CA2044902C - Procede et dispositif de separation entre une phase fluide continue et une phase dispersee, et application - Google Patents
Procede et dispositif de separation entre une phase fluide continue et une phase dispersee, et applicationInfo
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- Y10S210/00—Liquid purification or separation
- Y10S210/05—Coalescer
Abstract
La présente invention concerne un procédé et dispositif de séparation entre une phase continue (I) et au moins une phase dispersée (II) de densité différente. Le procédé se caractérise en ce que le mélange des phases (I) et (II) à séparer est envoyé dans un dispositif formé par au moins une enceinte cylindrique 2 disposée verticalement et au moins une pièce statique de forme hélicoidale 3, dont au moins l'une des faces est constituée par une surface hélicoidale 4, le libre parcours maximum d'une particule de phase dispersée selon la direction radiale avant collision étant inférieure au quart du diamètre périphérique de la pièce interne et de préférence inférieure au dixième du diamètre interne de l'enceinte E1. Des exemples d'application à la séparation entre une phase aqueuse et une phase organique, telle qu'un fluide pétrolier, le mélange à séparer pouvant également comprendre une phase gazeuse et une phase solide sont décrits.
Description
G
La présente invention concerne un procédé et un dispositif de séparation entre une phase fluide continue et une phase dispersée notamment fluide.
Le processus de séparation entre une phase fluide continue et une phase fluide dispersée revêt une grande importance industrielle.
A titre d'exemple, on peut citer la séparation entre une phase aqueuse et une phase organique, telle.qu'un fluide pétrolier.
Il devient de plus en plus important de disposer d'un procédé efficace de séparation entre deux phases hétérogènes de ce type. En effet, les préoccupations de protection de L'environnement, par exemple, nécessitent de réduire La teneur en hydrocarbures des rejets aqueux à des valeurs très faibles.
Les installations de séparation, telles que celles qui équipent, par exemple, les plate-formes de production de pétrole en mer doivent être en outre de plus en plus compactes et de plus en plus légères pour répondre â des contraintes d'économie et pour permettre La production dans des zones difficiles. Cela est encore plus vrai Lorsque ces installations de séparation sont installées entre deux eaux ou au fond de l'eau, notamment dans le cas d'application pétrolière et gazière.
Enfin, il est nécessaire de disposer de procédés et de dispositifs simples et fiables qui nécessitent peu d'entretien et qui peuvent ëtre facilement automatisés.
IL existe de nombreuses techniques pour réaliser une telle séparation.
La technique la plus simple consiste à envoyer le mélange des phases à séparer dans une enceinte dont le volume est calculé de manière à permettre un temps de séjour suffisant pour que L'ensemble des gouttes ou des bulles formant la phase dispersée aient Le temps de se rassembler et de coalescer à l'interface de séparation entre les deux phases.
Cette technique qui est très couramment utilisée conduit à
des installations très encombrantes.
Une amélioration de cette technique consiste à disposer dans l'enceinte de séparation des plaques parallèles sur Lesquelles la phase dispersée coalesce avant de remonter vers l'interface de séparation entre Les deux phases.
Une autre technique consiste à placer un garnissage qui favorise la coalescence de La phase dispersée.
Une autre technique dite de flottation, utilisée lorsque La phase dispersée est une phase Liquide, consiste à faire remonter les gouttes de la phase dispersée par coalescence en envoyant une dispersion fine de gaz, Les gouttelettes à séparer venant se fixer à
La surface des bulles.
La séparation entre phases peut être largement améliorée en ayant recours à l'effet d'une accélération centrifuge pour augmenter ou pour remplacer l'effet de la gravité. Ceci peut étre réalisé dans une centrifugeuse mécanique mue par un moteur, ce qui permet de réaliser une installation très compacte. Cette solution présente toutefois l'inconvénient d'être plus complexe et moins fiable du fait de la présence du moteur.
L'effet de centrifugation peut ëtre obtenu également dans un dispositif entièrement statique. L'utilisation de cyclones et notamment d'hydrocyclones basés sur un tel principe se développe actuellement en raison des avantages présentés par de tels dispositifs, qui permettent une bonne efficacité de séparation tout en étant de type statique.
Il a été découvert et c'est L'objet de la présente invention, qu'il est possible de réaliser une séparation de type statique par un procédé plus efficace que ceux qui sont connus dans l'art antérieur en réalisant la coalescence de la phase fluide dispersée sur une surface dont La géométrie permet de rassembler la phase dispersée dans une zone et la phase continue dans une autre zone distincte, tout en soumettant L'ensemble des deux phases à séparer à
un mouvement de rotation obtenu par l'écoulement du mélange à séparer le long de la surface promotrice de coalescence.
Plus précisément, le procédé selon l'invention consiste à
opérer en envoyant le mélange à séparer dans une enceinte de préférence verticale dans laquelle est disposée une surface hélicoïdale interne dont la génératrice est inclinée par rapport au plan perpendiculaire à l'axe de l'enceinte, en assurant un entraînement en rotation du mélange à séparer et en collectant les particules de phase dispersée sur la surface hélicoidale interne disposée dans L'enceinte.
La présente invention concerne un procédé de séparation entre une phase continue (I) et au moins une phase dispersée (II), de densités différentes. Ce procédé se caractérise en ce que le mélange des phases (I) et <II) à séparer est envoyé dans un dispositif formé
par au moins une enceinte de forme sensiblement cylindrique et au moins une pièce interne de forme hélicoïdale dont au moins l'une des faces présentant une surface hélicoïdale, délimite au moins partiellement un passage hélicoidal. La pièce interne est adaptée à ce que la distance maximale de parcours d'une particule de La phase dispersée (II) selon la direction radiale avant collision, soit inférieure au quart du diamètre périphérique de la pièce interne.
l.a surface hélicoïdale présente en projection sur un plan perpendiculaire à l'axe de ladite enceinte une surface au moins égale à La moitié de la section droite interne totale de l'enceinte cylindrique.
En outre, le procédé selon l'invention se caractérise en ce que l'écoulement du mélange des phases (I) et (II) le long dudit passage provoque un mouvement de rotation autour de l'axe de l'enceinte, conduisant un déplacement de La phase La plus légère vers i L'axe de la phase la plus lourde vers ia pérïphérie de l'enceinte au cours duquel la phase dispersée (II) coalesce au moins partiellement sur les parois dudit passage puis forme une phase continue séparée de la phase continue (I> par une interface, la phase légère et la phase lourde étant prélevées de part et d'autre de ladite interface.
L'invention propose également un dispositif pour la séparation entre une phase continue (I) et au moins une phase dispersée (II> de densités différentes comportant une enceinte cylindrique ou sensiblement cylindrique. Ce dispositif se caractérise en ce qu'il comporte au moins une pièce interne de forme hélicoïdale dont au moins l'une des faces présentant une surface hélicoïdale, délimite au moins partiellement un passage hélicoïdal.
La pièce interne est adaptée à ce que la distance maximale de parcours d'une particule de la phase dispersée II selon la direction radiale avant collision, soit inférieure au quart du diamètre périphérique de la pièce interne. La surface hélicoidale présente en projection sur un plan perpendiculaire à l'axe de ladite enceinte une surface au moins égale à la moitié de la section droite interne totale de l'enceinte cylindrique. L'écoulement du mélange des phases (I) et (II) le long dudit passage provoque un mouvement de rotation autour de l'axe de l'enceinte, conduisant un déplacement de la phase la plus légère vers l'axe de la phase la plus lourde vers la périphérie de l'enceinte au cours duquel la phase dispersée (II) coalesce au moins partiellement sur les parois dudit passage puis forme une phase continue séparée de la phase continue (I) par une interface, la phase légère et la phase lourde étant prélevées de part et d'autre de Ladite interface.
Ladite pièce pourra être statique dans ladite enceinte.
Ladite pièce pourra ëtre libre en rotation sur elle-même.
Le disposif pourra être dépourvu de moyen externe de mise en rotation de ladite pièce sur elle-mëme.
Les parois dudit passage pourront ëtre formées en partie ou en totalité par un matériau préfèrentiellement mouillable par la phase dispersée.
L'axe de L'enceinte cylindrique pourra ëtre vertical.
Le dispositif pourra comporter des moyens d'introduction tangentielle dudit mélange dans l'enceinte.
Ledit passage pourra comporter au moins une paroi de forme hélicoïdale décrite par une génératrice formant avec L'axe de l'enceinte sur au moins une partie de sa longueur un angle inférieur à
60 degrés.
La pente que forme par rapport à L'axe de l'enceinte La génératrice de La surface hélicoidale 4 pourra diminuer lorsque la distance par rapport à l'axe diminue.
L'angle que forme la tangente en tout point de la courbe décrite par l'extrémité de la génératrice de la surface héLicoidale par rapport à l'horizontale pourra ëtre inférieur à 60 degrés.
Le mélange des phases à séparer pourra ëtre envoyé dans un dispositif comportant une pluralité de surfaces hélicoidales qui se déduisent les unes des autres par une translation uniforme et qui forment la surface hélicoîdale.
La distance entre deux éléments de surface appartenant à
un mëme passage et situés sur une même verticale pourra être inférieure au dixième du diamètre interne de L'enceinte cylindrique.
L'axe central de La pièce statique hélicoïdale pourra ëtre évidé et muni de perforations sur sa périphérie de manière à permettre La collecte et l'évacuation de la phase dispersée au travers dudit axe central.
La distance maximale de parcours d'une particule de phase dispersée CII) selon la direction radiale avant collision, pourra être inférieure au dixième du diamètre interne de l'enceinte.
Le passage pourra comporter un garnissage mouillable par La phase dispersée <II).
Le garnissage pourra être formé d'un tissu.
Le passage pourra comporter un garnissage constitué
uniquement de fils mouillables par la phase dispersée dont l'axe de ces fils est dans le mëme sens que la circulation de la phase continue.
_._ Les ondes perforées, dont Les nappes, pourront ëtre placées parallélement à l'axe central de L'enceinte, disposées sur La surface supérieure du passage, et développées dans le sens de circulation de la phase continue.
L'une des parois du passage pourra être ondulée ou ëtre munie de picots de forme cylindrique sphérique ou conique.
L'une des parois du passage pourra être recouverte d'un matériau de type non tissé et macro poreux mouiLlable par la phase dispersée.
La phase continue <I) pourra tre une phase liquide et La phase disperse II pourra comprendre au moins une phase liquide.
La phase disperse (II) pourra tre une phase organique et la phase continue (I) une phase aqueuse.
Une phase gazeuse finement disperse pourra tre introduite la base de L'enceinte 2, pour favoriser la sparationde la phase disperse (II).
La phase disperse (II) pourra tre une phase gazeuse et la phase continue (I> une phase liquide.
Le mlange des phases sparer pourra tre introduit une extrmit suprieure de L'enceinte, au dessous de l'interface form entre la phase continue (I) et La phase continue que la forme phase (II) disperse L'entre aprs coalescence, la phase (I) tant vacue en un point situ dans la partie infrieure du dispositifla priphrie de l'enceinte et la phase (II) tant vacue en un nt poi situ dans La partie suprieure du dispositif la priphrie de l'enceinte, au dessus de L'interface.
La phase disperse (II) pourra tre une phase aqueuse et la phase continue (I> une phase organique.
Le mlange des phases sparer pourra tre introduit une extrmit suprieure de l'enceinte, la phase (II) disperse L'entre tant vacue en un point situ dans la phase infrieurede l'enceinte, au dessous de L'interface, la phase continue nt (I) ta vacue en un point situ dans La partie infrieure de l'enceinte,au dessus de l'interface et au voisinage de l'axe de l'enceinte.
Une différence de potentiel électrique pourra être créée entre les parois inférieures et supérieures dudit passage.
La phase dispersée pourra comprendre une phase solide.
Le mélange à séparer pourra comprendre une phase gazeuse, une phase organique liquide, une phase aqueuse liquide et des particules solides, la phase gazeuse étant prélevée à une extrémité
supérieure de l'enceinte, les particules solides à une extrémité
inférieure, la phase organique et la phase aqueuse en des points intermédiaires.
Le procédé et le dispositif selon l'invention peuvent ëtre avantageusement appliqués à une séparation de mélange de fluides pétroliers et/ou gaziers, notamment en milieu aquatique, en surface, entre deux eaux ou au fond de l'eau.
L'invention sera bien comprise et ses avantages apparaitront clairement à la lecture des figures jointes parmi lesquelles:
- la figure 1 représente un mode de réalisation particulier de la présente invention, - les figures 2 et 3 représentent en coupe verticale une partie du dispositif selon l'invention, - la figure 4 représente une enceinte du dispositif en coupe transversale, - les figures 5 à 12 et 16 montrent en coupe transversale partielle des variantes du dispositif selon l'invention , - les figuresl3, 14 et l5 montrent de façon schématique et en coupe des agencements particuliers ou des utilisations particulières du dispositif selon L'invention.
L'invention est décrite de manière plus complète notamment en relation avec le schéma de la figure 1, qui représente un mode de réalisation particulier. Ce mode de réalisation est appliqué à la séparation d'un mélange pour lequel la phase dispersée est la phase la plus Légère et la phase continue la phase la plus lourde. Le dispositif représenté sur la figure 1 est plus particulièrement conçu pour séparer une phase Liquide dispersée d'une phase liquide continue ~r et correspond, par exemple, à la séparation d'une phase organique dispersée et d'une phase aqueuse continue.
Le mélange de phase aqueuse continue et de phase organique dispersée est introduit par le conduit d'entrée 1 dans l'enceinte verticale cylindrique 2. Sur la figure 1, cette enceinte est représentée en coupe selon un plan vertical médian.
Dans cette enceinte verticale est disposée une pièce 3 de forme hélicoïdale représentée en perspective sur la figure 1 dont la surface 4 est préférentiellement mouillable par la phase dispersée.
La référence 5 désigne le noyau central ou moyeu de l'hélice 3 et la référence 6, l'axe de l'hélice.
Une caractéristique essentielle de la géométrie de la pièce 3 est que la génératrice 7 de la surface hélicoïdale 4 est inclinée relativement à la direction verticale qui coïncide avec la direction de l'axe 6, comme cela est représenté à la figure 2. Ainsi ladite phase dispersée légère coalesce (voir la référence 8) sur la surface inférieure 11 de ladite pièce 3 et remonte (voir la référence 9) le long de cette pièce hélicoïdale vers l'axe de l'enceinte qui est confondu avec l'axe de l'hélice, puis autour de cet axe vers l'interface 10 entre les deux phases située à la partie supérieure de l'enceinte 2.
Lorsque la phase dispersée est la phase la plus lourde, cette phase coalesce sur la surface supérieure 12 de la pièce 3 et S'eCOUIe le long de cette nièce héLicnîrJalP Pt n~I~C nartirmliàramont 3 la périphérie de cette dite pièce hélicoïdale. Dans cet exemple Les surfaces de la pièce 3 sont préférentiellement mouillables par la phase lourde.
Sur la figure 1, la pièce hélicoïdale 3 occupe toute la section de l'enceinte 2, son bord 13 étant sensiblement jointif de la surface interne 14 de L'enceinte 2.
Le mélange des deux phases est guidé en rotation du fait de son écoulement le Long de la surface hélicoïdale. Le mouvement de la partie descendante du mélange est représenté sur le schéma de la figure 1 par la flèche en pointillé (référence 15). On obtient ainsi un effet de centrifugation qui s'ajoute à L'effet de gravité pour entrainer la phase la plus légère vers l'axe de l'enceinte et la phase la plus lourde vers la périphérie de l'enceinte.
Sur l'exemple représenté par la figure 1, la phase aqueuse débarrassée des gouttes de phase dispersée est prélevée dans la partie inférieure de L'enceinte 2, et évacuée par le conduit 16. La phase organique remonte autour de l'axe en formant une phase continue dont l'interface 9 avec la phase aqueuse, schématisée sur la figure 3, forme une surface de plus en plus évasée, se rapprochant dans sa partie supérieure d'une surface horizontale, au dessous de laquelle la phase continue 17 est la phase aqueuse et au dessus de laquelle la phase continue 18 est la phase organique.
La phase organique ainsi séparée est évacuée par le conduit 19. Ainsi, sur la figure 1, l'enceinte 2 comporte deux conduits d'évacuation 16 et 19, le premierpcxir l'évacuation de la phase continue la plus dense, en l'occurence la phase aqueuse, et l'autre 19 pour l'évacuation de la phase continue, la plus légére en l'occurence la phase organique. Le premier orifice est situé à la partie inférieure de l'enceinte et l'autre à la partie supérieure. Le conduit 1 d'introduction du mélange est placé à un niveau situé entre les deux conduits 19 et 16.
De manière préférée, la surface de l'hélice sur laquelle s'effectue la coalescence est formée par un matériau mouillable par la phase dispersée, cette surface étant constituée par la face inférieure et supérieure de la pièce hélicoidale 3. Ceci favorise la formation d'un film d'une partie de la phase dispersée qui a coalescé-C'est sur ce film que va coalescer une partie de la phase dispersée non encore coalescée. Ainsi, par exemple, si la phase continue est une phase aqueuse et la phase dispersée une phase organique, cette surface peut ëtre soit constituée par un matériau polymère, soit revêtu dudit matériau.
La pièce hélicoïdale 3 est de préférence démontable de manière à pouvoir, si nécessaire, la nettoyer en dehors de l'enceinte
La présente invention concerne un procédé et un dispositif de séparation entre une phase fluide continue et une phase dispersée notamment fluide.
Le processus de séparation entre une phase fluide continue et une phase fluide dispersée revêt une grande importance industrielle.
A titre d'exemple, on peut citer la séparation entre une phase aqueuse et une phase organique, telle.qu'un fluide pétrolier.
Il devient de plus en plus important de disposer d'un procédé efficace de séparation entre deux phases hétérogènes de ce type. En effet, les préoccupations de protection de L'environnement, par exemple, nécessitent de réduire La teneur en hydrocarbures des rejets aqueux à des valeurs très faibles.
Les installations de séparation, telles que celles qui équipent, par exemple, les plate-formes de production de pétrole en mer doivent être en outre de plus en plus compactes et de plus en plus légères pour répondre â des contraintes d'économie et pour permettre La production dans des zones difficiles. Cela est encore plus vrai Lorsque ces installations de séparation sont installées entre deux eaux ou au fond de l'eau, notamment dans le cas d'application pétrolière et gazière.
Enfin, il est nécessaire de disposer de procédés et de dispositifs simples et fiables qui nécessitent peu d'entretien et qui peuvent ëtre facilement automatisés.
IL existe de nombreuses techniques pour réaliser une telle séparation.
La technique la plus simple consiste à envoyer le mélange des phases à séparer dans une enceinte dont le volume est calculé de manière à permettre un temps de séjour suffisant pour que L'ensemble des gouttes ou des bulles formant la phase dispersée aient Le temps de se rassembler et de coalescer à l'interface de séparation entre les deux phases.
Cette technique qui est très couramment utilisée conduit à
des installations très encombrantes.
Une amélioration de cette technique consiste à disposer dans l'enceinte de séparation des plaques parallèles sur Lesquelles la phase dispersée coalesce avant de remonter vers l'interface de séparation entre Les deux phases.
Une autre technique consiste à placer un garnissage qui favorise la coalescence de La phase dispersée.
Une autre technique dite de flottation, utilisée lorsque La phase dispersée est une phase Liquide, consiste à faire remonter les gouttes de la phase dispersée par coalescence en envoyant une dispersion fine de gaz, Les gouttelettes à séparer venant se fixer à
La surface des bulles.
La séparation entre phases peut être largement améliorée en ayant recours à l'effet d'une accélération centrifuge pour augmenter ou pour remplacer l'effet de la gravité. Ceci peut étre réalisé dans une centrifugeuse mécanique mue par un moteur, ce qui permet de réaliser une installation très compacte. Cette solution présente toutefois l'inconvénient d'être plus complexe et moins fiable du fait de la présence du moteur.
L'effet de centrifugation peut ëtre obtenu également dans un dispositif entièrement statique. L'utilisation de cyclones et notamment d'hydrocyclones basés sur un tel principe se développe actuellement en raison des avantages présentés par de tels dispositifs, qui permettent une bonne efficacité de séparation tout en étant de type statique.
Il a été découvert et c'est L'objet de la présente invention, qu'il est possible de réaliser une séparation de type statique par un procédé plus efficace que ceux qui sont connus dans l'art antérieur en réalisant la coalescence de la phase fluide dispersée sur une surface dont La géométrie permet de rassembler la phase dispersée dans une zone et la phase continue dans une autre zone distincte, tout en soumettant L'ensemble des deux phases à séparer à
un mouvement de rotation obtenu par l'écoulement du mélange à séparer le long de la surface promotrice de coalescence.
Plus précisément, le procédé selon l'invention consiste à
opérer en envoyant le mélange à séparer dans une enceinte de préférence verticale dans laquelle est disposée une surface hélicoïdale interne dont la génératrice est inclinée par rapport au plan perpendiculaire à l'axe de l'enceinte, en assurant un entraînement en rotation du mélange à séparer et en collectant les particules de phase dispersée sur la surface hélicoidale interne disposée dans L'enceinte.
La présente invention concerne un procédé de séparation entre une phase continue (I) et au moins une phase dispersée (II), de densités différentes. Ce procédé se caractérise en ce que le mélange des phases (I) et <II) à séparer est envoyé dans un dispositif formé
par au moins une enceinte de forme sensiblement cylindrique et au moins une pièce interne de forme hélicoïdale dont au moins l'une des faces présentant une surface hélicoïdale, délimite au moins partiellement un passage hélicoidal. La pièce interne est adaptée à ce que la distance maximale de parcours d'une particule de La phase dispersée (II) selon la direction radiale avant collision, soit inférieure au quart du diamètre périphérique de la pièce interne.
l.a surface hélicoïdale présente en projection sur un plan perpendiculaire à l'axe de ladite enceinte une surface au moins égale à La moitié de la section droite interne totale de l'enceinte cylindrique.
En outre, le procédé selon l'invention se caractérise en ce que l'écoulement du mélange des phases (I) et (II) le long dudit passage provoque un mouvement de rotation autour de l'axe de l'enceinte, conduisant un déplacement de La phase La plus légère vers i L'axe de la phase la plus lourde vers ia pérïphérie de l'enceinte au cours duquel la phase dispersée (II) coalesce au moins partiellement sur les parois dudit passage puis forme une phase continue séparée de la phase continue (I> par une interface, la phase légère et la phase lourde étant prélevées de part et d'autre de ladite interface.
L'invention propose également un dispositif pour la séparation entre une phase continue (I) et au moins une phase dispersée (II> de densités différentes comportant une enceinte cylindrique ou sensiblement cylindrique. Ce dispositif se caractérise en ce qu'il comporte au moins une pièce interne de forme hélicoïdale dont au moins l'une des faces présentant une surface hélicoïdale, délimite au moins partiellement un passage hélicoïdal.
La pièce interne est adaptée à ce que la distance maximale de parcours d'une particule de la phase dispersée II selon la direction radiale avant collision, soit inférieure au quart du diamètre périphérique de la pièce interne. La surface hélicoidale présente en projection sur un plan perpendiculaire à l'axe de ladite enceinte une surface au moins égale à la moitié de la section droite interne totale de l'enceinte cylindrique. L'écoulement du mélange des phases (I) et (II) le long dudit passage provoque un mouvement de rotation autour de l'axe de l'enceinte, conduisant un déplacement de la phase la plus légère vers l'axe de la phase la plus lourde vers la périphérie de l'enceinte au cours duquel la phase dispersée (II) coalesce au moins partiellement sur les parois dudit passage puis forme une phase continue séparée de la phase continue (I) par une interface, la phase légère et la phase lourde étant prélevées de part et d'autre de Ladite interface.
Ladite pièce pourra être statique dans ladite enceinte.
Ladite pièce pourra ëtre libre en rotation sur elle-même.
Le disposif pourra être dépourvu de moyen externe de mise en rotation de ladite pièce sur elle-mëme.
Les parois dudit passage pourront ëtre formées en partie ou en totalité par un matériau préfèrentiellement mouillable par la phase dispersée.
L'axe de L'enceinte cylindrique pourra ëtre vertical.
Le dispositif pourra comporter des moyens d'introduction tangentielle dudit mélange dans l'enceinte.
Ledit passage pourra comporter au moins une paroi de forme hélicoïdale décrite par une génératrice formant avec L'axe de l'enceinte sur au moins une partie de sa longueur un angle inférieur à
60 degrés.
La pente que forme par rapport à L'axe de l'enceinte La génératrice de La surface hélicoidale 4 pourra diminuer lorsque la distance par rapport à l'axe diminue.
L'angle que forme la tangente en tout point de la courbe décrite par l'extrémité de la génératrice de la surface héLicoidale par rapport à l'horizontale pourra ëtre inférieur à 60 degrés.
Le mélange des phases à séparer pourra ëtre envoyé dans un dispositif comportant une pluralité de surfaces hélicoidales qui se déduisent les unes des autres par une translation uniforme et qui forment la surface hélicoîdale.
La distance entre deux éléments de surface appartenant à
un mëme passage et situés sur une même verticale pourra être inférieure au dixième du diamètre interne de L'enceinte cylindrique.
L'axe central de La pièce statique hélicoïdale pourra ëtre évidé et muni de perforations sur sa périphérie de manière à permettre La collecte et l'évacuation de la phase dispersée au travers dudit axe central.
La distance maximale de parcours d'une particule de phase dispersée CII) selon la direction radiale avant collision, pourra être inférieure au dixième du diamètre interne de l'enceinte.
Le passage pourra comporter un garnissage mouillable par La phase dispersée <II).
Le garnissage pourra être formé d'un tissu.
Le passage pourra comporter un garnissage constitué
uniquement de fils mouillables par la phase dispersée dont l'axe de ces fils est dans le mëme sens que la circulation de la phase continue.
_._ Les ondes perforées, dont Les nappes, pourront ëtre placées parallélement à l'axe central de L'enceinte, disposées sur La surface supérieure du passage, et développées dans le sens de circulation de la phase continue.
L'une des parois du passage pourra être ondulée ou ëtre munie de picots de forme cylindrique sphérique ou conique.
L'une des parois du passage pourra être recouverte d'un matériau de type non tissé et macro poreux mouiLlable par la phase dispersée.
La phase continue <I) pourra tre une phase liquide et La phase disperse II pourra comprendre au moins une phase liquide.
La phase disperse (II) pourra tre une phase organique et la phase continue (I) une phase aqueuse.
Une phase gazeuse finement disperse pourra tre introduite la base de L'enceinte 2, pour favoriser la sparationde la phase disperse (II).
La phase disperse (II) pourra tre une phase gazeuse et la phase continue (I> une phase liquide.
Le mlange des phases sparer pourra tre introduit une extrmit suprieure de L'enceinte, au dessous de l'interface form entre la phase continue (I) et La phase continue que la forme phase (II) disperse L'entre aprs coalescence, la phase (I) tant vacue en un point situ dans la partie infrieure du dispositifla priphrie de l'enceinte et la phase (II) tant vacue en un nt poi situ dans La partie suprieure du dispositif la priphrie de l'enceinte, au dessus de L'interface.
La phase disperse (II) pourra tre une phase aqueuse et la phase continue (I> une phase organique.
Le mlange des phases sparer pourra tre introduit une extrmit suprieure de l'enceinte, la phase (II) disperse L'entre tant vacue en un point situ dans la phase infrieurede l'enceinte, au dessous de L'interface, la phase continue nt (I) ta vacue en un point situ dans La partie infrieure de l'enceinte,au dessus de l'interface et au voisinage de l'axe de l'enceinte.
Une différence de potentiel électrique pourra être créée entre les parois inférieures et supérieures dudit passage.
La phase dispersée pourra comprendre une phase solide.
Le mélange à séparer pourra comprendre une phase gazeuse, une phase organique liquide, une phase aqueuse liquide et des particules solides, la phase gazeuse étant prélevée à une extrémité
supérieure de l'enceinte, les particules solides à une extrémité
inférieure, la phase organique et la phase aqueuse en des points intermédiaires.
Le procédé et le dispositif selon l'invention peuvent ëtre avantageusement appliqués à une séparation de mélange de fluides pétroliers et/ou gaziers, notamment en milieu aquatique, en surface, entre deux eaux ou au fond de l'eau.
L'invention sera bien comprise et ses avantages apparaitront clairement à la lecture des figures jointes parmi lesquelles:
- la figure 1 représente un mode de réalisation particulier de la présente invention, - les figures 2 et 3 représentent en coupe verticale une partie du dispositif selon l'invention, - la figure 4 représente une enceinte du dispositif en coupe transversale, - les figures 5 à 12 et 16 montrent en coupe transversale partielle des variantes du dispositif selon l'invention , - les figuresl3, 14 et l5 montrent de façon schématique et en coupe des agencements particuliers ou des utilisations particulières du dispositif selon L'invention.
L'invention est décrite de manière plus complète notamment en relation avec le schéma de la figure 1, qui représente un mode de réalisation particulier. Ce mode de réalisation est appliqué à la séparation d'un mélange pour lequel la phase dispersée est la phase la plus Légère et la phase continue la phase la plus lourde. Le dispositif représenté sur la figure 1 est plus particulièrement conçu pour séparer une phase Liquide dispersée d'une phase liquide continue ~r et correspond, par exemple, à la séparation d'une phase organique dispersée et d'une phase aqueuse continue.
Le mélange de phase aqueuse continue et de phase organique dispersée est introduit par le conduit d'entrée 1 dans l'enceinte verticale cylindrique 2. Sur la figure 1, cette enceinte est représentée en coupe selon un plan vertical médian.
Dans cette enceinte verticale est disposée une pièce 3 de forme hélicoïdale représentée en perspective sur la figure 1 dont la surface 4 est préférentiellement mouillable par la phase dispersée.
La référence 5 désigne le noyau central ou moyeu de l'hélice 3 et la référence 6, l'axe de l'hélice.
Une caractéristique essentielle de la géométrie de la pièce 3 est que la génératrice 7 de la surface hélicoïdale 4 est inclinée relativement à la direction verticale qui coïncide avec la direction de l'axe 6, comme cela est représenté à la figure 2. Ainsi ladite phase dispersée légère coalesce (voir la référence 8) sur la surface inférieure 11 de ladite pièce 3 et remonte (voir la référence 9) le long de cette pièce hélicoïdale vers l'axe de l'enceinte qui est confondu avec l'axe de l'hélice, puis autour de cet axe vers l'interface 10 entre les deux phases située à la partie supérieure de l'enceinte 2.
Lorsque la phase dispersée est la phase la plus lourde, cette phase coalesce sur la surface supérieure 12 de la pièce 3 et S'eCOUIe le long de cette nièce héLicnîrJalP Pt n~I~C nartirmliàramont 3 la périphérie de cette dite pièce hélicoïdale. Dans cet exemple Les surfaces de la pièce 3 sont préférentiellement mouillables par la phase lourde.
Sur la figure 1, la pièce hélicoïdale 3 occupe toute la section de l'enceinte 2, son bord 13 étant sensiblement jointif de la surface interne 14 de L'enceinte 2.
Le mélange des deux phases est guidé en rotation du fait de son écoulement le Long de la surface hélicoïdale. Le mouvement de la partie descendante du mélange est représenté sur le schéma de la figure 1 par la flèche en pointillé (référence 15). On obtient ainsi un effet de centrifugation qui s'ajoute à L'effet de gravité pour entrainer la phase la plus légère vers l'axe de l'enceinte et la phase la plus lourde vers la périphérie de l'enceinte.
Sur l'exemple représenté par la figure 1, la phase aqueuse débarrassée des gouttes de phase dispersée est prélevée dans la partie inférieure de L'enceinte 2, et évacuée par le conduit 16. La phase organique remonte autour de l'axe en formant une phase continue dont l'interface 9 avec la phase aqueuse, schématisée sur la figure 3, forme une surface de plus en plus évasée, se rapprochant dans sa partie supérieure d'une surface horizontale, au dessous de laquelle la phase continue 17 est la phase aqueuse et au dessus de laquelle la phase continue 18 est la phase organique.
La phase organique ainsi séparée est évacuée par le conduit 19. Ainsi, sur la figure 1, l'enceinte 2 comporte deux conduits d'évacuation 16 et 19, le premierpcxir l'évacuation de la phase continue la plus dense, en l'occurence la phase aqueuse, et l'autre 19 pour l'évacuation de la phase continue, la plus légére en l'occurence la phase organique. Le premier orifice est situé à la partie inférieure de l'enceinte et l'autre à la partie supérieure. Le conduit 1 d'introduction du mélange est placé à un niveau situé entre les deux conduits 19 et 16.
De manière préférée, la surface de l'hélice sur laquelle s'effectue la coalescence est formée par un matériau mouillable par la phase dispersée, cette surface étant constituée par la face inférieure et supérieure de la pièce hélicoidale 3. Ceci favorise la formation d'un film d'une partie de la phase dispersée qui a coalescé-C'est sur ce film que va coalescer une partie de la phase dispersée non encore coalescée. Ainsi, par exemple, si la phase continue est une phase aqueuse et la phase dispersée une phase organique, cette surface peut ëtre soit constituée par un matériau polymère, soit revêtu dudit matériau.
La pièce hélicoïdale 3 est de préférence démontable de manière à pouvoir, si nécessaire, la nettoyer en dehors de l'enceinte
2.
~:,..e La pièce hélicoïdale 3 pourra être montée fixe en rotation dans l'enceinte 2 ou libre en rotation sur elle-mëme autour de l'axe 6. Selon l'une ou l'autre de ces variantes, le moyeu 5 sera ou non immobilisé en rotation sur les paliers 20.
Dans le cas où la pièce hélicoïdale est libre en rotation, et en l'absence de moyen moteur externe, son mouvement resultera de celui des phases qui y circulent.
Un tel mode de réalisation présente d'intéreccantPc caractéristiques - absence de moteur, ce qui répond à un besoin de simplicité pour ce type de dispositif, - minimisation des pertes par frottement puisque l'hélice 3 est entrainée dans le sens de la phase qui générerait le plus de pertes par frottement sur les parois de L'hélice si cette dernière était fixe, - diminution de L'effet de cisaillement sur la phasequiacoalescé en évitant sa redispersion, - action de l'effet de centrifugation en plus de l'effet gravitaire sur la surface de la pièce hélicoïdale, facilitant le drainage du film coalescé.
Le mélange à séparer est introduit de préférence de manière tangentielle dans l'enceinte 2, de manière à favoriser le mouvement de rotation des phases à séparer le long de la pièce hélicoidale 3, comme l'illustre le schéma de la figure 4, sur laquelle est représentée en coupe l'arrivée du conduit 1 dans l'enceinte 2, la pièce hélicoïdale 3 n'étant pas représentée.
La vitesse atteinte par la phase continue est dans ce cas la plus élevée en périphérie de l'enceinte où la vitesse moyenne peut se situer par exemple entre 1 et 10m/s ce qui pour un diamètre de 0.1m conduit à une accélération centrifuge comprise entre 20 et 2000 m2/s.
De manière génèrale l'acceleration centrifuge est trés supérieure à la gravité à la périphérie de l'enceinte et les gouttes de phase dispersée suivent une trajectoire sensiblement horizontale.
La génératrice de la surface hélicoidale 4 doit être e , suffisament inclinée par rapport à l'horizontale pour que La distance maximale de parcours d'une goutte selon la direction radiale avant collision soit réduite.
Si par exemple l'angle de la génératrice de la surface hélicoidale 4 par rapport à la verticale est de 45 degrés, cette distance maximale de parcours selon la direction radiale avant collision est égale à la distance entre deux parties de surface hélicoïdales (successives). Cet angle est de préférence inférieur à 60 degrés sur au moins une partie de la génératrice.
De préférence, selon la présente invention, La distance maximale de parcours d'une goutte de phase dispersée selon la direction radiale et avant collision sera réduite. De bons résultats sont attendus lorsque cette distance est au moins inférieure au quart du diamètre périphérique de la pièce interne 3 et de préférence inférieure au dixième du diamètre interne de L'enceinte 2.
En définitive, le procédé de séparation entre une phase continue (I) et au moins une phase dispersée (II>, de densités différentes se caractérise en ce que Le mélange des phases <I) et (II) à séparer est envoyé dans un dispositif formé par au moins une enceinte de forme cylindrique 2 et au moins une pièce interne de forme hélicoïdale 3 dont au moins l'une des faces présentant une surface hélicoïdale, délimite partiellement un passage hélicoïdal, ladite pièce interne étant adaptée à ce que La distance maximale de parcours d'une particule de la phase dispersée II selon la direction radiale avant collision, soit inférieure au quart du diamètre périphérique de la pièce interne 3, Ladite surface hélicoïdale présentant en projection sur un plan perpendiculaire à L'axe de ladite enceinte une surface au moins égale à La moitié de la section droite interne totale de l'enceinte cylindrique 2 et en ce que l'écoulement du mélange des phases (I) et (II) le long dudit passage provoque un mouvement de rotation autour de l'axe de l'enceinte 2, conduisant un déplacement de la phase La plus légère vers l'axe de la phase la plus lourde vers la périphérie de l'enceinte au cours duquel la phase dispersée <II) coalesce au moins partiellement sur les parois dudit passage puis forme une phase continue séparée de La phase continue (I> par une interface, la phase légère et la phase lourde étant prélevées de part et d'autre de ladite interface.
Les spires successives formant la pièce 3 doivent ëtre de préférence relativement rapprochées pour favoriser la coalescence de la phase dispersée. Il a été ainsi trouvé que l'angle que forme la tangente en tout point de la spirale que décrit L'extrémité de la surface hélicoïdale sur laquelle coalesce la phase dispersée est de préférence inférieur à 60 degrés.
Pour augmenter la surface sur laquelle la phase dispersée vient coalescer il est possible de disposer une pluralité de surfaces hélicoïdales qui se déduisent les unes des autres par une translation hélicoïdale, L'ensemble de ces pièces formant La surface hélicoïdale 4.
Ainsi par exemple sur le schéma de La figure 5 les spires 21, 22, 23 et 24 appartiennent à une première surface hélicoidale et les spires 25, 26 et 27 à une deuxième surface hélicoïdale qui se déduit de la première par translation. Les surfaces hélicoidales formant la surface 4 peuvent être solidaires d'un axe central (cas de la figure 1) ou solidaire de L'enceinte. Il est également possible de disposer une première surface hélicoidale solidaire de l'axe et une deuxième surface hélicoïdale solidaire de l'enceinte comme sur le schéma de la figure 6.
Sur le schéma de la figure 6, les spires 28, 29 et 30 appartiennent à une première surface hélicoïdale solidaire de L'axe ou moyeu central 5 et les spires 31, 32 et 33 d'une deuxième surface hélicoïdale solitaire de l'enceinte.
Dans un des modes de réalisation du procédé selon l'invention, lorsque la phase dispersée est La plus Légère et la phase continue la plus Lourde, la phase continue est entraïnée vers la périphérie du dispositif et la phase dispersée coalesce sur les surfaces des spires en formant des gouttelettes qui se rassemblent sur La périphérie de L'axe central en formant un film qui est évacué par les perforations 33 et 34 effectuées en dessous de l'attache des spires sur l'axe central qui est lui-même évidé afin de permettre l'évacuation dudit film constitué essentiellement des composés formant la phase dispersée vers l'extérieur du dispositif. Une telle disposition est illustrée par le schéma de la figure 7.
Pour favoriser la coalescence de la phase dispersée, il est possible de disposer entre les spires de la pièce hélicoïdale 3 un garnissage 35 mouillable par la phase dispersée. Ce garnissage peut être constitué par exemple par des fibres en matériau polymère si la phase dispersée est une phase organique.
Ces fibres peuvent être disposées sous forme d'un tissu, disposé de préférence parallëlement aux spires de la pièce hélicoïdale 3 en une ou plusieurs êpa.isseurs sous forme d'ondes superposées selon le schéma de la figure 8.
L'utilisation d'un garnissage 35 facilite la coalescence de la phase dispersée en réduisant la distance maximale de parcours d'une goutte de phase dispersée avant la rencontre avec les éléments internes promoteurs de coalescence, et permet d'obtenir une distance maximale de parcours inférieure au dixième du diamètre interne de l'enceinte 2 sans avoir à respecter de condition particulière en ce qui concerne l'inclinaison des spires de la surface hélicoïdale 4.
Pour réduire les pertes de charge liées à la présence dudit garnissage il est possible dans une version préférée du dispositif que le garnissage soit constitué uniquement de fils 36 mouillables par la phase dispersée, et diposé entre les spires dans le sens de circulation du fluide afin de diminuer la perte de charge et d'éviter des effets de cisaillement des phases constituant le fluide. Cette version est illustrée par le schéma de la figure 9.
I1 est également possible dans le but d'augmenter la coalescence de la phase dispersée de disposer entre les spires des ondes perforées 37 placées parallèlement à l'axe central et disposées à la face supérieure des spires et développées suivant le sens de rotation de la pièce statique de forme 13a t hélicoïdale H selon le schéma de la figure 10. Cet agencement permet d'augmenter la surface de contact sans pour autant e..,+.,........,.- 1 1 éi.~~il omcn~ rlc ¿ a ~1P~ T1P ~ 1 fTlll C'3P
circulant entre les spires. Ces ondes sont réalisées dans un matériau mouiLlable par la phase dispersée. Les perforations des ondes permettent la circulation des gouttes qui ont coalescé et qui se rassemblent pour former un film continu le long de l'axe central de la spirale et qui est évacué dans la partie supérieure du dispositif.
Pour favoriser la coalescence, il est également possible d'augmenter la surface de contact ou se produit cette coalescence en créant à la surface supérieure et inférieure des spires un relief composé par exemple d'ondulations 38 ou par des picots 39 de forme cylindrique sphérique, conique afin d'augmenter la probabilité de choc de la phase dispersée sans pour autant créer des forces de cisaillement. Ces picots peuvent être réalisés dans le mëme matériau que celui des spires, ils sont rendus solidaires de la surface des spires par soudage, ou moulage, ou emboutissage en fonction du matériau composant la pièce hélicoïdale 3. Cette version est illustrée par la figure 11.
Le procédé selon l'invention s'applique à différent type de séparation. Dans le cas de séparation ou la phase dispersée est constituée essentiellement de micro gouttelettes ou par exemple dans le cas où la séparation entre la phase dispersée et la phase continue doit répondre à des normes sévères, il est possible de réaliser cette séparation en tapissant la surface des spires d'un garnissage constitué de fibres macro poreuses ou de type matériau non tissé
mouillable par la phase dispersée. Ce garnissage peut être rendu solidaire de la surface des spires par collage ou tout dispositif de fixation mécanique connu de l'homme de l'art. Ce garnissage permet notamment d'isoler la phase qui a coalescé du fluide circulant entre les spires afin d'éviter un entraînement mécanique de la phase coalescé ou des gouttelettes la composant, par la phase continue. Ce dispositif est représenté sur le schéma de la figure 12.
Le procédé selon l'invention s'applique à différents cas de séparations.
Comme dans l'exemple illustré par la figure 1, la phase dispersée (II) peut être plus légère que la phase continue (I). Par f exemple la phase (îI) peut être une phase organique et La phase continue (I) une phase aqueuse.
Le procédé s'applique ainsi au deshuilage de l'eau de production, séparée du pétrole brut sur un champ de production.
La phase dispersée peut également comprendre une phase gazeuse, la phase continue étant une phase Liquide.
Dans ce cas la phase gazeuse est entrainée vers la partie centrale du dispositif puis se rassemble à une interface gaz-liquide pour former une phase continue qui est soutirée en un point situé
dans la partie supérieure du dispositif, la phase liquide étant soutirée en un point situé dans la partie inférieure du dispositif.
Lorsque La phase dispersée (II) à l'entrée est la phase la plus Légère, le mélange des phases à séparer est introduit à une extremité supérieure du dispositif au dessous de l'interface entre la phase continue (I) et la phase continue que forme la phase (II) après coalescence de manière tangentielle dans l'enceinte 2. Une telle disposition est illustrée sur le schéma de la figure 13.
Le mélange des phases à séparer est introduit par le conduit 40 au dessous de l'interface 10 entre Les deux phases à
séparer. La surface hélicoidable 4 est schématisée en coupe. La phase continue (I> est évacuée à la périphérie de l'enceinte 2 par le conduit 41 et La phase (II) dispersée à L'entrée est évacuée par le conduit 42, à la périphérie de l'enceinte 2.
Pour favoriser la séparation de la phase dispersée lorsque cette phase dispersée est la plus légère, il est possible d'injecter à la base de L'enceinte 2 une phase gazeuse finement dispersée. Par exemple, pour deshuiler une phase aqueuse iL est possible d'envoyer de fines bulles d'air sur la surface desquelles peuvent se fixer les micro gouttes de phase organique.
La phase dispersée (II) peut être également une phase plus lourde que la phase continue (I).
Par exemple la phase dispersée (II) peut être une phase aqueuse et la phase continue (I) une phase organique.
Dans ce cas le mélange à séparer étant introduit dans La i6 partie supérieure du dispositif. La phase aqueuse est entraînée vers la périphérie du dispositif puis se rassemble â une interface liquide-liquide l0 pour former une phase continue.
Cette phase continue est soutirée en un point situé dans la partie inférieure du dispositif et à proximité de son axe, le point de soutirage étant situé au-dessus de l'interface l0.
L'interface l0 a descendu dans l'enceinte et le point de prélèvement qui est disposé au-dessus de l'interface lo se trouvent dans la partie inférieure de l'enceinte et en-dessous l0 du niveau où se situait l'interface liquide-liquide initiale-ment.
Une telle diposition est illustrée par le schéma de la figure 14.
Le mélange des phases à séparer est introduit par le conduit 43 débouchant de manière tangentielle dans l'enceinte 2, la surface 4 schématisée en coupe est dans ce cas solidaire de l'enceinte 2. La phase (II) est évacuée par le conduit 44 en un point situé dans la partie inférieure de l'enceinte 2 au-dessous de l'interface 10 et la phase (I) par le conduit 45 qui 20 prélève la phase (I) en un point voisin de l'axe du dispositif, situé au-dessus de l'interface 10.
La phase dispersée (II) peut également comprendre une phase solide qui est dans ce cas évacuée à la base du dispositif.
Le procédé s'applique notamment au dessalage de pétrole brut, la phase aqueuse chargée en sels étant dans ce cas la phase dispersée (II) et le pétrole brut la phase continue (I).
Les gouttes de phase aqueuse étant chargées à leur 30 surface, il est possible dans ce cas de favoriser la séparation entre les phases et la coalescence sur la surface hélicoïdale 4 en appliquant une différence de potentiel entre deux spires successives. Une telle méthode peut être appliquée chaque fois que les gouttes ou particules formant la phase dispersée sont chargées à leur surface.
Le procédé peut également être appliqué pour séparer 16a plus de deux phases dans le même dispositif.
Le procédé peut être appliqué par exemple pour séparer l'ensemble des phases sortant d'un puits de production de pétrole, c'est-à-dire le gaz associé, le pétrole, l'eau et éventuellement les particules solides dispersées.
'; ~.~ P 9 ~ ~ ' Un tel cas d'application est illustré par le schéma de la figure 15.
Le mélange de phases à séparer sortant du puits de production est envoyé par le conduit 46 dans l'enceinte 2. Le gaz associé se rassemble dans la partie supérieure du dispositif et il est évacué par le conduit 47. IL forme avec le pétrole brut une interface 51. Le mélange à séparer est envoyé tangentiellement dans l'enceinte 2, au dessous de L'interface 51.
La phase aqueuse et les particules de phase solide se rassemblent dans la partie inférieure du dispositif. La phase aqueuse forme avec le pétrole brut une interface 52 le pétrole brut est évacué par le conduit 48 et la phase aqueuse par le conduit 49.
La phase solide se concentre à la base du dispositif, la surface 53 désignant la limite de la phase riche en particules solides. Cette phase riche en particules solides est évacuée par le conduit 50.
La figure 16 représente le cas d'une surface hélicoïdale dont la coupe, par un plan vertical, représente une forme curviligne 54 ne correspondant pas à un segment de droite.
~:,..e La pièce hélicoïdale 3 pourra être montée fixe en rotation dans l'enceinte 2 ou libre en rotation sur elle-mëme autour de l'axe 6. Selon l'une ou l'autre de ces variantes, le moyeu 5 sera ou non immobilisé en rotation sur les paliers 20.
Dans le cas où la pièce hélicoïdale est libre en rotation, et en l'absence de moyen moteur externe, son mouvement resultera de celui des phases qui y circulent.
Un tel mode de réalisation présente d'intéreccantPc caractéristiques - absence de moteur, ce qui répond à un besoin de simplicité pour ce type de dispositif, - minimisation des pertes par frottement puisque l'hélice 3 est entrainée dans le sens de la phase qui générerait le plus de pertes par frottement sur les parois de L'hélice si cette dernière était fixe, - diminution de L'effet de cisaillement sur la phasequiacoalescé en évitant sa redispersion, - action de l'effet de centrifugation en plus de l'effet gravitaire sur la surface de la pièce hélicoïdale, facilitant le drainage du film coalescé.
Le mélange à séparer est introduit de préférence de manière tangentielle dans l'enceinte 2, de manière à favoriser le mouvement de rotation des phases à séparer le long de la pièce hélicoidale 3, comme l'illustre le schéma de la figure 4, sur laquelle est représentée en coupe l'arrivée du conduit 1 dans l'enceinte 2, la pièce hélicoïdale 3 n'étant pas représentée.
La vitesse atteinte par la phase continue est dans ce cas la plus élevée en périphérie de l'enceinte où la vitesse moyenne peut se situer par exemple entre 1 et 10m/s ce qui pour un diamètre de 0.1m conduit à une accélération centrifuge comprise entre 20 et 2000 m2/s.
De manière génèrale l'acceleration centrifuge est trés supérieure à la gravité à la périphérie de l'enceinte et les gouttes de phase dispersée suivent une trajectoire sensiblement horizontale.
La génératrice de la surface hélicoidale 4 doit être e , suffisament inclinée par rapport à l'horizontale pour que La distance maximale de parcours d'une goutte selon la direction radiale avant collision soit réduite.
Si par exemple l'angle de la génératrice de la surface hélicoidale 4 par rapport à la verticale est de 45 degrés, cette distance maximale de parcours selon la direction radiale avant collision est égale à la distance entre deux parties de surface hélicoïdales (successives). Cet angle est de préférence inférieur à 60 degrés sur au moins une partie de la génératrice.
De préférence, selon la présente invention, La distance maximale de parcours d'une goutte de phase dispersée selon la direction radiale et avant collision sera réduite. De bons résultats sont attendus lorsque cette distance est au moins inférieure au quart du diamètre périphérique de la pièce interne 3 et de préférence inférieure au dixième du diamètre interne de L'enceinte 2.
En définitive, le procédé de séparation entre une phase continue (I) et au moins une phase dispersée (II>, de densités différentes se caractérise en ce que Le mélange des phases <I) et (II) à séparer est envoyé dans un dispositif formé par au moins une enceinte de forme cylindrique 2 et au moins une pièce interne de forme hélicoïdale 3 dont au moins l'une des faces présentant une surface hélicoïdale, délimite partiellement un passage hélicoïdal, ladite pièce interne étant adaptée à ce que La distance maximale de parcours d'une particule de la phase dispersée II selon la direction radiale avant collision, soit inférieure au quart du diamètre périphérique de la pièce interne 3, Ladite surface hélicoïdale présentant en projection sur un plan perpendiculaire à L'axe de ladite enceinte une surface au moins égale à La moitié de la section droite interne totale de l'enceinte cylindrique 2 et en ce que l'écoulement du mélange des phases (I) et (II) le long dudit passage provoque un mouvement de rotation autour de l'axe de l'enceinte 2, conduisant un déplacement de la phase La plus légère vers l'axe de la phase la plus lourde vers la périphérie de l'enceinte au cours duquel la phase dispersée <II) coalesce au moins partiellement sur les parois dudit passage puis forme une phase continue séparée de La phase continue (I> par une interface, la phase légère et la phase lourde étant prélevées de part et d'autre de ladite interface.
Les spires successives formant la pièce 3 doivent ëtre de préférence relativement rapprochées pour favoriser la coalescence de la phase dispersée. Il a été ainsi trouvé que l'angle que forme la tangente en tout point de la spirale que décrit L'extrémité de la surface hélicoïdale sur laquelle coalesce la phase dispersée est de préférence inférieur à 60 degrés.
Pour augmenter la surface sur laquelle la phase dispersée vient coalescer il est possible de disposer une pluralité de surfaces hélicoïdales qui se déduisent les unes des autres par une translation hélicoïdale, L'ensemble de ces pièces formant La surface hélicoïdale 4.
Ainsi par exemple sur le schéma de La figure 5 les spires 21, 22, 23 et 24 appartiennent à une première surface hélicoidale et les spires 25, 26 et 27 à une deuxième surface hélicoïdale qui se déduit de la première par translation. Les surfaces hélicoidales formant la surface 4 peuvent être solidaires d'un axe central (cas de la figure 1) ou solidaire de L'enceinte. Il est également possible de disposer une première surface hélicoidale solidaire de l'axe et une deuxième surface hélicoïdale solidaire de l'enceinte comme sur le schéma de la figure 6.
Sur le schéma de la figure 6, les spires 28, 29 et 30 appartiennent à une première surface hélicoïdale solidaire de L'axe ou moyeu central 5 et les spires 31, 32 et 33 d'une deuxième surface hélicoïdale solitaire de l'enceinte.
Dans un des modes de réalisation du procédé selon l'invention, lorsque la phase dispersée est La plus Légère et la phase continue la plus Lourde, la phase continue est entraïnée vers la périphérie du dispositif et la phase dispersée coalesce sur les surfaces des spires en formant des gouttelettes qui se rassemblent sur La périphérie de L'axe central en formant un film qui est évacué par les perforations 33 et 34 effectuées en dessous de l'attache des spires sur l'axe central qui est lui-même évidé afin de permettre l'évacuation dudit film constitué essentiellement des composés formant la phase dispersée vers l'extérieur du dispositif. Une telle disposition est illustrée par le schéma de la figure 7.
Pour favoriser la coalescence de la phase dispersée, il est possible de disposer entre les spires de la pièce hélicoïdale 3 un garnissage 35 mouillable par la phase dispersée. Ce garnissage peut être constitué par exemple par des fibres en matériau polymère si la phase dispersée est une phase organique.
Ces fibres peuvent être disposées sous forme d'un tissu, disposé de préférence parallëlement aux spires de la pièce hélicoïdale 3 en une ou plusieurs êpa.isseurs sous forme d'ondes superposées selon le schéma de la figure 8.
L'utilisation d'un garnissage 35 facilite la coalescence de la phase dispersée en réduisant la distance maximale de parcours d'une goutte de phase dispersée avant la rencontre avec les éléments internes promoteurs de coalescence, et permet d'obtenir une distance maximale de parcours inférieure au dixième du diamètre interne de l'enceinte 2 sans avoir à respecter de condition particulière en ce qui concerne l'inclinaison des spires de la surface hélicoïdale 4.
Pour réduire les pertes de charge liées à la présence dudit garnissage il est possible dans une version préférée du dispositif que le garnissage soit constitué uniquement de fils 36 mouillables par la phase dispersée, et diposé entre les spires dans le sens de circulation du fluide afin de diminuer la perte de charge et d'éviter des effets de cisaillement des phases constituant le fluide. Cette version est illustrée par le schéma de la figure 9.
I1 est également possible dans le but d'augmenter la coalescence de la phase dispersée de disposer entre les spires des ondes perforées 37 placées parallèlement à l'axe central et disposées à la face supérieure des spires et développées suivant le sens de rotation de la pièce statique de forme 13a t hélicoïdale H selon le schéma de la figure 10. Cet agencement permet d'augmenter la surface de contact sans pour autant e..,+.,........,.- 1 1 éi.~~il omcn~ rlc ¿ a ~1P~ T1P ~ 1 fTlll C'3P
circulant entre les spires. Ces ondes sont réalisées dans un matériau mouiLlable par la phase dispersée. Les perforations des ondes permettent la circulation des gouttes qui ont coalescé et qui se rassemblent pour former un film continu le long de l'axe central de la spirale et qui est évacué dans la partie supérieure du dispositif.
Pour favoriser la coalescence, il est également possible d'augmenter la surface de contact ou se produit cette coalescence en créant à la surface supérieure et inférieure des spires un relief composé par exemple d'ondulations 38 ou par des picots 39 de forme cylindrique sphérique, conique afin d'augmenter la probabilité de choc de la phase dispersée sans pour autant créer des forces de cisaillement. Ces picots peuvent être réalisés dans le mëme matériau que celui des spires, ils sont rendus solidaires de la surface des spires par soudage, ou moulage, ou emboutissage en fonction du matériau composant la pièce hélicoïdale 3. Cette version est illustrée par la figure 11.
Le procédé selon l'invention s'applique à différent type de séparation. Dans le cas de séparation ou la phase dispersée est constituée essentiellement de micro gouttelettes ou par exemple dans le cas où la séparation entre la phase dispersée et la phase continue doit répondre à des normes sévères, il est possible de réaliser cette séparation en tapissant la surface des spires d'un garnissage constitué de fibres macro poreuses ou de type matériau non tissé
mouillable par la phase dispersée. Ce garnissage peut être rendu solidaire de la surface des spires par collage ou tout dispositif de fixation mécanique connu de l'homme de l'art. Ce garnissage permet notamment d'isoler la phase qui a coalescé du fluide circulant entre les spires afin d'éviter un entraînement mécanique de la phase coalescé ou des gouttelettes la composant, par la phase continue. Ce dispositif est représenté sur le schéma de la figure 12.
Le procédé selon l'invention s'applique à différents cas de séparations.
Comme dans l'exemple illustré par la figure 1, la phase dispersée (II) peut être plus légère que la phase continue (I). Par f exemple la phase (îI) peut être une phase organique et La phase continue (I) une phase aqueuse.
Le procédé s'applique ainsi au deshuilage de l'eau de production, séparée du pétrole brut sur un champ de production.
La phase dispersée peut également comprendre une phase gazeuse, la phase continue étant une phase Liquide.
Dans ce cas la phase gazeuse est entrainée vers la partie centrale du dispositif puis se rassemble à une interface gaz-liquide pour former une phase continue qui est soutirée en un point situé
dans la partie supérieure du dispositif, la phase liquide étant soutirée en un point situé dans la partie inférieure du dispositif.
Lorsque La phase dispersée (II) à l'entrée est la phase la plus Légère, le mélange des phases à séparer est introduit à une extremité supérieure du dispositif au dessous de l'interface entre la phase continue (I) et la phase continue que forme la phase (II) après coalescence de manière tangentielle dans l'enceinte 2. Une telle disposition est illustrée sur le schéma de la figure 13.
Le mélange des phases à séparer est introduit par le conduit 40 au dessous de l'interface 10 entre Les deux phases à
séparer. La surface hélicoidable 4 est schématisée en coupe. La phase continue (I> est évacuée à la périphérie de l'enceinte 2 par le conduit 41 et La phase (II) dispersée à L'entrée est évacuée par le conduit 42, à la périphérie de l'enceinte 2.
Pour favoriser la séparation de la phase dispersée lorsque cette phase dispersée est la plus légère, il est possible d'injecter à la base de L'enceinte 2 une phase gazeuse finement dispersée. Par exemple, pour deshuiler une phase aqueuse iL est possible d'envoyer de fines bulles d'air sur la surface desquelles peuvent se fixer les micro gouttes de phase organique.
La phase dispersée (II) peut être également une phase plus lourde que la phase continue (I).
Par exemple la phase dispersée (II) peut être une phase aqueuse et la phase continue (I) une phase organique.
Dans ce cas le mélange à séparer étant introduit dans La i6 partie supérieure du dispositif. La phase aqueuse est entraînée vers la périphérie du dispositif puis se rassemble â une interface liquide-liquide l0 pour former une phase continue.
Cette phase continue est soutirée en un point situé dans la partie inférieure du dispositif et à proximité de son axe, le point de soutirage étant situé au-dessus de l'interface l0.
L'interface l0 a descendu dans l'enceinte et le point de prélèvement qui est disposé au-dessus de l'interface lo se trouvent dans la partie inférieure de l'enceinte et en-dessous l0 du niveau où se situait l'interface liquide-liquide initiale-ment.
Une telle diposition est illustrée par le schéma de la figure 14.
Le mélange des phases à séparer est introduit par le conduit 43 débouchant de manière tangentielle dans l'enceinte 2, la surface 4 schématisée en coupe est dans ce cas solidaire de l'enceinte 2. La phase (II) est évacuée par le conduit 44 en un point situé dans la partie inférieure de l'enceinte 2 au-dessous de l'interface 10 et la phase (I) par le conduit 45 qui 20 prélève la phase (I) en un point voisin de l'axe du dispositif, situé au-dessus de l'interface 10.
La phase dispersée (II) peut également comprendre une phase solide qui est dans ce cas évacuée à la base du dispositif.
Le procédé s'applique notamment au dessalage de pétrole brut, la phase aqueuse chargée en sels étant dans ce cas la phase dispersée (II) et le pétrole brut la phase continue (I).
Les gouttes de phase aqueuse étant chargées à leur 30 surface, il est possible dans ce cas de favoriser la séparation entre les phases et la coalescence sur la surface hélicoïdale 4 en appliquant une différence de potentiel entre deux spires successives. Une telle méthode peut être appliquée chaque fois que les gouttes ou particules formant la phase dispersée sont chargées à leur surface.
Le procédé peut également être appliqué pour séparer 16a plus de deux phases dans le même dispositif.
Le procédé peut être appliqué par exemple pour séparer l'ensemble des phases sortant d'un puits de production de pétrole, c'est-à-dire le gaz associé, le pétrole, l'eau et éventuellement les particules solides dispersées.
'; ~.~ P 9 ~ ~ ' Un tel cas d'application est illustré par le schéma de la figure 15.
Le mélange de phases à séparer sortant du puits de production est envoyé par le conduit 46 dans l'enceinte 2. Le gaz associé se rassemble dans la partie supérieure du dispositif et il est évacué par le conduit 47. IL forme avec le pétrole brut une interface 51. Le mélange à séparer est envoyé tangentiellement dans l'enceinte 2, au dessous de L'interface 51.
La phase aqueuse et les particules de phase solide se rassemblent dans la partie inférieure du dispositif. La phase aqueuse forme avec le pétrole brut une interface 52 le pétrole brut est évacué par le conduit 48 et la phase aqueuse par le conduit 49.
La phase solide se concentre à la base du dispositif, la surface 53 désignant la limite de la phase riche en particules solides. Cette phase riche en particules solides est évacuée par le conduit 50.
La figure 16 représente le cas d'une surface hélicoïdale dont la coupe, par un plan vertical, représente une forme curviligne 54 ne correspondant pas à un segment de droite.
Claims (31)
1. Procédé de séparation entre une phase continue (I) et au moins une phase dispersée (II), de densités différentes, caractérisé en ce que le mélange des phases (I) et (II) à séparer est envoyé dans un dispositif formé par au moins une enceinte de forme sensiblement cylindrique et au moins une pièce interne de forme hélicoïdale dont au moins l'une des faces présente une surface hélicoïdale délimitant au moins partiellement un passage hélicoïdal, ladite pièce interne étant adaptée à ce que la distance maximale de parcours d'une particule de la phase dispersée (II) selon la direction radiale avant collision avec au moins une paroi dudit passage hélicoïdal, soit inférieure au quart du diamètre périphérique de la pièce interne, ladite surface hélicoïdale présentant en projection sur un plan perpendiculaire à l'axe de ladite enceinte une surface au moins égale à la moitié de la section droite interne totale de l'enceinte cylindrique et en ce que l'écoulement du mélange des phases (I) et (II) le long dudit passage provoque un mouvement de rotation autour de l'axe de l'enceinte, conduisant un déplacement de la phase la plus légère vers l'axe et de la phase la plus lourde vers la périphérie de l'enceinte, au cours duquel la phase dispersée (II) coalesce au moins partiellement sur les parois dudit passage puis forme une phase continue séparée de la phase continue (I) par une interface, la phase légère et la phase lourde étant prélevées de part et d'autre de ladite interface.
2. Dispositif pour la séparation entre une phase continue (I) et au moins une phase dispersée (II) de densités différentes comportant une enceinte cylindrique, caractérisé en ce qu'il comporte au moins une pièce interne de forme hélicoïdale dont au moins l'une des faces présente une surface hélicoïdale, délimitant partiellement un passage hélicoïdal, ladite pièce interne étant adaptée à ce que la distance maximale de parcours d'une particule de la phase dispersée (II) selon la direction radiale avant collision avec au moins une paroi dudit passage hélicoïdal soit inférieure au quart du diamètre périphérique de la pièce interne, ladite surface hélicoïdale présentant en projection sur un plan perpendiculaire à l'axe de ladite enceinte une surface au moins égale à
la moitié de la section droite interne totale de l'enceinte cylindrique, ledit dispositif comprenant des moyens d'introduction du mélange des phases (I) et (II) dans l'enceinte, et étant adapté à ce que l'écoulement du mélange des phases (I) et (II) le long dudit passage provoque un mouvement de rotation autour de l'axe de l'enceinte conduisant un déplacement de la phase la plus légère vers l'axe et de la phase la plus lourde vers la périphérie de l'enceinte, au cours duquel la phase dispersée (II) coalesce au moins partiellement sur les parois dudit passage puis forme une phase continue séparée de la phase continue (I) par une interface, et à ce que la phase légère et la phase lourde soient prélevées de part et d'autre de ladite interface.
la moitié de la section droite interne totale de l'enceinte cylindrique, ledit dispositif comprenant des moyens d'introduction du mélange des phases (I) et (II) dans l'enceinte, et étant adapté à ce que l'écoulement du mélange des phases (I) et (II) le long dudit passage provoque un mouvement de rotation autour de l'axe de l'enceinte conduisant un déplacement de la phase la plus légère vers l'axe et de la phase la plus lourde vers la périphérie de l'enceinte, au cours duquel la phase dispersée (II) coalesce au moins partiellement sur les parois dudit passage puis forme une phase continue séparée de la phase continue (I) par une interface, et à ce que la phase légère et la phase lourde soient prélevées de part et d'autre de ladite interface.
3. Dispositif selon la revendication 2, caractérisé
en ce que ladite pièce est statique dans ladite enceinte.
en ce que ladite pièce est statique dans ladite enceinte.
4. Dispositif selon la revendication 2, caractérisé
en ce que ladite pièce est libre en rotation sur elle-même.
en ce que ladite pièce est libre en rotation sur elle-même.
5. Dispositif selon la revendication 4, caractérisé
en ce qu'il est dépourvu de moyen externe de mise en rotation de ladite pièce sur elle-même.
en ce qu'il est dépourvu de moyen externe de mise en rotation de ladite pièce sur elle-même.
6. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 2 à 5, caractérisé en ce que les parois dudit passage sont formées en partie ou en totalité par un matériau préférentiellement mouillable par la phase dispersée.
7. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 2 à 6, caractérisé en ce que l'axe de l'enceinte cylindrique est vertical.
8. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 2 à 7, caractérisé en ce que les moyens d'introduction dudit mélange dans l'enceinte sont tangentiels.
9. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 2 à 8, caractérisé en ce que ledit passage comporte au moins une paroi de forme hélicoïdale décrite par une génératrice formant avec l'axe de l'enceinte sur au moins une partie de sa longueur un angle inférieur à 60 degrés.
10. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 2 à 9, caractérisé en ce que la pente que forme par rapport à l'axe de l'enceinte la génératrice de la surface hélicoïdale diminue lorsque la distance par rapport à l'axe diminue.
11. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 2 à 10, caractérisé en ce que l'angle que forme la tangente en tout point de la courbe décrite par l'extrémité de la génératrice de la surface hélicoïdale par rapport à
l'horizontale est inférieur à 60 degrés.
l'horizontale est inférieur à 60 degrés.
12. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 2 à 11, caractérisé en ce ledit dispositif comporte une pluralité de surfaces hélicoïdales qui se déduisent les unes des autres par une translation uniforme et forment la surface hélicoïdale.
13. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 2 à 12, caractérisé en ce que la distance entre deux éléments de surface appartenant â un même passage et situés sur une même verticale est inférieure au dixième du diamètre interne de l'enceinte cylindrique.
14. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 2 à 13, caractérisé en ce que l'axe central de la pièce statique hélicoïdale est évidé et muni de perforations sur sa périphérie de manière à permettre la collecte et l'évacuation de la phase dispersée au travers dudit axe central.
15. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 2 à 14, caractérisé en ce que la distance maximale de parcours d'une particule de phase dispersée (II) selon la direction radiale avant ladite collision, est inférieure au dixième du diamètre interne de l'enceinte.
16. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 2 à 15, caractérisé en ce que ledit passage comporte un garnissage mouillable par la phase dispersée (II).
17. Dispositif selon la revendication 16, caractérisé
en ce que le garnissage est formé d'un tissu.
en ce que le garnissage est formé d'un tissu.
18. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 2 à 15, caractérisé en ce que ledit passage comporte un garnissage constitué uniquement de fils mouillables par la phase dispersée dont l'axe de ces fils est dans le même sens que la circulation de la phase continue.
19. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 2 à 15, caractérisé en ce que des ondes perforées, dont les nappes, sont placées parallèlement à l'axe central de l'enceinte, disposées sur la surface supérieure du passage, et développées dans le sens de circulation de la phase continue.
20. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 2 à 19, caractérisé en ce que l'une des parois du passage est ondulée ou est munie de picots de forme cylindrique, sphérique ou conique.
21. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 2 à 20, caractérisé en ce qu'au moins l'une des parois du passage est recouverte d'un matériau de type non tissé et macro poreux mouillable par la phase dispersée.
22. Procédé mettant en oeuvre un dispositif selon l'une quelconque des revendications 2 à 21, caractérisé en ce que la phase continue (I) est une phase liquide et que la phase dispersée (II) comprend au moins une phase liquide.
23. Procédé mettant en oeuvre un dispositif selon l'une quelconque des revendications 2 à 21, caractérisé en ce que la phase dispersée (II) est une phase organique et la phase continue (I) une phase aqueuse.
24. Procédé mettant en oeuvre un dispositif selon l'une quelconque des quelconque revendications 2 à 21, caractérisé en ce qu'une phase gazeuse finement dispersée est introduite à la base de l'enceinte, pour favoriser la séparation de la phase dispersée (II).
25. Procédé mettant en oeuvre un dispositif selon l'une quelconque des revendications 2 à 21, caractérisé en ce que la phase dispersée (II) est une phase gazeuse et la phase continue (I) une phase liquide.
26. Procédé selon l'une quelconque des revendications 23 à 25, caractérisé en ce que le mélange des phases à
séparer est introduit à une extrémité supérieure de l'enceinte, au-dessous de l'interface formé entre la phase continue (I) et la phase continue que forme la phase (II) dispersée à l'entrée après coalescence, la phase (I) étant évacuée en un point situé
dans la partie inférieure du dispositif à la périphérie de l'enceinte et la phase (II) étant évacuée en un point situé
dans la partie supérieure du dispositif à la périphérie de l'enceinte, au-dessus de l'interface.
séparer est introduit à une extrémité supérieure de l'enceinte, au-dessous de l'interface formé entre la phase continue (I) et la phase continue que forme la phase (II) dispersée à l'entrée après coalescence, la phase (I) étant évacuée en un point situé
dans la partie inférieure du dispositif à la périphérie de l'enceinte et la phase (II) étant évacuée en un point situé
dans la partie supérieure du dispositif à la périphérie de l'enceinte, au-dessus de l'interface.
27. Procédé mettant en oeuvre un dispositif selon l'une quelconque des revendications 2 à 21, caractérisé en ce que la phase dispersée (II) est une phase aqueuse et la phase continue (I) une phase organique.
28. Procédé selon la revendication 27, caractérisé
en ce que le mélange des phases à séparer est introduit à une extrémité supérieure de l'enceinte, la phase (II) dispersée à
l'entrée étant évacuée en un point situé dans la partie inférieure de l'enceinte, au-dessous de l'interface, la phase continue (I) étant évacuée en un point situé dans la partie inférieure de l'enceinte, au-dessus de l'interface et au voisinage de l'axe de l'enceinte.
en ce que le mélange des phases à séparer est introduit à une extrémité supérieure de l'enceinte, la phase (II) dispersée à
l'entrée étant évacuée en un point situé dans la partie inférieure de l'enceinte, au-dessous de l'interface, la phase continue (I) étant évacuée en un point situé dans la partie inférieure de l'enceinte, au-dessus de l'interface et au voisinage de l'axe de l'enceinte.
29. Procédé mettant en oeuvre un dispositif selon l'une quelconque des revendications 2 à 21, caractérisé en ce qu'une différence de potentiel électrique est créée entre les parois inférieures et supérieures dudit passage.
30. Procédé mettant en oeuvre un dispositif selon l'une quelconque des revendications 2 à 21, caractérisé en ce que le mélange à séparer comprend une phase gazeuse, une phase organique liquide, une phase aqueuse liquide et des particules solides, la phase gazeuse étant prélevée à une extrémité
supérieure de l'enceinte, les particules solides à une extrémité inférieure, la phase organique et la phase aqueuse en des points intermédiaires.
supérieure de l'enceinte, les particules solides à une extrémité inférieure, la phase organique et la phase aqueuse en des points intermédiaires.
31. Application du dispositif ou du procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 30 à une séparation de mélange de fluides pétroliers et/ou gaziers, notamment en milieu aquatique, en surface, entre deux eaux ou au fond de l'eau.
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