DE19627289A1 - Catalyst assembly for e.g. exhaust gas purification - Google Patents
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Abstract
Description
Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung entsprechend dem Oberbegriff des An spruchs 1.The invention relates to a device according to the preamble of the saying 1.
Die bei thermischen und katalytischen Verfahren der Abgasreinigung auftretenden chemischen Umwandlungen lassen sich inThose that occur in thermal and catalytic exhaust gas purification processes chemical transformations can be in
- - Oxidationsreaktionen- oxidation reactions
- - Reduktionsreaktionen- reduction reactions
- - Zersetzungsreaktionen- decomposition reactions
unterteilen.divide.
Unter dem Begriff der katalytischen Abgasreinigung werden diejenigen Verfahren verstanden, bei denen die verunreinigenden gas- und dampfförmigen Substanzen (Schadstoffe) durch chemische Reaktion an der Oberfläche eines festen Hilfsstoffs (Katalysator) in unschädliche Substanzen gewandelt werden.Those processes are termed catalytic exhaust gas purification understood, in which the contaminating gaseous and vaporous substances (Pollutants) through chemical reaction on the surface of a solid auxiliary (Catalyst) can be converted into harmless substances.
Technische Katalysatoren bestehen deshalb in der Mehrzahl aus hochporösen Ma terialien, die eine große Oberfläche für die chemische Reaktion zur Verfügung stel len. Aufgrund der Tatsache, daß die Reaktionspartner (Schadstoffe und Oxidations- bzw. Reduktionsmittel) in einem anderen Aggregatzustand als der Katalysator vor liegen, finden neben der chemischen Reaktion physikalische Transportvorgänge statt.The majority of technical catalysts therefore consist of highly porous materials materials that provide a large surface area for the chemical reaction len. Due to the fact that the reactants (pollutants and oxidation or reducing agent) in a different physical state than the catalyst physical transport processes in addition to the chemical reaction instead of.
Die Katalysatorwirkung ist auf die Existenz von Bereichen der Oberfläche des Fest stoffs zurückzuführen, deren elektronische und/oder geometrische Eigenschaften eine Chemisorption der Reaktionspartner (zum Beispiel Schadstoffe und Sauerstoff) ermöglichen [1].The catalytic effect is due to the existence of areas of the surface of the festival attributed to their electronic and / or geometric properties chemisorption of the reactants (e.g. pollutants and oxygen) enable [1].
Diese aktiven Zentren können sowohl auf der äußeren (geometrischen) Oberfläche als auch auf der inneren Oberfläche (Porosität) angeordnet sein.These active centers can both on the outer (geometric) surface as well as on the inner surface (porosity).
Die Teilschritte heterogen katalysierter Reaktionen sind [5, 6]:The sub-steps of heterogeneously catalyzed reactions are [5, 6]:
- 1. Transport der Reaktionsteilnehmer durch die Gasströmung an die Grenzschicht.1. Transport of the reactants through the gas flow to the boundary layer.
- 2. Diffusion der Reaktionspartner durch die Grenzschicht an die äußere Katalysator oberfläche.2. Diffusion of the reactants through the boundary layer to the outer catalyst surface.
- 3. Diffusion der Reaktionspartner durch die Poren an die innere Katalysatorober fläche.3. Diffusion of the reactants through the pores to the inner catalyst surface area.
- 4. Adsorption auf der Oberfläche des Katalysators.4. Adsorption on the surface of the catalyst.
- 5. Chemische Reaktion.5. Chemical reaction.
- 6. Desorption der Produkte von der Katalysatoroberfläche.6. Desorption of the products from the catalyst surface.
- 7. Diffusion der Produkte durch die Poren an die äußere Oberfläche des Katalysa tors.7. Diffusion of the products through the pores to the outer surface of the catalyst tors.
- 8. Diffusion der Produkte durch die Grenzschicht.8. Diffusion of the products through the boundary layer.
- 9. Transport der Produkte in der Gasströmung.9. Transport of the products in the gas flow.
Durch Ladungsverschiebung bzw. Veränderung der Atomabstände in den chemi sorbierten Molekülen wird das für das Ablaufen der Reaktion erforderliche Energie niveau herabgesetzt. Die Reaktionsprodukte desorbieren von den aktiven Zentren und verlassen durch diffusiven und konvektiven Transport den Katalysator. Auf diese Weise stehen die aktiven Zentren zum Umsatz weiterer Moleküle zur Verfügung [1, 2].By shifting the charge or changing the atomic distances in the chemi sorbed molecules becomes the energy required for the reaction to proceed reduced level. The reaction products desorb from the active sites and leave the catalyst through diffusive and convective transport. To this In this way, the active centers are available for the conversion of additional molecules [1, 2].
Neben dem Stoffaustausch findet die Übertragung von Wärme zwischen Gasraum und Katalysator statt. Dadurch kann der Katalysator durch einen vorgewärmten Gasstrom auf die notwendige Betriebstemperatur vorgewärmt bzw. die durch die exotherme Oxidations-/Verbrennungsreaktion aufgewärmte Katalysatoroberfläche abgekühlt werden [2].In addition to the mass transfer, heat is transferred between the gas space and catalyst instead. This allows the catalyst to be preheated Gas flow preheated to the necessary operating temperature or by the exothermic oxidation / combustion reaction warmed up catalyst surface be cooled [2].
Die Geschwindigkeit heterogen katalysierter Reaktionen wird somit makroskopisch von den Bedingungen des Stoff- und Wärmetransportes zwischen Gasraum und Katalysator (Srömungsgeschwindigkeit, Konzentration, Geometrie, Temperatur) be einflußt [3, 4]. Mikroskopisch bestimmen Anzahl, Anordnung und Zugänglichkeit der aktiven Zentren den Umsatz an Reaktionspartnern (Porenradienverteilung, Dispersi onsgrad).The rate of heterogeneously catalyzed reactions thus becomes macroscopic of the conditions of mass and heat transport between the gas space and Catalyst (flow rate, concentration, geometry, temperature) be influences [3, 4]. Microscopically determine the number, arrangement and accessibility of the active centers sales of reactants (pore radius distribution, dispersi degree).
Zum Beispiel werden bei der katalytischen Nachbehandlung von Abgasen aus sta tionären und instationären Verbrennungsmotoren bei Motoren nach dem Otto-Prinzip Dreiwegekatalysatoren und bei Motoren nach dem Diesel-Prinzip Oxidationskata lysatoren eingesetzt. Diese Katalysatoren bestehen aus einem mit Kanälen durch zogenen Keramik- oder Metallträger, auf dem der Wash-Coat und die katalytisch aktive Beschichtung aufgebracht sind. Bisher eingesetzte Katalysatoren werden ein-, selten zweiteilig ausgeführt.For example, in the catalytic aftertreatment of exhaust gases from sta stationary and transient internal combustion engines in engines based on the Otto principle Three-way catalytic converters and, for engines based on the diesel principle, oxidation catalytic converters analyzers used. These catalysts consist of one with channels through drawn ceramic or metal support on which the wash coat and the catalytic active coating are applied. Previously used catalysts are used rarely made in two parts.
Nachteilig dabei ist, daß durch die ein- oder zweiteilige Ausführung des Katalysators die Katalysatorblöcke eine relativ große Wärmekapazität bei guter Wärmeleitfähigkeit besitzen, was eine nur langsame Aufheizung ("Anspringen") auf die für die chemischen Reaktionen erforderliche Temperatur zur Folge hat. Während der Auf heizzeit findet keine oder nur unzureichende Schadstoffkonvertierung statt. Die bis herigen Katalysatorblöcke sind zu groß, um rasch Betriebstemperatur zu erreichen [7].The disadvantage here is that the one or two-part design of the catalyst the catalyst blocks have a relatively large heat capacity with good thermal conductivity own what is only a slow heating ("light") to that for the chemical reactions required temperature results. During the on heating period there is no or insufficient conversion of pollutants. The up previous catalyst blocks are too large to quickly reach operating temperature [7].
Dem katalytischen Abbau der Schadstoffe an der Katalysatoroberfläche sind der Transport zur und die Adsorption der Schadstoffe an der Katalysatoroberfläche und die Desorption und der Transport der Produkte von der Oberfläche überlagert. Es ist bekannt [8], daß die Schadstoffkonvertierung am Katalysator überwiegend während des thermodynamischen Einlaufs der Strömung in den ersten Millimetern stattfindet. Danach erfolgt kaum weiterer Schadstoffumsatz in den Kanälen. Auf den ersten Milli metern des Katalysators herrschen turbulente Strömungszustände, die den Stoff- und Wärmetransport fördern. Beim weiteren Durchströmen der Kanäle bildet sich infolge der Wandreibung ein laminares Strömungsprofil aus. Ein Transport der Schadstoffe aus dem Kern der Strömung an die katalytisch aktive Kanalwandober fläche findet aufgrund der thermodynamischen Bedingungen nur eingeschränkt statt (Ausbildung einer laminaren Strömung, Reynolds-Zahl kleiner 100). Es kommt zur Ausbildung eines Konzentrationsprofiles über dem Kanalquerschnitt. Das Konzen trationsprofil ist dadurch gekennzeichnet, daß die Konzentration der Schadstoffe von der Kanalmitte in Richtung Kanalwand abnimmt. Schadstoffmoleküle, die sich nicht in unmittelbarer Nähe der Katalysatoroberfläche befinden, werden nicht mehr abge baut.The catalytic degradation of the pollutants on the catalyst surface are the Transport to and adsorption of pollutants on the catalyst surface and the desorption and transport of the products are superimposed on the surface. It is known [8] that the pollutant conversion on the catalyst predominantly during of the thermodynamic inflow of the flow takes place in the first millimeters. After that there is hardly any further pollutant turnover in the channels. At first milli Meters of the catalyst prevail turbulent flow states, which the material and Promote heat transfer. The flow continues through the channels a laminar flow profile due to the wall friction. A transport of the Pollutants from the core of the flow to the catalytically active channel wall area takes place only to a limited extent due to the thermodynamic conditions (Formation of a laminar flow, Reynolds number less than 100). It comes to Formation of a concentration profile over the channel cross-section. The Konzen trationsprofil is characterized in that the concentration of pollutants from the middle of the canal decreases towards the canal wall. Pollutant molecules that are not are in the immediate vicinity of the catalyst surface are no longer abge builds.
Darüber hinaus variiert die mittlere Schadstoffkonzentration in den einzelnen Kanä len. Ursache dafür sind die ungleichmäßige Beaufschlagung der Kanäle mit Abgas, die Deaktivierung durch Alterung und die unterschiedlichen Kanaltemperaturen. Er folgte ein Konzentrationsausgleich zwischen den Kanälen, könnte das ungereingte Abgas aus unwirksamen Kanälen in katalytisch aktiven Kanälen behandelt werden.In addition, the average pollutant concentration varies in the individual channels len. The reason for this is the uneven exposure of the ducts to exhaust gas, deactivation due to aging and the different duct temperatures. He If there was a concentration equalization between the channels, the unrefined could Exhaust gas from ineffective channels can be treated in catalytically active channels.
Aufgabe der Erfindung ist es, einen Katalysator mit erhöhtem Stofftransport der Schadstoffe zur katalytisch aktiven Schicht, ein schnelleres Anspringen des Kataly sators und eine Konzentrations- und Temperaturvergleichmäßigung zwischen den Kanälen zu erreichen.The object of the invention is to provide a catalyst with increased mass transfer Pollutants to the catalytically active layer, a faster start of the catalyze sators and a concentration and temperature equalization between the Channels.
Diese Aufgabe wird durch einen Katalysator mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst.This object is achieved by a catalyst with the features of claim 1 solved.
Die Vorteile des segmental angeordneten Katalysators sind:The advantages of the segmented catalyst are:
-
- schnelleres Anspringen
Durch die mehrteilige Gliederung des Katalysators resultieren kleine Kata lysatorblöcke mit geringer Wärmekapazität. Der erste vom heißen Motor abgas durchströmte Katalysatorblock wird auch zuerst erwärmt und erreicht viel schneller die für die chemischen Reaktionen erforderliche Temperatur.- faster start
The multi-part structure of the catalyst results in small catalyst blocks with low heat capacity. The first catalyst block, through which the hot engine exhausts, is also heated first and reaches the temperature required for the chemical reactions much faster. -
- Vergleichmäßigung des Konzentrations- und Temperaturprofiles über dem
Katalysatorquerschnitt
In den sich zwischen den Katalysatorblöcken befindlichen Zonen, in denen auch Einbauten angeordnet sein können, erfolgt eine Konzentrations- und Temperaturvergleichmäßigung über dem Strömungsquerschnitt. Durch die Konzentrationsvergleichmäßigung in der Zwischenzone können Schad stoffmoleküle, die in inaktiven Kanälen nicht abgebaut wurden, in nachfol genden abgebaut werden.- Uniformity of the concentration and temperature profile over the cross section of the catalyst
In the zones located between the catalyst blocks, in which internals can also be arranged, the concentration and temperature are equalized over the flow cross-section. By equalizing the concentration in the intermediate zone, pollutant molecules that have not been broken down in inactive channels can be broken down in the following. -
- Einlaufströmungen mit optimalem Schadstofftransport zur katalytisch akti
ven Schicht
Durch das Anströmen des nächstfolgenden Katalysatorblocks entstehen in diesem während des thermodynamischen Einlaufs der Strömung Bedin gungen, die den Transport der Schadstoffmoleküle an die Katalysatorober fläche aus dem Kern der Strömung fördern.- Inlet flows with optimal pollutant transport to the catalytically active layer
By flowing onto the next catalyst block, conditions arise in this during the thermodynamic inflow of the flow, which promote the transport of the pollutant molecules to the catalyst surface from the core of the flow. -
- Kombination verschiedener Träger und Beschichtungen
Die Kombination verschiedener Katalysatorträger bringt Vorteile bezüglich thermischer Stabilität und Druckverlust.
Die Beschichtung der einzelnen Katalysatorblöcke hängt von der Abgaszu sammensetzung ab. Die kostengünstigste und einfachste Möglichkeit ist es, auf den Katalysatorträgern jeweils die gleiche Beschichtung aufzubringen. In Abhängigkeit von der Rohgaszusammensetzung und von den Erfor dernissen an das Reingas ist es sinnvoll, auf den verschiedenen Katalysatorelementen unterschiedliche Beschichtungen aufzubringen.- Combination of different supports and coatings
The combination of different catalyst supports offers advantages in terms of thermal stability and pressure loss.
The coating of the individual catalyst blocks depends on the exhaust gas composition. The cheapest and simplest option is to apply the same coating to the catalyst supports. Depending on the raw gas composition and the requirements for the clean gas, it makes sense to apply different coatings to the different catalyst elements. -
- Vergrößerung der Anströmfläche
Ein Vorteil der Aufteilung des Katalysators in mehrere aufeinanderfolgende Blöcke ist die Erhöhung der gesamten Anströmfläche, die sich aus den Anströmflächen der einzelnen Blöcke zusammensetzt. Gegenüber einem einteiligen Katalysator mit identischem Durchmesser hat ein vierteiliger Katalysator die vierfache Anströmfläche.- enlargement of the inflow area
One advantage of dividing the catalyst into several successive blocks is the increase in the total inflow area, which is composed of the inflow surfaces of the individual blocks. Compared to a one-part catalytic converter with an identical diameter, a four-part catalytic converter has four times the inflow area. -
- Reduzierung des Durchmessers des Katalysatorblocks
Bei Beibehaltung der Anströmfläche ist es im Gegenzug möglich, den Durchmesser eines vierteiligen Katalysators auf die Hälfte des Durchmes sers eines einteiligen zu reduzieren. Die Verringerung der Einbauabmes sungen ist vorteilhaft z. B. bei der Anordnung des Katalysators im Abgas strang von Fahrzeugen. - Reduction of the diameter of the catalyst block
In return, while maintaining the inflow area, it is possible to reduce the diameter of a four-part catalyst to half the diameter of a one-part. The reduction in the installation dimensions is advantageous, for. B. in the arrangement of the catalyst in the exhaust strand of vehicles. -
- Vergrößerung des Zelldurchmessers (Reduzierung des Druckverlustes)
Die Vergrößerung der Anströmfläche und die erhöhte Wirksamkeit der mehrteiligen Bauweise läßt es zu, den Zelldurchmesser zu vergrößern und damit den Druckverlust zu verringern.- enlargement of the cell diameter (reduction of pressure loss)
The enlargement of the inflow area and the increased effectiveness of the multi-part construction make it possible to enlarge the cell diameter and thus to reduce the pressure loss. -
- Geringer Aktivitätsverlust durch Katalysatorvergiftung
Die thermische und/oder die chemische Alterung erfaßt nur einen Teil des Katalysators und zwar den Katalysatorblock, der zuerst vom heißen Abgas durchströmt wird. Die chemische und thermische Deaktivierung nimmt nach hinten und zur Seite hin kontinuierlich ab [9]. Bei einteiligen Katalysatoren sind die Bereiche, in denen die Konvertierung stattfindet, sehr anfällig für Deaktivierung. Bei mehrteiligen Katalysatoren erfaßt die Deaktivierung nur den ersten Katalysatorblock und hat deshalb nur geringen Einfluß.- Low loss of activity due to catalyst poisoning
The thermal and / or chemical aging only covers part of the catalytic converter, specifically the catalytic converter block through which the hot exhaust gas first flows. The chemical and thermal deactivation decreases continuously towards the rear and to the side [9]. With one-piece catalytic converters, the areas in which the conversion takes place are very susceptible to deactivation. In the case of multi-part catalysts, the deactivation only affects the first catalyst block and therefore has only a minor influence.
Den Vorteilen steht ein insgesamt höherer Druckverlust gegenüber, der durch Ver größerung des Zelldurchmessers teilweise ausgeglichen werden kann.The advantages are offset by an overall higher pressure loss, which is due to Ver Larger cell diameter can be partially compensated.
Fig. 1 zeigt einen axialen Schnitt durch einen mehrteiligen Abgaskatalysator, wie er zur Abgasnachbehandlung an einem Verbrennungsmotor eingesetzt werden könnte. Der Abgaskatalysator ist aus vier keramischen Katalysatorblöcken (1-4), die seriell angeordnet sind, zusammengesetzt. Die Länge IKat der Katalysatorblöcke beträgt 2 cm, die der Zwischenzonen IZone 2 cm bei einem Durchmesser D von 10 cm. Die Zelldichte ist 400 cpsi (cells per square inch, 1 sq.in. ca. 6,54 cm²). Beschichtet ist der Katalysatorträger mit Platin und Rhodium im Verhältnis 5 : 1 mit einer Beladung von 50 g/ft³. Ergänzt wird die Edelmetallbeschichtung durch Promotoren wie Ceroxid. Der Katalysator entspricht einem von der Firma Engelhard Technologie vertriebenen Katalysator, wie er in Kleinwagen eingesetzt wird. Fig. 1 shows an axial section through a multi-part exhaust gas catalytic converter, as it could be used for exhaust gas aftertreatment on an internal combustion engine. The catalytic converter is composed of four ceramic catalyst blocks ( 1-4 ), which are arranged in series. The length I Kat of the catalyst blocks is 2 cm, that of the intermediate zones I zone 2 cm with a diameter D of 10 cm. The cell density is 400 cpsi (cells per square inch, 1 sq.in. approx. 6.54 cm²). The catalyst carrier is coated with platinum and rhodium in a ratio of 5: 1 with a loading of 50 g / ft³. The precious metal coating is supplemented by promoters such as cerium oxide. The catalyst corresponds to a catalyst sold by Engelhard Technologie, as used in small cars.
Die Katalysatorblöcke sind in einem Metallgehäuse eingebettet. Zwischen Metallge häuse und Katalysator befindet sich eine Dämmschicht, die die keramischen Träger schützt.The catalyst blocks are embedded in a metal housing. Between Metallge The housing and catalytic converter are covered with an insulating layer that supports the ceramic support protects.
Ein segmental angeordneter Katalysator entsprechend Beispiel 1 kann auch aus verschiedenen Trägern mit verschiedenen Beschichtungen zusammengesetzt wer den. Bei dem in Fig. 1 dargestellten Katalysator werden die beiden ersten kerami schen Katalysatorträger (1, 2) durch zwei metallische ersetzt, was vorteilhaft für die thermische Stabilität ist. Beschichtet sind die beiden metallischen Träger mit Palla dium und Rhodium, Massenverhältnis 5 : 1, Beladung 50 g/ft³. Die beiden kerami schen Träger haben eine Trimetallbeschichtung aus Platin, Palladium und Rhodium, Massenverhältnis 1 : 14 : 1, Beladung 105 g/ft³.A segmentally arranged catalyst according to Example 1 can also be composed of different supports with different coatings. In the catalyst shown in FIG. 1, the two first ceramic catalyst carriers ( 1 , 2 ) are replaced by two metallic ones, which is advantageous for the thermal stability. The two metallic supports are coated with palladium and rhodium, mass ratio 5: 1, loading 50 g / ft³. The two ceramic supports have a tri-metal coating of platinum, palladium and rhodium, mass ratio 1: 14: 1, loading 105 g / ft³.
Eine sinnvolle Verbesserung des Beispiels 1 ist eine modulare Bauweise (Fig. 2), bei der der einzelne Katalysatorblock, die Zwischenzone oder die Funktionsgruppe, bestehend aus Katalysatorblock und Zwischenzone, in jeweils einem eigenen Ge häuse eingebettet sind. Aus einzelnen Modulen wird dann der mehrteilige Katalysa tor zusammengesetzt und über Flanschverbindungen miteinander verbunden.A sensible improvement of Example 1 is a modular design ( Fig. 2), in which the individual catalyst block, the intermediate zone or the functional group, consisting of the catalyst block and intermediate zone, are each embedded in their own Ge. The multi-part catalyst is then assembled from individual modules and connected to one another via flange connections.
Die Kombination unterschiedlicher Monolithen und Beschichtungen ist durch die Mo dulbauweise sehr einfach möglich.The combination of different monoliths and coatings is due to the Mo dulbau very easily possible.
Bei der segmentalen Anordnung der Katalysatormonolithen kann die Turbulenz in den Zwischenzonen durch verschiedene Konstruktionselemente erhöht werden. Fig. 3 zeigt prinzipielle Möglichkeiten der Anordnung. Es sind dies z. B. Turbulenz gitter, Querschnittseinschnürung und -aufweitung, verschiedene Einbauten, Er höhung der Rauhigkeit und auch statische Mischer. Der Durchmesser von Zwischenzone und Katalysatorblock kann dabei variieren. With the segmental arrangement of the catalyst monoliths, the turbulence in the intermediate zones can be increased by various construction elements. Fig. 3 shows basic possibilities of the arrangement. These are e.g. B. turbulence grid, cross-sectional constriction and expansion, various internals, he increase the roughness and static mixer. The diameter of the intermediate zone and catalyst block can vary.
[1] Schlosser, E. G.: Heterogene Katalyse. Verlag Chemie, Weinheim, 1972, zitiert
in [5]
[2] Butt, J. B.: Reaction Kinetics and Reactor Design. Prentice-Hall Inc. Engelwood
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[4] Kanzler, W.; Schedler, Thalhammer, H.: Theoretische und experimentelle Un
tersuchungen bei katalytischen Nachverbrennungsanlagen. Chemie-Ing.-
Technik 59 (1987), S. 582-585, zitiert in [5]
[5] Schmidt, T: Grundlagen der katalytischen Abgasreinigung. Technische Mittei
lungen 82 (1989) 5
[6] Thomas, W. J.: The catalytic monolith. Chemistry and Industry, 9 (1987) 5
[7] Faltermeier, G.; Pfalzgraf, B.; Brück, R.; Kruse, C.; Maus, W.; Donnerstag, A:
Katalysatorkonzepte für zukünftige Abgasgesetzgebungen am Beispiel eines
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symposium 25.-26. April 1996, Band 1, 1. Tag, Fortschr.-Ber. VDI Reihe 12 Nr.
267, Düsseldorf, VDI-Verlag, 1996
[8] Donnerstag, A; Degen, A.; Held, W.; Korbel, K.: Erfüllen der ULEV-Norm durch
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Wiener Motorensymposium 4.-5. Mai 1995, Band 2, 2. Tag, Fortschr.-Ber. VDI
Reihe 12 Nr. 239, Düsseldorf, VDI-Verlag, 1995
[9] Smedler, G.; Jobson, E; Lundgren, S.; Romare, A.; Wirmark, G.; Högberg, E.;
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