FR2588779A1 - Separateur a vortex pour liquide heterogene a debit variable - Google Patents
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Abstract
LE LIQUIDE D'ENTREE A TRAITER EST INTRODUIT DANS UNE CHAMBRE DE SEPARATION CYLINDRIQUE 5 A TRAVERS PLUSIEURS ETAGES DE CONDUITS D'INJECTION DIRECTIFS TANGENTIELS 4. UN MANCHON COULISSANT 6 OBTURE CERTAINS DE CES ETAGES POUR MAINTENIR LA VITESSE D'INJECTION DES AUTRES LORSQUE LE DEBIT DIMINUE. APPLICATION AU DESHUILAGE DE L'EAU.
Description
Séparateur à vortex pour liquide hétérogène à débit variable
La présente invention concerne les séparateurs qui peuvent par exemple être utilisés pour séparer des particules solides, des gouttes d'huile ou des bulles d'air dispersées dans de l'eau. Plus généralement un séparateur de ce genre reçoit un liquide d'entrée non homogène contenant une phase liquide continue et une phase dispersée de densité différente. Le débit de ce liquide peut être appelé débit d'entrée et il présente souvent des variations imposées. Le séparateur fournit d'une part, un liquide de sortie au moins partiellement débarrassée de la phase dispersée et d'autre part un fluide de sortie concentré en cette phase.
La présente invention concerne les séparateurs qui peuvent par exemple être utilisés pour séparer des particules solides, des gouttes d'huile ou des bulles d'air dispersées dans de l'eau. Plus généralement un séparateur de ce genre reçoit un liquide d'entrée non homogène contenant une phase liquide continue et une phase dispersée de densité différente. Le débit de ce liquide peut être appelé débit d'entrée et il présente souvent des variations imposées. Le séparateur fournit d'une part, un liquide de sortie au moins partiellement débarrassée de la phase dispersée et d'autre part un fluide de sortie concentré en cette phase.
Un séparateur connu est essentiellement constitué par une chambre de séparation (5) tubulaire alongée selon un axe (A) et présentant une forme de révolution autour de cet axe. Une entrée de cette chambre reçoit ledit liquide d'entrée sous la forme d'un écoulement d'entrée qui tourne autour de cet axe, qui peut être appelé "hélicoidal", et qui entraine dans cette chambre un écoulement qui peut être appelé "tourbillonnaire" et qui présente des vitesses circonférentielles supérieures à sa vitesse axiale et telles que la force centrifuge rassemble ledit fluide léger dans une zone de rassemblement axiale. Cette chambre présente en outre une ouverture de sortie de fluide léger pour prélever ce fluide dans cette zone, et une ouverture de sortie de liquide dense.
Pour former ledit écoulement hélicoïdal une chambre d'alimentation reçoit le liquide d'entrée sous pression au voisinage de ladite entrée de la chambre de séparation, et une chambre de mise en rotation (24) est disposée coaxialement à ladite entrée de la chambre de séparation. Cette chambre de mise en rotation est alimentée par la chambre d'alimentation par l'intermédiaire de conduits d'injection directifs dirigés tangentiellement, pour former des jets d'injection transportant ledit débit d'entrée variable et propres, par l'effet de leur vitesse, à entrainer en rotation le liquide dans la chambre de mise en rotation et à établir ainsi ledit écoulement hélicoidal. Chacun de ces conduits présente une entrée dans la chambre d'alirentation et une sortie dans la chambre de mise en rotation.
Ce séparateur connu comporte en outre un dispositif obturateur commandable pouvant prendre plusieurs positions de service pour obtu- rer plus ou moins lesdits conduits dtinjection. Ce dispositif constitue avec ces conduits un ensemble dtinjection dont la section de passage globale de la chambre d'alimentation à la chambre de mise en rotation est variable et qui est utilisé de la manière suivante ::
Lorsque ledit débit d'entrée décroit jusqu'à une valeur minimale, la commande de ce dispositif permet de supprimer une fraction des jets d'injection pour conserver la vitesse de la fraction restante et empecher ainsi la vitesse circonférentielle dudit écoulement tourbillonnaire de descendre au-dessous d'un seuil inférieur au-dessous duquel cet écoulement ne serait plus stable, etlou n'assureralt plus une séparation suffisante. Lorsque le débit d'entrée croit jusqu'à sa valeur maximale, la commande de ce dispositif permet de former complétement ces jets d'injection pour maintenir la vitesse de ces jets au-dessous d'une limite supérieure.
Lorsque ledit débit d'entrée décroit jusqu'à une valeur minimale, la commande de ce dispositif permet de supprimer une fraction des jets d'injection pour conserver la vitesse de la fraction restante et empecher ainsi la vitesse circonférentielle dudit écoulement tourbillonnaire de descendre au-dessous d'un seuil inférieur au-dessous duquel cet écoulement ne serait plus stable, etlou n'assureralt plus une séparation suffisante. Lorsque le débit d'entrée croit jusqu'à sa valeur maximale, la commande de ce dispositif permet de former complétement ces jets d'injection pour maintenir la vitesse de ces jets au-dessous d'une limite supérieure.
Un premier séparateur connu tel qu'indiqué ci-dessus est partiellement décrit dans un article intitulé "Total flow hydrocyclone separator" par J;S. Goldsmith (Navy technical disclosure bulletin, vol 4, n0 12 déc.1979, pp 21-25).
Dans ce premier séparateur connu lesdits conduits d'injection sont répartis en deux étages qui se succèdent selon la direction longitudinale du séparateur en laissant entre eux des intervalles pleins sans conduits dans la paroi qui sépare les chambres d'alimentation et de mise en rotation. Chacun de ces étages comporte huit conduits en succession angulaire régulière, c'est-à-dire avec un pas de un huitième de tour, de manière à former un écoulement hélicoïdal d'entrée aussi régulier que possible dans la chambre de mise en rotation. Ledit dispositif obturateur est constitué par un manchon cylindrique coaxial qui est mobile axialement. Ce manchon est percé d'un trou circulaire pour chacun desdits conduits d'injection qui présentent eux aussi la forme de trous fixes également circulaires et de meme diamètre.Lorsque les trous du manchon mobile sont en face des trous fixes, les jets dtinjec- tion sont complètement formés. Lorsque ces trous mobiles sont décalés par rapport aux trous fixes, une fraction de la section de passage de chacun des trous fixes est obturée par le manchon et la section du jet d'injection correspondant est diminuée.
L'ensemble d'injection de ce premier séparateur connu présente l'inconvénient d'une certaine complexité mécanique en raison de la présence du dispositif obturateur mobile. Mais cet inconvénient peut être largement compensé par les avantages de ce dispositif.
Il faut en effet considérer qu'un ensemble d'injection quelqu'il soit consomme une puissance non négligeable pour la formation des jets d'injection. Cette puissance est proportionnelle au débit d'entrée et à la perte de charge dans le dispositif. Pour un débit donné cette perte de charge est d'autant plus faible que les conduits d'injection sont plus complètement ouverts. La présence du dispositif obturateur mobile permet de rendre la valeur moyenne de cette puissance plus faible que s'il n'y avait pas de tel dispositif. En effet, en l'absence d'un tel dispositif, la section des conduits d'injection devrait être choisie en considérant les périodes où le débit d'entrée présente sa valeur minimale.Plus précisément cette section devrait être choisie suffisamment petite pour donner aux jets d'injection, pendant ces pédiodes, une vitesse suffisamment grande telle que les vitesses circonférentielles dudit écoulement tourbillonnaire assurent la stabilité de cet écoulement et l'efficacité de la séparation dans la chambre de séparation. Il en résulterait que, pendant les périodes où le débit d'entrée présente sa valeur maximale, la vitesse des jets d'injection deviendrait très supérieure à celle qui est nécessaire et il en serait de même de la puissance consommée.
Par ailleurs la puissance excessive injectée dans la chambre de mise en rotation par des jets d'injection trop rapides compromettrait la statiblité de l'écoulement.
La présence du dispositif obturateur commandable permet d'augmenter la section des conduits d'injection malgré la nécessité de conserver une vitesse toujours sufisante aux jets d'injection. Elle permet donc de diminuer la puissance consommée lorsque le débit d'entrée est maximal, de manière à diminuer aussi la valeur moyenne de cette puissance çn même temps que les inconvénients des vitesses dtin- jection excessives.
Il restait cependant évidemment souhaitable de diminuer encore autant que possible cette puissance.
Toute consommation de puissance non nécessaire est en effet coûteuse non seulement en raison du prix de l'énergie, mais aussi en raison du coût et de l'encombrement des pompes qui font circuler le débit d'entrée et de celui des tuyauterie qui supportent la pression en amont du séparateur. De plus la puissance inutile est, au moins partiellement, dissipée dans les conduits d'injection ou dans la chambre de mise en rotation où elle provoque les risques d'instabilité précédemment mentionnés, de l'usure des parois dans le cas de particules solides, ou un fractionnement des particules si ces dernières sont des globules d'huile, par exemple. Or les globules ainsi fractionnées sont beaucoup plus difficiles à séparer de l'eau. La puissance inutile peut aussi créer des tourbillons parasites qui peuvent compromettre la stabilité de l'écoulement.
Un deuxième séparateur connu est décrit dans le brevet US-A n0 3 568 837 (Laval) et comporte lui aussi un dispositif obturateur mobile pour adapter la section des conduits d'injection au débit d'entrée. Cette adaptation résulte de la flexion élastique d'une lame de ressort sous la poussée du liquide. Ce séparateur présente l'inconvénient que la présence d'une lame élastique dans un écoulement tourbillonnaire provoque dans certains cas des vibrations et des turbulences supplémentaires qui compromettent la stabilité de 1' écoulement.
Un troisième séparateur connu est décrit dans la demande de brevet français n0 2 507 503 (Audoin et autres). Cette demande enseigne qu'il convient de remplacer une tête d'injection comportant des conduits d'injection d'un certain diamètre par un nouvelle tête d'injection comportant des conduits d'injection d'un diamètre plus grand lorsque on veut utiliser le séparateur pour traiter un débit d'entrée plus grand. Une telle méthode permet d'éviter une consommation de puissance inutile. Mais elle est très coûteuse en main d'oeuvre si le débit d'entrée varie fréquemment.
La présente invention a notamment pour but de diminuer encore la puissance consommée dans l'ensemble d'injection d'un séparateur à vor tex dont le débit d'entrée varie souvent, ceci de manière simple et économique et en conservant ou augmentant l'efficacité de séparation.
Elle a également pour but d'augmenter l'efficacité de séparation d'un tel séparateur lorsque les particules contenues dans le liquide d'entrée sont des globules d'un fluide susceptibles de se fractionner en présence de gradients de vitesse locaux excessifs.
Et elle a pour objet un séparateur à vortex pour liquide hétérogène à débit variable, ce séparateur étant plus précisément prévu pour recevoir un débit d'entrée variable d'un liquide. d'entrée sous pression contenant des particules d'une densité différente et pour fournir d'une part un fluide de sortie liquide épuré au moins partiellement débarrassé de ces particules et d'autre partun fluide de sortie concentré dans lequel la concentration du matériau de ces particules est accrue, l'un de ces fluides de sortie étant un fluide dense et l'autre un fluide léger, ce séparateur comportant:: - une chambre de séparation (5) tubulaire alongée selon un axe (A) et présentant une forme de révolution autour de cet axe, cette chambre comportant une entrée pour recevoir ledit liquide d'entrée sous la forme d'un écoulement d'entrée hélicoidal autour de cet axe, de manière à former dans cette chambre un écoulement tourbillonnaire coaxial présentant une vitesse circonférentielle supérieure à sa vitesse axiale pour que la force centrifuge rassemble ledit fluide léger dans une zone de rassemblement axiale, - une ouverture (13) de sortie de fluide léger pour prélever ce fluide dans cette zone, - une ouverture de sortie de fluide dense formée à distance dudit axe pour prélever ce fluide, - une chambre d'alimentation (3) recevant le liquide d'entrée sous pression au voisinage de ladite extrémité d'entrée de la chambre de séparation, - une chambre de mise en rotation (24) disposée coaxialement à ladite entrée de la chambre de séparation pour fournir ledit écoulement d'entrée hélicoidal à cette dernière chambre, cette chambre de mise en rotation étant alimentée par ladite chambre d'alimentation par l'intermédiaire de conduits d'injection directifs (4, 104) dirigés tangentiellement, le nombre de ces conduits étant de un au moins, pour former le même nombre de jets d'injection transportant ledit débit d'entrée variable et propres, par l'effet de leur vitesse, à entrainer en rotation le liquide dans la chambre de mise en rotation et à établir ainsi cet écoulement hélicoidal, chacun de ces conduits présentant une entrée dans la chambre d'alimentation et une sortie dans la chambre de mise en rotation, - et un dispositif obturateur commandable pouvant prendre plusieurs positions de service pour obturer plus ou moins lesdits conduits d'injection (4) et pour constituer avec ces conduits un ensemble d'injec- tion à section de passage globale variable de la chambre d'alimentation à la chambre de mise en rotation, de manière que, lorsque ledit débit d'entrée décrott jusqu'à une valeur minimale, la commande de ce dispositif permette de supprimer une fraction des jets d'injection pour conserver la vitesse de la fraction restante et empêcher ainsi la vitesse circonférentielle dudit écoulement tourbillonnaire de descendre au-dessous d'un seuil inférieur au-dessous duquel cet écoulement tourbillonnaire ne serait plus stable, et/ou n'assurerait plus une séparation suffisante, et de manière que, lorsque le débit d'entrée croit jusqu'à sa valeur maximale, la commande de ce dispositif permette de former complétement ces jets d'injection pour maintenir la vitesse de ces jets au-dessous d'une limite supérieure à partir de laquelle une énergie excessive serait employée pour former ces jets, - ce séparateur étant caractérisé par le fait que, dans toutes lesdites positions de service du dispositif obturateur (6, 30, 32), ledit ensemble d'injection (4, 6, 104, 130, 132) forme des tuyères convergentes (4, 104, 130) conduisant le liquide d'entrée entre des parois latérales continues définissant des sections de passage progressivement décroissantes pour assurer une mise en vitesse progressive de ce liquide sans faire apparaître de décollements de filets liquides ni de gradients de vitesses locaux importants susceptibles de dissiper une énergie parasite sensible.
(Les numéros de référence entre parenthèses renvoient aux figures ci-jointes à titre d'exemple).
Selon la présente invention il est de plus apparu avantageux d'adopter, au moins dans certains cas, les dispositions plus particulières suivantes - Lesdits conduits d'injection (4) sont creusés dans une paroi (22) sensiblement cylindrique coaxiale au séparateur et séparant lesdites chambres d'alimentation (3) et de mise en rotation (8), cette paroi étant suffisammnet épaisse pour que la longueur desdites tuyères permette une mise en vitesse progressive du liquide d'entrée.
Lesdites tuyères (4) débouchent dans ladite chambre de mise en rotation (24) en regard d'un noyau stabilisateur axial (8) guidant le mouvement circonférentiel du liquide dans cette chambre.
Selon une première variante de l'invention lesdits conduits d'injection (4) sont au nombre de deux au moins et constituent chacun une dite tuyère convergente capable d'assurer la mise en vitesse progressive du liquide d'entrée, ledit dispositif obturateur comportant des moyens d'obturation (6) propres à venir s'appliquer sur des orifices de commande, qui sont des entrées ou des sorties de ces conduits, pour fermer ces orifices et les conduits correspondants, chacune desdites positions de service de ce dispositif étant telle que ces moyens ferment complètement certains de ces orifices de commande tout en restant à distance de ceux qui restent ouverts, de manière à ne pas perturber l'écoulement du liquide d'entrée au voisinage de ces orifices ouverts.
Ledit dispositif obturateur et ses dits moyens d'obturation sont constitués par un manchon mobile (6).
Lesdits conduits d'injection (4) sont répartis en plusieurs étages qui se succèdent selon la direction longitudinale du séparateur en laissant entre eux des intervalles pleins sans conduits, chaque étage comportant plusieurs conduits en succession angulaire régulière, ledit manchon (6) présentant une surface de forme générale cylindrique coaxiale à ladite chambre de mise en rotation et s'étendant longitudinalement à partir d'une lèvre (6a) sensiblement ciroulairecoaxiàle de manière à obturer complètement tous les conduits d'injection situés longitudinalement d'un même côté de cette lèvre en laissant ouvert tous les autres, ce manchon étant mobile longitudinalement, et sa lèvre venant dans l'un desdits intervalles pleins entre deux étages de conduits d'injection, ceci dans chacune desdites positions de service du manchon sauf celle qui laisse tous les conduits ouverts.
Ledit manchon mobile (6) est disposé dans ladite chambre d'ali mentation 3 ) et obture les orifices d'entrée de ceux desdits conduits d r injection (4) qui sont disposés par rapport à sa lèvre, du côté de ladite chambre de séparation (5).
Selon une deuxième variante de l'invention ledit manchon mobile longitudinalement est au contraire disposé dans ladite chambre de mise en rotation.
Selon une troisième variante de l'invention lesdits conduits d'injection (104), qui s'étendent chacun selon sa longueur de ladite chambre d'alimentation (103) vers ladite chambre de mise en rotation (124), présentent chacun deux surfaces latérales (104B) planes prismatiques ou cylindriques à génératrices parallèles à la direction longitudinale du séparateur, ces deux surfaces convergeant vers cette chambre de mise en rotation, ce conduit présentant encore une surface de base (t04A) joignant ces deux surfaces latérales sur la longueur du conduit, - ledit dispositif obturateur étant mobile selon ladite direction longitudinale et comportant, pour chacun de ces conduits, un bloc obturateur (130) présentant une face de guidage de liquide (130A) s'étendant de l'une à l'autre desdites surfaces latérales de ce conduit sur la longueur de celui-ci, - ce bloc présentant en outre au moins une face d'obturation (130B) obturant le conduit du côté de ladite face de guidage opposé à celui de ladite surface de base (104A), de manière à former une dite tuyère dont deux parois latérales opposées convergentes sont constituées par une partie au moins desdites surfaces latérales (104B) du conduit et dont deux autres parois opposées sont écartées d'une distance commandable et sont constituées par ladite surface de base (104A) et ladite face de guidage (130A).
- Ledit dispositif obturateur comporte en outre une pièce de liaison (132) pour faire coulisser ensemble selon ladite direction longitudinale lesdits blocs obturateurs (130) des divers conduits d'injection (104), ces conduits et ces blocs présentent une symétrie autour dudit axe (A), de manière à constituer un dit ensemble d'injection (104, 130) présentant ladite symétrie pour toutes lesdites positions de service du dispositif obturateur (130, 132).
Les formes desdites surface de base (104A) et face de guidage de liquide (130A) conservent à ladite tuyère (104B, 104A, 130A) un même taux de convergence quelle que soit la position du bloc obturateur (130). Cette surface de base et cette face de guidage sont par exemple planes et perpendiculaires à l'axe (A) du séparateur. Mais elles pourraient aussi, entre autres, être coniques avec un même angle au sommet sur l'axe (A).
A l'aide des figures schématiques ci-jointes on va décrire plus particulièrement ci-après, à titre d'exemple non limitatif, comment l'invention peut être mise en oeuvre. Il doit être compris que les éléments décrits et représentés peuvent, sans sortir du cadre de l'invention, être remplacés par d'autres éléments assurant les mêmes fonctions techniques. Lorsqu'un même élément est représenté sur plusieurs figures il y est désigné par le même signe de référence.
La figure 1 représente une vue en coupe axiale, selon un plan I-I de la figure 2, de la zone d'entrée d'un premier séparateur selon la première variante précédemment mentionnée de l'invention.
La figure 2 représente une vue de ce même séparateur en coupe selon un plan transversal Il-Il de la figure 1.
La figure 3 représente une vue en coupe axiale de la zone de sortie de ce même séparateur.
La figure 4 représente une vue en coupe axiale de la zone-d'entrée d'un deuxième séparateur selon la deuxième variante précédemment mentionnée de l'invention.
La figure 5 représente une vue d'un troisième #séparateur selon la troisième variante précédemment mentionnée de l'invention, en coupe par un plan V-V de la figure 6, perpendiculaire à l'axe du séparateur, pour montrer les chambres d'alimentation et de mise ne rotation de ce séparateur.
La figure 6 représente une vue d'une zone d'entrée du même séparateur, en coupe par un plan axial.
La figure 7 représente une vue en perspective de la paroi de la chambre de mise en rotation du même séparateur, le noyau axial de cette chambre étant enlevé, pour montrer les conduits d'injection alimentant cette chambre.
Les séparateurs décrits ci-après sont plus particulièrement destinés à traiter un liquide d'entrée constitué dune émulsion d'huile dans de l'eau, telle qu'on en rencontre dans l'industrie pétrolière, c'est-à-dire que ce liquide contient une phase fluide légère dispersée en globules dans une phase liquide continue dense. Le séparateur fournit d'une part, sur une sortie principale, un liquide de sortie dense au moins partiellement débarrassé de la phase légère et d'autre part, sur une sortie secondaire, un fluide de sortie léger au moins partiellement débarrassé de la phase dense.
La phase fluide légère pourrait cependant aussi être de l'air ou un autre gaz dont les bulles constitueraient lesdites particules ou lesdits globules.
Dans les exemples décrits le débit de sortie de l'eau qui constitue le liquide dense est fortement majoritaire et le mode d'extraction de ce liquide est important pour obtenir une bonne stabilité de l'écou- lement dans la chambre de séparation. D'autre part un mode d'extraction de ce liquide peut, s'il est bien choisi, permettre de diminuer la puissance consommée en sortie du séparateur.
Un tel choix sera décrit. Il est indépendant de la présente invention.
Dans une raffinerie de pétrole, les variations du débit d'entrée dont la présente invention permet de minimiser des inconvénients sont imposées par les conditions d'exploitation de l'ensemble de l'installation. Il n'est pas souhaitable de les compenser par l'utilisation d'un nombre variable de séparateurs car cela augmenterait le coût de la séparation. Dans ces installations la puissance des pompes assurant la circulation du liquide est suffisante pour imposer le débit qui convient à chaque instant pour l'ensemble de l'installation, ce débit étant alors indépendant des réglages du séparateur.
On sait que les variations de débit affectent peu la stabilité de l'écoulement tourbillonnaire dans la chambre de séparation de certains séparateurs connus dans lesquels cette chambre est cylindrique et relativement courte. Mais la stabilité de cet écoulement tourbillonnaire est d'autant plus difficile à maintenir ou à assurer que la longueur de la chambre de séparation cylindrique est grande par rapport à son diamètre. C'est pourquoi, dans les divers séparateurs à vortex liquide connus à chambre de séparation cylindrique, la longueur de la chambre de séparation cylindrique est de l'ordre de deux fois seulement le diamètre, alors qu'il est souhaitable d'augmenter cette longueur pour obtenir une bonne efficacité de séparation.De manière générale la présente invention permet de maintenir la stabilité de l'écoulement et de conserver une bonne efficacité de séparation à un séparateur du genre mentionné ci-dessus lorsque le débit d'entrée imposé présente des variations importantes, c'est-à-dire plus précisément lorsque le rapport de la valeur maximale à la valeur minimale de ce débit est important, et notamment supérieur à deux, alors même que la chambre de séparation est cylindrique et longue, sa longueur étant notamment supérieure au triple de son diamètre. Une telle longueur permet à la force centrifuge de s'exercer pendant un temps suffisant pour assurer une séparation efficace. Cette longueur doit cependant rester inférieure à 25 fois le diamètre pour assurer la stabilité de l'écoulement avec laide d'une manoeuvre éventuelle du dispositif obturateur précédemment mentionné.
Plus particulièrement, lorsque le liquide d'entrée est une émulsion d'huile dans de l'eau, comme dans les exemples décrits ci-après, la longueur de la chambre de séparation est de préférence comprise entre 10 et 20 fois son diamètre.
Conformément aux figures 1 et 2 le premier séparateur décrit présente un axe A et comporte, à son extrémité d'entrée, les éléments suivants - tube 1 d'arrivée du mélange huile eau constituant ledit liquide d'entrée - plaque brise-jet 2 - chambre alimentation 3 - conduits d'injection tangentielle #, à savoir quatre étages comportant chacun une paire de deux conduits opposés soit huit conduits d'injection au total, ces étages se succèdant longitudinalement, ces conduits étant formés dans une paroi cylindrique épaisse 22 - chambre de mise en rotation 24 - chambre de séparation 5 constituée par un tube cylindrique - manchon d'obturation 6 mobile longitudinalement - tiges de transmission 7 pour le réglage de la position du manchon 6 à partir de l'extérieur.
- noyau axial stabilisateur et de centrage d'écoulement 8.
Le mélange eau-huile constituant le liquide d'entrée pénètre dans la chambre 3 par l'intermédiaire du tube 1 de diamètre 500 mm. La plaque 2 atténue les effets du jet d'entrée et répartit le débit sur toute la chambre 3. Celle-ci est largement dimensionnée c'est-à-dire que son diamètre est important par rapport à celui du tube cylindrique de séparation 5 qui constitue ladite chambre de séparation. Ceci assure un écoulement assez lent et faiblement turbulent dans la chambre d'alimentation afin de permettre une répartition à égalité de l'écou- lement entre les deux conduits d'injection 4 de chaque paire. Ces conduits font pénétrer le mélange dans la chambre de mise en rotation 24 qui se continue par la chambre de séparation 5. Ils sont diamétralement opposés dans chaque paire et tangentiels par rapport à cette chambre. Ils présentent des sections rectangulaires. Leurs parois latérales, c'est-à-dire parallèles à l'axe A-convergent avec un angle de 230. Leur longueur est au moins égale à trois fois leur largeur minimale mesurée circonférentiellement qui est de 6,2 mm. Leur angle de convergence a été choisi pour empêcher un décollement du liquide lors de sa mise en vitesse.
Les vitesses d'injection sont typiquement de l'ordre de 4 mus à 8 m/s suivant la taille des appareils. Le diamètre de la chambre de séparation 5 est de 60 mm.
La position du manchon 6 est réglable de l'extérieur par ltin- termédiaire des deux tiges 7. Son réglage armet de maintenir presque constante la vitesse d'injection quel que soit le débit injecté (dans les limites de la capacité de l'appareil bien sûr). Pour cela, lorsque le débit d'entrée imposé diminue, ce manchon est déplacé pour obturer un nombre croissant des orifices d'entrée des conduits d'injection en commençant par ceux situés à l'aval, ceci afin que le noyau de centrage 8 soit efficace même lorsqu'il ne reste qu'un étage d'orifices en service. Les positions de service du manchon 6 sont choisies pour qu'aucun orifice ne soit obturé partiellement, et, plus précisément, pour que la lèvre 6a de ce manchon reste à distance des orifices ouverts les plus proches.
Pour cela les deux tiges diamètralement opposées 7 traversent de manière étanche le couvercle 30 de la chambre 3 et sont fixées, l'extérieur du séparateur, à une plaque 32 qui se déplace axialement sous l'action d'une vis axiale 34 coopérant avec un taraudage de cette plaque. Cette vis est maintenue longitudinalement par rapport à ce couvercle et est entraînée en rotation par une molette de réglage manuel 36. La plaque 32 porte un index 38 qui se déplace longitudinalement.devant une échelle 40 qui porte des repères indiquant les positions de service correctes du manchon 6.
Le noyau 8 permet d'éviter les instabilités qui pourraient être créées par des phénomènes de couche limite sur la paroi de fond de la chambre 24. Une telle instabilité empêcherait le barreau longitudinal formé par le rassemblement de la phase légère de se centrer sur l'axe du tube 5. Le risque qu'elles apparaissent est d'autant plus grand que les vitesses d'injection sont élevées et que le tube 5 est long.
Dans ces conditions, ledit écoulement hélicoidal se forme dans la chambre de mise en rotation 24 en regard du noyau stabilisateur 8.
Cet écoulement entraîne, dans la chambre de séparation 5, un écoulement du type vortex qui constitue ledit écoulement tourbillonnaire.
Dans un tel écoulement du type vortex la vitesse circonférentielle du liquide croit, à partir de la paroi de la chambre, lorsqu'on considére des points de plus en plus proche de l'axe A, jusqu'à une zone axiale dont le rayon est de l'ordre de la moitié ou du tiers de celui de la chambre. La formation de ce type d'écoulement est permise par le mode d'extraction de liquide dense qui sera décrit plus loin. Elle augmente l'efficacité de séparation, la phase légère se rassemblant en un bar reau axial.
Si, conformément à la figure 3, la chambre d'évacuation 12 qui sera décrite ci-après est équipée d'une ogive centrale 11, ce barreau n'a pas de vitesse axiale. On peut donc l'aspirer par un tube axial, soit à l'aval (tube 13), soit à l'amont. Compte tenu de la bonne stabilité du barreau, le débit d'eau enrichie en huile qui doit être extrait pour assurer une bonne épuration de l'eau est très faible, le mélange extrait étant très concentré en huile.
L'extraction du barreau par l'aval permet des débits d'extraction secondaire plus faibles, mais l'extraction par l'amont est plus adaptée au cas de fortes concentrations d'huile dans le liquide d'entrée (supérieures à 2%). En effet, si le tube d'extraction est saturé, l'huile non extraite est entrainée vers la sortie principale dans le cas d'une extraction aval alors qu'elle peut encore être récupérée par la force centrifuge en cas d'extraction amont.
Conformément à la figure 3, le séparateur comporte les éléments suivants à son extrémité de sortie : - guide divergent 10 pour l'évacuation du liquide épuré ctest-à-dire du liquide de sortie dense - noyau axial il emboîté dans le guide 10. Le rôle de ce guide et de ce noyau est la récupération d'énergie, essentiellement sur la vitesse axiale, et la stabilisation du barreau d'huile, tout en permettant l'extraction de ce dernier - chambre d'évacuation 12 - tube d'extraction 13 dont l'entrée constitue ladite sortie axiale de fluide léger et dont la sortie constitue ladite sortie secondaire du dispositif - tube de sortie d'eau épurée 14 constituant ladite sortie principale du dispositif.
Comme représenté l'extrémité de sortie de la chambre de séparation 5 présente la forme d'un cône convergent vers l'aval avec un demi angle au sommet de 600.
Le conduit de sortie formé entre le guide 10 et le noyau 11 présente une épaisseur de 3 mm environ et s'étend, en projection sur l'axe 1, sur une longueur de 10 mm.
Le tube d'extraction 13 présente un diamètre de 6 mm et pénètre axialement dans la chambre 5 sur une distance de 15 mm à partir de l'ouverture annulaire de sortie 20.
La sortie du liquide épuré est assurée tpar une ouverture de sortie 20 dont le diamètre extérieur, par exemple 18 mm, est de préférence trois ou quatre fois inférieur au diamètre du tube de séparation 5. A la fin de la contraction de l'écoulement ainsi réalisée, le guide 10 établit une brusque divergence à 450 Si l'écoulement était libre à l'intérieur de ce guide divergent, des phénomènes dits d'écoulements de retour axiaux viendraient déstabiliser le barreau d'huile axial et rendra#etit rextraction d'huile moins efficace. Le noyau 11 supprime ces écoulements de retour et empêche ainsi la perte d'énergie non négligeable provoquée par des écoulements de retour.Il permet en outre - d'améliorer la récupération de pression sur la vitesse axiale du liquide, comme le ferait un guide divergent libre à angle plus faible mais de bien plus grande longueur - de maintenir sans vibrations le tube d'extraction 13 dans cette zone de l'écoulement, ce qui est important car les vitesses très rapides de l'ordre de 10 m/s exigent une parfaite disposition et un parfait maintien des éléments.
De plus le guide 10 permet de récupérer de la pression sur la vitesse circonférentielle du liquide.
Quoique les moyens de commande du dispositif obturateur aient été représentés sur la figure 1 sous la forme de deux vis telles que 9 à maniement manuel il doit être compris qu'ils sont de prédérence constitués par un dispositif automatique sensible à la pression régnant dans la chambre d'alimentation 3 et maintenant cette pression sensiblement constante.
Les caractéristiques de fonctionnement du séparateur qui vient d'être décrit sont les suivantes - débit de liquide d'entrée traité : 0,5 l/s à 2 I/s - perte de charge entre l'entrée et la sortie principale : 0,8 bar - longueur de la chambre de séparation : 0,9 m - débit de liquide de sortie léger (enrichi en huile) : 3 à 8% du débit d'entrée si la teneur en huile du liquide d'entrée est de 1 à 2%, ce débit de liquide léger devant bien entendu être augmenté si cette teneur en huile augmente.
Le deuxième séparateur décrit est analogue au premier. Il en diffère par le fait que ledit dispositif obturateur mobile longitudinalement présente la forme d'un noyau axial obturateur 206 intérieur à la paroi 222 qui sépare la chambre de mise en rotation 224 de la chambre d'alimentation 203 et qu'il obture donc des orifices de sortie desdits conduits d'injection 204. Il pénétre axialement plus ou moins dans la chambre de mise en rotation, et porte un noyau stabilisateur axial 208 qui, comme le noyau 8 du premier séparateur, va en s'amincissant du côté de la chambre de séparation 5. Il y a toujours des conduits d'injection ouverts en regard de la partie la plus large du noyau 208, de manière à assurer toujours une bonne stabilisation de l'écoulement hélicoïdal.
La position du moyen obturateur 206 est commandée à l'aide d'une vis axiale 209 fixée dans cet obturateur et traversant de manière étanche le couvercle 230 de la chambre 3. Toute rotation de cette vis est empêchée par un ergot 232 qu'elle porte et qui se déplace dans une rainure longitudinale 236 formée dans une surépaisseur de ce couvercle. Un écrou moleté 236 est maintenu longitudinalement par rapport à cette surépaisseur et coopère avec cette vis pour la déplacer axialement. Cette vis porte un index 238 qui sedéplacedevant une règle 240 qui porte des repères correspondant aux positions de service correctes du noyau 206.
Le troisième séparateur selon l'invention diffère des deux premiers notamment par le fait que le nombre desdites tuyères convergentes en service est indépendant de la position du dispositif obturateur mobile. Une face de ce dispositif (la face de guidage précédemment mentionnée) constitue l'une des parois de chacune de ces tuyères de manière à faire varier la section de passage de cette tuyère, sans pour autant jamais compromettre le caractère progressif de la mise en vitesse du liquide. Conformément aux figures 5 et 6 il en diffère aussi par des dispositions tendant à augmenter la vitesse circonférentieile du liquide dans la chambre de séparation 105 sans qu'il soit néces saire pour cela d'augmenter la vitesse des jets d'injection, et sans compromettre la stabilité de l'écoulement.
Pour cela les parois des chambres de mises en rotation 124, 126 et de séparation 105 présentent chacune un diamètre sensiblement invariable longitudinalement, le diamètre de la paroi de la chambre de mise en rotation étant supérieur à 1,5 fois celui de la chambre de séparation pour obtenir une vitesse circonférentielle élevée dans la chambre de séparation. Ces deux chambres sont raccordées par un conduit d'accélération coaxial 142 à double paroi dont une paroi extérieure 128 constitue une paroi de raccordement tronconique. Une paroi intérieure de ce conduit est constituée par un prolongement convergent 108B d'un noyau axial stabilisateur 108 dont une partie cylindrique 108A stétend coaxialement dans la chambre de mise en rotation 124, 126.Chaque section de conduit par un plan perpendiculaire audit axe A présente une section de passage annulaire avec un rayon extérieur et un rayon intérieur qui décroissent tous deux progressivement vers l'aval et avec une aire qui varie progressivement selon les variations de ces rayons. Ces variations sont telles que cette aire décroisse vers l'aval et impose au liquide une vitesse axiale accrue en sortie de ce conduit. Le noyau comporte encore un prolongement 108C à rayon décroissant vers l'aval dans un tronçon d'entrée de la chambre de séparation, de manière que ladite vitesse axiale accrue en sortie du conduit d'accélération 142 crée, à l'entrée de la chambre de séparation 105, une distribution de vitesse favorable à la formation d'un écoulement stable du type vortex.
Plus particulièrement ladite chambre de mise en rotation eomporte une chambre d'entraînement en rotation 124 dans la paroi de laquelle débouchent lesdits conduits d'injection 104, et une chambre d'uniformisation de rotation 126 disposée en aval de la précédente et présentant les mêmes rayons extérieur et intérieur. L'aire de la section de passage du liquide à la sortie dudit conduit d'accélération 142 est comprise entre 0,9 et 0,5 fois l'aire de la section de passage à l'entrée de ce conduit. Le rayon extérieur de ladite chambre de mise en rotation 124, 126 est compris entre 1,5 fois et 3 fois celui de ladite chambre de séparation. Lesdits éléments à rayon variable sont tronconiques ou coniques. Le demi angle au sommet du cône de ladite paroi extérieure 128 du conduit d'accélération 142 est compris entre 5 et 40 degrés.Le demi angle au sommet du cône du prolongement 108C dudit noyau coaxial dans la chambre de séparation 105 est compris entre 5 et 30 degrés.
Plus particulièrement encore l'axe A du séparateur est vertical, la zone d'entrée étant en haut et celle de sortie en bas. Cette zone d'entrée est alimentée par un tube 101 transportant un mélange huile-eau sous pression, par exemple 3 à 6 bars. Ce tube introduit le liquide d'entrée tangentiellement dans une chambre d'alimentation annulaire 103 dont la paroi extérieure est représentée en 103A, de manière à faire tourner ce liquide dans le sens prévu pour le vortex qui doit assurer la séparation des phases dense et légère. L'espace central de cette chambre annulaire est occupé par une paroi épaisse 122 qui entoure une chambre d'entrafnement en rotation 124. La partie centrale de la chambre 124 est occupée par ledit noyau axial 108.La paroi 122 est percée de deux conduits d'injection 104 diamétralement opposés présentant la forme de canaux à section en U à base -plate. Chacun de ces conduits constitue partiellement l'une des tuyères précédemment mentionnées qui assurent l'injection tangentielle du liquide d'entrée dans la chambre 124 de manière à lty faire tourner dans le sens prévu pour le vortex.
Comme précédemment les deux parois latérales telles que I04B de chaque conduit 104 convergent avec un angle de 23 degrés, et la longueur de ces conduits est au moins égale à trois fois leur largeur minimale mesurée circonférentiellement qui est de 6,2 mm.
Les vitesses d'injection sont typiquement de l'ordre de 4 m/s à 8 ms suivant la taille des appareils et la nature du mélange à traiter.
Le diamètre de la chambre 124 est de 70 mm.
La hauteur des deux tuyères d'injection 104 mesurée parallèlement à l'axe A est réglable par coulissement longitudinal c'est-à-dire vertical des blocs obturateurs 130 qui sont pour cela portés par un disque 132 (figures 6 et 7) situé au-dessus de la chambre 124. Ce disque est déplacé par Uii# molette 136 qui porte à deux filetages dont l'un est intérieur et coopère avec un filetage formé- sur une tige axiale 134 qui porte le disque. Cette molette permet, lorsque le débit varie, de faire varier la hauteur des tuyères d'injection 104 entre la paroi de base fixe 104A et la face de guidage mobile 130A.Des index de repérage non représentés sont prévus sur cette molette et sur la surface fixe d'un bloc supérieur 138 en regard de celle-ci pour permettre de connaître de l'extérieur la position des blocs obturateurs 130. On maintient ainsi une vitesse d'injection convenable dans la chambre 124.
La paroi 122 de la chambre d'entraînement en rotation est formée dans un bloc inférieur 122A. La tige 134 est maintenue dans le bloc supérieur 138 qui comporte un filetage coopérant avec un filetage extérieur de la molette 136 dont les deux filetages ont des pas différents. Ces deux blocs sont réunis par une virole cylindrique 140 dont une partie intermédiaire constitue la paroi 103A de la chambre d'alimentation. La chambre de séparation 105 est fixée coaxialement au bas du bloc inférieur 122A.
Le noyau 108 comporte une zone d'appui 108D qui vient s'appuyer sur le bord supérieur de la paroi épaisse 122 et qui présente un diamètre sensiblement égal au diamètre extérieur de cette paroi, par exemple 110 mm, puis, sous cette zone d'appui, une zone de centrage 108E de diamètre égal au diamètre intérieur de la paroi 122, par exemple 70 mm, puis une zone 108A avec un diamètre plus petit, par exemple 55 mm, dans la chambre d'entraînement en rotation 124 et la chambre d'uniformisation de rotation 126 située sous la précédente.
Le conduit d'accélération 142 est creusé dans le bloc inférieur 122A qui constitue sa paroi extérieure 128, sa paroi intérieure étant constituée par le prolongement 108B du noyau 108. En sortie de ce conduit les diamètres extérieur et intérieur sont de 40 mm et 23 mm, la hauteur de ce conduit étant de 50 mm, par exemple.
Le prolongement conique 108C s'étend sur une hauteur de 40 mm par exemple, dans la chambre de séparation 105 qui est constituée par un tube dont la hauteur est de 1 m par exemple.
L'extrémité de sortie du séparateur peut être réalisée de la ~me manière que celle du séparateur décrit ci-dessus, conformément à la figure 3.
Ce troisième séparateur selon l'invention qui vient d'être décrit présente des performances un peu meilleures que le premier ou le deuxième mais il est un peu plus coûteux à réaliser.
Claims (10)
1/ Séparateur à vortex pour liquide hétérogène à débit variable, ce séparateur étant plus précisément prévu pour recevoir un débit d'entrée variable d'un liquide d'entrée sous pression contenant des parti cules d'une densité différente et pour fournir d'une part un fluide de sortie liquide épuré au moins partiellement débarrassé de ces particules et d'autre partun fluide de sortie concentré dans lequel la concentration du matériau de ces particules est accrue, l'un de ces fluides de sortie étant un fluide dense et l'autre un fluide léger,ce séparateur comportant - une chambre de séparation (5) tubulaire alongée selon un axe (A) et présentant une forme de révolution autour de cet axe, cette chambre comportant une entrée pour recevoir ledit liquide d'entrée sous la forme d'un écoulement d'entrée hélicoïdal autour de cet axe, de manière à former dans cette chambre un écoulement tourbillonnaire coaxial présentant une vitesse circonférentielle supérieure à sa vitesse axiale pour que la force centrifuge rassemble ledit fluide léger dans une zone de rassemblement axiale, - une ouverture (13) de sortie de fluide léger pour prélever ce fluide dans cette zone, - une ouverture de sortie de fluide dense formée à distance dudit axe pour prélever ce fluide, - une chambre d'alimentation (3) recevant le liquide d'entrée sous pression au voisinage de ladite extrémité d'entrée de la chambre de séparation, - une chambre de mise en rotation (2#) disposée coaxialement à ladite entrée de la chambre de séparation pour fournir ledit écoulement d'entrée hélicoldal à cette dernière chambre, cette chambre de mise en rotation étant alimentée par ladite chambre d'alimentation par l'intermédiaire de conduits d'injection directifs (#, 104) dirigés tangentiellement, le nombre de ces conduits étant de un au moins, pour former le même nombre de jets d'injection transportant ledit débit d'entrée variable et propres, par l'effet de leur vitesse, à entralner en rotation le liquide dans la chambre de mise en rotation et à établir ainsi cet écoulement hélicoTdal, chacun de ces conduits présentant une entrée dans la chambre d'alimentation et une sortie dans la chambre de mise en rotation, - et un dispositif obturateur commandable pouvant prendre plusieurs positions de service pour obturer plus ou moins lesdits conduits dtin- jection (4) et pour constituer avec ces conduits un ensemble d'injection à section de passage globale variable de la chambre d'alimentation à la chambre de mise en rotation, de manière que, lorsque ledit débit d'entrée décroit jusqu'à une valeur minimale, la commande de ce dispositif permette de supprimer une fraction des jets d'injection pour conserver la vitesse de la fraction restante et empêcher ainsi la vitesse circonférentielle dudit écoulement tourbillonnaire de descendre au-dessous d'un seuil inférieur au-dessous duquel cet écoulement tourbillonnaire ne serait plus stable, et/ou n'assurerait plus une séparation suffisante, et de manière que, lorsque le débit d'entrée croit jusqu'à sa valeur maximale, la commande de ce dispositif permette de former complétement ces jets d'injection pour maintenir la vitesse de ces jets au-dessous d'une limite supérieure à partir de laquelle une énergie excessive serait employée pour former ces jets, - ce séparateur étant caractérisé par le fait que, dans toutes lesdites positions de service du dispositif obturateur (6, 30, 32), ledit ensemble d'injection (4, 6, 104, 130, 132) forme des tuyères convergentes (4, 104, 130) conduisant le liquide d'entrée entre des parois latérales continues définissant des sections de passage progressivement décroissantes pour assurer une mise en vitesse progressive de ce liquide sans faire apparaître de décollements de filets liquides ni de gradients de vitesses locaux importants susceptibles de dissiper une énergie parasite sensible.
2/ Séparateur selon la revendication 1, caractérisé par le fait que lesdits conduits d'injection (4) sont creusés dans une paroi (22) sensiblement cylindrique coaxiale au séparateur et séparant lesdites chambres d'alimentation (3) et de mise en rotation (8), cette paroi étant suffisamment épaisse pour que la longueur desdites tuyères permette une mise en vitesse progressive du liquide d'entrée.
3/ Séparateur selon la revendication 1, caractérisé par le fait que lesdits conduits d'injection (4) sont au nombre de deux au moins et constituent chacun une dite tuyère convergente capable d'assurer la mise en vitesse progressive du liquide d'entrée, ledit dispositif obturateur comportant des moyens d'obturation (6) propres à venir s'appliquer sur des orifices de commande, qui sont des entrées ou des sorties de ces conduits, pour fermer ces orifices et les conduits correspondants, chacune desdites positions de service de ce dispositif étant telle que ces moyens ferment complètement certains de ces orifices de commande tout en restant à distance de ceux qui restent ouverts, de manière à ne pas perturber l'écoulement du liquide d'entrée au voisinage de ces orifices ouverts.
4/ Séparateur selon la revendication 3, dans lequel ledit dispositif obturateur et ses dits moyens d'obturation sont constitués par un manchon mobile (6).
5/ Séparateur selon la revendication 4, caractérisé par le fait que lesdits conduits d'injection (4) sont répartis en plusieurs étages qui se succèdent selon la direction longitudinale du séparateur en laissant entre eux des intervalles pleins sans conduits, chaque étage comportant plusieurs conduits en succession angulaire régulière, ledit manchon (6) présentant une surface de forme générale cylindrique coaxiale à ladite chambre de mise en rotation et s'étendant longitudinalement à partir d'une lèvre (6a) sensiblement circulaire coaxiale de manière à obturer complètement tous les conduits d'injection situés longitudinalement d'un côté de cette lèvre en laissant ouvert tous les autres, ce manchon étant mobile longitudinalement, et sa lèvre venant dans l'un desdits intervalles pleins entre deux étages de conduits d'injection, dans chacune desdites positions de service du manchon, sauf celle qui laisse tous les conduits ouverts.
6/ Séparateur selon la revendication 5, caractérisé par le fait que ledit manchon mobile (6) est disposé dans ladite chambre d'alimentation (3 ) et obture les orifices d'entrée de ceux desdits conduits d'injection (4) qui sont disposés par rapport à sa lèvre, longitudinalement du côté de ladite chambre de séparation (5).
7/ Séparateur selon la revendication 1, caractérisé par le fait que lesdits conduits d'injection (104) qui s'étendent chacun selon sa lon gueur de ladite chambre d'alimentation (103) vers ladite chambre de mise en rotation (124) présentent chacun deux surfaces latérales (104B) planes prismatiques ou cylindriques à génératrices parallèles à la direction longitudinale du séparateur, ces deux surfaces convergeant vers cette chambre de mise en rotation, - ce conduit présentant encore une surface de base (104A) joignant ces deux surfaces latérales sur la longueur du conduit, - ledit dispositif obturateur étant mobile selon ladite direction longitudinale et comportant, pour chacun de ces conduits, un bloc obturateur (130) présentant une face de guidage de liquide (130A) s'étendant de l'une à l'autre desdites surfaces latérales de ce conduit sur la longueur de celui-ci, - ce bloc présentant en outre au moins une face d'obturation (130B) obturant le conduit du côté de ladite face de guidage opposé à celui de ladite surface de base (104A) de manière à former une dite tuyère dont deux parois latérales opposées convergentes sont constituées par une partie au moins desdites surfaces latérales (104B) du conduit et dont deux autres parois opposées sont écartées d'une distance commandable et sont constituées par ladite surface de base (104A) et ladite face de guidage (130A).
8/ Séparateur selon la revendication 7, caractérisé par le fait que ledit dispositif obturateur comporte en outre une pièce de liaison (132) pour faire coulisser ensemble selon ladite direction longitudinale lesdits blocs obturateurs (130) des divers conduits d'injection (104), ces conduits et ces blocs présentent une symétrie autour dudit axe (A), de manière à constituer un dit ensemble d'injection (104, 130) présentant ladite symétrie pour toutes lesdites positions de service du dispositif obturateur (130, 132).
9/ Séparateur selon la revendication 7, caractérisé par le fait que les formes desdites surfaces de base (104A) et face de guidage de liquide (130A) conservent à ladite tuyère (104B, 104A, 130A) un même taux de convergence quelle que soit la position du bloc obturateur (130).
10/ Séparateur selon la revendication 1, caractérisé par le fait que lesdites tuyères (4) débouchent dans ladite chambre de mise en rota tion (24) en regard d'un noyau stabilisateur axial (8) guidant le mouvement circonférentiel du liquide dans cette chambre.
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