KR102087240B1 - 디스크 적층체를 갖는 원심 분리기 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 프레임(24), 및 회전 부품을 회전축(x) 주위에서 프레임에 대해 회전시키도록 구성되는 구동 부재로서, 회전 부품은 분리 챔버(12)를 포위하는 원심분리기 회전자(10)를 포함하는, 구동 부재를 포함하는 원심 분리기(9)를 제공한다. 분리 챔버는 서로 거리를 두고 회전축(x) 주위에 동축으로 배열되는 분리 디스크의 적층체(13)를 포함하고 그에 따라 통로를 각각의 2개의 인접 분리 디스크 사이에 형성한다. 분리 디스크의 적층체는 A 이하의 외경을 갖는 제1 타입의 분리 디스크(1), 및 B 이상의 외경을 갖는 적어도 하나의 제2 타입의 분리 디스크(6b)를 포함하고, 직경(B)은 직경(A)보다 크다. 제2 타입의 분리 디스크 중 적어도 하나가 분리 디스크의 총 개수 중 상부 15% 내에 있는 디스크 적층체 내의 위치에 배열되고, 상기 제1 타입의 분리 디스크 중 적어도 하나가 제2 타입의 최상부 분리 디스크로부터 축방향으로 위에 배열된다.

Description

디스크 적층체를 갖는 원심 분리기
본 발명은 원심 분리기의 분야에, 그리고 더 구체적으로 원심 분리기를 위한 디스크 패키지에 관한 것이다.
원심 분리기는 일반적으로 액체의 분리에 및/또는 액체로부터의 고체의 분리에 사용된다. 동작 중, 분리될 액체 혼합물이 회전 볼(bowl) 내로 유입되고, 무거운 입자 또는 더 큰 밀도의 액체, 대개 물이 회전 볼의 주변부에 축적되고, 반면에 더 작은 밀도의 액체는 중심 회전축에 더 근접하여 축적된다. 이것은 예컨대 각각, 주변부에 그리고 회전축에 근접하게 배열되는 상이한 출구에 의해, 분리된 비율의 수집을 가능케 한다.
원심 분리기의 개발 초기로부터, 디스크 패키지 내의 각각의 분리 디스크에 디스크의 절두원뿔형 부분으로부터 반경방향으로 외부측으로 연장하는 브림(brim)을 제공하여 디스크의 기계적 안정성을 개선하는 것이 알려져 있고, 예컨대 제SE 22981호를 참조하기 바란다.
브림이 제공되는 단일 분리 디스크를 갖는 디스크 적층체로서, 브림은 디스크 적층체의 나머지 분리 디스크로부터 반경방향으로 외부측으로 연장하는, 디스크 적층체가 또한 이전부터 알려져 있고, 제SE 227107호를 참조하기 바란다. 이것은 디스크 적층체를 가벼운 상(phase)의 세척이 최적화되는 제1 섹션(정화기 동작 모드) 그리고 무거운 상의 세척이 최적화되는 제2 섹션(농축기 동작 모드)으로 분할하는 데 사용된다.
또한, 제WO 2013/171160호는 제1 및 제2 세트의 분리 디스크를 포함하는 분리기로서, 여기서 제2 세트의 디스크는 제1 세트의 직경보다 큰 외경(B)을 갖고, 적어도 2개의 제1 세트의 분리 디스크가 각각의 2개의 제2 세트의 분리 디스크 사이에 배열되는, 분리기를 개시한다.
처리 용량에 관련되는 원심 분리기의 성질은 인증 유동 속도(certified flow rate)(CFR)이다. CFR은 일반적으로 원심분리기 회전자가 가동되고 30분 후에 분리 효율이 85%인 유동 속도로서 정의된다.
그러나, 증가된 처리 용량을 갖는 분리기에 대한 본 기술분야에서의 필요성이 있다.
본 발명의 주 목적은 예컨대 중유 또는 윤활유를 위한, 증가된 처리 용량을 갖는 원심 분리기를 제공하는 것이다.
본 발명의 제1 양태로서, 원심 분리기이며,
프레임, 회전 부품을 회전축(x) 주위에서 프레임에 대해 회전시키도록 구성되는 구동 부재로서, 회전 부품은 분리 챔버를 포위하는 원심분리기 회전자를 포함하는, 구동 부재를 포함하고,
분리 챔버는 서로 거리를 두고 회전축(x) 주위에 동축으로 배열되는 분리 디스크의 적층체를 포함하고 그에 따라 통로를 각각의 2개의 인접 분리 디스크 사이에 형성하고, 또한
분리 디스크의 적층체는 A 이하의 외경을 갖는 제1 타입의 분리 디스크, 및 B 이상의 외경을 갖는 적어도 하나의 제2 타입의 분리 디스크를 포함하고, 직경(B)은 직경(A)보다 크고, 제2 타입의 분리 디스크 중 적어도 하나가 분리 디스크의 총 개수 중 상부 15% 내에 있는 디스크 적층체 내의 위치에 배열되고, 상기 제1 타입의 분리 디스크 중 적어도 하나가 제2 타입의 최상부 분리 디스크로부터 축방향으로 위에 배열되는,
원심 분리기가 제공된다.
원심 분리기는 가스 혼합물 또는 액체 혼합물과 같은, 유체 혼합물의 분리를 위한 것이다. 유체 혼합물은 오일일 수 있다. 원심 분리기의 프레임은 비-회전 부품이고, 회전 부품은 볼 베어링을 포함할 수 있는, 적어도 하나의 베어링 디바이스에 의해 프레임에 의해 지지된다. 분리기의 회전 부품은 원심분리기 회전자를 포함한다. 원심분리기 회전자는 대개 스핀들, 즉 회전 샤프트에 의해 지지되고, 그에 따라 스핀들과 함께 회전하도록 장착될 수 있다. 스핀들은 그에 따라 회전축 주위에서 회전가능하다. 원심 분리기는 원심분리기 회전자가 그 단부 중 하나에서, 예컨대 회전자의 저부 단부 또는 상부 단부에서 스핀들에 의해 지지되도록 배열될 수 있다.
원심분리기 회전자는 유체 혼합물의 분리가 일어나는 분리 챔버를 회전자 벽에 의해 포위한다. 분리기는 분리될 유체를 위한 입구 그리고 분리된 유체를 위한 적어도 하나의 출구를 또한 포함한다. 원심분리기 회전자는 그 외주연부에서 간헐적으로 개방가능한 출구의 형태로 된 한 세트의 반경방향 슬러지(sludge) 출구를 추가로 포함할 수 있다. 이들은 분리될 유체 내의 슬러지 또는 다른 고체와 같은 더 큰 밀도의 성분의 방출을 위한 것일 수 있다. 원심분리기 회전자는 그 외주연부에서 슬러지 및/또는 무거운 상의 특정 유동이 연속적으로 방출되는 개방 노즐을 또한 포함할 수 있다.
분리기의 회전 부품을 회전시키는 구동 부재는 회전자 및 고정자를 갖는 전기 모터를 포함할 수 있다. 회전자는 회전 부품에 고정 연결될 수 있다. 유리하게는, 전기 모터의 회전자는 회전 부품의 스핀들 상에 제공되거나 그에 고정될 수 있다. 대안으로서, 구동 부재는 스핀들 옆에 제공되어 벨트 또는 기어 트랜스미션과 같은, 적절한 트랜스미션에 의해 회전 부품을 회전시킬 수 있다.
분리 챔버는 분리 디스크의 적층체를 추가로 포함한다. 적층체는 제1 타입의 분리 디스크 그리고 적어도 하나의 제2 타입의 분리 디스크를 포함한다. 각각의 제1 및 제2 타입의 분리 디스크에는 반경방향에 대해 경사진 분리 표면을 갖는 분리 부분이 제공된다. 분리 표면은 분리 디스크의 절두원뿔형 부분일 수 있다. 분리 표면의 경사각은 반경방향에 대해 30-50˚의 범위 내에 있거나, 바람직하게는 약 40˚일 수 있다.
제1 및 제2 타입의 분리 디스크는 서로 거리를 두고 회전축 주위에 동축으로 배열되어 통로를 각각의 2개의 인접 분리 디스크 사이에 형성한다. 분리 디스크는 바람직하게는 디스크 패키지 내의 분리 디스크의 경사형 분리 부분의 기부 부분이 동일한 방향으로 향하도록 배열된다. 디스크 패키지 내의 분리 디스크는 분리될 유체가 2개의 세트 중 임의의 것의 각각의 2개의 인접 분리 디스크 사이의 통로 내에서 반경방향으로 내향으로 유동하도록 배열된다.
분리 디스크의 디스크 적층체는 분배기 상에 배열된다. 본 개시내용에서, 축 방향은 또 다른 디스크로부터 축방향으로 위에 배열되는 디스크가 분배기로부터 더 멀리 떨어져 배열되도록 한정된다. 분배기 상에 배열되는 디스크는 그에 따라 축방향 저부 위치를 형성하고, 반면에 분배기로부터 더 멀리 떨어진 디스크는 축방향 최상부 위치를 형성한다.
따라서, 디스크 적층체의 상부 부분은 디스크 적층체의 하부 부분에 비해 분배기로부터 더 멀리 떨어져 있다.
제1 타입의 분리 디스크의 외경은 그것들이 A 이하의 외경을 갖기만 하면 변할 수 있다. 대안적으로, 제1 타입의 분리 디스크는 외경(A)을 갖는다. 마찬가지로, 제2 타입의 분리 디스크의 외경은 그것들이 B 이상의 외경을 갖기만 하면 변할 수 있다. 대안적으로, 각각의 제2 타입의 분리 디스크는 외경(B)을 가질 수 있다.
또한, 디스크 패키지는 제2 타입의 분리 디스크 중 적어도 하나가 분리 디스크의 총 개수 중 상부 15% 내에 있는 디스크 적층체 내의 위치에 배열되도록 배열된다. 상부 부분은 그에 따라 분배기로부터 축방향으로 가장 멀리 떨어진 디스크 적층체의 부분이다. 바꿔 말하면, 디스크 적층체가 N개의 디스크를 포함하고, 위치(P1)가 상부 디스크에 가장 근접하고, 위치(PN)가 분배기에 가장 근접한 위치이면, 디스크 적층체는 위치(Pn)를 갖는 적어도 하나의 제2 타입의 디스크를 포함하고, 여기서 n/N≤0.15이다. 따라서, n은 1과 N 사이에 있다.
또한, 디스크는 상기 제1 타입의 분리 디스크 중 적어도 하나가 제2 타입의 최상부 분리 디스크로부터 축방향으로 위에 배열되도록 배열된다. 이것은 디스크 적층체 내의 최상부 디스크가 제2 타입의 디스크가 아니라는 것을 의미한다. 예로서, 적어도 하나, 예컨대 적어도 2개, 예컨대 적어도 5개, 예컨대 적어도 10개의 상기 제1 타입의 분리 디스크가 제2 타입의 최상부 분리 디스크로부터 축방향으로 위에 배열될 수 있다.
그러나, 실시예에서, 디스크 적층체는 분배기와 상부 디스크 사이에 배열된다. 상부 디스크는 제2 타입의 디스크가 아니다. 그러나, 상부 디스크는 제1 타입의 분리 디스크보다 큰 반경을 갖고 그에 따라 분리된 액체를 분리기 외부로 안내할 수 있다. 상부 디스크는 디스크 적층체의 분리 디스크에 비해 더 큰 두께를 추가로 가질 수 있다.
회전자의 내부 벽에는 원뿔형일 수 있는, 벽 부분이 제공될 수 있고, 제2 타입의 분리 디스크는 적어도 1 mm, 바람직하게는 적어도 1.5 mm의 각각의 디스크의 외주연부와 회전자 벽 부분 사이의 통로가 있도록 디스크 적층체 내에 배열될 수 있다.
본 발명의 제1 양태는 상부 부분 내에 더 큰 직경을 갖는 디스크를 갖는 디스크 적층체를 갖는 것이 분리기의 인증 유동 속도(CFR)를 증가시키고, 즉 그것은 처리 용량을 증가시킨다는 통찰력에 기초한다. 제1 양태에 따른 것과 같이 더 큰 직경을 갖는 디스크의 위치가 CFR을 최대 10%만큼 증가시킬 수 있다는 것이 시험 중에 검증되었다.
이러한 효과는 이미 분리된 상의, 그것이 디스크 적층체로부터 반경방향으로 배출될 때의, 더 적은 재혼합에 기인할 수 있고, 즉 더 큰 직경의 디스크는, 분리된 상이 디스크 적층체 내에 있다가 디스크 적층체로부터 반경방향으로 외향으로 배출되고 그에 따라 디스크 적층체 내로 진입하는 유체 혼합물과 재혼합될 위험성을 방지하거나 감소시킬 수 있다.
본 발명의 제1 양태의 실시예에서, 제2 타입의 분리 디스크 중 적어도 하나가 분리 디스크의 총 개수 중 상부 5-15% 내에 있는, 예컨대 분리 디스크의 총 개수 중 상부 5-12% 내에 있는 디스크 적층체 내의 위치에 배열된다.
본 발명의 제1 양태의 실시예에서, 제2 타입의 분리 디스크 중 적어도 하나가 분리 디스크의 총 개수 중 상부 10-12% 내에 있는 디스크 적층체 내의 위치에 배열된다.
따라서, 위의 정의와 유사하게, 디스크 적층체가 N개의 디스크를 포함하고, 위치(P1)가 최상부 위치이고, 위치(PN)가 분배기에 가장 근접한 위치이면, 디스크 적층체는 위치(Pn)를 갖는 적어도 하나의 제2 타입의 분리 디스크를 포함하고, 여기서 0.10≤n/N≤0.12이다. 이것은 증가된 인증 유동 속도를 부여한다는 것을 입증하였다.
본 발명의 제1 양태의 실시예에서, 직경(B)은 직경(A)보다 3-15% 크고, 예컨대 직경(A)보다 4-14% 크다. 직경(B)은 또한 직경(A)보다 5-12% 클 수 있다.
또한, 직경(B)은 직경(A)보다 10-50 mm, 예컨대 10-25 mm 클 수 있다. 따라서, 분리된 입자가 디스크 패키지의 분리 통로 내로 재순환될 위험성은 디스크 패키지로부터 반경방향으로 외부측으로의 분리를 위한 개방 공간을 유지하면서 최소화된다.
제1 및 제2 타입의 분리 디스크는 공통의 내부 반경방향 위치로부터 연장할 수 있다. 경사형 분리 부분의 반경방향 크기 및 경사는 전체적으로 2개의 타입의 분리 디스크에 대해 그리고 디스크 패키지에 대해 유사할 수 있다.
또한, 원심 분리기는 10개 미만의 제2 타입의 디스크, 예컨대 적어도 5개 미만, 예컨대 3개 미만, 예컨대 2개 미만의 제2 타입의 디스크를 포함할 수 있다.
본 발명의 제1 양태의 실시예에서, 제2 타입의 디스크는 분리 디스크의 총 개수 중 상부 15% 내에 배열되는 제2 타입의 디스크가 디스크 적층체의 잔여부 내에, 즉 분리 디스크의 총 개수 중 하부 85% 내에 배열되는 것보다 많도록 적층체 내에 분포된다.
따라서, 예로서, 제2 타입의 디스크는 분리 디스크의 총 개수 중 상부 15% 내에 배열되는 제2 타입의 분리 디스크가 디스크 적층체의 잔여부 내에 배열되는 것보다 많도록 적층체 내에 분포되고, 적어도 적어도 1개, 예컨대 적어도 2개, 예컨대 적어도 5개, 예컨대 10개의 제1 타입의 분리 디스크가 제2 타입의 최상부 분리 디스크로부터 축방향으로 위에 배열된다.
제1 양태의 실시예에서, 제2 타입의 분리 디스크 중 적어도 50%가 분리 디스크의 총 개수 중 상부 15% 내에 있는 디스크 적층체 내의 위치에 배열된다.
제1 양태의 실시예에서, 모든 제2 타입의 디스크가 분리 디스크의 총 개수 중 상부 15% 내에, 예컨대 분리 디스크의 총 개수 중 상부 10-12% 내에 배열된다.
본 발명의 제1 양태의 실시예에서, 디스크 적층체는 단일의 제2 타입의 분리 디스크를 포함한다. 이러한 단일의 제2 타입의 디스크는 그에 따라 분리 디스크의 총 개수 중 상부 15% 내에, 예컨대 분리 디스크의 총 개수 중 상부 10-12% 내에 배열된다.
따라서, 분배기에, 즉 적층체의 저부 단부에 가장 근접한 디스크 패키지의 하부 부분에는 제1 타입의 분리 디스크만이 제공될 수 있다.
따라서, 제1 양태의 실시예에서, 제2 타입의 분리 디스크의 모두가 분리 디스크의 총 개수 중 상부 50% 내에 배열된다.
예로서, 원심 분리기는 10개 미만의 제2 타입의 디스크, 예컨대 적어도 5개 미만, 예컨대 3개 미만, 예컨대 2개 미만의 제2 타입의 디스크를 포함할 수 있고, 이들 모두는 분리 디스크의 총 개수 중 상부 50% 내에, 예컨대 분리 디스크의 총 개수 중 상부 25% 내에, 예컨대 분리 디스크의 총 개수 중 상부 15% 내에 배열된다.
본 발명의 제1 양태의 실시예에서, 모든 제1 타입 및 제2 타입의 분리 디스크는 반경방향 위치(A)까지 연장하는 반경방향에 대해 동일한 경사를 갖는 분리 표면을 갖는다.
따라서, 제1 타입의 분리 디스크는 분리 디스크의 외경부까지 연장하는 반경방향에 대해 동일한 경사를 갖는 분리 표면을 가질 수 있다.
본 발명의 제1 양태의 실시예에서, 제2 타입의 분리 디스크는 분리 디스크의 외경부까지 연장하는 반경방향에 대해 동일한 경사를 갖는 분리 표면을 갖는다.
따라서, 제2 타입의 분리 디스크에는 아래에 설명되는 바와 같이, 어떠한 브림 부분도 없을 수 있다. 또한, 각각의 제1 타입의 분리 디스크의 경사형 분리 표면은 분리 디스크의 외경부까지 연장할 수 있다. 따라서, 또한, 제1 타입의 분리 디스크에는 기본적으로 어떠한 브림 부분도 제공되지 않고, 그에 따라 분리 표면을 최대화할 수 있다.
본 발명의 제1 양태의 실시예에서, 제2 타입의 분리 디스크는 직경(A)부로부터 반경방향으로 외부측에 형성되는 브림 부분을 갖고, 이러한 브림 부분은 분리 표면의 경사와 상이한 반경방향에 대한 경사를 갖는다.
브림 부분의 반경방향 크기는 직경(A)의 1.5-7.5%, 바람직하게는 2.5-6%일 수 있거나, 브림 부분의 반경방향 크기는 7-25 mm, 바람직하게는 10-15 mm일 수 있다.
경사형 분리 표면의 반경방향 크기는 제1 및 제2 타입의 분리 디스크에 대한 것과 유사할 수 있다.
예로서, 브림 부분의 반경방향에 대한 각도는 45˚ 미만, 바람직하게는 30˚ 미만, 더 바람직하게는 15˚ 미만, 가장 바람직하게는 0˚일 수 있다.
각도가 0에 근접하거나 0이면, 즉 브림 부분이 회전축에 직각인 평면 내에 있으면, 브림 부분은 분리 표면으로서 작용하지 않으면서 제1 타입의 분리 디스크로부터 반경방향으로 외부측에 유동 영역을 한정하도록 작용한다. 따라서, 각각의 제2 타입의 분리 디스크의 경사형 분리 표면은 직경(A)부까지 연장할 수 있다. 브림 부분의 각도는 디스크 적층체 내의 제2 타입의 분리 디스크와 동일할 수 있거나 그에 걸쳐 변할 수 있다.
브림 부분은 링형일 수 있고, 브림 부분의 표면은 평탄하고, 분리 표면을 둘러싸는 연속 시트의 재료로서 형성되고, 그에 의해 기본적으로 어떠한 구멍 또는 돌출부도 없이 제공될 수 있다. 따라서, 브림 부분에 의해 유발되는 난류의 양이 최소화된다.
본 발명의 제1 양태의 실시예에서, 각각의 2개의 인접 분리 디스크 사이에 형성되는 통로는 0.6 mm 미만, 예컨대 약 0.5 mm인 두께를 갖는 코크(caulk)의 형태로 되어 있다.
따라서, 적층체 내의 디스크들 사이의 통로는 0.6 mm 미만, 예컨대 약 0.5 mm인 축방향 거리를 가질 수 있다. 코크는 점-형성되고 및/또는 긴 스트립으로서 형성될 수 있다. 코크는 각각의 디스크의 상부 표면 또는 저부 표면 상에 있을 수 있다. 상부 표면은 그에 따라 분배기로부터 멀어지는 방향을 향하는 표면이고, 반면에 저부 표면은 분배기를 향하는 표면이다.
본 발명의 제1 양태의 실시예에서, 각각의 2개의 인접 분리 디스크 사이에 형성되는 통로는 긴 직선형 코크의 형태로 되어 있다. 직선형 코크는 디스크의 표면 상의 내부 반경부로부터 외부 반경부까지 연장하는 스트립의 형태로 되어 있다. 직선형의 긴 코크는 디스크의 반경부와 각도를 형성하는 방향으로 연장할 수 있다.
실시예에서, 각각의 2개의 인접 분리 디스크 사이에 형성되는 통로는 반경방향 코크의 형태로 되어 있다. 반경방향 코크는 회전축(x)으로부터 반경방향으로 연장하는 직선형 코크일 수 있다.
본 발명의 제1 양태의 실시예에서, 제1 타입의 디스크에는 디스크의 주변부에 배열되는 슬릿이 제공되고 그에 따라 분리될 유체의 유동을 디스크 적층체를 통해 그리고 그 위로 분배한다.
제1 타입의 분리 디스크에는 분리 부분의 외부 반경부를 향해 개방되는 절결부인 슬릿의 형태로 된 절결부가 제공될 수 있다. 이것은 절결부의 영역의 폐쇄의 위험성이 최소화되는 효과를 갖는다.
또한, 본 발명의 제1 양태의 실시예에서, 적어도 하나의 제2 타입의 디스크에는 제1 타입의 디스크 내의 슬릿과 반경방향으로 정렬되는 관통 구멍이 제공된다.
따라서, 제2 타입의 분리 디스크에는 분리 디스크의 외부 반경부를 향해 폐쇄되는 구멍의 형태로 된 절결부가 제공될 수 있다. 이것은 더 큰 직경의 분리 디스크의 기계적 성질을 개선하고 그에 따라 원심력에 대응할 수 있는 효과를 갖는다. 제2 타입의 디스크 내의 관통 구멍은 제1 타입의 슬릿과 반경방향으로 정렬되고, 그에 의해 디스크 적층체 전체를 통한 축방향 상승 채널을 형성한다. 분리될 유체는 그에 따라 그러한 상승 채널을 통해 축방향으로 운반되어 디스크 적층체 위로 분배될 수 있다.
따라서, 본 발명의 제1 양태의 실시예에서, 적층체 내의 모든 디스크는 디스크 적층체를 통한 축방향으로의 상승 채널을 형성하는 동일한 개수의 관통 구멍 또는 절결부를 갖는다.
제1 타입의 분리 디스크 상의 슬릿의 형태로 된 절결부 그리고 제2 타입의 분리 디스크 상의 구멍 형태로 된 절결부의 조합은 제2 타입의 분리 디스크 상의 절결부의 영역의 폐쇄 위험성을 추가로 최소화한다.
또한, 본 발명의 제1 양태의 실시예에서, 제2 타입의 디스크에는 A와 B 사이의 영역인, 최외각 영역에서 관통 구멍이 없다.
그러나, 제2 타입의 디스크에는 분리 표면에서도 관통 구멍이 없을 수 있다. 예컨대, 분리기는 단일의 제2 타입의 디스크를 수용할 수 있고, 이러한 단일 디스크에는 분리 표면에서 관통 구멍이 없을 수 있다.
본 발명의 제1 양태의 실시예에서, 원심 분리기는 단일의 분리 디스크의 적층체를 포함한다.
본 발명의 제1 양태의 구성으로서, 원심 분리기이며,
프레임, 회전 부품을 회전축(x) 주위에서 프레임에 대해 회전시키도록 구성되는 구동 부재로서, 회전 부품은 분리 챔버를 포위하는 원심분리기 회전자를 포함하는, 구동 부재를 포함하고,
분리 챔버는 서로 거리를 두고 회전축(x) 주위에 동축으로 배열되는 단일의 분리 디스크의 적층체를 포함하고 그에 따라 통로를 각각의 2개의 인접 분리 디스크 사이에 형성하고,
분리 디스크의 적층체는 A 이하의 외경을 갖는 제1 타입의 분리 디스크, 및 B 이상의 외경을 갖는 적어도 하나의 제2 타입의 분리 디스크를 포함하고, 직경(B)은 직경(A)보다 크고, 제2 타입의 분리 디스크 중 적어도 50%가 분리 디스크의 총 개수 중 상부 25% 내에 있는 디스크 적층체 내의 위치에 배열되고, 상기 제1 타입의 분리 디스크 중 적어도 하나가 제2 타입의 최상부 분리 디스크로부터 축방향으로 위에 배열되는,
원심 분리기가 제공된다.
예로서, 제2 타입의 분리 디스크의 모두가 분리 디스크의 총 개수 중 상부 25% 내에 있는 디스크 적층체 내의 위치에 배열될 수 있다.
예로서, 원심 분리기는 분리 디스크의 총 개수 중 상부 25% 내에 배열되는 단일의 제2 타입의 분리 디스크를 포함할 수 있다.
추가적인 예로서, 적층체 내의 모든 디스크가 동일한 개수의 관통 구멍 또는 절결부를 갖고 그에 따라 디스크 적층체를 통해 축방향으로 연장하는 상승 채널을 형성할 수 있다.
본 발명의 제2 양태로서, 오일로부터 불순물을 분리하는 방법이며,
a) 본 발명의 제1 양태를 따른 원심 분리기를 제공하여 상기 분리기의 상기 회전 부품을 회전시키는 단계;
b) 오일을 분리 챔버 내로 유입시키는 단계; 및
c) 상기 분리기로부터 2개의 상이한 상으로서 정화된 오일 및 분리된 불순물을 방출하는 단계
를 포함하는, 방법이 제공된다.
불순물은 입자를 포함할 수 있다. 분리된 입자는 원심분리기 회전자의 외주연부에 배열되는 간헐적으로 개방가능한 출구의 형태로 된 한 세트의 반경방향 슬러지 출구를 거쳐 방출될 수 있다. 정화된 오일은 상부 디스크로부터 축방향으로 위에 배열되는 출구를 거쳐 방출될 수 있다.
오일은 연료유 또는 윤활유일 수 있다. 또한, 오일은 중유(HFO) 및 윤활유로부터 선택될 수 있다. HFO는 ISO 8217에서, 석유 제품-연료(클래스 F)(Petroleum products-Fuels(class F))(Specification of marine fuels, Editions 2005 and 2012)로서 정의될 수 있다. 또한, 불순물은 촉매 미립자(cat fines)를 포함할 수 있다. 촉매 미립자는 긴 탄화수소 분자가 더 짧은 분자로 분해되는, 접촉 분해(catalytic cracking)로서 알려져 있는 원유의 정제 공정으로부터의 잔류물이다. 이들 입자는 연료유에서 바람직하지 않은데 그것들이 마모성이고 엔진 및 보조 장비에서 마모를 유발할 수 있기 때문이다. 연료유 내의 촉매 미립자의 농도는 보통 0과 60 ppm 사이에서 변한다. 촉매 미립자는 0.1 μm(마이크로미터) 내지 100 μm의 크기 범위 내에 있을 수 있다.
도 1은 분리 디스크의 실시예의 사시도를 도시한다.
도 2는 원심 분리기의 실시예의 일부를 도시한다.
도 3은 디스크 적층체 내의 제2 타입의 디스크의 위치를 추가로 도시한다.
본 개시내용에 따른 원심 분리기가 첨부 도면을 참조하여 하기의 설명에 의해 추가로 설명될 것이다.
도 1a에서, 디스크 적층체 내의 제1 타입의 분리 디스크(1)가 도시되고, 이것은 내부 및 외부 분리 표면을 갖는 절두원뿔형 분리 부분(2)을 갖는다. 분리 부분에는 거리를 제공하여 통로를 분리 디스크의 적층체에 의해 형성되는 적층체 내의 각각의 2개의 인접 분리 디스크 사이에 형성하는 직선형의 긴 코크(3)의 형태로 된 복수의 거리 부재가 제공된다. 도 1a의 코크(3)는 디스크(1)의 반경부와 각도를 이루어 형성되지만, 코크는 또한 직선형 반경방향 코크, 즉 디스크(1)의 반경부와 각도를 형성하지 않는 코크일 수 있다. 코크는 디스크의 절두원뿔형 분리 부분의 외부 표면에 체결되고, 디스크의 원주부 주위에 분포된다. 코크는 또한 또는 대안으로서 디스크의 내부 표면 상에 제공될 수 있다. 코크는 또한 디스크의 일체형 부분으로서 형성될 수 있다.
분리 디스크의 외경(A)은 이러한 실시예에서 308 mm이고, 경사형 분리 표면은 이러한 외경부까지 쭉 연장한다. 따라서, 분리 디스크의 반경방향 외부 부분(4)은 경사형 분리 표면의 일부이다. 디스크에는 분리 디스크의 이러한 반경방향 외부 부분(4)에서 슬릿(5)의 형태로 된 복수의 절결부가 제공되고, 이러한 슬릿은 분리 디스크의 외부 반경부를 향해 개방된다. 슬릿(5)의 개수는 코크의 개수에 대응하고, 슬릿은 코크들 사이에서 디스크의 원주부 주위에 분포된다.
도 1b에서, 디스크 적층체 내의 제2 타입의 분리 디스크(6a)가 도시되고, 이것은 내부 및 외부 분리 표면을 갖는 절두원뿔형 분리 부분(2')을 갖는다. 분리 부분에는 거리를 제공하여 통로를 분리 디스크의 적층체에 의해 형성되는 적층체 내의 각각의 2개의 인접 분리 디스크 사이에 형성하는 직선형의 긴 코크(3')의 형태로 된 복수의 거리 부재가 제공된다. 도 1b의 코크(3')는 디스크(6a)의 반경부와 각도를 이루어 형성되지만, 코크는 또한 직선형 반경방향 코크, 즉 디스크(6a)의 반경부와 각도를 형성하지 않는 코크일 수 있다. 코크는 디스크의 절두원뿔형 분리 부분의 외부 표면에 체결되고, 디스크의 원주부 주위에 분포된다. 도 1a의 디스크와 같이, 코크는 또한 또는 대안으로서 디스크의 내부 표면 상에 제공될 수 있다. 코크는 또한 디스크의 일체형 부분으로서 형성될 수 있다. 분리 표면은 직경(A)부까지 연장하고, 분리 표면으로부터 반경방향으로 외부측에서, 디스크에는 분리 디스크의 외경(B)부까지 연장하는 평탄형 브림(7)(즉, 반경방향에 대해 0도의 각도를 가짐)이 제공된다. 외경(B)은 이러한 실시예에서 328 mm이고, 외경(A)은 이러한 실시예에서 308 mm이다. 브림의 반경방향 연장부(L)는 L=(B-A)/2, 즉 10 mm이다. 외경(B)은 그에 따라 외경(A)보다 6.5% 크다. 디스크에는 분리 부분의 반경방향 외부 부분에서 관통 구멍(8)의 형태로 된 복수의 절결부가 제공되고, 이러한 절결부는 브림에 의해 분리 디스크의 외부 반경부를 향해 폐쇄된다. 구멍(8)의 개수는 코크의 개수에 대응하고, 구멍은 제1 타입의 분리 디스크(1)의 슬릿에 대응하는 위치에서 디스크의 원주부 주위에 분포된다.
도 1c는 추가적인 예의 제2 타입의 분리 디스크(6b)를 도시한다. 디스크(6b)는 도 1b에 대해 설명된 바와 같이 절두원뿔형 분리 부분(2') 및 직선형의 긴 코크(3')를 갖지만, 도 1b의 디스크와 대조적으로, 절두원뿔형 분리 부분(2')의 경사형 분리 표면은 외경(B)부까지 쭉 연장한다. 외경(B)은 이러한 실시예에서 328 mm이고, 즉 그것은 A=308 mm의 직경을 갖는 디스크에 비해 10 mm의 거리(L)만큼 더 반경방향으로 연장한다. 분리 디스크(6b)에는 A/2의 반경방향 거리에서 종료되는 복수의 관통 구멍(8')이 추가로 제공되고, 이것은 제1 타입의 분리 디스크(1) 위에 또는 아래에 배열될 때, 관통 구멍(8')이 제1 타입의 분리 디스크(1)의 슬릿(5)과 반경방향으로 정렬되어 분배 채널을 형성할 수 있다는 것을 의미한다.
도 2는 액체 혼합물의 성분의 분리를 위한 원심 분리기(9)의 일부를 도시하고, 분리기는 회전축(x) 주위에서 프레임(24)(도 2에 부분적으로 도시됨) 내에 회전가능하게 배열되는 스핀들(11)(부분적으로 도시됨)에 의해 지지되는 회전자(10)를 갖는다. 회전자는 디스크 적층체(13)가 배열되는 분리 챔버(12)를 그 자체 내에 형성한다. 분리 챔버(12)에서, 예컨대 액체 혼합물의 원심 분리가 동작 중에 일어난다. 회전자는 고정 입구 파이프(16)가 분리될 성분의 액체 혼합물의 공급을 위해 연장하는 분배기(15) 내에 형성되는 입구 챔버(14)를 추가로 포함한다. 입구 챔버는 회전자 내에 형성되는 통로(17)를 거쳐 분리 챔버와 연통한다. 디스크 적층체의 반경방향 내부 부분은 혼합물 중 더 가벼운 액체 성분을 위한 출구(18)와 연통한다. 출구(18)는 디스크 적층체(13)의 상부 축방향 단부에 제공되는 상부 디스크(19)에 의해 한정된다. 상부 디스크(19) 그리고 회전자(10)의 상부 벽 부분은 혼합물 중 더 큰 밀도의 액체 성분을 위한 통로를 한정하고, 통로는 분리 챔버(12)의 반경방향 외부 부분으로부터 액체 혼합물 중 더 무거운 성분을 위한 출구(20)까지 연장한다. 회전자에는 슬러지 상을 형성하는 더 큰 밀도의 입자를 포함하는 액체 혼합물의 슬러지 성분의 간헐적인 방출을 위해 분리 챔버(12)의 반경방향 외주연부로부터의 출구(21)가 추가로 제공된다. 출구(21)의 개구는 본 기술분야에서 공지된 바와 같이, 작동수(operating water)에 의해 작동되는 조작 슬라이드(22)에 의해 제어된다.
디스크 적층체(13)는 제1 및 제2 타입의 분리 디스크를 포함하고, 제1 타입은 도 1a에 도시된 종류의 분리 디스크(1)를 포함하고, 제2 타입은 도 1c에 도시된 종류의 분리 디스크(6b)를 포함한다. 분리 디스크는 코크(3, 3')에 의해 서로 거리를 두고 회전축(x) 주위에 동축으로 배열되고, 그에 따라 통로를 각각의 2개의 인접 분리 디스크 사이에 형성한다. 통로는 분리 디스크의 반경방향 외부 부분으로부터 분리 디스크의 반경방향 내부 부분까지 연장한다. 도면에서, 각각의 분리 디스크 사이의 거리는 과장되고, 디스크 적층체는 28개의 디스크를 갖는 것으로 개략적으로 도시된다. 전형적인 디스크 적층체는 80-180개의 디스크를 포함하고, 코크에 의해 발생되는, 분리 디스크들 사이의 전형적인 거리는 0.75 mm 미만, 예컨대 0.6 mm 미만, 예컨대 약 0.5 mm일 수 있다. 실시예에서, 분리 디스크들 사이의 거리는 0.4-0.75 mm, 예컨대 0.4-0.6 mm, 예컨대 약 0.4-0.5 mm이다.
단일의 제2 타입의 디스크(6b)가 분리 디스크의 총 개수 중 상부 10-12% 내에 있는 디스크 적층체(13) 내의 위치에 배열된다. 이러한 실시예에서, 디스크 적층체의 잔여부는 제1 타입의 분리 디스크(1)만을 포함한다.
제1 타입의 분리 디스크(1) 상의 슬릿의 형태로 된 절결부 그리고 제2 타입의 분리 디스크(6b) 상의 구멍의 형태로 된 절결부는 디스크 적층체 내에서 정렬되어 액체 혼합물을 위한 축방향 분배 채널(23)을 형성한다.
제2 타입의 분리 디스크(6b)의 반경방향 외부 단부와 회전자의 내부 벽 사이의 간극(F)은 적어도 1.5 mm일 수 있고, 제1 타입의 분리 디스크(1)의 주변부로부터의 제2 타입의 분리 디스크(6b)의 반경방향 연장부(L)는 약 10 mm일 수 있다.
도 2의 분리기의 동작 중, 회전자(10)는 구동 모터(도시되지 않음)로부터 스핀들(11)로 전달되는 토크에 의해 회전하게 된다. 입구 파이프(16)를 거쳐, 분리될 액체 재료가 입구 챔버로 유입되고, 통로(17)를 거쳐 분리 챔버(12)로 추가로 안내된다. 밀도에 따라, 액체 내의 상이한 상은 분리 챔버(12) 내에 끼워진 디스크 적층체(13) 내에서 분리된다. 액체 내의 더 무거운 성분은 분리 디스크들 사이에서 반경방향으로 외향으로 이동하고, 반면에 최저 밀도의 상은 분리 디스크들 사이에서 반경방향 내향으로 이동하고, 분리기 내의 반경방향 최내각 거리에 배열되는 출구(18)를 통해 압박된다. 더 높은 밀도의 액체는 그 대신에 출구(18)의 반경방향 거리보다 큰 반경방향 거리에 있는 출구(20)를 통해 외부로 압박된다. 따라서, 분리 중, 더 작은 밀도의 액체와 더 큰 밀도의 액체 사이의 중간상이 분리 챔버(12) 내에 형성된다. 고체, 또는 슬러지가 분리 챔버(12)의 주연부에 축적되고, 슬러지 출구(21)가 개방됨으로써 분리 챔버로부터 간헐적으로 비워지고, 그에 따라 슬러지 그리고 특정량의 유체가 원심력에 의해 분리 챔버로부터 방출된다. 그러나, 슬러지의 방출은 또한 연속적으로 일어날 수 있고, 이러한 경우에 슬러지 출구(21)는 개방 노즐의 형태를 취하고, 슬러지 및/또는 무거운 상의 특정 유동이 원심력에 의해 연속적으로 방출된다.
도 3a는 단일의 제2 타입의 디스크(6b)를 포함하고 반면에 나머지 디스크는 제1 타입(1)을 포함하는, 도 2의 디스크 적층체(13)의 근접도를 도시한다. 도 2에 대해 언급된 바와 같이, 각각의 분리 디스크 사이의 거리는 과장되고, 디스크 적층체는 28개의 디스크를 갖는 것으로 개략적으로 도시된다. 전형적인 디스크 적층체는 80-180개의 디스크를 포함한다. 디스크 적층체(13)는 그에 따라 N개의 디스크를 포함하고, 즉 N은 80-180개일 수 있고, 위치(P1 내지 PN)에 배열될 수 있고, 여기서 위치(P1)는 상부 디스크(19)에 가장 근접한 상부 위치이고, 위치(PN)는 분배기(15)에 가장 근접한다. 단일 디스크(6b)는 그러면 위치(Pn)에 위치되고, 여기서 n/N≤0.15이다. 예로서, 디스크 적층체가 N=100개의 디스크를 포함하면, 디스크(6b)는 Pn에 위치되고, 여기서 n≤15이다. 따라서, 디스크(6b)는 상부 15개, 예컨대 위치 10, 11, 또는 12 내에 있다.
도 3b는 단일의 제2 타입의 디스크(6b)를 포함하고 나머지는 제1 타입의 디스크(1)를 포함하지만 단일 디스크는 브림 부분을 갖는, 즉 도 1b에 대해 설명된 것과 같은 디스크인, 디스크 적층체(13)의 추가적인 실시예를 도시한다. 단일 디스크는 분리 디스크의 총 개수 중 상부 15% 내에, 예컨대 분리 디스크의 총 개수 중 상부 10-12% 내에 있는 디스크 적층체 내의 위치에 배열된다.
도 3c는 도 1c에 대해 설명된 것과 같은 2개의 제2 타입의 디스크(6b)를 포함하고 나머지는 제1 타입의 디스크(1)를 포함하는 디스크 적층체(13)의 실시예를 도시한다. 디스크 둘 모두는 분리 디스크의 총 개수 중 상부 15% 내에, 예컨대 분리 디스크의 총 개수 중 상부 10-12% 내에 있는 디스크 적층체 내의 위치에 배열된다.
도 3d는 도 1c에 대해 설명된 것과 같은 2개의 제2 타입의 디스크(6b)를 포함하고 나머지는 제1 타입의 디스크(1)를 포함하는 디스크 적층체(13)의 실시예를 도시한다. 이러한 예에서, 디스크(6b) 중 하나는 분리 디스크의 총 개수 중 상부 15% 내에, 예컨대 분리 디스크의 총 개수 중 상부 10-12% 내에 있는 디스크 적층체 내의 위치에 배열되고, 반면에 디스크(6b) 중 제2의 디스크는 디스크 적층체(13)의 대략 중앙에 배열된다.
본 발명은 개시된 실시예로 제한되지 않고 아래에 기재되는 청구범위의 범주 내에서 변화 및 변형될 수 있다. 본 발명은 도면에 개시된 회전축(x)의 배향으로 제한되지 않는다. 용어 "원심 분리기"는 실질적으로 수평으로 배향된 회전축을 갖는 원심 분리기를 또한 포함한다.
실험예 1
재료 및 방법
인증 유동 속도(CFR)가 중유(HFO)를 분리하는 데 적절한 해양 원심 분리기에서 시험되었다. CFR은 각각, 2개의 상이한 밀도, 즉 35 cSt 및 55 cSt의 액체를 사용하여 인증 제2.9 타입 승인 프로그램(Type Approval Programme) 776.60호에 대한 DNV 표준에 따라 시험 리그(rig)에서 시험되었다. 4개의 상이한 디스크 적층체 구성 즉 제1 타입의 디스크만을 포함하는 디스크 적층체인, 1개 기준, 및 제2 타입의 디스크를 또한 포함하는 3개의 구성이 사용되었다. 구성의 차이가 아래의 표 1에 요약된다.
디스크 적층체
구성 번호		 디스크의
총 개수 (N)		 더 큰 직경의 디스크(제2 타입) Pn/PN
기준 160 - -
1 160 상부로부터 위치 n=16에서 시작하여 8개의 디스크마다 배열되는, 적층체의 중앙의 15개의 디스크 -
2 160 상부로부터 위치 n=18에 있는 단일 디스크 0.1125
3 160 상부로부터 위치 n=8에 있는 단일 디스크 0.05
표 1. 실험예 1을 위한 디스크 적층체 구성
모든 구성의 디스크 적층체 내의 제1 타입의 디스크는 308 mm의 직경 및 0.5 mm의 두께를 가졌고, 0.5 mm의 두께를 갖는 직선형 반경방향 코크로써 이격되었다.
제2 타입의 디스크는 더 큰 외경, 즉 328 mm를 가졌고, 분리 디스크의 외경부까지 연장되는 반경방향에 대해 동일한 경사를 갖는 분리 표면을 가졌다. 또한, 상기 디스크는 0.5 mm의 두께를 가졌고, 두께 0.5 mm의 직선형 반경방향 코크를 가졌다.
결과
CFR은 2개의 상이한 밀도, 즉 35 cSt and 55 cSt의 액체를 사용하여 시험되었다. 결과가 아래의 표 2에 요약된다.
디스크 적층체
구성 번호		 CFR (m3/h)
55 cSt		 CFR (m3/h)
35 cSt
기준 6.8 11.25
1 7.5 11.2
2 7.5 11.8
3 7.4 n.a
표 2. 상이한 디스크 적층체 구성에 대한 CFR 수치
결과는 그에 따라 모든 구성이 기준 디스크 적층체보다 양호하게 수행하였다는 것, 그리고 또한 상부에서 단일 디스크를 갖는 것(구성 2 및 3)이 디스크 적층체의 중앙에서 더 큰 외경의 디스크를 가질 때(구성 1)에 비해 잘 또는 양호하게 수행하였다는 것을 보여준다. 구성 2에 대해, CFR의 증가는 55 cSt의 액체에서 10% 정도로 높았다. 이러한 예는 그에 따라 디스크 적층체의 상부에서 더 큰 직경의 디스크를 갖는 것의 중요성을 강조한다.

Claims (16)

  1. 원심 분리기이며,
    프레임,
    회전 부품을 회전축(x) 주위에서 프레임에 대해 회전시키도록 구성되는 구동 부재로서, 회전 부품은 분리 챔버를 포위하는 원심분리기 회전자를 포함하는, 구동 부재를 포함하고,
    분리 챔버는 서로 거리를 두고 회전축(x) 주위에 동축으로 배열되는 분리 디스크의 적층체를 포함하고 그에 따라 통로를 각각의 2개의 인접 분리 디스크 사이에 형성하고,
    분리 디스크의 적층체는 A 이하의 외경을 갖는 제1 타입의 분리 디스크, 및 B 이상의 외경을 갖는 적어도 하나의 제2 타입의 분리 디스크를 포함하고, 직경(B)는 직경(A)보다 크고, 제2 타입의 분리 디스크 중 적어도 50%가 분리 디스크의 총 개수 중 상부 25% 내에 있는 디스크 적층체 내의 위치에 배열되고, 상기 제1 타입의 분리 디스크 중 적어도 하나가 제2 타입의 최상부 분리 디스크로부터 축방향으로 위에 배열되고, 상기 제2 타입의 최상부 분리 디스크는 분리 디스크의 총 개수 중 상부 15% 내에 배열되고, 상기 원심 분리기는 10개 미만의 제2 타입의 디스크를 포함하는,
    원심 분리기.
  2. 제1항에 있어서, 제2 타입의 디스크는 분리 디스크의 총 개수 중 상부 15% 내에 배열되는 제2 타입의 디스크가 디스크 적층체의 잔여부 내에 배열되는 것보다 많도록 적층체 내에 분포되는, 원심 분리기.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서, 제2 타입의 분리 디스크 중 적어도 하나가 분리 디스크의 총 개수 중 상부 10-12% 내에 있는 디스크 적층체 내의 위치에 배열되는, 원심 분리기.
  4. 제1항 또는 제2항에 있어서, 직경(B)은 직경(A)보다 3-15% 큰, 원심 분리기.
  5. 제1항 또는 제2항에 있어서, 디스크 적층체는 단일의 제2 타입의 분리 디스크를 포함하는, 원심 분리기.
  6. 제1항 또는 제2항에 있어서, 제2 타입의 분리 디스크의 모두가 분리 디스크의 총 개수 중 상부 50% 내에 배열되는, 원심 분리기.
  7. 제1항 또는 제2항에 있어서, 제2 타입의 분리 디스크는 분리 디스크의 외경부까지 연장하는 반경방향에 대해 동일한 경사를 갖는 분리 표면을 갖는, 원심 분리기.
  8. 제1항 또는 제2항에 있어서, 제2 타입의 분리 디스크는 직경(A)부로부터 반경방향으로 외부측에 형성되는 브림 부분을 갖고, 이러한 브림 부분은 분리 표면의 경사와 상이한 반경방향에 대한 경사를 갖는, 원심 분리기.
  9. 제8항에 있어서, 브림 부분의 반경방향에 대한 각도는 45˚ 미만, 또는 30˚ 미만, 또는 15˚ 미만, 또는 0˚인, 원심 분리기.
  10. 제1항 또는 제2항에 있어서, 각각의 2개의 인접 분리 디스크 사이에 형성되는 통로는 0.6 mm 미만인 두께를 갖는 코크의 형태로 되어 있는, 원심 분리기.
  11. 제1항 또는 제2항에 있어서, 각각의 2개의 인접 분리 디스크 사이에 형성되는 통로는 반경방향 코크의 형태로 되어 있는, 원심 분리기.
  12. 제1항 또는 제2항에 있어서, 제1 타입의 디스크에는 디스크의 주변부에 배열되는 슬릿이 제공되고 그에 따라 분리될 유체의 유동을 디스크 적층체를 통해 그리고 그 위로 분배하는, 원심 분리기.
  13. 제12항에 있어서, 적어도 하나의 제2 타입의 디스크에는 제1 타입의 디스크 내의 슬릿과 반경방향으로 정렬되는 관통 구멍이 제공되는, 원심 분리기.
  14. 삭제
  15. 오일로부터 불순물을 분리하는 방법으로서,
    a) 제1항 또는 제2항에 따른 원심 분리기를 제공하여 상기 분리기의 상기 회전 부품을 회전시키는 단계;
    b) 오일을 분리 챔버 내로 유입시키는 단계; 및
    c) 상기 분리기로부터 2개의 상이한 상으로서 정화된 오일 및 분리된 불순물을 방출하는 단계
    를 포함하는, 방법.
  16. 제15항에 있어서, 오일은 중유(HFO) 및 윤활유로부터 선택되는, 방법.
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