. This solution can be admitted from the outlet of a filling container 53 by operating a hand valve 54.
The gas which passes from the bottom to the top in the fractionation column and through the various bubbling capsules 45 does not undergo a strong drop in temperature before reaching the heat exchanger 51 As has already been said. heat is preferably removed from vessel 51 by admitting therein the expanded liquid carbon dioxide from a high absolute pressure of about 18.6 to an absolute pressure slightly above 5.27 kg / cm2. The liquid anhydride evaporates in vessel 51 at a temperature not lower than -57 C.
The condensate which actually forms in the container has a composition similar to the azeotropic composition, the freezing point of which is approximately -73 C. The solution which arrives in the lower part of the fraction column - 39 and which exits through the tap 49 can be sent to the sewer or, if desired, collected by any suitable means.
A certain nebulous state may form during condensation of the vapors in vessel 51 due to the high temperature gradient between the two fluids. This mist can be separated from the gas stream by suitable means, for example a manifold 55. The entrained liquid returns to the reflux pipe 52 through a pipe 55 '. A baffle 56 can also be placed at the outlet of the heat exchanger. heat 51 to separate the mist from the gas stream.
On leaving the manifold 55, pure carbon dioxide gas at a temperature of about -43 C passes through a pipe 57 and arrives in a compressor 58 of a first stage in which it is compressed to an absolute pressure of about 5. , 27 kg / cm2. On leaving the compressor 58 the gas passes through a pipe 59 and arrives in the upper end of a heat exchanger 60, in which it is cooled by cold water arriving through a pipe 61, under the control of a ro - binet 62, and leaving through a pipe 63. It thus cools down to a temperature of about 27 ° C., and leaves the heat exchanger 60 through a pipe 64 and passes into a compressor 65 of a second stage.
A pipe 66 starting from the heat exchanger 51 and terminating in the pipe 64 upstream of the compressor of the second stage 65 passes the carbon dioxide gas evaporating from the heat exchanger 51 into a reduction valve 67, preferably. automatically regulated by the pressure of the liquid carbon dioxide evaporating in the heat exchanger 51 so as to maintain the pressure in the pipe 66 at an absolute value slightly greater than 5.27 kg / cm2 The compressor of the second stage 65 compresses the gas to an absolute pressure of about 18.6 kg / cm2 and the gas then enters through pipe 68 into a heat exchanger 69, cooled by cold water entering through pipe 70 under the control a tap 71, and exiting through a pipe 72.
It is essential that compressors 58 and 65 be of a type whose pistons do not need to be lubricated with oil or water, and in which oil and water do not exist. contact with carbon dioxide gas.
Compressors with carbon ring are unsatisfactory because of low humidity. A low clearance vertical piston type compressor, which operates without oil or water, may be suitable.
The gases leave the heat exchanger 69 at a temperature of about 27 C through a pipe 73 leading to a heat exchanger 74. A bypass pipe 75 bypassing the two compressors 58 and 65 leaves from the pipe 73 and ends. in pipe 57. A valve 76 mounted in this pipe can be ordered
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in a suitable manner so as to open automatically, when the effective pressure in the pipe 24 'tends to drop to a value less than
0.42 kg / cm2 approximately, under the action of a suitable pressure regulator mounted in the pipe 24.
The heat exchanger 74 is preferably cooled by liquid ammonia arriving through a pipe 77 and exiting through a pipe 78 and expanding through an expander 79 mounted in the pipe 77. Since a small amount amount of condensate can form in the heat exchanger 74, this condensate can collect at the lower part and exit through an overflow pipe 80 into a float chamber 81 from where the overflow passes to the sewer by a pipe 82 under the control of a valve 83 automatically controlled by the float of the chamber 81. It can be sent to the sewer or made to return, if desired, in the plate 43 of the column fractionation 39.
The gas leaving the heat exchanger 74 arrives through a pipe 84 in a container 85 in which it can be cooled by expansion and evaporation in equilibrium of the liquid ammonia which arrives through a pipe 86 under the control of a pressure reducing valve 87 and exits through a pipe 88. The liquid ammonia establishes a temperature of about -13 C in the vessel 85. The carbon dioxide gas fully condenses in the condenser 85 and arrives through a pipe 89 in a tank. - see storage 90.
@ To use carbon dioxide in the gaseous state, it is made asser in the liquid state leaving the storage tank 90 through a pipe 91 and an expander 92 in an evaporator 93 which receives heat through the ammonia gas entering through pipe 94. The ammonia vapor condenses in evaporator 93 and a pump 95 can return the condensate through pipe 96. Carbon dioxide gas leaves evaporator 93 through a pipe 97 leading to a modulator 98 in which the gas is superheated to a temperature of about 15 ° C by the cold water which arrives through a pipe 99. The regulator 92 can be controlled in an appropriate manner by pressure in a pipe 100 by means of any suitable device.
As has already been said, carbon dioxide is preferably used to establish a very low temperature in the heat exchanger 51.
For this purpose, liquid carbon dioxide is passed from the storage tank 90, under an absolute pressure of about 18.6 kg / cm2 through a pipe 101 into the heat exchanger 51 and it is relaxed. by an expander 102 at an absolute pressure slightly above 5.27 kg / cm3, while it evaporates in the heat exchanger 51 which receives heat by the stream of low pressure gas coming from of the fractionation column 39. An expander 102 is preferably controlled by the height of the level of the liquid in the heat exchanger 51 by means of an appropriate valve controlled by a float.
The installation described above should preferably be chosen for purifying the fermentation gases in a brewery. But it must be understood that it can be simpler and that the fundamental principle of the invention consists in the functioning of the elements 39 and 51 and of the elements which unite them. Likewise, it should be understood that it may be suitable in practice to replace the alcohol in trays 40 to 43 by other compounds with a low freezing point in aqueous solution, very soluble in water and which In the final product, only small traces will exist without disadvantage, such as acetone, propyl alcohol and triethylamine.
The process of the invention can also be applied to the condensation of water vapor from sources other than carbon dioxide, not containing alcohol, by adding alcohol to the column of water. splitting.
The installation of the general type shown may also include only one of the compressors 58 or 65, although it is preferable to incorporate therein the two compressors of the lower stage and of the upper stage.
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With regard to the pipe 66 which returns the carbon dioxide gas from the heat exchanger 51 to the installation, it should of course be understood that, although the solution shown is economical, it is not. essential and that the pipe 66 can terminate in any other low pressure vessel.
Likewise, it should of course be understood that the elements 39 and 51 may be arranged downstream of the compressor 65 instead of the position shown, but the solution shown is necessary when it comes to avoiding the heat from the compressor. compression before purification. By compressing the gas before purifying it, the aldehydes polymerize and the compressors become clogged. In addition, the low pressure and low temperature condensation as shown and described is an advantageous feature, since it allows impurities to be removed without heating or chemical treatment.
The invention enables gases to be purified without adding water or chemicals such as potassium permanganate, or solid absorbents such as silica gel, activated carbon or alumina.
The installation of the invention makes it possible to identify and study the elements separated from the fermentation gases and consequently to regulate the fermentation operation in a brewery under better conditions.
The process of the invention makes it possible to collect the various impurities from the gases of the fermentation tanks, such as alcohols, aldehydes and esters in an approximately pure state, without being altered by any chemical reaction resulting from a high temperature or treatment with chemicals and solid absorbents. By operating by the process of the invention, no air is introduced into the carbon dioxide, as usually happens when water saturated with air is employed to absorb impurities and read it. - check the walls of the compressors cylinders.
The invention should not be considered as limited to the embodiment shown and described, which has been chosen only as an example.
CLAIMS.
1 Process for the purification of a gas containing vapors of at least two soluble compounds in each other, whose solidification temperatures are very different, so that one of the compounds has the effect of significantly lowering the solidification temperature of the other when the two compounds are in solution, this process consisting in increasing the content of the compound with the lowest solidification temperature, then cooling this gas to a substantially lower temperature at the solidification temperature of the compound with the highest solidification temperature, to condense the vapor of the two compounds in the gas,
by using the initial compound which solidifies at low temperature of the gas thus enriched to allow condensation to take place at low temperature while preventing the condensate from solidifying and thus accumulating on the cooling surfaces, continuously refluxing almost all of the condensate in the gas to increase the content of the compound solidifying at the lower temperature therein, and to remove the cooled uncondensed gas.