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BREVET D'INVENTION au nom de :
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11lICOY, Andre3 . pour : @ Procédé de contrôle destiné à la conduite de 1'opération de malset de cuisson à cuire et similaires ".
Dans plusieurs branches de l'industrie, la cuisson de produits liquides s'effectue dans des appareils à cuire dans le vide ou chaudières de cuisson à marche intermittente, 0'est de cette manière que l'on cuit) par exemple, divers extraits, sirop d'amidon, masses de caramel, savon, lait et produits similaires, dont on se propose seulement d'augmenter le degré de concentration jusqu'à ce qu'on atteigne une teneur prescrite de la matière sèche dans le produit final. Dans les plus grandes branches de l'industrie du sucre et de l'industrie chimique, on applique un procédé plus complique de concentration de solutions par évaporation en vue de la préparation de produits cristallises.
On emploie à cet effet de préférence, des appareils de cuisson
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et de cristallisation dans le vide à marche intermittente, paroe que le produit de la cuisson, la masse ohargée ne fournit son rendement maximum en produits cristallisés que si les cristaux ont des dimensions et possèdent une unifor- mité déterminées, ce qu'il n'est passible d'obtenir qu'en introduisant une seule fois dans des appareils à marche intermittente les germes des cristaux et les moyens de les faire proliférer,
Dans l'industrie sucrière du monde entier, on n'emploie effectivement que ces appareils à marche intermittente, étant donné que les essais ayant pour objet d'employer des appareils à marche continue n'ont pas donné de résultats satisfaisants.
Le procède de cuisson ou d'évaporation s'appliquant à la simple concentration de solutions ou à leur cuisson jusqu'à, la cristallisation consiste en principe à refouler par une pompe la solution à concentrer par portions successives dans l'appareil à cuire, à l'y cuire après ohaque opération de refoulement jusqu'à ce qu'elle ait atteint une certaine densité, ces opérations se succédant ainsi jusqu'à ce qu'on ait préparé une certaine quantité limite du produit final évaporé jusqu'à une densité déterminée.
La progressivité de l'augmentation de la quantité et du degré de concentration de la masse à cuire ainsi réalisée au lieu d'augmentation brusque a aussi une grande importance dans le cas de la simple concentration des solutions, parce qu'elle permet d'atteindre la vitesse de cuisson maximum. S'il s'agit de cuire des mélanges cristallisés ou la masse chargée, cette augmentation progressive de la quantité et du degré de concentration est non seulement avantageuse au point de vue du rendement des appareils, mais encore inévitable pour réaliser une marche correcte de l'opération de cristallisation.
Il est particulièrement important de déterminer correctement le moment où il con-
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vient d'opérer un refoulement, c'est-à-dire le degré de concentration de la masse en cours de cuisson dans chaque phase de l'opération, ainsi que la quantité qu'il convient de charger.
Cependant, quoique le procède de cuisson soit connu et appliqué depuis longtemps dans un grand nombre de 'branches de l'industrie, il n'existe ni procédé, ni appareil sur lesquels on puisse compter et permettant le contrôle ou la réglage de l'opération.
Par exemple on a proposé dans l'industrie sucrière pour contrôler l'opération de cuisson du sirop divers appareils ébullioscopiques, optiques et éleotrométriques.
Mais ces appareils ne peuvent contrôler que la concentration de la liqueur mère, mais non l'opération de la for- mqtion du mélange cristallin, ni le rapport des quantités de la masse à faire cuire et du produit à charger.
En outre, le contrôle du degré de concentration de la liqueur mère par ces appareils est très difficile, car les variations de la composition chimique des solutions et de leur température exercent une très forte influence sur les indications de l'appareil. 0'est pourquoi l'opération de la cuisson de diverses solutions ou du sirop n'a été réglée jusqu'à présent qu'au jugé" d'après des caractéristiques empiriques par des spécialistes expérimentés.
Or tes recherches pratiques et théoriques ont permis au demandeur d'établir qu'il est possible de déterminer le degré de concentration des solutions ou suspensions pendant l'opération de cuisson avec un -degré d'exactitude suffisant, indépendamment de la composition chimique de la masse à cuire et des conditions de température de l'opération de cuisson en mesurant le poids relatif de la quantité d'eau évaporée de la masse en question.
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On a constaté à ce propos qu'en déterminant le degré de concentration de la masse à cuire avec une exactitude atteignant 1 à 2 % de la teneur en matières sèches, c'est-àdire à 1 ou 2 Brix près, on peut oonduire non seulement la cuisson des solutions, mais encore avec exactitude l'opération de la cristallisation des corps qui se séparent de ces solutions.
Dans l'industrie sucrière par exemple, on a constaté à propos de la cuisson des sirops en vue de la conduite de l'opération de cristallisation il était absolument suffisant de déterminer la concentration de la masse en cours de cuisson avec une exactitude atteignant 2 Brix, sans avoir à tenir compte des variations de température et de vide qui influencent le degré de sursaturation de la solution, parce que les variations du degré de vide.ne dépassent pas 10 cm. de hauteur de mercure et que les variations correspondantes de la température d'ébullition des solutions concentrées sont également comprises dans un intervalle de 10 (de 75 à 85 C).
A une concentration constante par exemple de 80 Brix, une variation de température de 10 ne peut donner lieu à une variation de coefficient de sursaturation supérieure à 0,17. Etant donné que lesvariations admissibles de ce coefficient pendant la oristallisation sont comprises entre 1,0 et 1,4, une erreur de 0,17 n'a aucune importance . De plus, la variation de température de 10 s'applique à l'opé- ration de cuisson complète depuis le sirop jusqu'à la masse cuite.
En réalité la température ne varie pendant des intervalles égaux de l'opération de cuisson qu'entre des limites sensilement plus étroites, ne dépassant pas 2 à 3 C.
Par exemple , si la température d'ébullition du sirop introduit dans l'appareil est comprise entre 65 et 70 , la température au moment de l'introduction des cristaux se ré- glera toujours entre les mêmes limites de 77 à 80 .
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C'est pourquoi la détermination du poids relatif de l'eau évaporée ou la détermination de la concentration de la masse à cuire en degrés Brix constitue un procédé de contrôle suffisant exact permettant de conduire llopération de cuisson de la masse pour la fabrication du sucre et si- milaire.
Le procédé consiste donc, pour contrôler les quantités de solution à introduire dans l'appareil de cuisson et celle de l'eau (le solvant) qui s'en dégage par évaporation, à déterminer d'une manière continue le poids de la colonne hydrostatique du liquide bouillant dans l'appareil de cuisson lui-même au moyen d'un dispositif manométrique d'un type spécial.
Sur le dessin ci-annexé:
La figure 1 représente schématiquement l'agencement général de l'appareil de contrôle monté sur un appareil de cuisson suivant l'invention ; les figures 2, 3,4 représentent l'appareil lui-même; la figure 5 représente une installation combinée d'un contrôle centralisé de l'opération de cuisson au moyen d'appareils de ce type.
Sur la figure 1, la colonne hydrostatique de la masse en ébullition dans l'appareil à cuire dans le vide est déterminée par l'appareil 1, qui lui est réuni par les tuyaux 37, 40,
Le tuyau 37 débouche au-dessous du niveau de la masse en ébullition et se termine par une cloche pneumatique 38 élargie, ouverte à l'intérieur de l'appareil de cuisson.
L'autre extrémité du tuyau 37 est en communication avec le réservoir d'un manomètre à liquide.1, qui peut être instal- lé à une certaine distance de l'appareil de cuisson.
Le tuyau 40 fait communiquer la ohambre de l'appareil de cuisson qui se trouve au-dessus du niveau du liquide avec l'extrémité supérieure du tube manométrique. Au moment
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du remplissage de l'appareil de cuisson avec le liquide,ce liquide emprisonne dans la colche pneumatique 38 un volume d'air déterminé, le comprime et transmet la pression dans la cuvette du manomètre à la colonne de liquide servant aux mesures, par exemple au mercure. La cuvette du manomètre est dans ce cas un réservoir complètement fermé.
Suivant le degré de remplissage de l'appareil de cuisson avec la masse à cuire et par conséquent la compression de l'air dans la cloche 38, le niveau du liquide monte cependant, quoique peu, et par la transmission de la pression à la colonne de liquide du manomètre fournira un moyen de mesure, le niveau initial de la masse dans l'appareil étant variable. Mais un procédé bien plus parfait de transmission de la pression dans le manomètre, le niveau zéro de la masse à cuire à mesurer étant constant, consiste à faire arriver par la cuvette du manomètre vers le tube 37 dans la cloohe 38 un petit courant d'air continu, qui remplit la cloohe et s'échappe par le bord inférieur de la cloche.
La pression de l'air dans la cloche 38 et par suite dans la cuvette du manomètre est ainsi toujours égale à la pression du liquide bouillant ou de ses vapeurs dans le plan transversal passant par le bord inférieur de la cloche pneumatique de l'appareil à cuire.
Si les appareils à cuire fonctionnent à la pression atmosphérique, ou à une pression supérieure, l'air doit être introduit dans le tuyau 37 sous une surpression d'environ 0,5 atmosphères. Mais si les appareils fonctionnent sous une dépression (vide), aucune surpression n'est néoessaire à cet effet, puisque la détermination de la colonne hydrostatique de la masse en ébullition est obtenue aux dépens du vide qui existe dans l'appareil .
D'habitude dans les appareils à cuire dans le vide d'assez grandes dimensions, on cuit Environ 4m3 de sirop de poids spécifique égal à 1,45. Ce qui correspond à une colonne de mercure de
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= 4.0 x 1,45 =0.436 m = 42,6 cm.
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En conséquence, un vide de 45 cm de hauteur de mercure est suffisant pour que l'air puisse passer à travers la cuvette du manomètre et être aspiré dans l'appareil à vide en passant par le tuyau 37. Pour qu'à la vidange de l'appareil, la masse cuite ne puisse pas pénétrer dans le tuyau 37, une soupape de retenue 35 empêche l'air comprimé dans la cloche pneumatique de revenir dans la cuvette du manomètre. On peut arriver au même résultat sous la soupape de retenue 35 en mettant le manomètre hors circuit par la fermeture d'un robinet sur le tuyau.
La figure 1 représente un manomètre à liquide 1 avec tube servant aux mesures, incliné pour appareils à cuire de petit volume.
Pour conduire la cuisson d'après le procédé de oontrôle consistant à déterminer le poids de la colonne hydrostatique du liquide bouillant, on peut utiliser divers types d'appareils manométriques existants, par exemple des indicateurs de tirage à cloche, des balances annulaires à mercure, le mécanisme d'un manomètre métallique, etc.
Cependant, suivant la caractéristique du procédé @ d'après laquelle, pour réaliser le contrôle de la variation de poids de la masse en ébullition, il faut qu'une sertaine quantité d'air, si faible soit-elle, circule et qu'on ait la certitude que cet air passe réellement par le tuyau 37 et par suite s'échappe par le bord inférieur de la cloche 38, le manomètre en question doit être d'un type spécial et comporter une cuvette de contrôle permettant d'observer le passage du courant d'air à travers l'appareil.
Les figures 2, 3, 4 représentent la forme donnée en conséquence à un manomètre à liquide permettant de conduire la cuisson dans des appareils de volume relativement grand.
Sur une planchette 1 est fixé un tube en verre 2 soudé
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dans la cuvette 3. Le tube 2 débouche dans la cuvette au- dessous du niveau du mercure et n'arrive pas jusqu'à la cloison de séparation 5. A sa partie supérieure il comporte une tubulure 12, le raccordant avec le dispositif collec- teur de l'eau de condensation 14 et avec la chambre vide de l'appareil à cuire dans le vide. La cuvette 3 est parta- gée en deux compartiments par la cloison de séparation 5 : la cuvette manométrique supérieure avec tubulure d'entrée d'air 6 et la cuvette de contrôle inférieure avec tubulure 7 servant au passage de l'air qui traverse le liquide de contrôle et arrive dans la cloche pneumatique au-dessous du niveau du liquide dans l'appareil à cuire dans le?¯ vide.
Les deux oompartiments de la cuvette 3 sont réunis par un tube 4 soudé dans la cloison 5.
Derrière la tubulure 7, se trouve une soupape de rete- nue 8 consistant en une membrane en caoutchouc serrée par un de ses bords dans un cylindre métallique ou en uneille en métal, L'air arrive ensuite par un tube 9 dans un dis- positif collecteur cylindrique 10 de l'eau de condensation et de là par un tuyau 11 dans la cloche pneumatique préci- tée.
Le réglage du débit du courant d'air à faire une fois pour toute au mouvement du réglage de l'appareil s'effectue au moyen d'une soupape à pointeau 17. La cuvette de l'appa- reil est protégée contre les détériorations par une envelop- pe 20 comportant une fente qui permet d'observer le mouvement de l'air dans la cuvette de contrôle. Le niveau de remplis- sage du mercure et du liquide de contrôle est marqué sur cette enveloppe.
Le mercure est versé dans l'appareil par l'entonnoir du tube 2, fermé par un bouchon de caoutchouc 24 et le li- quide de contrôle par la soupape régulatrice . De chaque côté du tube 2 sont fixées les planchettes des échelles, celle de droite " commencement du refoulement " et celle
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de gauche " fin du refoulement " .
Les divisions du commencement de refoulement sont indiquées en chiffres romains et celle de la fin en chiffres arables,
Les mêmes planchettes compostent les indications du commencement de la mise en marche des diverses sections de la surface de chauffe, par exemple vapeur 1 , vapeur 2, etc., ainsi que des moments où commence l'introduction dans l'appareil des diverses fractions à cuire : "sirop blanc", "sirop vert", "fin de la cuisson", etc.
La conduite de l'opération de cuisson est très simple avec un appareil manométrique de ce type comportant une échelle ainsi graduée.
Chaque fois qu'on ouvre la soupape de chargement, on observe seulement la graduation de gauche, puis jusqu'au ohargement suivant on n'observe les variations de la hauteur de la colonne de mercure que sur l'échelle de droite. Par exemple, le chargement du sirop dans l'appareel étant commencé, on surveille sur la graduation de gauche le moment où le mercure atteint la division ttchargement du sirop" et on ferme aussitôt la soupape de chargement, Puis on observe la graduation de droite et on attend que le mercure soit descendu en face de la division I "introduction des cristaux" , au fur-et à mesure de l'évaporation de la solution.
A ce moment, on introduit du sucre en poudre dans l'appa- ' reil et on commence le premier rechargement que l'on continue jusqu'à ce que la division 1 de la graduation de gauche soit atteinte. Lorsque la colonne de mercure est desoen. due jusqu'à la division II de la graduation de droite, on commence le second rechargement et on le continue jusqu'à ce que le mercure ait atteint la division 2 de la graduation de gauche. On continue à opérer de la même manière jusqutà ce que la colonne de mercure ait atteint la division "fin de la cuisson" sur la graduation de gauche.
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Cet appareil à deux graduations permet toujours de savoir exactement le numéro du rechargement déjà-effectué et le numéro de celui qu'il y aura lieu de faire.
Par exemple, si la colonne de mercure se trouve entre le 7 et le 8 rechargement indiqué sur la graduation de gauche, mais plus haut que la division IX, l'opérateur sait que le 8 rechargement à déjà eu lieu et que le commencement du 9 devient proehain. Mais si le commencement du 9 rechargement lui a échappé et si la colonne de mercure se trouve entre les divisions 8 et 7, mais au-dessous de la division IX, l'opérateur est averti que le huitième rechargement a déjà été fait et que le neuvième doit être effectué sans délai.
L'appareil permet donc à l'opérateur de se rendre compte d'une manière parfaite de la phase de la marche de l'appareil de cuisson et de se préparer tranquillement et en temps utile aux opérations suivantes qu'il a à effectuer.
Pour commencer à graduer l'appareil, on fixe sur 1.'une des planchettes un papier ordinaire gradué en millimètres et on relève sur cette graduation les positions de la colonne de mercure pendant une opération de cuisson de contrôle, en marquant les phases correspondantes de la cuisson. On exécute ainsi un certain nombre d'opérations de cuisson et on choisit la plus avantageuse d'entre elles, On reporte ensuite les indications ainsi établies sur la planchette graduée proprement dite, qui est en une matière appropriée,par exemple en verre dépoli ou en carton, ce dernier étant en- duit ensuite d'un vernis transparent,puis on fixe la planchette sur%une plaque de métal.
Ce procédé gravimétrique permet ainsi de marquer sur l'échelle de l'appareil manométrique le commencement et la fin de chaque rechargement ainsi que les autres phases de l'opération de cuisson : admission de la vapeur, mise en train de la cristallisation, inversion des diverses solutions
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et phases similaires.
Toutes ces phases sont relevées au cours de l'opération de cuisson de contrôle, puis répétées chaque fois d'après les indications de l'appareil. La condition essentielle à l'obtention de résultats constants dans l'opération de cuisson, dans le cas où les opérations individuelles sont ainsi répétées mécaniquement,parait être que la concentration de chaque solution à introduire dans l'appareil soit constante.
Or, des essais de cuisson de sirop de raffinage ont montré que des variations du degré de concentration du sirop initial, atteignant 5 à 7 Brix n'ont aucune influence sur le résultat final de l'opération de cuisson.
La masse cuite suivant le procédé, obtenue en partant de ce sirop avait toujours une concentration ponstante de 92,71 Brix, C'est pourquoi les appareils manométriques, suivant l'invention, de contrôle de la cuisson de tous les produits de la fabrication du sucre raffiné et des produits secondaires de la fabrication du sucre en poudre, où la concentration des produits de départ varie au plus de 5 Brix, possèdent une échelle constante, d'après laquelle on obtient les résultats les plus avantageux.
Pour cuire le premier produit de la fabrication du sucre en poudre, il faut ou bien régler la concentration du sirop de cuisson, de façon que ses variations restent comprises entre les limites de 5 Brix, ou bien modifier les divisions de la planchette graduée du manomètre suivant les variations accusées de la oncentra- tion du sirop.
Par exemple, si on @ cuit la masse provenant d'un sirop à 60-65 Brix, on opère d'après une certaine échelle, mais si le sirop à une concentration de 50 à 55 Brix, on emploie une autre échelle correspondant à cette concentration.
Mais il est beaucoup plus commode de cuire la masse
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en partant d'un sirop dit normal que l'on prépare dans ces derniers temps dans les sucreries.
Le procédé précité de conduite de l'opération de cuisson par un contrôle continu du poids relatif de l'eau évaporée d'après les indications d'un appareils manométrique convient dans tous les cas de cuisson d'une solution ou suspension quelconque dans des appareils à cuire dans le vide et chaudières de cuisson de l'industrie alimentaire et chimique, étant donné qu'il s'agit d'habitude de cuire des produits dont la teneur en eau ou autre solvant déterminée pour chaque genre de travail ne subit que peu de variations.
L'opération de cuisson est alors conduite de la même manière que celle de la fabrication du sucre décrite ci-dessus.
La figure 5 du dessin ci-annexé représente une installation avec conduite centralisée de l'opération de cuisson, exécutée dans plusieurs appareils de cuisson qui sont équipés avec les appareils manométriques suivant l'invention.
Les appareils à cuire dans le vide désignés par A,B,C sont réunis par les tuyaux 22, 23 avec les manomètres correspondants 30A, 30B, 300 qui sont montés sur une table de commande commune 31. Chaque appareil à cuire comporte une soupape automatique 24, qui est actionnée à partir de la table de commande 31 par la rotation du tiroir correspondant 25, provoquée par la transmission hydraulique ou par la vapeur de la pression dans les tuyaux 26,27, alimentés par le tuyau 28. L'eau ou la²vapeur d'échappement sortent des soupapes 24 par le tiroir 25 et arrivent dans la conduite de retour 29.