DE2647597A1 - Verfahren und vorrichtung zum karbonisieren und kuehlen einer fluessigkeit in einem einzigen arbeitsgang - Google Patents

Verfahren und vorrichtung zum karbonisieren und kuehlen einer fluessigkeit in einem einzigen arbeitsgang

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DE2647597A1
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Fred Anderson Karr
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Description

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DIPL-IHG. F. VJL'Eiüti^i.-ii'.iJiJ Z O H / O CJ /
Neuer Wall 10 ■ 2iüd HAMBURG 36 . ^·
1444-1-2933
C.76 153 Fl 20. Oktober 1976
Consolidated Foods Corporation
135 South La Salle Street Chicago, Illinois (V.St.ν. Α.)
Verfahren und Vorrichtung zum Karbonisieren und Kühlen einer Flüssigkeit in einem einzigen Arbeitsgang.
(Für diese Anmeldung wird die Priorität aus der entsprechenden U.S. Anmeldung Ser. No. 643 096 vom 22. Dezember 1975 in Anspruch genommen.)
Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Karbonisieren und Kühlen einer Flüssigkeit in einem einzigen Arbeitsgang bei der Herstellung von z.B. nichtalkoholischen Getränken.
Bei bekannten Karbonisierungssystemen wird gasförmiges Kohlendioxid in das obere Ende eines Karbonisierkühlbehälters eingeleitet, welcher vermittels eines Kältemittels gekühlte Kühlplatten aufweist. Das Produkt wird am oberen Ende des Behälters zugeführt und fließt über die Kühlplatten nach unten. Bei Verwendung von flüssigem Kohlendioxid in Verbindung mit einem herkömmlichen Karbonisierkühler dieser Ausführung käme es zu einer starken Ausbildung von Eiskristallen, die sich an den Oberflächen der Produktauslaßleitung niederschlagen und diese zufrieren würden. Ein Grund für dieses Einfrieren ist
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die durch den Einspritzdruck bewirkte, übermäßig starke Kühlung, ohne daß dabei die Möglichkeit eines wirksamen Wärmeaustauschs besteht.
Die Verwendung von flüssigem Kohlendioxid zur Karbonisierung von Flüssigkeiten weist jedoch den Vorteil auf, daß die Flüssigkeit zugleich mit der Karbonisierung auch gekühlt werden kann. Bekanntlich nehmen gekühlte Flüssigkeiten eine höhere Menge an Kohlendioxid auf, wobei ein stabiles Produkt entsteht. Wenn sich der Kohlendioxidgehalt einmal stabilisiert hat, bleibt er auch bei höheren Temperaturen in der Regel erhalten. Ein Flüssigkeitskarbonisierungssystem mit hilfsweiser Einspritzung von flüssigem Kohlendioxid ist in der US-PS 3 832 der Anmelderin beschrieben. Bei diesem System wird von einer Hochdruck-Zumeßpumpe zugeführtes flüssiges Kohlendioxid über ein Einspritzventil in eine mit dem Boden eines Stabilisierungsbehälters verbundene Rohrleitung eingespritzt. Das flüssige Kohlendioxid expandiert dabei in den gasförmigen Zustand, womit eine Abkühlung verbunden ist. Die karbonisierte Flüssigkeit wird am Boden des Behälters entnommen.
Bei Verwendung dieses Systems zur Herstellung eines hoch karbonisierten Produkts, wobei der Gesamtkohlendioxidgehalt in flüssiger Form zugesetzt wird, würden sich innerhalb des Produkts Eiskristalle ausbilden und zur Oberfläche der im Behälter befindlichen Flüssigkeit auftreiben. Da bis jetzt aber noch keine Mittel und Wege vorgeschlagen worden sind, wie diese Eiskristalle zum Schmelzen gebracht werden könnten, können sich die Kristalle an der Flüssigkeitsoberfläche ansammeln und somit eine Schicht ausreichender Dicke bilden, welche die Gleichförmigkeit der Karbonisierung behindert. Ein weiterer Nachteil ist darin zu sehen, daß die am Einführpunkt des Kohlendioxids in den Stabilisierungsbehälter auftretende starke Kühlung nicht optimal ausgenutzt wird. Wenn die an dieser Stelle auftretende überschüssige Kühlung wirksamer ausgenutzt werden
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würde, könnte viel Energie gespart werden.
Aufgabe der Erfindung ist die Schaffung eines Verfahrens und einer Vorrichtung zum gleichzeitigen Karbonisieren und Kühlen einer Flüssigkeit wie z.B. bei der Herstellung kohlensäurehaltiger nichtalkoholischer Getränke, Bier oder dgl., die bei geringem Energiebedarf und unter Vermeidung von Einfrieren in einem einzigen Behälter ausführbar sind.
Das zur Lösung der gestellten Aufgabe vorgeschlagene Verfahren ist erfindungsgemäß dadurch gekennzeichnet, daß die zu karbonisierende und abzukühlende Flüssigkeit in einer aufrecht stehenden Karbonisierungssäule mit wärmeleitfähiger Wandung gehalten und am unteren Ende derselben zugeführt wird, flüssiges Kohlendioxid gleichfalls am unteren Ende in die Flüssigkeit eingeführt und durch dieses die zu karbonisierende Flüssigkeit karbonisiert und abgekühlt wird, abgekühlte, karbonisierte Flüssigkeit am oberen Ende der Karbonisierungssäule über einen überlauf abgeführt und die überlaufende karbonisierte Flüssigkeit durch einen die Karbonisierungssäule umgebenden Ringraum nach unten geleitet und dabei vermittels Wärmeaustausch durch die leitfähige Wandung hindurch noch weiter abgekühlt wird.
Die weiterhin zur Ausführung des Verfahrens vorgeschlagene Vorrichtung ist erfindungsgemäß gekennzeichnet durch einen aufrecht stehenden, geschlossenen Behälter, eine mittig innerhalb des Behälters angeordnete und in diesem gehaltene, aufrecht stehende Karbonisierungssäule, wobei zwischen Karbonisierungssäule und Behälter ein senkrechter Ringraum gebildet ist, eine im oberen Teil der Karbonisierungssäule ausgebildete und mit dem Ringraum in Verbindung stehende Auslaßöffnung, eine Quelle für zu karbonisierende Flüssigkeit, eine zwischen der Karbonisierungssäule und der Quelle für zu karbonisierende Flüssigkeit mit dem untersten Abschnitt der Karbonisierungssäule verbundene Speiseleitung für flüssiges Kohlendioxid, eine
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Kohlendioxidquelle, eine zum Einspritzen von flüssigem Kohlendioxid an einer in der Nähe des untersten Abschnitts der Karbonisierungssäule befindlichen Stelle in die zu karbonisierende Flüssigkeit dienende Einspritzvorrichtung und eine mit dem unteren Ende des Ringraums verbundene Abgabeleitung für abgekühlte, karbonisierte Flüssigkeit, wobei die Höhe der Karbonisierungssäule derart bemessen ist, daß sich eine ausreichend lange Verweilzeit ergibt, während welcher das in der Flüssigkeit blasenförmig gelöste Kohlendioxid stabilisierbar ist.
Entsprechend dem vorgeschlagenen Verfahren wird flüssiges CO2 am Boden einer mit der Flüssigkeit gefüllten Karbonisierungssäule eingespritzt. Die Flüssigkeiten wandern innerhalb der Karbonisierungssäule nach oben, treten über den am oberen Rand befindlichen Überlauf in den die Säule umgebenden Ringraum ein und werden am unteren Ende wieder aus dem Behälter abgeführt. Daher wird die durch den äußeren Ringraum hindurchtretende Flüssigkeit durch konduktiven Wärmeaustausch mit dem kältesten Bereich des Behälters, d.h. dem untersten Teil der Karbonisierungssäule abgekühlt.
Die Kühlwirkung durch das Einspritzen von flüssigem Kohlendioxid ist so groß, daß es im Einspritzbereich zur Bildung von Eiskristallen kommen kann, die zur Oberfläche der in der Karbonisierungssäule befindlichen Flüssigkeit auftreiben und sich daher an dieser Oberfläche ansammeln. Wenn diese Eiskristalle in die Rohrleitungen gelangen, kann es zu einem Zusetzen und Einfrieren derselben kommen. Aus diesem Grunde wird auf Umgebungstemperatur befindliche, zu karbonisierende Flüssigkeit über eine Nebenstromleitung zum oberen Ende der Karbonisierungssäule zugeführt und auf die Oberfläche der karbonisierten Flüssigkeit gesprüht, was zur Folge hat, daß die Eiskristalle geschmolzen werden und die Flüssigkeit mit dem übrigen Produkt vermischt wird. Ein außerdem am Überlauf angeordnetes Sieb gestattet die Abgabe der Flüssigkeit in den Ringkanal, hält
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jedoch Eiskristalle zurück.
Der Durchsatz der durch den Ringkanal nach unten strömenden karbonisierten Flüssigkeit ist derart bemessen, daß die sich dabei ergebende Verweilzeit zur Stabilisierung des blasenförmigen Kohlendioxids in der strömenden Flüssigkeit ausreicht. Daher ist für die Vorrichtung kein zusätzlicher Stabilisierungsbehälter erforderlich.
Die bei der Karbonisierung mit flüssigem Kohlendioxid erfolgende Abkühlung wird voll und ganz zur Kühlung der Flüssigkeit ausgenutzt. Gleichzeitig werden die bei Einsatz von flüssigem Kohlendioxid ggf. auftretenden Probleme von Eisbildung und Eingefrieren voll und ganz vermieden.
Das Verfahren und die Vorrichtung nach der Erfindung sind im nachfolgenden anhand des in der Zeichnung dargestellten schematischen Ausführungsbeispiels einer erfindungsgemäßen Vorrichtung näher erläutert.
Entsprechend der Zeichnungsdarstellung ist eine Quelle 12 für "warme", d.h. auf Umgebungstemperatur befindliche, zu karbonisierende Flüssigkeit über eine Einlaßleitung 14 mit dem Boden eines Abkühl- und Karbonisierungsbehälters 16 verbunden. Von einer Quelle 18 geliefertes, unter Druck stehendes gasförmiges Kohlendioxid wird über ein Zweiwegventil 22 einer Kohlendioxideinspritzvorrichtung 20 zugeführt.
Das Einführen von gasförmigem Kohlendioxid kann vermittels einer Kohlendioxid-Einspritzvorrichtung 20 erfolgen, die beispielsweise entsprechend der in der US-PS 256 802 der Anmelderin beschriebenen Ausführungsform ausgebildet ist. Die Einspritzvorrichtung 20 besteht aus einem flüssigkeitsdicht abgeschlossenen inneren Gehäuse 24, das von einem größeren, äußeren Gehäuse 26 umgeben ist. Im inneren Gehäuse 24 befindet sich ein zylindrisches Rohr mit sich konisch verjüngenden vorderen und
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hinteren Enden, das aus einem, porösen oder gesinterten Werkstoff ausreichend hoher Porosität (mit öffnungen von z.B. 2 bis 5 μπι Größe) besteht und unter normalem Druck der Kohlendioxidquelle 18 den Durchtritt von Kohlendioxidgas in Form kleiner Bläschen gestattet, welches damit unter hohem Druck in die auf Umgebungstemperatur befindliche Flüssigkeit abgegeben wird.
Entsprechend dem vorgeschlagenen Verfahren wird zum gleichzeitigen Karbonisieren und Kühlen der Flüssigkeit flüssiges Kohlendioxid verwendet. Die Kohlendioxid-Einspritzvorrichtung 2 0 wird nur dann verwendet, wenn durch das Einspritzen von flüssigem Kohlendioxid der Gesamtkühlbedarf bei der Karbonisierung überschritten wird. Wenn z.B. ein hoch kohlensäurehaltiges Produkt nur mit flüssigem Kohlendioxid behandelt wird, kann es vorkommen, daß die Endprodukttemperatur unter der Produktstabilisierungstemperatur liegt. In diesem Falle wird das Einspritzen von gasförmigem Kohlendioxid wie z.B. vermittels der Einspritzvorrichtung 20 angewandt, um den Energiebedarf des Systems zu senken und Einfrieren zu verhindern.
Die primäre Karbonisierungs- und Kühlquelle stellt daher ein Einspritzventil 28 für flüssiges Kohlendioxid dar, welches mit einer Hochdruck-Speiseleitung 32 für flüssiges Kohlendioxid verbunden ist, in welcher eine Präzisions-Hochdruck-Zumeßpumpe 30 liegt. Wie aus der Zeichnungsfigur ersichtlich, steht das Ventil 28 von der Einlaßleitung 14 T-förmig vor und weist einen durch eine starke Feder beaufschlagten Plunger 34 auf, welcher mit einem Ventilsitz-Absperrglied verbunden ist, das die Abgabe von Kohlendioxid in die Einlaßleitung 14 so lange
t verhindert, bis der Kohlendioxiddruck in derSpeiseleitung 32 einen vorbestimmten Karbonisierungsdruckwert erreicht hat. Die Feder öffnet beispielsweise in einem Druckbereich zwischen 21 und 140 und typischerweise bei etwa 70 atü.
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Das flüssige Kohlendioxid wird in einem Speicherbehälter auf einer Temperatur von angenähert - 18 0C und unter einem Druck von etwa 21 atü gehalten. Der durch die Zumeßpumpe 30 erzeugte Druck führt dazu, daß das flüssige Kohlendioxid den Ventilsitz des Plungers 34 abhebt und somit in die unter niedrigem Druck stehende Flüssigkeit abgegeben wird, in welcher es zu feinen Trockeneisteilchen kristallisiert. Diese Teilchen expandieren augenblicklich in den gasförmigen Zustand innerhalb der durch die Einlaßleitung 14 strömenden Flüssigkeit und bilden dabei feine Gasblasen, deren Größe vergleichbar ist den bei Gaseinspritzung vermittels der Einspritzvorrichtung 20 erzeugten Gasblasen. Diese Gasblasen gehen in Lösung, während die Flüssigkeit nach oben in die Karbonisierungssäule 36 eintritt. Der Kühleffekt, welcher sich dadurch ergibt, daß das flüssige Kohlendioxid in der Produktflüssigkeit expandiert, läßt sich durch entsprechende Veränderung des Einspritzdrucks steigern oder verringern. Aufgrund der Temperaturabsenkung nimmt karbonisierte Flüssigkeit höhere Mengen von Kohlendioxid auf. Bekanntlich wird auch der zur Stabilisierung des karbonisierten Produkts benötigte Druck bei niedrigeren Temperaturen entsprechend geringer.
Der durch die Einlaßleitung 14 zugeführte Flüssigkeitsstrom fließt nach Aufnahme von eingespritztem Kohlendioxid am Einspritzventil 28 nach oben und tritt durch die aufrecht stehende Karbonisierungssäule 3 6 hindurch in das untere Ende des Behälters 16 ein. Die Karbonisierungssäule 36 ist im Querschnitt kreisförmig, von allgemein zylindrischer Formgebung und verjüngt sich an ihrem unteren Ende kegelstumpfförmig. Ihre Wandung besteht aus einem wärmeleitfähigen Werkstoff, vorzugsweise Metall. Am oberen Ende erweitert sich die Karbonisierungssäule 36 leicht nach oben und außen, um in die Säule abgesprühte Flüssigkeit aufzunehmen. Der Behälter 16 und die Säule 36 sind koaxial zueinander angeordnet und weisen beide allgemein zylindrische Formgebung auf, so daß zwischen beiden ein kreisförmiger Ringkanal oder -raum 38 gebildet ist.
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Am oberen Ende der Karbonisierungssäule 36 befindet sich eine zylindrische Auslaßöffnung 40, die durch ein Sieb abgedeckt ist und dazu dient, durch die Säule 3 6 nach oben strömende Flüssigkeit in einem gleichförmigen Strom abzugeben, der durch den Ringkanal 38 nach unten strömt. Das untere Ende des Ringkanals 38 ist über zwei Auslaßstutzen 42 mit einer Abgabeleitung 44 für karbonisiertes Flüssigkeitsprodukt verbunden. Eine nebenstromleitung 46 mit einem Ventil 48 an der Einlaßleitung 14 gestattet das Abziehen von Flüssigkeit aus der Karbonisierungssäule 36 in die Abgabeleitung für Produkt 44, beispielsweise zu Ende eines Produktionsprogramms oder bei Reinigungs- und Steriliserungsarbeiten.
In der Einlaßleitung 14 und der Abgabeleitung 44 sind als Temperaturfühler Thermometer 50 bzw. 52 zum Messen von Einlaß- und Auslaßtemperatur des Produkts angeordnet. Außerdem ist die Einlaßleitung 14 mit einem Drosselventil 54 und einem Ablaßventil 56 versehen, während die Abgabeleitung 44 mit einem Absperrventil 58 für das gesamte System versehen ist.
Eine Nebenstromleitung 60 für auf Umgebungstemperatur befindliche Flüssigkeit zweigt von der Einlaßleitung 14 ab und führt zum oberen Ende des Karbonisierungsbehälters 36, vorzugsweise in eine gerade oberhalb der Auslaßöffnung 40 befindliche Lage. An diesem Ende der Nebenstromleitung 60 befindet sich eine rotierende Sprühzerstäuberkugel 62. In der Nebenstromleitung 62 sind ein Zweiwegventil 64 und ein Durchflußmesser 66 angeordnet. Die Aufgabe dieser Nebenstromleitung 60 besteht darin, auf Umgebungstemperatur befindliche Flüssigkeit zur rotierenden Sprühzerstäuberkugel 62 zuzuführen, so daß vermittels der zerstäubten Flüssigkeit ggf. an der Oberfläche der in der Karbonisierungssäule 36 befindlichen Flüssigkeit treibende Eiskristalle zum Schmelzen gebracht und die geschmolzene Flüssigkeit gleichmäßig mit dem gekühlten Produkt vermischt wird.
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Am Behälter 16 befindet sich ein Pegelstandsregler 68 mit einem oberen und einem unteren Elektrodenpaar 70 bzw. 72, vermittels welcher der Pegelstand zwischen den beiden Elektrodenpaaren 70 und 72 einregelbar ist.
Die Arbeitsweise der Vorrichtung ist wie folgt: Die zu karbonisierende Flüssigkeit, welche typischerweise aus einem bereits vorvermischten Gemisch (aus mit Geschmacks- und ggf. Farbstoffen versehenem Sirup und Wasser) besteht, wird über die Einlaßleitung 14 an der zusätzlichen Kohlendioxideinspritzvorrichtung 20 vorbei in die Karbonisierungssäule 36 eingeleitet. Diese Flüssigkeit befindet sich dabei auf Umgebungstemperatur. Der Durchsatz dieses Gemischs, das von einer herkömmlichen (hier nicht dargestellten) Vormisch- und Proportioniereinheit abgegeben wird, ist etwas größer gewählt als der Durchsatz vom Behälter 16 zu einer nachgeschalteten Dosen- oder Flaschen-Abfüllvorrichtung.
Wenn der Pegelstand der Flüssigkeit innerhalb des Pegelstandsreglers 68 so weit ansteigt, daß er das Elektrodenpaar 70 erreicht, wird die Pumpe der Vormisch- und Proportioniereinheit, welche vorgemischtes Getränk dem Behälter 16 zuführt, und gleichzeitig die Hochdruck-Zumeßpumpe 30 für flüssiges Kohlendioxid abgeschaltet. Das bedeutet nichts anderes als daß bei Anstieg des Flüssigkeitspegels in der Karbonisierungssäule 36 bis zu dem durch die oberen Elektroden 70 vorgegebenen Pegelstand die Zufuhr von Gemisch und Kohlendioxid zum Karbonisierungsbehälter unterbrochen und gleichzeitig auch das Zweiwegventil 22 für die Zufuhr von Kohlendioxidgas geschlossen wird.
Wenn der Pegelstand im Pegelstandsregler 68 bis zum unteren Elektrcdenpaar 72 absinkt, werden die Pumpe der Vormisch- und Proportioniereinheit und die Hochdruck-Zumeßpumpe 30 für flüssiges Kohlendioxid gleichzeitig in Tätigkeit gesetzt und das Zweiwegventil 22 für Kohlendioxidgas wieder geöffnet. Wenn die durch die Einspritzung von flüssigem Kohlendioxid
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durch das Einspritzventil 28 bewirkte Abkühlung den Gesamtkühlbedarf der Flüssigkeit übersteigt, wird gasförmiges Kohlendioxid durch das innere Gehäuse 24 hindurch in das durch die Einlaßleitung 14 zugeführte Gemisch eingeleitet. Damit wird Energie bei der Zufuhr von flüssigem Kohlendioxid gespart und außerdem eine zu starke Kühlung im Einspritzbereich für flüssiges Kohlendioxid vermieden, durch welche Gefrieren der Vorrichtung hervorgerufen werden könnte. Die auf Umgebungstemperatur befindliche Flüssigkeit tritt durch das geöffnete Drosselventil 54 hindurch in das untere Ende der Karbonisierungssäule 36 ein. Flüssiges Kohlendioxid wird unter einem vorbestimmten Druck durch das Einspritzventil 28 eingespritzt und breitet sich vom unteren Ende der Säule 36 entgegen dem auf der Flüssigkeitssäule lastenden Gasdruck nach oben aus. Dabei wird das flüssige Kohlendioxid in Kohlendioxidschnee umgewandelt, welcher das Produkt kühlt. Der Schnee expandiert zu feinen Kohlendioxidblasen, welche unter dem im Behälter herrschenden Druck in Lösung gehen. Sobald das Produkt die obere Auslaßöffnung 40 am oberen Ende der Karbonisierungssäule 36 erreicht, ist die Karbonisierung abgeschlossen.
Die größte Kühlung ergibt sich im Bereich der Einspritzung von flüssigem Kohlendioxid. Um ein Gefrieren in diesem Bereich zu verhindern, ist das Einspritzventil 28 möglichst dicht am unteren Ende der Karbonisierungssäule 36 angeordnet, wobei es entsprechend einer hier nicht dargestellten Ausführungsform das flüssige Kohlendioxid auch unmittelbar in die Säule 36 einspritzen kann. Im Bereich höchster Kühlung, d.h. im unteren Teil der Karbonisierungssäule 36 kann es zur Ausbildung feiner Eiskristalle kommen. Da sich solche Eiskristalle jedoch nicht wie bei herkömmlichen Karbonisierungsgeräten in Rohrleitungen oder auf Blechen festsetzen können, treiben sie frei zum oberen Ende der Karbonisierungssäule 36 auf und bilden eine schmelzende Eisschicht an der Auslaßöffnung 40. Eine derartige Ansammlung von Eiskristallen wird
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dadurch verhindert,daß über die rotierende Sprühzerstäuberkugel 62 auf Umgebungstemperatur befindliche Flüssigkeit auf die Auslaßöffnung 40 gesprüht wird. Diese "warme" Flüssigkeit wird dabei über die Nebenstromleitung 60 und in einem durch das Ventil 64 gesteuerten Durchsatz zugeführt.
Gekühltes und karbonisiertes Produkt, das am überlauf 40 durch das Sieb hindurch im Überlauf aus der Karbonisierungssäule 36 austritt, strömt durch den Ringkanal 38 nach unten. Das. an der Auslaßöffnung 40 vorhandene Sieb verhindert dabei, daß Eiskristalle in den Ringkanal 38 eintreten und die Ausbildung einer gleichförmigen Karbonisierung verhindern oder behindern können. Die zylindrische Auslaßöffnung 40 gestattet ein gleichförmiges Vermischen des auf Umgebungstemperatur befindlichen und von der Sprühzerstäuberkugel 62 zerstäubten Produkts mit dem am oberen Ende der Karbonisierungssäule befindlichen Produkt.
Das vom oberen Ende der Karbonisierungssäule 36 abgegebene, durch den Ringkanal 38 nach unten strömende Produkt wird durch die mit der Abgabeleitung 44 verbundenen Auslaßstutzen abgeführt.
Ein wichtiges Merkmal der Erfindung ist die effektive Ausnutzung des flüssiges Kohlendioxids sowohl zur Karbonisierung als auch zur teilweisen oder völligen Kühlung des Produkts. Ein Hauptmerkmal ist dabei der Strömungsverlauf der Flüssigkeit, welche durch die Karbonisierungssäule 36 nach oben und dann vor Austritt aus dem Behälter 16 durch den Ringkanal 38 wieder nach unten strömt. Auf diese Weise wird die im unteren Bereich der Karbonisierungssäule 36 erzeugte, sehr starke Kühlung vermittels Wärmeaustausch durch die Wandung der Säule hindurch dazu benutzt, das durch den Ringkanal 38 nach unten strömende Produkt zu kühlen.
Ein weiteres, neuartiges Merkmal der erfindungsgemäß vorge-
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schlagenen Vorrichtung besteht darin, daß sie im Vergleich zu ihrem Durchmesser eine wesentlich größere Höhe aufweist, welche darauf abgestellt ist, daß die durch die Karbonisierungssäule 36 nach oben und durch den Ringkanal 38 wieder nach unten strömende Flüssigkeit für eine ausreichend lange Zeit innerhalb des Behälters 16 verbleibt, während welcher die Kohlendioxidblasen in der Flüssigkeit stabilisiert werden. Dadurch wird die Verwendung getrennter Karbonisierungs- und Stabilisierungsbehälter überflüssig. Da das Kohlendioxidgas und das Produkt in der Karbonisierungssäule 36 eingeschlossen sind, ergeben sich ein gleichförmiger Wärmeaustausch und gleichförmige Karbonisierung bei der aufeinanderfolgenden Aufwärts- und Abwärtsströmung des Produkts.
Im Anschluß an den KarbonisierungsVorgang kann das Produkt einer herkömmlichen Gegendruck-Füllvorrichtung für kohlensäurehaltige Getränke zugeführt werden. Selbstverständlich kann die Produktflüssigkeit auch zunächst vor dem Abfüllen in einen Druckminderbehälter eingeleitet werden, wie beispielsweise in der US-PS 3 832 474 der Anmelderin beschrieben ist.
In Abhängigkeit von dem Sollkarbonisierungsgrad kann die Vorrichtung den Kühlbedarf des karbonisierten Produkts ganz oder teilweise decken. Damit wird ein großer Teil des Aufwands und des Wartungsbedarfs herkömmlicher Kühlvorrichtungen ausgeschaltet. Außerdem ist die Kühlung genau steuerbar und entspricht der Menge an flüssigem Kohlendioxid, welches durch die Präzisions-Hochdruck-Zumeßpumpe 30 unter dem vorgegebenen Einspritzdruck zugeführt wird. Dadurch wird gleichzeitig eine Beeinträchtigung der Produktqualität durch Erwärmung oder Einfrieren vermieden, was durch fehlerhafte Steuerungen mechanischer Kälteanlagen oder Betriebsstörungen an Verdichtern und dgl. hervorgerufen werden könnte.
Das Verfahren und die Vorrichtung nach der Erfindung sind im nachfolgenden anhand von zwei zur Veranschaulichung dienenden
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Ausführungsbeispielen weiter erläutert.
Beispiel 1
Die Karbonisierung eines kalten, nichtalkoholischen Getränks mit einem Kohlendioxidgehalt von 3,5 Volumeneinheiten läßt sich wie folgt ausführen: Ein Gemisch aus Wasser und Sirup (im nachfolgenden als "Flüssigkeit" bezeichnet) wird durch die Einlaßleitung 14 zugeführt. Wenn beispielsweise 600 Dosen mit einem Fassungsvermögen von jeweils 340 g gefüllt werden sollen, sollte die Karbonisierungssäule 36 im Mittel während des ganzen Füllvorgangs jeweils etwa 570 1 Produktflüssigkeit enthalten. Damit ergibt sich für das Produkt eine Gesamtverweilzeit im Behälter 16 von 2,5 Minuten. Selbstverständlich läßt sich der Behälter auch für jede beliebige Verweilzeit auslegen, welche natürlich von der Beschaffenheit des zu karbonisierenden Produkts und dem Karbonisierungsgrad abhängig ist. Unter den vorgenannten Bedingungen liefert die Zumeßpumpe 30 angenähert 1,5 kg flüssiges Kohlendioxid pro Minute. Die Kohlendioxideinspritzung erfolgt unter einem Druck von 56 atü, wobei die bei der Ausdehnung des flüssigen Kohlendioxids bewirkte Abkühlung das auf Umgebungstemperatur befindliche Produkt von 21 0C auf angenähert 4,5 0C abkühlt. Das Produkt wird dann ggf. noch durch einen Wärmetauscher durchgeleitet, in welchem es weiter mechanisch auf z.B. 0,5 0C abgekühlt wird. In diesem Beispiel werden angenähert 80 % des Kühlbedarfs durch die Einspritzung von flüssigem Kohlendioxid gedeckt. Vermittels der Kohlendixideinspritzvorrichtung 20 wird kein gasförmiges Kohlendioxid zugeführt.
Beispiel 2
Bei diesem Ausführungsbeispiel werden die gleichen Verfahrensparameter angewandt, mit der Ausnahme, daß das Produkt einen niedrigeren Karbonisierungsgrad von 2,0 Volumeneinheiten aufweisen soll. Der Einspritzdruck des Einspritzventils 28 ist auf 70 atü eingestellt. Die Zumeßpumpe 30 liefert angenähert
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ο,86 kg Kohlendioxid pro Minute, wodurch das Produkt von 21 0C auf 4,5 0C abgekühlt wird. Bei dem niedrigeren Karbonisierungsgrad von 2,0 Volumeneinheiten benötigt das Produkt keine zusätzliche Kühlung über die durch die Einspritzung von flüssigem Kohlendioxid bewirkte Abkühlung hinaus.
- Patentansprüche: -
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Claims (14)

  1. Patentansprüche :
    * Verfahren zum Karbonisieren und Kühlen einer Flüssigkeit in einem einzigen Arbeitsgang, dadurch gekennzeichnet , daß
    a) die zu karbonisierende und abzukühlende Flüssigkeit in einer aufrecht stehenden Karbonisierungssäule (36) mit wärmeleitfähiger Wandung gehalten und
    b) am unteren Ende derselben zugeführt wird,
    c) flüssiges Kohlendioxid gleichfalls am unteren Ende in die Flüssigkeit eingeführt und durch dieses die zu karbonisierende Flüssigkeit karbonisiert und abgekühlt wird,
    d) abgekühlte, karbonisierte Flüssigkeit am oberen Ende der Karbonisierungssäule über einen überlauf (40) abgeführt und
    e) die überlaufende, karbonisierte Flüssigkeit durch einen die Karbonisierungssäule umgebenden Ringraum (38) nach unten geleitet und dabei vermittels Wärmeaustausch durch die leitfähige Wandung hindurch noch weiter abgekühlt wird.
  2. 2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das flüssige Kohlendioxid vor dem Einleiten der Flüssigkeit in die Karbonisierungssäule (36) in die Flüssigkeit eingespritzt wird.
  3. 3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß f) ein Teil der zu karbonisierenden Flüssigkeit in einem Nebenstrom zum oberen Ende der Karbonisierungssäule zugeführt und mit der in dieser befindlichen Flüssigkeit vor dem überlaufen vermischt wird.
  4. 4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß in Verfahrensschritt f) der Flüssigkeitsnebenstrom nach unten auf das obere Ende der Flüssigkeit versprüht wird.
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  5. 5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 - 4, dadurch gekennzeichnet, daß die überlaufende Flüssigkeit vor dem Eintritt in den umgebenden Ringraum (38) durch ein Sieb durchgeleitet wird, dessen Maschenweite derart bemessen ist, daß es an der Flüssigkeitsoberfläche schwimmende Eiskristalle zurückhält.
  6. 6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 - 5, dadurch gekennzeichnet, daß die zu karbonisierende Flüssigkeit mit einer Umgebungstemperatur entsprechenden Temperatur zugeführt wird.
  7. 7. Verfahren nach einem der Ansprüche 3 - 6, dadurch gekennzeichnet, g) in die zu karbonisierende Flüssigkeit gasförmiges Kohlendioxid eingespritzt wird.
  8. 8. Vorrichtung zur Ausführung des Verfahrens nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 - 7, gekennzeichnet durch
    a) einen aufrecht stehenden, geschlossenen Behälter (16),
    b) eine mittig innerhalb des Behälters (16) angeordnete und in diesem gehaltene, aufrecht stehende Karbonisierungssäule (36), wobei zwischen Karbonisierungssäule und Behälter ein senkrechter Ringraum (38) gebildet ist,
    c) eine im oberen Teil der Karbonisierungssäule ausgebildete und mit dem Ringraum (38) in Verbindung stehende Auslaßöffnung (40) ,
    d) eine Quelle (12) für zu karbonisierende Flüssigkeit,
    e) eine zwischen der Karbonisierungssäule (36) und der Quelle (12) für zu karbonisierende Flüssigkeit mit dem untersten Abschnitt der Karbonisierungssäule verbundene Speiseleitung (32) für flüssiges Kohlendioxid,
    f) eine Kohlendioxidquelle,
    g) eine zum Einspritzen von flüssigem Kohlendioxid an einer in der Nähe des untersten Abschnitts der Karbonisierungssäule befindlichen Stelle in die zu karbonisierende
    709826/0854
    Flüssigkeit dienende Einspritzvorrichtung (28) und h) eine mit dem unteren Ende des Ringraums (38) verbundene Abgabeleitung (44) für abgekühlte, karbonisierte Flüssigkeit, wobei die Höhe der Karbonisierungssäule (36) derart bemessen ist, daß sich eine ausreichend lange Verweilzeit ergibt, während welcher das in der Flüssigkeit blasenförmig gelöste Kohlendioxid stabilisierbar ist.
  9. 9. Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß der Behälter (16) und die Karbonisierungssäule (36) koaxial zueinander angeordnet sind und zylindrische Formgebung aufweisen, wobei der zwischen beiden gebildete Ringraum (38) ebenfalls zylindrisch ist.
  10. 10. Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Einspritzvorrichtung (28) für flüssiges Kohlendioxid in der Speiseleitung (32) für flüssiges Kohlendioxid angeordnet ist.
  11. 11. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 8-10, dadurch gekennzeichnet, daß die Einlaßleitung (14) für zu karbonisierende Flüssigkeit über eine Nebenstromleitung (60) mit dem oberen Bereich der Karbonisierungssäule (36) verbunden ist und dazu dient, zu karbonisierende Flüssigkeit zum oberen Ende der Karbonisierungssäule zuzuführen.
  12. 12. Vorrichtung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß an dem im Karbonisierungsbehälter (36) befindlichen Ende der Nebenstromleitung (60) ein Sprühzerstäuber (62) angeordnet ist.
  13. 13. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 8-12, dadurch gekennzeichnet, daß die Auslaßöffnung (40) der Karbonisierungssäule (36) durch ein Sieb abgedeckt ist.
    709826/0854
    "f.
  14. 14. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 8-13, dadurch gekennzeichnet, daß die Speiseleitung (12) für zu karbonisierende Flüssigkeit mit einer Quelle (18) für unter Druck stehendes gasförmiges Kohlendioxid verbunden ist.
    709826/0654
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