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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.