Brevet FR2466272A1 — publié le 19810410

L'invention se rapporte à un procédé d'enrichis- 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 à un dispositif pour la mise en oeuvre de ce procédé. 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 particulier pour les rendre plus agréables et plus rafraî- chissantes par carbonatation. Différents procédés d'enri- chissement de liquides de ce type en gaz sont connus. Dans l'un de ces procédés, l'eau est pompée par un ajutage et du gaz est dirigé au voisinage de cet ajutage de manière à mettre le gaz et le liquide en contact intensif. 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 rendement du mélange. 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 rendement de la carbonatation pendant le processus de disso- 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 raison, du gaz peut s'échapper de manière réglée à l'atmos- 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 fonctionnement du dispositif de carbonatation. L'invention a pour objet un procédé et un dispo- 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 pressions à l'intérieur de la cuvé. 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 provoquer un mélange constant de gaz et de liquide carbonaté. 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. Conformément au principe du procédé de l'inven- 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 l'élévation considérable du taux d'enrichissement. 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 gaz est prélevé en permanence sur le coussin qui se forme au- 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 d'absorption du gaz. Dans les deux modes de mise en oeuvre de l'inven- 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 pour le processus d'enrichissement. 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 variante de réalisation. Dans les deux exemples de réalisation, le dispo- 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 chaleur par l'extérieur. Le liquide devant être enrichi en gaz, de préfé- 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 qui est rempli de gaz. 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 gaz de manière sélective. 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 refroidissement en fonction de l'épaisseur du banc. 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 au tube 11. La pompe 16 de circulation de gaz peut avantageu- 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 qui règne dans la tubulure de refoulement 16b est indépen- 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, mais sont aussi sujettes à pannes. 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 liquide, soit 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 et qui contribue de manière décisive à élever le taux d'enri- chissement en gaz absorbé dans le liquide. REVENDICATIONS 1. Procédé d'enrichissement de liquides en- gaz, en particulier d'eau en gaz carbonique en vue de la production de boissons, procédé consistant à refroidir le liquide et à mettre en contact intensif le gaz et le liquide en introduisant l'un des deux fluides dans l'autre, procédé caractérisé en ce qu'il consiste par ailleurs à produire un mélange permanent de gaz et de liquide renfermant du gaz au moyen d'un circuit fermé de l'un des deux fluides qui est superposé à l'admission de ces deux derniers. 2. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il consiste à prélever en permanence du gaz sur le coussin qui se forme au-dessus du liquide et à le diriger sous le niveau du liquide, dans ce dernier qui est enrichi en gaz. 3. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il consiste à prélever en permanence une partie du liquide enrichi en gaz et à le renvoyer dans le coussin de gaz qui se forme au-dessus du liquide. 4. Dispositif pour la mise en oeuvre du procédé selon l'une des revendications 1 et 2, comprenant une cuve sous pression destinée à contenir le liquide enrichi en gaz et équipée d'un dispositif de refroidissement et d'une isolation, un tube de déversement du liquide débouchant à l'intérieur de cette cuve, au-dessus du niveau du liquide et un tube d'admission de gaz débouchant sous le niveau du liquide, un tube plongeur dont l'orifice se trouve à proximité du fond de la cuve étant destiné à prélever du liquide enrichi en gaz, dispositif caractérisé en ce que la tubulure d'aspiration (16a) d'une pompe de circulation de gaz (16) est raccordée à l'espace (9) de tête de la cuve sous pression (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 d'arrivée (10) qui aboutit au tube d'admission de gaz (11). 5. Dispositif selon la revendication 4, caracté- risé en ce que la pompe de circulation de gaz (16) est disposée à l'intérieur de l'espace de tête (9) de la cuve sous pression (1). 6. Dispositif selon la revendication 4, caracté- risé en ce que la pompe de circulation de gaz (16) est disposée dans un carter (17) qui est raccordé à l'espace de tête (9) de la cuve sous pression (1). 7. Dispositif pour la mise en oeuvre du procédé selon les revendications 1 et 3 prises ensemble, comprenant une cuve sous pression destinée à contenir le liquide enrichi en gaz et équipée d'un dispositif de refroidissement et d'une isolation, un tube d'alimentation en liquide débouchant à l'intérieur de ladite cuve audessus du niveau du liquide, un tube d'admission de gaz débouchant dans cette cuve sous le niveau du liquide et un tube plongeur, dont l'orifice se trouve à proximité du fond de la cuve, étant destiné à prélever du liquide enrichi en gaz, dispositif caractérisé en ce que la tubulure d'aspiration (18a) d'une pompe de circulation de liquide (18) est disposée dans l'espace (8) de la cuve sous pression (1) qui contient le liquide, la tubulure de refoulement (18b) de cette pompe étant raccordée au tube de déversement du liquide (6) qui débouche dans l'espace de tête (9) de la cuve et qui est équipé d'un gicleur. 8. Dispositif selon l'une quelconque des reven- dications 4 à 7, caractérisé en ce que l'extrémité du tube d'admission de gaz (11) est équipée d'un diffuseur (12).