EP0106755A1 - Procédé et dispositif permettant de réaliser un ensemble de fonctions hydrodynamiques dans un écoulement composé d'au moins deux phases - Google Patents

Procédé et dispositif permettant de réaliser un ensemble de fonctions hydrodynamiques dans un écoulement composé d'au moins deux phases Download PDF

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EP0106755A1
EP0106755A1 EP83401946A EP83401946A EP0106755A1 EP 0106755 A1 EP0106755 A1 EP 0106755A1 EP 83401946 A EP83401946 A EP 83401946A EP 83401946 A EP83401946 A EP 83401946A EP 0106755 A1 EP0106755 A1 EP 0106755A1
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ejector
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liquid
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Definitions

  • the subject of the present invention is a method and a device making it possible to provide a set of hydrodynamic functions in a flow composed of at least two phases, such as those of regulator, separator, stabilizer, integrated flow meter or exchanger.
  • upstream and downstream will be implicitly relative to the device according to the invention by considering the direction of flow.
  • upstream flow will designate the flow going towards the device considered
  • downstream flow will designate the flow moving away therefrom.
  • the flow structure can be such that it can no longer be compressed in certain pump models, for example in the case of a two-phase liquid gas flow when the size of the gas bubbles becomes large enough to prime the pump.
  • the present invention notably proposes a device making it possible to stabilize the upstream flow, to regulate the downstream flow, to generate a flow with a multiphase structure defined hydrodynamically and to measure the flow rates of the different phases making up the flow considered .
  • the device according to the invention which consumes a small amount of energy, can be constructed by integrating the various organs which compose it, in a compact assembly of small volume.
  • This recombination of the fluids can be carried out by the passage of at least one of said flows through at least one orifice of adjustable section.
  • the passage section of this orifice is possibly adjusted as a function of at least one of the quantities constituted by the flow rate, the pressure, the temperature of one of the fluids and the level of the liquid in the tranquilizer.
  • the passage section of this orifice can be adjusted according to pre-established criteria such as minimizing the loss of energy from the flow.
  • the present invention also relates to a device making it possible to perform a set of hydrodynamic functions on a flow composed of at least two phases.
  • the device according to the invention comprises in particular at least one phase separator connected by pipes to a tranquilizer, itself connected to a liquid gas ejector, via other pipes, at least one of which includes a flow meter.
  • the ejector can be adjustable.
  • An adjustable flow can be interposed on at least one of the pipes connecting the tranquilizer to the ejector.
  • the ejector optionally comprises two converging-divergent members having sections of passages adjustable independently of one another.
  • An automatic control unit can regulate the operation of the ejector.
  • This member will advantageously be equipped with means transmitting at least one signal representing information, such as the flow rate of one of the fluids, the pressure or the temperature relating to one of the organs of the device according to the invention, or the level of the liquid. in the tranquilizer.
  • the automatic control unit will optionally include a motorization system and a programming system controlling the different passage sections of the ejector according to predetermined criteria.
  • the stabilizer may advantageously be equipped with an exchanger.
  • the stabilizer will optionally include an assembly allowing the purging of liquid or solid particles, this assembly being connected to a combustion opening in an annex evacuation device or in the ambient environment, through a control member and to a pipe opening to the exit of the ejector through another control member.
  • these two control bodies may be replaced by a three-way control body.
  • the reference 1 designates the inlet pipe of the two-phase effluent.
  • the separator 2 has a capacity 3 in which is fixed a tube 4 extending the pipe 1 for the arrival of the two-phase mixture.
  • the tube 4 is pierced with orifices 5 of any shape.
  • these orifices may be circular and have a diameter of between 4 and 6 millimeters for a tube 50 to 100 millimeters in diameter and for a pipe of 0.5 to 2 meters in length.
  • At least two lines 6 and 7, one high 6, the other low 7, connect the separator 2 to a tranquilizer 8.
  • at least two lines 9 and 10 connect the tranquilizer to the ejector 11.
  • the tranquilizer 8 is optionally equipped with means for pressure measurements 12 and for the liquid level 13.
  • the ejector 11 comprises two moving parts respectively referenced 18 and 19 in FIG. 2.
  • the part 19 is placed inside the part 18 which is hollow.
  • the outer surface of one of the ends of the part 18 defines with the body of the ejector 20 a first constriction 21.
  • the part 19 defines with the inner surface of the end of the part 18 a second constriction 22.
  • the part 18 forms a hollow needle which cooperates with the body 20 of the ejector and the part 19 forms a needle which cooperates with the interior of the part 18.
  • the central part of the part 18 which preferably has a cylindrical shape, is pierced over a certain length of orifices 23 optionally, so that whatever the position of the part 18 relative to the body 20 of the ejector during the operation of the ejector, there is a minimum passage section for the fluid arriving through the pipe 10 and pointing towards the hollow part of part 18.
  • the relative position of the part 18 relative to the body 20 of the ejector, and that of the part 19 relative to the part 18, are optionally controlled from the automatic control system 35.
  • the latter can include a motorization system 24 controlled from the programming system 25.
  • the programming system 25 receives the measurements and the instructions necessary for controlling the regulation system.
  • the number and nature of these measures and these instructions are, among other things, a function of the conditions of use of the device according to the invention. In fact, it is conceivable when using the device according to the invention on a transfer line, that the information necessary for controlling the ejector will depend on the various devices that this line comprises, and on the fineness of the regulation desired .
  • the programming system 25 receives the signals from sensors measuring the pressure in the stiller. (sensor 12), the level in the stiller (sensor 13), and the pressure at the outlet 28 of the ejector (sensor 26).
  • Reference 27 designates one or more lines for transferring information and external instructions.
  • the external information supplied to the programming system 25 may relate for example to the operating conditions of machines placed downstream and upstream of the device considered, or the nature of the compounds of the two-phase flow.
  • the external instructions which the programming system receives and which fix these working conditions will be for example the structure of the flow which one wishes to obtain at the outlet of the ejector, the pressure which one wishes to have at the outlet 28 of the ejector, the flows to be transferred, etc ...
  • the system can transmit information concerning it to the outside, such as the flow rates measured by the flow meters 14 and 15, pressures, temperatures, the position and operating conditions of the ejector.
  • the separator 2 is provided with an assembly allowing the purging of liquid or solid particles.
  • This assembly includes a low point 29 arranged in the separator, a pipe 30 connecting this low point through a flow control member 31 (for example a valve) and a pipe 32 connecting this low point through a control member 33 to a evacuation device and simply to the outside environment.
  • an exchanger 34 placed in the separator will act on the temperature of the two-phase mixture.
  • the two-phase mixture arrives via the pipe 1, enters the stabilizer through the tube 4 where the separation of the liquid phase and the gaseous phase takes place, any deposits are collected at the low point 29 of the stabilizer.
  • the temperature of the liquid is possibly modified by the use of the exchanger 34.
  • the gas is transferred through port 6 into the tranquilizer, as does the liquid through port 7.
  • the two phases are tranquilized and it is possible to measure their pressure and the level of the liquid.
  • the gas phase is transferred through line 9 to the ejector.
  • This line 9 includes a flow meter (gas) which provides a signal representative of the flow to the programming system 25.
  • the liquid phase is transferred through line 10 to the ejector.
  • This pipe includes a liquid flow meter 14 whose signal is. transmitted to the programming system 25.
  • the two lines 9 and 10 are provided with adjustable nozzles 15 and 16 respectively, making it possible to possibly create a slight pressure drop to cover with a flow meter or a device according to the invention a wide range of flow rates.
  • the programming system 25 controls the motorization system 24, which controls the position of the moving parts of the ejector in order to generate a two-phase flow of determined structure, that -this ensuring stable and optimal operation of the two-phase equipment placed on the transfer line upstream and downstream of the device according to the invention.
  • the programming system 25 could be a programmed microprocessor system.
  • the motorization system 24 may be of any known type, electric, pneumatic, etc.
  • the device according to the invention can also treat this kind of fluids.

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Abstract

La présente invention concerne un procédé et un dispositif permettant d'assurer un ensemble de fonctions hydrodynamiques dans un écoulement polyphasique. Ce procédé est caractérisé en ce qu'il comporte les étapes suivantes: la séparation des fluides composant l'écoulement initial, la tranquillisation des écoulements de chacun desdits fluides, la recombinaison desdits fluides pour former un nouvel écoulement ayant une structure prédéterminée. L'invention peut être utilisée dans une chaine d'équipement de transfert de fluide polyphasique, comprenant un séparateur de phase (2), un tranquillisateur (8) et un éjecteur (11) liquide-gaz.

Description

  • La présente invention a pour objet un procédé et un dispositif permettant d'assurer un ensemble de fonctions hydrodynamiques dans un écoulement compose d'au moins deux phases, telles celles de régulateur, de séparateur, de stabilisateur, de débimètre intégré ou_d'échangeur.
  • Dans la suite de la description, les termes d"'amont" et d"'aval" seront implicitement relatifs au dispositif selon l'invention en considérant le sens de l'écoulement. Ainsi, par exemple, l'expression "écoulement amont" désignera l'écoulement se dirigeant vers le dispositif considéré et l'expression "écoulement aval" désignera l'écoulement s'en éloignant.
  • Le long d'une ligne de transfert, la structure d'un écoulement composé d'au moins deux phases, évolue vers des formes qui nécessitent de plus en plus d'énergie pour maintenir en mouvement cet écoulement.
  • Dans certains cas, la structure de l'écoulement peut être telle que celui-ci ne peut plus être comprimé dans certains modèles de pompes, par exemple dans le cas d'un écoulement diphasique gaz liquide lorsque la taille des bulles gazeuses devient suffisamment grande pour désamorcer la pompe.
  • Par ailleurs, il est souvent nécessaire de connaître la compo- sition du mélange diphasique transporté par une ligne de transfert, afin de mieux effectuer le réglage de dispositifs placés sur cette ligne tels des pompes, par exemple.
  • L'art antérieur peut être illustré par les brevets français 2.299.593 et 2.401.862, le brevet britannique 2.014.862 et les brevets américains 3.416.547 et 1 437.649. Aucun de ces brevets ne permet de répondre, de manière réellement satisfaisante, aux besoins cités pré- cedemment.
  • Aussi, la présente invention propose-t-elle notamment un dispositif permettant de stabiliser l'écoulement amont, de réguler l'écoulement aval, de générer un écoulement à structure polyphasique définie hydrodynamiquement et de mesurer les débits des différentes phases composant l'écoulement considéré.
  • De plus, le dispositif selon l'invention qui consomme une faible quantité d'énergie, peut être construit en intégrant les divers organes qui le composent, dans un ensemble compact de faible volume.
  • Il est en outre possible d'adjoindre au dispositif selon l'invention un échangeur afin d'agir sur la température du mélange polyphasique.
  • Ainsi, la présente invention consiste en un procédé permettant de réaliser un ensemble de fonctions hydrodynamiques sur un écoulement composé d'au moins deux phases. Le procédé selon l'invention comporte notamment les étapes suivantes :
    • - la séparation des fluides composant l'écoulement initial,
    • - la tranquillisation des écoulements de chacun desdits fluides, et
    • - la recombinaison desdits fluides pour former un nouvel écoulement ayant une structure prédéterminée.
  • Cette recombinaison des fluides peut s'effectuer par le passage de l'un au moins desdits écoulements à travers au moins un orifice de section réglable.
  • La section de passage de cet orifice est éventuellement réglée en fonction de l'une au moins des grandeurs constituées par le débit, la pression, la température de l'un des fluides et le niveau du liquide dans le tranquilliseur.
  • La section de passage de cet orifice peut être réglée en fonction de critères préétablis tels la minimisation de la perte d'énergie de l'écoulement.
  • La présente invention concerne également un dispositif permettant de réaliser un ensemble de fonctions hydrodynamiques sur un écoulement composé d'au moins deux phases.
  • - Le dispositif selon l'invention comporte notamment au moins un séparateur de phase relié par des canalisations à un tranquilliseur, lui même relié à un éjecteur liquide gaz, par l'intermédiaire d'autres canalisations dont l'une au moins comporte un débimètre. L'éjecteur peut être réglable.
  • Un dusage réglable peut être interposé sur l'une au moins des canalisations reliant le tranquilliseur à l'éjecteur.
  • L'éjecteur comporte éventuellement deux organes convergents- divergents ayant des sections de passages réglables indépendamment l'une de l'autre.
  • Un organe de commande automatique pourra régler le fonctionnement de l'éjecteur.
  • Cet organe sera avantageusement équipé de moyens transmettant au moins un signal représentant une information, telle le débit de l'un des fluides, la pression ou la température relative à l'un des organes du dispositif selon l'invention, ou le niveau du liquide dans le tranquilliseur.
  • L'organe de commande automatique comportera éventuellement un système de motorisation et un système de programmation commandant les différentes sections de passage de l'éjecteur en fonction de critères préétablis.
  • Le stabiliseur pourra être avantageusement équipé d'un échangeur.
  • Le stabiliseur comportera éventuellement un ensemble permettant la purge de liquide ou de particules solides, cet ensemble étant relié à une combustion débouchant dans un dispositif annexe d'évacuation ou dans le milieu ambiant, à travers un organe de contrôle et à une canalisation débouchant à la sortie de l'éjecteur à travers un autre organe de contrôle.
  • Dans certains cas, ces deux organes de contrôle pourront être remplacés par un organe de contrôle à trois voies.
  • L'invention pourra être mieux comprise et ses avantages apparaîtront a la description qui suit d'un exemple de réalisation non limitatif appliqué au cas d'un mélange diphasique, illustré par les figures jointes et dans lesquelles :
    • - la figure 1 représente une vue générale du dispositif selon l'invention et
    • - la figure 2 représente une vue plus détaillée de l'éjecteur.
  • Sur la figure 1 qui représente une vue d'ensemble du dispositif, la référence 1 désigne la canalisation d'arrivée de l'effluent diphasique.
  • Le séparateur 2 comporte une capacité 3 dans laquelle est fixée un tube 4 prolongeant la canalisation 1 d'arrivée du mélange diphasique.
  • Le tube 4 est percé d'orifices 5 de forme quelconque.
  • A titre d'exemple, ces orifices pourront être circulaires et avoir un diamètre compris entre 4 et 6 millimètres pour un tube de 50 à 100 millimètres de diamètre et pour une canalisation de 0,5 à 2 mètres de longueur.
  • Au moins deux canalisations 6 et 7, l'une haute 6, l'autre basse 7, relient le séparateur 2 à un tranquilliseur 8. De même, au moins deux canalisations 9 et 10 relient le tranquilliseur à l'éjecteur 11.
  • Le tranquilliseur 8 est éventuellement équipé de moyens de aesures de pression 12 et du niveau liquide 13.
  • Sur chacune des canalisations 9 et 10 reliant le tranquilliseur l'éjecteur, esf placé un débimètre respectivement 14 et 15. Il est également possible de placer sur ces canalisations 9 et 10 des dusages réglables 16 et 17.
  • L'éjecteur 11 comporte deux pièces mobiles respectivement référencées 18 et 19 sur la figure 2.
  • La pièce 19 est placée à l'intérieur de la pièce 18 qui est creuse.
  • La surface extérieure de l'une des extrémités de la pièce 18 définit avec le corps de l'éjecteur 20 un premier étranglement 21.
  • De même, la pièce 19 définit avec la surface intérieure de l'extrémité de la pièce 18 un deuxième étranglement 22.
  • Les formes des parties concernées du corps 20 de l'éjecteur 11, de la pièce 18 et de la pièce 19 sont dessinées de telle manière que lorsque l'on rapproche la pièce 18 du corps 20 ou la pièce 19 de la pièce 18, les sections respectives des étranglements 21 et 22 diminuent
  • Autrement dit, la pièce 18 forme un pointeau creux qui coopère avec le corps 20 de l'éjecteur et la pièce 19 forme un pointeau qui coopère avec l'intérieur de la pièce 18.
  • La partie centrale de la pièce 18 qui a de préférence une forme cylindrique, est percée sur une certaine longueur d'orifices 23 éventuellement, de telle sorte que quelle que soit la position de la pièce 18 par rapport au corps 20 de l'éjecteur lors du fonctionnement de l'éjecteur, il y ait une section de passage minimum pour le fluide arrivant par la canalisation 10 et se dirigeant vers la partie creuse de la pièce 18.
  • La position relative de la pièce 18 par rapport au corps 20 de l'éjecteur, et celle de la pièce 19 par rapport à la pièce 18, sont éventuellement commandées à partir du système de commande automatique 35. Ce dernier peut comporter un système de motorisation 24 piloté à partir du système de programmation 25.
  • Le système de programmation 25 reçoit les mesures et les instructions nécessaires au pilotage du système de régulation. Le nombre et la nature de ces mesures et de ces instructions sont, entre autres, fonction des conditions d'utilisation du dispositif selon l'invention. En effet, on conçoit lors d'une utilisation du dispositif selon l'invention sur une ligne de transfert, que les informations nécessaires au pilotage de l'éjecteur seront fonction des différents appareils que comportent cette ligne, et de la finesse de la régulation souhaitée.
  • Toutefois, et à titre d'exemple non limitatif, différents capteurs ont été représentés à la figure 1. Ainsi, outre les mesures fournies par les débimètres 14 et 15, le système de programmation 25 reçoit les signaux de capteurs mesurant la pression dans le tranquilliseur (capteur 12), le niveau dans le tranquilliseur (capteur 13), et la pression à la sortie 28 de l'éjecteur (capteur 26).
  • La référence 27 désigne une ou plusieurs lignes de transfert d'informations et de consignes extérieures.
  • Les informations extérieures fournies au système de programmation 25 pourront concerner par exemple les conditions de fonctionnement de machines placées en aval et amont du dispositif considéré, ou la nature des composés de l'écoulement diphasique.
  • Les consignes extérieures que reçoit le système de programmation et qui fixent ces conditons de travail seront par exemple la structure de l'écoulement que l'on souhaite obtenir à la sortie de l'éjecteur, la pression que l'on souhaite avoir à la sortie 28 de l'éjecteur, les débits à transférer, etc...
  • Eventuellement, le système pourra transmettre vers l'extérieur des informations le concernant, tels les débits mesurés par les débimètres 14 et 15, des pressions, des températures, la position et les conditions de fonctionnement de l'éjecteur.
  • Eventuellement, le séparateur 2 est muni d'un ensemble permettant la purge de liquide ou de particules solides. Cet ensemble comporte un point bas 29 aménagé dans le sépérateur, une canalisation 30 reliant ce point bas à travers un_organe de contrôle du débit 31 (par exemple une vanne) et une canalisation 32 reliant ce point bas à travers un organe de contrôle 33 vers un dispositif d'évacuation et tout simplement vers le milieu extérieur.
  • Eventuellement, un échangeur 34 placé dans le séparateur permettra d'agir sur la température du mélange diphasique.
    • FONCTIONNEMENT
  • Le mélange diphasique arrive par la canalisation 1, pénètre dans le stabilisateur par le tube 4 où s'effectue la séparation de la phase liquide et de la phase gazeuse, les dépôts éventuels sont rassemblés au point bas 29 du stabilisateur.
  • La température du liquide est éventuellement modifiée par l'utilisation de l'échangeur 34.
  • Le gaz est transféré par l'orifice 6 dans le tranquilliseur, de même que le liquide par l'orifice 7.
  • Dans le tranquilliseur, les deux phases sont tranquillisées et il est possible de mesurer leur pression et le niveau du liquide.
  • La phase gazeuse est transférée par la canalisation 9 vers l'éjecteur. Cette canalisation 9 comporte un débimètre (à gaz) qui fournit un signal représentatif du débit au système de programmation 25. La phase liquide est transférée par la canalisation 10 vers l'éjecteur. Cette canalisation comporte un débimètre à liquide 14 dont le signal est. transmis au système de programmation 25.
  • Les deux canalisations 9 et 10 sont munies de dusages réglables respectivement 15 et 16 permettant de créer éventuellement une légère perte de charge pour couvrir avec un débimètre ou un dispositif selon l'invention une large gamme de débits.
  • A partir de différentes mesures, notamment celles des débits, et des consignes extérieures, le système de programmation 25 pilote le système de motorisation 24, lequel commande la position des pièces mobiles de l'ëjecteur afin de générer un écoulement diphasique de structure déterminée, celle-ci assurant un fonctionnement stable et optimal des équipements diphasiques placés sur la ligne de transfert en amont et en aval du dispositif selon l'invention.
  • Il est possible d'inverser sur l'éjecteur les positions relatives des canalisations d'arrivée de gaz et d'eau sans pour autant sortir du cadre de la présente invention.
  • De même, on ne sortira pas du cadre de la présente invention en utilisant un autre type d'éjecteur que celui décrit précédemment.
  • Le système de programmation 25 pourra être un système à microprocesseur programmé.
  • Le système de motorisation 24 pourra être de tout type connu, électrique, pneumatique, etc...
  • On ne sortira pas du cadre de la présente invention en appliquant le procédé précédemment décrit à des fluides de même nature mais qui tendent à se dissocier l'un de l'autre tel, par exemple, deux liquides non miscibles de densités différentes.
  • Le dispositif selon l'invention peut également traiter ce'genre de fluides.
  • Bien entendu, on ne sortira pas du cadre de la présente invention en introduisant des étapes supplémentaires telles que la désalinisation de la phase liquide ou la séparation des émulsions. Les étapes pourront être éventuellement menées parallèlement aux étapes prévues par l'invention, ainsi la désalinisation pourra être effectuée- dans le séparateur 2, simultanément à l'étape de séparation.

Claims (13)

1. - Procédé permettant de réaliser un ensemble de fonctions hydrodynamiques sur un écoulement composé d'au moins deux phases, caractérisé en ce qu'il comporté les étapes suivantes :
- la séparation des fluides composant l'écoulement initial,
- la tranquillisation des écoulements de chacun desdits fluides ainsi séparés,
- la recombinaison desdits fluides pour former un nouvel écoulement ayant une structure prédéterminée.
2. Procédé selon la revendication précédente, caractérisé en ce que la recombinaison desdits fluides pour former un nouvel écoulement s'effectue par le passage de l'un au moins desdits écoulements à travers au moins un orifice de section réglable.
3. - Procédé selon la revendication 2, caractérisé en ce que la section de passage dudit orifice est réglée en fonction de l'une au moins des grandeurs constituées par le débit, la pression, la température de l'un des fluides et le niveau du liquide dans le tranquilliseur.
4. - Procédé selon l'une des revendications 2 ou 3, caractérisé en ce que la section de passage dudit orifice est réglée en fonction de critères préétablis tel la minimisation de la perte d'énergie de l'écoulement.
5. - Dispositif permettant de réaliser un ensemble de fonctions hydrodynamiques sur un écoulement composé d'au moins deux phases, caractérisé en ce qu'il comporte au moins un séparateur de phase (2) relié par des canalisations (6 et 7) à un tranquilliseur (8}, lui-même relié à un éjecteur (11) liquide-gaz par l'intermédiaire de canalisations (9 et 19) . dont l'une au moins comporte un débimètre (14 ou 15).
6. - Dispositif selon la revendication 5, caractérisé en ce que ledit éjecteur (11) est réglable.
7. - Dispositif selon l'une des revendications 5 ou 6, caractérisé en ce qu'au moins un dusage réglable est interposé sur l'une des canalisations
B. - Dispositif selon l'une des revendications 5 à 7, caractérisé en ce que ledit éjecteur (11) comporte deux organes convergents (21) et (22) ayant des sections de passages réglables indépendamment l'une de l'autre.
9. - Dispositif selon la revendication 8; caractérisé en ce qu'il comporte un organe de commande automatique (35) de l'éjecteur (11).
10. - Dispositif selon la revendication 9, caractérisé en ce qu'il comporte des moyens transmettant audit organe de commande automatique (35) au moins un signal représentant une information tel le débit de l'un des fluides, la pression ou la température relative à l'un des organes dudit dispositif, ou le niveau du liquide dans le tranquilliseur (13).
11. - Dispositif selon l'une, des revendications 9 ou 10, caractérisé en ce que ledit organe de commande automatique (35) comporte un système de motorisation (24) commandant les différentes sections de passage (21, 22) de l'éjecteur (11) en fonction de critères préétablis.
12. - Dispositif selon l'une des revendications 5 à 11, caractérisé en ce que le stabilisateur (2) comporte un échangeur (34).
13. - Dispositif selon l'une des revendications 5 à 12, caractérisé en ce que le stabilisateur (2) comporte un ensemble permettant la purge de liquide ou de particules solides, cet ensemble étant relié à une canalisation (32) débouchant vers un dispositif annexe d'évacuation ou dans le milieu ambiant, à travers un organe de contrôle (33) et à une canalisation (30) débouchant à la sortie (28) de l'éjecteur (11) à travers un organe de contrôle (31).
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