FR2466272A1 - METHOD AND DEVICE FOR ENRICHING GAS LIQUIDS - Google Patents
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Abstract
Procédé et dispositif d'enrichissement en particulier d'eau en gaz carbonique, le liquide étant refroidi et étant mis en contact intensif avec le gaz par admission de l'un des deux fluides dans l'autre. Un circuit fermé de l'un des deux fluides est superposé à l'admission de ces derniers afin de provoquer un mélange permanent du gaz et du liquide additionné de ce dernier. Par exemple, une pompe de circulation 16 peut prélever en permanence le gaz sur le coussin qui se forme au-dessus du liquide dans la cuve sous pression 1 et le renvoyer dans la canalisation 10 d'admission du gaz qui est raccordée au tube 11 qui introduit ce gaz dans le liquide au fond de la cuve au moyen d'un diffuseur 12. Application avantageuse à la production des boissons gazeuses. (CF DESSIN DANS BOPI)Method and device for enriching water in particular with carbon dioxide, the liquid being cooled and being brought into intensive contact with the gas by admitting one of the two fluids into the other. A closed circuit of one of the two fluids is superimposed on the inlet of the latter in order to cause a permanent mixture of the gas and the liquid added to the latter. For example, a circulation pump 16 can continuously take the gas on the cushion which forms above the liquid in the pressure vessel 1 and return it to the gas inlet pipe 10 which is connected to the tube 11 which introduces this gas into the liquid at the bottom of the tank by means of a diffuser 12. Advantageous application to the production of carbonated drinks. (CF DRAWING IN BOPI)
Description
L'invention se rapporte à un procédé d'enrichis-The invention relates to an enrichment process
sement de liquides en gaz, en particulier d'eau en gaz carbonique en vue de la production de boissons, dans lequel le liquide est refroidi et un contact intense est établi entre le gaz et le liquide lors de l'admission de l'un des deux fluides dans l'autre; l'invention se rapporte également liquid in gas, in particular water in carbon dioxide for the production of beverages, wherein the liquid is cooled and an intense contact is established between the gas and the liquid upon admission of one of the two fluids in the other; the invention also relates to
à un dispositif pour la mise en oeuvre de ce procédé. to a device for implementing this method.
Les procédés et dispositifs de ce type s'utilisent en particulier dans l'industrie des boissons pour la production de boissons dites rafraîchissantes telles que des limonades, boissons à base de jus de fruit, eau minérale ou liquides alcoolisés qui sont enrichis en gaz carbonique afin de conférer à ces liquides des natures souhaitables, en Processes and devices of this type are particularly used in the beverage industry for the production of so-called refreshing drinks such as soft drinks, fruit juice-based drinks, mineral water or alcoholic liquids which are enriched with carbon dioxide so to give these liquids desirable natures, in
particulier pour les rendre plus agréables et plus rafraî- particular to make them more enjoyable and refreshed
chissantes par carbonatation. Différents procédés d'enri- wetting by carbonation. Different energetic processes
chissement de liquides de ce type en gaz sont connus. such liquids in gases are known.
Dans l'un de ces procédés, l'eau est pompée par un ajutage et du gaz est dirigé au voisinage de cet ajutage In one of these processes, the water is pumped through a nozzle and gas is directed in the vicinity of this nozzle.
de manière à mettre le gaz et le liquide en contact intensif. in order to put the gas and the liquid in intensive contact.
Suivant un autre procédé, le liquide est pulvérisé sous pression élevée par un gicleur sur une'surface d'eau dans une cuve dite de carbonatation, le gaz carbonique étant ainsi attiré dans l'eau. D'autres procédés fonctionnent d'après le principe de la pulvérisation du liquide à l'aide d'atomiseurs ou de corps à la surface desquels l'eau s'écoule en ruisselant afin d'augmenter la surface que l'eau présente dans la cuve de carbonatation. Il existe finalement d'autres procédés dans lesquels le gaz carbonique est dirigé par un diffuseur sous la surface de l'eau à l'intérieur d'une cuve de carbonatation de manière à agrandir la surface de contact entre le gaz et l'eau. Un principe bien connu consiste à refroidir le liquide avant la carbonatation afin d'élever le According to another method, the liquid is sprayed under high pressure by a nozzle on a water surface in a so-called carbonation tank, the carbon dioxide being thus attracted into the water. Other processes operate on the principle of spraying the liquid using atomizers or bodies on the surface of which the water flows by dripping to increase the surface that the water has in the water. carbonation tank. Finally, there are other processes in which the carbon dioxide is directed by a diffuser under the surface of the water inside a carbonation tank so as to enlarge the contact area between the gas and the water. A well-known principle is to cool the liquid before carbonation to raise the
rendement du mélange.yield of the mixture.
Tous ces procédés connus ont l'inconvénient majeur qu'ils ne permettent pas un enrichissement jusqu'à saturation ou jusqu'à la pression d'équilibre. En d'autres termes, à chaque processus connu de carbonatation, il s'agit de comprimer le gaz carbonique qui n'est pas entré en solution dans le liquide et qui se trouve dans l'espace dit de tête de la cuve de carbonatation, au-dessus du niveau du liquide. L'élévation de la pression gazeuse dans l'espace de tête de la cuve de carbonatation dégrade encore le All these known processes have the major disadvantage that they do not allow enrichment until saturation or until the equilibrium pressure. In other words, for each known process of carbonation, it is a question of compressing the carbon dioxide which has not entered into solution in the liquid and which is in the so-called space of the head of the carbonation tank, above the level of the liquid. The elevation of the gas pressure in the head space of the carbonation tank further degrades the
rendement de la carbonatation pendant le processus de disso- yield of carbonation during the dissolving process
lution du gaz carbonique par suite de la diminution constante de la différence entre la pression d'injection d'eau et la pression du gaz. Dans les cas les plus défavorables, la pression du gaz peut atteindre la pression à laquelle l'eau est injectée, avec pour conséquence qu'il n'est plus possible de diriger de l'eau dans la cuve de carbonatation. Pour cette The carbon dioxide is produced as a result of the constant decrease in the difference between the water injection pressure and the gas pressure. In the most unfavorable cases, the pressure of the gas can reach the pressure at which the water is injected, with the result that it is no longer possible to direct water into the carbonation tank. For this
raison, du gaz peut s'échapper de manière réglée à l'atmos- Because of this, gas can escape in a controlled manner to the atmosphere.
phère dans les procédés et dispositifs connus afin d'éviter une élévation de pression pouvant atteindre des niveaux néfastes, ce qui représente des pertes qui ne sont pas négligeables. Il faut donc mettre en oeuvre des pressions élevées de travail dans les procédés connus pour améliorer le rendement de la carbonatation. Cette pression élevée soulève, lors du remplissage et du vidage de la cuve de carbonatation des difficultés qui résident en particulier dans le fait que la différence élevée de pression qui doit être surmontée-par les vannes produit, lors de l'ouverture et de la fermeture de ces dernières, des ondes considérables de pression qui imposent des efforts considérables à ces vannes et aux pompes avec, pour conséquence, les défaillances prématurées dans le in known processes and devices in order to avoid a rise in pressure which can reach harmful levels, which represents losses which are not negligible. It is therefore necessary to implement high working pressures in known processes to improve the yield of carbonation. This high pressure raises, during the filling and emptying of the carbonation tank, difficulties which reside in particular in the fact that the high pressure difference which must be overcome by the valves produced during opening and closing. of these, considerable pressure waves which impose considerable efforts on these valves and pumps with, as a result, premature failures in the
fonctionnement du dispositif de carbonatation. operation of the carbonation device.
L'invention a pour objet un procédé et un dispo- The subject of the invention is a method and a device
sitif qui éliminent les inconvénients de l'art antérieur et permettent d'accélérer et d'intensifier la carbonatation du liquide jusqu'à la pression d'équilibre sous de faibles which eliminate the disadvantages of the prior art and make it possible to accelerate and intensify the carbonation of the liquid up to the equilibrium pressure under weak conditions.
pressions à l'intérieur de la cuvé. pressures inside the wine.
Selon une particularité essentielle du procédé de l'invention, un circuit fermé de l'un des deux fluides est superposé à l'admission de ces deux derniers de manière à According to an essential feature of the method of the invention, a closed circuit of one of the two fluids is superimposed on the admission of the latter two so as to
provoquer un mélange constant de gaz et de liquide carbonaté. cause a constant mixture of gas and carbonated liquid.
A cette fin, et conformément à l'invention, du gaz peut être prélevé en permanence sur le coussin qui se forme au-dessus du liquide et être envoyé dans le liquide carbonaté, sous le niveau de ce dernier ou, en variante, une partie du liquide carbonaté peut être prélevée en permanence et être renvoyée dans le coussin de gaz qui se forme au-dessus de ce liquide. For this purpose, and in accordance with the invention, gas can be continuously withdrawn from the cushion which is formed above the liquid and can be sent into the carbonated liquid, below the level of the latter, or, alternatively, a part carbonated liquid can be taken continuously and returned to the gas cushion that forms above this liquid.
Conformément au principe du procédé de l'inven- In accordance with the principle of the method of
tion, le liquide subit un enrichissement régulier et intensif en gaz juEqu'à absorption totale de ce dernier et jusqu'à ce que soit atteinte la pression particulière d'équilibre sans qu'il soit nécessaire à cette fin d'élever la pression de service. La basse pression de service permet non seulement d'utiliser des cuves sous pression, des canalisations de liaison et des groupes de pompage qui sont simples et bon marché, mais garantit de plus un service fiable malgré the liquid undergoes a regular and intensive enrichment of gas until it is completely absorbed and until the particular equilibrium pressure is reached without it being necessary for this purpose to raise the operating pressure. . The low operating pressure makes it possible not only to use pressure vessels, connection lines and pumping units which are simple and inexpensive, but also guarantees reliable service despite
l'élévation considérable du taux d'enrichissement. the considerable increase in the enrichment rate.
Le dispositif pour la mise en oeuvre du procédé comprend une cuve sous pression dans laquelle est placé le liquide devant subir la carbonatation et qui est équipée d'un dispositif de refroidissement et d'une isolation, un tube de déversement du liquide débouchant au-dessus du niveau de ce dernier, un tube d'arrivée de gaz débouchant sous le niveau du liquide et l'embouchure d'un tube plongeur de prélèvement du liquide carbonaté étant disposée à proximité du fond de la cuve. Selon un mode de mise en oeuvre avantageux du dispositif de l'invention, la tubulure d'aspiration d'une pompe de circulation de gaz est raccordée à l'espace de tête de la cuve sous pression qui se trouve au-dessus du niveau du liquide et qui est rempli de gaz, la tubulure de refoulement de cette pompe étant raccordée à la canalisation aboutissant au tube d'admission de gaz. Dans ce mode de réalisation, du The device for implementing the method comprises a pressure vessel in which is placed the liquid to undergo carbonation and which is equipped with a cooling device and an insulation, a liquid spill tube opening above the level of the latter, a gas inlet tube opening below the liquid level and the mouth of a dip tube for taking the carbonated liquid being disposed near the bottom of the tank. According to an advantageous embodiment of the device of the invention, the suction pipe of a gas circulation pump is connected to the head space of the pressure vessel which is above the level of the liquid and which is filled with gas, the discharge pipe of this pump being connected to the pipe leading to the gas inlet tube. In this embodiment,
gaz est prélevé en permanence sur le coussin qui se forme au- gas is continuously removed from the cushion formed
dessus du liquide pour être envoyé dans le liquide carbonaté, sous le niveau de ce dernier. La pompe de circulation de gaz peut se trouver soit à l'intérieur de l'espace de tête de la cuve sous pression, soit dans un carter qui est raccordé à l'espace de tête de la cuve sous pression, de manière à permettre d'utiliser une pompe de circulation de gaz qui soit bon marché et fiable, car elle a uniquement à développer un pur travail de refoulement destiné à faire circuler le courant gazeux indépendamment du niveau de pression auquel se trouve le dispositif. En variante de réalisation du dispositif de l'invention, une tubulure d'aspiration d'une pompe de circulation de liquide pénètre dans l'espace de la cuve sous pression dans lequel se trouve ce liquide, la tubulure de refoulement de cette pompe étant raccordée au tube d'alimentation qui débouche dans la chambre de tête de la cuve et qui est équipé d'un gicleur. Dans ce cas, une partie du liquide carbonaté est prélevée en permanence et renvoyée dans le coussin de gaz qui se forme au-dessus du niveau du liquide afin d'élever le taux d'enrichissement jusqu'à ce que soit atteinte la pression d'équilibre above the liquid to be sent into the carbonated liquid, below the level of the latter. The gas circulation pump may be located either within the head space of the pressure vessel or in a housing which is connected to the head space of the pressure vessel, so as to allow The use of a gas circulation pump which is cheap and reliable because it only has to develop a pure discharge work to circulate the gas stream independently of the pressure level at which the device is located. As an alternative embodiment of the device of the invention, a suction pipe of a liquid circulation pump enters the space of the pressure vessel in which the liquid is located, the discharge pipe of this pump being connected. to the feed tube which opens into the head chamber of the tank and which is equipped with a nozzle. In this case, a portion of the carbonated liquid is continuously withdrawn and returned to the gas cushion that forms above the level of the liquid to raise the enrichment rate until the pressure is reached. balanced
d'absorption du gaz.gas absorption.
Dans les deux modes de mise en oeuvre de l'inven- In both modes of implementation of the invention
tion, l'extrémité du tube d'admission de gaz est munie d'un diffuseur qui améliore la répartition de ce gaz qui est dirigé dans le liquide et qui augmente la surface disponible tion, the end of the gas inlet tube is provided with a diffuser which improves the distribution of this gas which is directed into the liquid and which increases the available surface
pour le processus d'enrichissement.for the enrichment process.
L'invention va être décrite plus en détail en regard du dessin annexé qui représente uniquement à titre d'exemple deux modes de réalisation du dispositif de l'invention et sur lequel: - la figure 1 est une coupe verticale d'un premier mode de réalisation du dispositif; et - la figure 2 est une coupe correspondante d'une The invention will be described in more detail with reference to the appended drawing, which represents only two embodiments of the device of the invention by way of example and in which: FIG. 1 is a vertical section of a first embodiment of FIG. realization of the device; and - Figure 2 is a corresponding section of a
variante de réalisation.variant embodiment.
Dans les deux exemples de réalisation, le dispo- In both embodiments, the provision
sitif comprend une cuve sous pression 1 qui est de préférence en acier allié et qui est équipé d'une soupape de sécurité non représentée. La cuve 1 loge un serpentin 2-faisant partie - d'un dispositif de refroidissement et dans lequel un agent réfrigérant liquide est vaporisé, de manière à refroidir la cuve 1 de façon intense. Ce refroidissement produit au voisinage du serpentin 2 un banc de glace 3 qui est indiqué sur les figures 1 et 2. La cuve 1 -est équipée du côté extérieur d'une isolation 4 afin d'en limiter l'absorption de The system comprises a pressure vessel 1 which is preferably made of alloy steel and which is equipped with a safety valve, not shown. The tank 1 houses a coil 2-forming part of a cooling device and in which a liquid refrigerant is vaporized, so as to cool the tank 1 intensively. This cooling produces in the vicinity of the coil 2 an ice bank 3 which is indicated in FIGS. 1 and 2. The tank 1 is equipped on the outside with an insulation 4 in order to limit the absorption of
chaleur par l'extérieur.heat from the outside.
Le liquide devant être enrichi en gaz, de préfé- The liquid to be enriched with gas, preferably
rence en gaz carbonique, est déversé dans la cuve 1 par un tube 6 raccordé à une canalisation d'arrivée 5 et équipé de préférence d'un gicleur qui répartit ce liquide. Le gicleur favorise l'enrichissement en gaz par augmentation de la surface du liquide. Le niveau de remplissage à l'aide du liquide est réglé par un commutateur à flotteur 7 qui maintient le niveau de ce liquide entre des limites déterminées. Le niveau maximum de liquide est indiqué dans les deux figures par une ligne en trait plein et le niveau minimal, par une ligne en trait mixte. Ainsi, la cuve 1 renferme un espace 8 rempli de liquide et un espace de tête 9 Carbon dioxide is poured into the tank 1 by a tube 6 connected to an inlet pipe 5 and preferably equipped with a nozzle which distributes this liquid. The nozzle promotes gas enrichment by increasing the surface of the liquid. The filling level with the aid of the liquid is regulated by a float switch 7 which maintains the level of this liquid between defined limits. The maximum level of liquid is indicated in both figures by a solid line and the minimum level by a dotted line. Thus, the tank 1 contains a space 8 filled with liquid and a headspace 9
qui est rempli de gaz.which is filled with gas.
Le gaz arrive par une canalisation 10 qui est raccordée par exemple à une bouteille avec interposition d'un détendeur, ce gaz étant dirigé par un tube 11 et réparti par un diffuseur 12 dans l'espace 8 de la cuve 1 qui est rempli de liquide. Ce diffuseur 12 distribue le gaz en très petites bulles qui en améliorent la répartition dans le liquide et qui accroissent la surface d'absorption du gaz dans le liquide. Le prélèvement du liquide enrichi en gaz est effectué au moyen d'un tube plongeur 13 qui parvient à proximité du fond de la cuve 1 et par lequel ce liquide enrichi est dirigé sur une canalisation de sortie 14. Cette canalisation 14 est raccordée à des vannes ou robinets non représentés qui permettent de soutirer le liquide enrichi en The gas arrives via a pipe 10 which is connected for example to a cylinder with interposition of a pressure reducer, this gas being directed by a tube 11 and distributed by a diffuser 12 in the space 8 of the tank 1 which is filled with liquid . This diffuser 12 distributes the gas in very small bubbles which improve the distribution in the liquid and increase the absorption surface of the gas in the liquid. The collection of the gas-enriched liquid is carried out by means of a dip tube 13 which reaches close to the bottom of the tank 1 and through which this enriched liquid is directed on an outlet pipe 14. This pipe 14 is connected to valves or faucets (not shown) which make it possible to extract the liquid enriched with
gaz de manière sélective.gas selectively.
Le banc de glace 3 est destiné à l'emmagasinage du froid. L'épaisseur de ce banc 3 est contrôlée par un palpeur 15 qui enclenche et déclenche le dispositif de The ice bench 3 is intended for storing cold. The thickness of this bench 3 is controlled by a probe 15 which triggers and triggers the device of
refroidissement en fonction de l'épaisseur du banc. cooling according to the thickness of the bench.
Dans le mode de réalisation de la figure 1, la tubulure 16a d'aspiration d'une pompe 16 de circulation de gaz est raccordée à l'espace de tête 9 de la cuve 1 qui se trouve au-dessus du niveau du liquide et qui est rempli de gaz, la tubulure de refoulement 16b de cette pompe étant raccordée à la canalisation 10 d'arrivée de gaz qui aboutit In the embodiment of Figure 1, the suction pipe 16a of a gas circulation pump 16 is connected to the head space 9 of the tank 1 which is above the level of the liquid and which is filled with gas, the discharge pipe 16b of this pump being connected to the pipe 10 of arrival of gas which leads
au tube 11. La pompe 16 de circulation de gaz peut avantageu- 11. The pump 16 for circulating gas can advantageously
sement être du type à diaphragme commandé par des aimants oscillants. Une pompe de ce type ne comprend aucun élément rotatif, ne nécessite aucun entretien et, de plus, est très bon marché. La pompe 16 de circulation de gaz est disposée dans un carter 17 qui communique avec l'espace de tête 9 de la cuve 1 sous pression, de sorte que la différence entre la pression régnant dans la tubulure d'aspiration 16a et celle be of the diaphragm type controlled by oscillating magnets. A pump of this type does not include any rotating element, requires no maintenance and, moreover, is very cheap. The gas circulation pump 16 is disposed in a casing 17 which communicates with the head space 9 of the tank 1 under pressure, so that the difference between the pressure prevailing in the suction pipe 16 a and that
qui règne dans la tubulure de refoulement 16b est indépen- which prevails in the discharge pipe 16b is independently
dante de la pression de service du dispositif et correspond exclusivement à la puissance de refoulement de la pompe. Il est possible ainsi d'éviter d'avoir à utiliser des pompes élévatrices de pression qui non seulement sont coûteuses, the operating pressure of the device and corresponds exclusively to the discharge power of the pump. It is thus possible to avoid having to use pressure lifting pumps which are not only expensive,
mais sont aussi sujettes à pannes.but are also prone to breakdowns.
Le prélèvement continu de gaz sur le coussin se trouvant dans l'espace 9 de tête de la cuve sous pression 1 au moyen de la pompe de circulation 16 et le renvoi de ce gaz dans l'espace 8 rempli de liquide provoquent un mélange permanent de gaz et de liquide carbonaté à l'intérieur d'un circuit fermé de gaz qui est superposé à l'arrivée intermittente des deux fluides. Ainsi, il est possible d'élever le taux d'enrichissement jusqu'à la pression d'équilibre par des moyens simples. Il est donc possible par exemple de mettre en solution la quantité maximale de gaz carbonique dans de l'eau prélevée sur le réseau de distribution urbain selon la pression de carbonatation et en fonction de la température. Dans un exemple pratique, la pression de carbonatation est de 1,8.105 Pa. A une température de 00C, le volume de C02 qu'il est possible d'obtenir de cette manière est de 4,65 fois le volume de Continuous gas sampling on the cushion located in the head space 9 of the pressure vessel 1 by means of the circulation pump 16 and the return of this gas into the space 8 filled with liquid cause a permanent mixture of gas and carbonated liquid inside a closed circuit of gas which is superimposed on the intermittent arrival of the two fluids. Thus, it is possible to raise the enrichment rate to the equilibrium pressure by simple means. It is therefore possible, for example, to dissolve the maximum amount of carbon dioxide in water taken from the urban distribution network according to the carbonation pressure and as a function of the temperature. In a practical example, the carbonation pressure is 1.8 × 10 5 Pa. At a temperature of 0 ° C., the volume of CO2 that can be obtained in this manner is 4.65 times the volume of carbon dioxide.
liquide, soit 9,3 g/l.liquid, ie 9.3 g / l.
Dans la variante de réalisation de la figure 2, une tubulure 18a d'aspiration d'une pompe 18 de circulation de liquide pénètre dans l'espace 8 de la cuve 1 qui est remplie de ce liquide, tandis que sa tubulure de refoulement 18b est raccordée au tube de déversement 6 qui débouche dans l'espace de tête 9 et qui est équipé d'un gicleur. Cette pompe 18 de circulation prélève en permanence une partie du liquide carbonaté se trouvant dans la cuve sous pression 1 et la renvoie dans le coussin de gaz qui se forme au-dessus du liquide, ce dernier étant soumis à un mélange permanent avec le gaz. Ce mode de réalisation comprend donc aussi un circuit fermé de l'un des fluides, à savoir du liquide carbonaté, qui est superposé à l'arrivée intermittente de gaz et de liquide In the embodiment of Figure 2, a suction pipe 18a of a liquid circulation pump 18 enters the space 8 of the tank 1 which is filled with the liquid, while its discharge pipe 18b is connected to the discharge tube 6 which opens into the head space 9 and which is equipped with a nozzle. This circulating pump 18 permanently removes a portion of the carbonated liquid in the pressure vessel 1 and returns it to the gas cushion that forms on top of the liquid, the latter being subjected to a permanent mixture with the gas. This embodiment therefore also comprises a closed circuit of one of the fluids, namely the carbonated liquid, which is superimposed on the intermittent arrival of gas and liquid
et qui contribue de manière décisive à élever le taux d'enri- and which decisively contributes to raising the enir-
chissement en gaz absorbé dans le liquide. loss of absorbed gas in the liquid.
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