Login| Sign Up| Help| Contact|

Patent Searching and Data


Title:
METHOD AND DEVICE FOR SATURATING A PRODUCT WITH CARBON DIOXIDE
Document Type and Number:
WIPO Patent Application WO/2021/029780
Kind Code:
A1
Abstract:
The invention relates to the food industry. A method of saturating a beverage with CO2 comprises supplying the liquid and the gas under pressure, increasing the mass transfer surface, intensively mixing the components in a chamber, and subsequently feeding them into a storage tank. The mass transfer surface is increased abruptly prior to mixing by converting the liquid to a moist saturated vapor state, and the vapor-gas mixture is condensed before feeding into the storage tank. Also described is a device for saturating a beverage with CO2, which device is in the form of a water-air ejector.

Inventors:
KOZLOV ALEKSANDR GENNADEVICH (RU)
Application Number:
PCT/RU2019/000573
Publication Date:
February 18, 2021
Filing Date:
August 14, 2019
Export Citation:
Click for automatic bibliography generation   Help
Assignee:
KOZLOV ALEKSANDR GENNADEVICH (RU)
International Classes:
A23L2/54; B01F3/04; B01F5/04
Foreign References:
UA30296A2000-11-15
US20110091623A12011-04-21
RU2008773C11994-03-15
UA20314U2007-01-15
RU2209350C12003-07-27
Attorney, Agent or Firm:
KOTLOV, Dmitry Vladimirovich (RU)
Download PDF:
Claims:
Формула изобретения

1. Способ насыщения продукта диоксидом углерода (С02) включающий следующие этапы:

• подают поток жидкости из напорной камеры при давлении (Р1) и скорости потока (V1) в сопло, где жидкость разгоняют до высокой скорости потока (V2) и выпускают из сопла при сверхнизком давлении (Р2);

• из сопла поток жидкости подают в приемную камеру одновременно с С02, поступающим по каналам, и обеспечивают разряжение на входе в приемную камеру, т.е. скачкообразное одномоментное падение давления (РЗ), за счет чего происходит перевод жидкости перед насыщением в состояние влажного насыщенного пара для увеличения поверхности массообмена между влажным насыщенным паром и С02 в 10000 - 12000 раз по сравнение с поверхностью массообмена между каплями жидкости и С02;

• подают влажный насыщенный пар и С02 в камеру смешивания и интенсивно смешивают влажный насыщенный пар с С02 с получением парогазовой смеси;

• полученную парогазовую смесь подают в камеру конденсации и конденсируют парогазовую смесь в потоке с получением газированного продукта;

• подают конденсированный газированный продукт в накопительную емкость, в котором С02 полностью растворен при заданных параметрах состояния процесса: давления и температуры с КПД растворения 100%.

2. Устройство для насыщения продукта диоксидом углерода (С02) выполнено в виде водо-воздушного устройства эжекторного типа включающее последовательно расположенные: напорную камеру подачи продукта (1), сопло (2), приемную камеру (3) с четырьмя каналами подвода газа (4), камеру смешивания (5), камеру конденсации (6) и диффузор (7), отличающееся тем, что длина приемной камеры (3) составляет 0,5-0, 8 диаметра сопла, диаметр камеры смешивания (5) составляет 1,07-1,2 диаметра сопла, а длина камеры смешивания (5) в 6 раз больше ее внутреннего диаметра, при этом устройство имеет камеру конденсации (6), размещенную между камерой смешивания (5) и диффузором (7).

3. Устройство по п.2, отличающееся тем, что четыре канала подвода газа выполнены в стенках приемной камеры и расположены перпендикулярно оси устройства с интервалом 90 градусов относительно друг друга: 90, 180, 270, 360 градусов.

Description:
СПОСОБ И УСТРОЙСТВО НАСЫЩЕНИЯ ПРОДУКТА ДИОКСИДОМ УГЛЕРОДА

Область техники, к которой относится изобретение

Изобретение относится к пищевой промышленности, а именно, к способам и устройствам для насыщения продукта СОг и может быть использовано в пивобезалкогольной отрасли.

Уровень техники

К способам насыщения продуктов С0 2 предъявляются высокие требования, так как необходимо насыщать С0 2 значительный объем продукта в потоке за короткий промежуток времени, а именно, до 25 литров продукта в секунду или 1,5 м 3 продукта в минуту.

Во всех известных способах и устройствах насыщения продукта С0 2 , газовая фаза перемешивается с жидкой фазой продукта. Основой путь повышения эффективности насыщения продукта С0 2 - это увеличение поверхности массообмена при смешивании продукта и С0 2 . На современном технологическом уровне увеличение поверхности массообмена достигается путем механического измельчения потока продукта перед смешиванием с С0 2 на максимально мелкие объемы капель или путем разрушения потока продукта различными устройствами и подачей С0 2 под давлением в определенный объем.

Из уровня техники известен способ и устройство карбонизации жидкой среды (см. [1] US20110091623А1 , МПК A23L 2/54; B01F 3/04; B01F 5/04, опубл. 21.04.2011), включающий введение С0 2 под давлением в жидкую среду с использованием по меньшей мере одного соплового устройства, предусмотренного в корпусе, через который проходит жидкая среда, причем указанное сопловое устройство выбрано из группы, состоящей из: соплового устройства, имеющее множество сопловых или выпускных отверстий, причем указанные сопловые или выпускные отверстия выполнены распределенными вдоль, по меньшей мере, одного канала обработки, проходящего через жидкую среду, и соплового устройства, имеющее по меньшей мере одно щелевое сопло, которое проходит вдоль, по меньшей мере, одного обрабатывающего канала.

Недостатком указанного аналога является низкое время взаимодействия фаз. Так как время взаимодействия фаз не превышает нескольких секунд, то до предельной равновесной концентрации С0 2 в продукте успевает насытиться только граничный слой капель, ближайший к поверхности раздела фаз продукта и С0 2 . При этом концентрация газа в капле жидкости уменьшается по мере удаления от поверхности капли в центр капли. В результате, в известных способах насыщения концентрация газа в продукте значительно ниже физически возможной предельной равновесной концентрации при одинаковых параметрах состояния процесса насыщения: давления и температуры. Известные способы насыщения характеризуются относительно низким качеством растворения СОг в продукте, так как возможность растворения СОг в продукте не реализуются в полной мере, то есть для получения необходимой концентрации СОг требуются неоптимальные параметры процесса насыщения: более высокое давление насыщения и более низкая температура насыщения, чем если бы насыщение продукта С0 происходило с получением предельной равновесной концентрации С0 2 в продукте.

Известно классическое устройство для насыщения воды газом, содержащее водо- воздушный эжектор, который включает напорную камеру для подачи продукта, сопло, приемную камеру с каналом подвода газа, камеру смешивания и диффузор (см. [2] Соколов Е.Я., Н.М. Зингер. Струйные аппараты, М, Энергия, 1970, стр. 213-215). В этом устройстве длина камеры смешивания в 8-10 раз больше ее внутреннего диаметра. При работе устройства рабочий поток жидкости разрушается потоком газа. Устройство предназначено для осуществления известного способа, которому присущи описанные выше недостатки насыщения продукта СОг.

Современные патенты в области способов и устройств растворения газов в жидкостях не отличаются значительной научной новизной. Так, в патенте Китайской народной республики (см. [3] CN201001378, МПК A23L 2/54, опубл. 09.01.2008), трубки Вентури соединены последовательно. Резкое расширение объема создает отрицательное давление для поглощения СОг в воду или сироп, а затем калибр сжимается, и давление в трубке увеличивается, тем самым увеличивая растворение СОг. Такой способ имеет больше недостатков, чем преимуществ, так как не позволяет ни первой, ни второй трубки Вентури достигнуть своего технологического потенциала.

Из уровня техники известен способ введения газа в воду для связывания компонентов, устройство для осуществления способа и полученную с использованием данного способа воду (см. [4] ЕР0314015А1, МПК A01G 7/00; B01F 1/00, опубл. 03.05.1989). Способ введения газа, такого как кислород, воздух или диоксид углерода, в воду, в котором поток воды, обогащенной газом, пропускается через реакционную камеру, так что поток вращается вокруг и движется вдоль продольной оси, при этом внезапный минимум давления обеспечивается участком этой оси, где газ, содержащийся в потоке, собирается и смешивается с паром, давление увеличивается после минимума, в результате чего газ поглощается водой, так, что молекулы газа связываются с молекулами воды. Устройство для осуществления данного способа содержит замкнутый рециркуляционный канал с реакционной камерой, поток поддерживается насосом, и газ вводится в воду либо вихревым потоком, либо водоструйным насосом. Полученная таким образом вода содержит газ в стабильном и связанном состоянии в концентрации, превышающей нормальное насыщение. Диэлектрическая проницаемость и некоторые физические параметры такой воды отличаются от параметров чистой воды. Данный способ основан на недопущении турбулизации потока. Важно отметить, что в описанном в патенте устройстве используется петля рециркуляция, то есть насыщенный газом продукт возвращается назад в емкость, что не только не реалистично для промышленного применения, но и говорит о том, что одной фазы насыщения напитка углекислотой недостаточно.

Также из уровня техники известен способ и устройство карбонизации воды без буферного танка (см. [5] US5842600, МПК A23L 2/54; B01F 3/04, опубл. 01.12.1998) заключающиеся в объединении соответствующих потоков воды и диоксида углерода в смесительной трубке Вентури. Обычно для насыщения используется или статический миксер, или трубка Вентури. Заявление про карбонизацию без буферного танка - это формальность, так как все современные технологии смешивают углекислый газ с продуктом без буферного танка. Буферный танк под давлением необходим для того, чтобы удержать газ в газированном напитке, поэтому как в действительности, так и формально карбонизация продукта происходит без буферного танка.

Важно отметить, что если для реализации способа насыщения Вентури достаточно давления 100-120 psi (6,89 - 8,27 бар), то для нашего способа необходимо давление минимум 150 psi (10,34) и оптимально 180 psi (12,41 бар) на этапе смешивания компонентов после турбулизации потока. За счет гораздо большей эффективности нашего способа и устройства (геометрия тоже оптимизирована для реализации способа), гораздо больше газа растворяется, то есть выше КПД растворения. Для того, чтобы "всасать" предельный объем газа, который может раствориться в потоке, который в свою очередь кавитирован, необходимо гораздо большее, скачкообразное одномоментное падение давления, а не ламинарное падение давление как в Вентури. Важно отметить, что в Вентури не только поток ламинарный, но и давление падает не скачкообразно, а гораздо более плавно.

Сущность изобретения

Техническими задачами, на решение которых направлена группа изобретений, являются: увеличение давления на 30-50% относительно давления, которое используется в Вентури системах, на входе в узел насыщения; скачкообразное увеличение поверхности массообмена путем изменения фазового состояния продукта перед смешиванием с СОг до получения предельной равновесной концентрации СОг в продукте при параметрах состояния процесса насыщения: давления и температуры; внесение конструктивных изменений в известное устройство насыщения продукта газом, а именно изменение габаритов приемной камеры, изменение соотношений поперечного и продольных размеров камеры смешивания, для обеспечения выполнения вышеназванной задачи получения предельной равновесной концентрации СОг.

Технический результат изобретения заключается в увеличение поверхности массообмена, снижение вспенивания продукта при розливе и как следствие снижение з расхода C0 2 увеличение времени удержания С0 2 в продукте на протяжении срока хранения, снижение необходимости использовать повышенное давление в буферных колоннах и охлаждение продукта перед насыщением.

Техническая задаче решается, а технический результат достигается за счет способа насыщения продукта диоксидом углерода (С0 2 ) включающий следующие этапы: подают поток жидкости из напорной камеры при давлении (Р1) и скорости потока (V1) в сопло, где жидкость разгоняют до высокой скорости потока (V2) и выпускают из сопла при сверхнизком давлении (Р2); из сопла поток жидкости подают в приемную камеру одновременно с С0 2 , поступающим по каналам, и обеспечивают разряжение на входе в приемную камеру, т.е. скачкообразное одномоментное падение давления (РЗ), за счет чего происходит перевод жидкости перед насыщением в состояние влажного насыщенного пара для увеличения поверхности массообмена между влажным насыщенным паром и С0 2 в 10000 - 12000 раз по сравнение с поверхностью массообмена между каплями жидкости и С0 2 ; подают влажный насыщенный пар и С0 2 в камеру смешивания и интенсивно смешивают влажный насыщенный пар с С0 2 с получением парогазовой смеси; полученную парогазовую смесь подают в камеру конденсации и конденсируют парогазовую смесь в потоке с получением газированного продукта; подают конденсированный газированный продукт в накопительную емкость, в котором С0 2 полностью растворен при заданных параметрах состояния процесса: давления и температуры с КПД растворения 100%.

Техническая задаче решается, а технический результат достигается за счет устройства для насыщения продукта диоксидом углерода (С0 2 ) выполненного в виде водо-воздушного устройства эжекторного типа включающего последовательно расположенные: напорную камеру подачи продукта, сопло, приемную камеру с четырьмя каналами подвода газа, камеру смешивания, камеру конденсации и диффузор, при этом длина приемной камеры составляет 0,5-0, 8 диаметра сопла, диаметр камеры смешивания составляет 1,07-1,2 диаметра сопла, а длина камеры смешивания в 6 раз больше ее внутреннего диаметра, при этом устройство имеет камеру конденсации, размещенную между камерой смешивания и диффузором.

Также технический результат достигается за счет того, что четыре канала подвода газа выполнены в стенках приемной камеры и расположены перпендикулярно оси устройства с интервалом 90 градусов относительно друг друга: 90, 180, 270, 360 градусов.

Краткое описание чертежей

Фиг. 1 - Схема устройства насыщения продукта диоксидом углерода.

Фиг. 2 - Таблица растворимости.

На фигуре цифрами обозначены следующие позиции: 7 - напорная камера для подачи продукта; 2 - сопло; 3 - приемная камера; 4 - каналы подвода газа; 5 - камера смешивания; 6 - камера конденсации; 7 - диффузор.

Осуществление изобретения

Важно отметить, что в отличии от способа Вентури, описанного в аналогах, заявленный способ направлен на турбулизацию, кавитацию потока, разрыв молекулярных связей при скачкообразном одномоментном и максимальном снижении давления. Заявленная группа изобретений максимизирует турбулизацию потока для увеличения кавитации и разрыва молекулярных связей, которые обладают высокой энергетической емкостью. Для заявленного способа высокая степень турбулизации необходима, чтобы разорвать связи и получить смешивание на молекулярном уровне. Только потом максимально турбулизированный поток (не максимально ламинарный как в Вентури, обратите внимание на геометрию Вентури, которая характеризуется плавными линиями) с высокой скоростью поступает в какую-либо камеру смешения, в которой нужно скачкообразно одномоментно и максимально снизить давление (при способе Вентури поток не только ламинарен, но и давление падает не скачкообразно, а ламинарно, что характерно для геометрии Вентури). В турбулизированный, кавитированный поток подается газ (С0 2 ) из 4-х каналов подачи газа.

Сущность изобретения поясняется схемой (фиг. 1), на котором изображено предложенное устройство для насыщения продуктов (напитков) диоксидом углерода (С0 2 ) в потоке. Устройство выполнено в виде водо-воздушного устройства эжекторного типа и содержит, последовательно расположенные: напорную камеру для подачи продукта (1), сопло (2), приемную камеру (3) с четырьмя каналами подвода газа (4), камеру смешивания (5), камеру конденсации (6), диффузор (7). Длина приемной камеры (3) составляет 0,5-0, 8 диаметра сопла (2). Каналы подвода газа (4) выполнены в стенках приемной камеры (3) и расположены перпендикулярно оси устройства с интервалом 90 градусов относительно друг друга: 90, 180, 270, 360 градусов; а также выполнены фрезерованными и имеют длину, которая в несколько раз больше длины каналов подачи газа любых вариантов/изобретений на базе трубок Вентури. Диаметр камеры смешивания равен 1,0-1, 2 диаметра сопла, а длина камеры смешивания в шесть раз больше ее внутреннего диаметра.

Заявленное устройство реализуется за счет заявленного способа. Жидкость с давлением Р1 и скоростью V1 подается насосом высокого давления в напорную камеру (1), проходит через сопло (2) в приемную камеру (3). В сопле (2) жидкость разгоняется до высокой скорости потока V2>V1, в результате чего выходит из сопла (2) при сверхнизком давлением Р2<Р1. Из сопла (2) поток жидкости поступает в приемную камеру (3) одновременно с С0 2 , поступающим по каналам (4). Длина приемной камеры (3) обеспечивает создание в ней разряжения, т.е. скачкообразное одномоментное падение давления (РЗ), которое необходимо и достаточно для образования мощного турбулентного потока и «вскипания» потока продукта, то есть перехода жидкости в состояние влажного насыщенного пара. Состояние влажного насыщенного пара необходимо для увеличения поверхности массообмена между влажным насыщенным паром и СОг в 10000 - 12000 раз по сравнение с поверхностью массообмена между каплями жидкости и СОг. Благодаря разряжению в приемной камере (3) диоксид углерода, поступающий по каналам (4), захватывается влажным насыщенным паром и «кипящий» поток продукта вместе с газом с высокой скоростью до 80 м/с и под давлением устремляется в камеру смешивания (5). Габариты камеры смешивания и её длина обеспечивают насыщение газом частиц пара продукта до предельной равновесной концентрации. Насыщенный поток (полученную парогазовую смесь) направляется в камеру конденсации (6), где за счет увеличения геометрических размеров камеры конденсации (6) по сравнению с размерами камеры смешивания (5) происходит торможение потока, его скорость падает, а давление возрастает, в результате чего происходит конденсация парогазовой смеси в потоке с получением газированного продукта. Из камеры конденсации (6) продукт, насыщенный газом (конденсированный газированный продукт), концентрация которого предельна или близка к предельной равновесной концентрация при данных параметрах состояния процесса, направляется через диффузор (7) в накопительную ёмкость (на рисунке не показана).

В итоге получают продукт, в котором СОг полностью растворен при заданных параметрах состояния процесса: давления и температуры с КПД растворения 100%. При этом заданные параметры принимают из таблицы растворимости (фиг. 2), чтобы достичь предела растворимости, например, при давлении 4 бара и температуре +15°С, возможно растворить 5 объемных долей СОг в 1 литре продукта, то есть если удалось растворить 5 объемных долей, то больше не удастся, так как мы достигли пределов возможности закона физики.

Пример.

Испытания эффективности предложенного способа и устройства происходили на работающих производственных линиях розлива газированных продуктов различных конфигураций и производителей путем замены узлов насыщения на сатураторах и миксер-сатураторах на предложенное устройство. Согласно требованиям предприятий- производителей газированных продуктов, газированные продукты должны иметь насыщенность СОг от 5 до 8,8 грамм СО 2 на литр в зависимости от рецепта. При этом, чем выше температура насыщения продукта СОг, тем ниже будут затраты электроэнергии на охлаждение продукта перед насыщением, а чем ниже давление насыщения продукта СОг, тем ниже будет расход СОг в процессе насыщения продукта СОг. Известны также качественные преимущества получения предельной равновесной концентрации СОг в продукте, такие как улучшение вкуса и повышение устойчивости газированного продукта, сохранение насыщенности СОг в ПЭТ-бутылке во время хранения продукта. В ходе проведения испытаний устройства, параметры работы линий розлива оставались такими, как и до испытаний. Испытания проходились при прочих равных условиях (ceteris paribus) с изменением параметров состояния процесса для оценки эффективности работы предложенного устройства. В зависимости от целей и задач производственного предприятия получены необходимые концентрации СОг при следующих параметрах состояния процесса:

- увеличение температуры насыщения с + 8°С до +16-18°С (меняется параметр состояния процесса - температура насыщения продукта СОг) с получением необходимой концентрации СОг в продукте при одинаковом давлении насыщения СОг в сатураторе/миксер-сатураторе до и после испытания устройства (4 бара);

- снижение давления насыщения с 4 до 2,8 бар (меняется параметр состояния процесса - давление насыщения продукта СОг) с получением необходимой концентрации СОг в продукте при одинаковой температуре продукта в сатураторе/миксер-сатураторе до и после внедрения устройства (+8°С);

- снижение давления насыщения с 4 до 3,4 бар и повышение температуры насыщения с +8°С до +14-15°С (меняются параметры состояния процесса - давление и температура насыщения продукта СОг) с получением необходимой концентрации СОг в продукте.

Таким образом, использование предложенного устройства позволяет насыщать продукты СОг при оптимальных параметрах процесса: более высокой температуре насыщения и/или более низком давлении насыщения, а предложенный способ насыщения позволяет перевести продукт перед смешиванием с СОг в состояние влажного насыщенного пара и добиться получения предельной равновесной концентрации СОг в продукте в потоке.

Изменение фазового состояния продукта перед смешиванием с газом достигается за счет местного падения давления до давления насыщения. После смешивания продукта с газом, давление продукта повышается при конденсации до давления процесса. Перевод продукта в состояние ВНП обеспечивает получение скачкообразного увеличения поверхности массообмена продукта с СОг в 10 000 - 12 000 раз, то есть насыщение продукта СОг происходит на молекулярном уровне. Концентрация СОг в продукте успевает достичь предельного значения и после конденсации сохранить его.

Предложенное соотношение ширины приемной камеры и диаметра сопла позволяет создать необходимое разрежение, благодаря которому продукт переходит в состояние взвешенного насыщенного пара (ВНП), а СОг поступает вместе с продуктом в камеру смешивания. Соотношение поперечного размера камеры смешивания и ее длины обеспечивает получение предельной равновесной концентрации СОг в продукте. Размеры камеры конденсации обеспечивают конденсацию парогазовой смеси в потоке. Только одномоментное скачкообразное падение давления, которое создается высокой скоростью потока и определенной геометрией проточной части, а также спроектированные с целью подачи оптимального объема газа с оптимальной скоростью (оптимальный объем и скорость подачи газа - это такие величины, при которых величина разряжения в камере смешивания максимальна) в камеру смешивания 4 фрезерованных канала подачи газа, позволяет кавитировать и перевести продукт в состояние влажного насыщенного пара, то есть обеспечить, так называемое «кипение» продукта, таким образом, что поверхность взаимодействия фаз двух компонентов: продукта будет одинаковой и произойдет интенсивное перемешивание газа в продукте, что в свою очередь, позволяет получить вышеобозначенный тех. результат: насыщать продукт С0 2 при более высокой температуре и при более низком давлении без вспенивания продукта на разливочных машинах, а также удерживать газ в пределах ПЭТ-тары более длительный срок.