DE69900758T2 - Verflüssigung eines mit methan angereicherten stromes - Google Patents
Verflüssigung eines mit methan angereicherten stromesInfo
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Description
- Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum Verflüssigen eines an Methan angereicherten Stroms. Dieser Strom wird aus Erdgas erhalten, und das nach dem Verfahren erhaltene Produkt wird als flüssiges Erdgas (liquefied natural gas, LNG) bezeichnet.
- In dem Artikel "Liquefaction cycle developments" von R Klein Nagelvoort, I Poll und A J Ooms, publiziert in den "Proceedings of the 9th LNG International Conference, Nice, France, 17-20 Oktober 1989", wird ein derartiges Verfahren. beschrieben.
- Dieses bekannte Verfahren zum Verflüssigen eines an Methan angereicherten Stroms umfaßt die folgenden Stufen:
- a) Zuführen eines Erdgasstroms bei erhöhtem Druck zu einem Waschturm, Abtrennen schwererer Kohlenwasserstoffe aus dem Erdgasstrom im Waschturm, die vom Boden des Waschturmes abgenommen werden, um einen gasförmigen, vom Kopf des Waschturmes abgenommenen Überkopfstrom zu erhalten, partielles Kondensieren des gasförmigen Überkopfstroms und Abtrennen eines Kondensatstroms daraus, um den an Methan angereicherten Strom bei erhöhtem Druck zu gewinnen;
- b) Verflüssigen des an Methan angereicherten Stroms bei erhöhtem Druck in einem in einem Hauptwärmetauscher angeordneten Rohr durch indirekten Wärmeaustausch mit einem Mehrkomponenten-Kühlmittel, das bei niedrigem Kühlmitteldruck in der Mantelseite des Hauptwärmetauschers verdampft; und
- c) Komprimieren des von der Mantelseite des Hauptwärmetauschers abgenommenen Mehrkomponenten-Kühlmittels und dessen partielles Kondensieren bei erhöhtem Kühlmitteldruck in einem in einem Hilfswärmetauscher angeordneten Rohr durch indirekten Wärmeaustausch mit einem Mehrkomponenten-Hilfskühlmittel, das bei niedrigem Hilfskühlmitteldruck in der Mantelseite des Hilfswärmetauschers verdampft, um das Mehrkomponenten-Kühlmittel zur Anwendung in Stufe b) zu erhalten.
- Im Waschturm wird der Gasstrom mit flüssigem Rücklauf in Kontakt gebracht, der eine niedrigere Temperatur aufweist, um den Gasstrom weiter abzukühlen. Als Ergebnis hievon werden schwerere Kohlenwasserstoffe des Gasstroms kondensiert und die gebildete Flüssigkeit wird im Sumpf des Waschturmes gesammelt, von wo sie abgezogen wird.
- In dem bekannten Verfahren werden die vom Sumpf des Waschturms abgenommenen flüssigen schwereren Kohlenwasserstoffe und der Kondensatstrom aus dem gasförmigen Überkopfstrom einer Fraktioniereinheit zugeführt, um partiell kondensiert zu werden. Aus der Fraktionierkolonne wird ein Strom abgenommen, der als Rücklauf im Waschturm verwendet wird.
- Vor dem Zuführen des Erdgasstroms in Stufe a) zum Waschturm wird der Strom gekühlt. Die Temperatur des Rücklaufstroms sollte deutlich niedriger sein als diejenige des dem Waschturm zugeführten Erdgasstroms. Dieses Erfordernis setzt eine Untergrenze für die Temperatur des Erdgasstroms, der dem Waschturm zugeführt wird.
- In dem bekannten Verfahren wird der Erdgasstrom in einem Rohr gekühlt, das in dem Hilfswärmetauscher angeordnet ist, bevor er in den Waschturm eingeführt wird. Die Temperatur des kalten Endes des Hilfswärmetauschers ist somit durch die Temperatur des Rücklaufstroms begrenzt. In dem Hauptwärmetauscher muß somit mehr Wärme entzogen werden, um den an Methan angereicherten Strom zu verflüssigen.
- Es ist ein Ziel der vorliegenden Erfindung, eine tiefere Temperatur am kalten Ende des Hilfswärmetauschers zu ermöglichen, sodaß die Wärmemenge, die zum Verflüssigen des an Methan angereicherten Stroms abgeführt werden muß, verringert wird.
- Zu diesem Zweck ist das Verfahren zum Verflüssigen eines an Methan angereicherten Stroms gemäß der vorliegenden Erfindung dadurch gekennzeichnet, daß ein partielles Kondensieren des gasförmigen Überkopfstroms in einem im Hilfswärmetauscher angeordneten Rohr vorgenommen wird.
- In dieser Weise kann die Temperatur des kalten Endes des Hilfswärmetauschers so niedrig als praktikabel gewählt werden.
- In dem bekannten Verfahren war die Temperatur des vom kalten Ende des Hilfswärmetauschers abgenommenen Mehrkomponenten- Kühlmittels ebenfalls durch die Temperatur des Rücklaufes begrenzt. Ein Vorteil des Verfahrens der vorliegenden Erfindung besteht darin, daß diese Beschränkung aufgehoben worden ist. Demgemäß wird eine geringere Umlaufrate des Mehrkomponenten- Kühlmittels benötigt.
- Die Erfindung wird nunmehr in Form eines Beispieles in mehr Einzelheiten unter Bezugnahme auf die angeschlossenen Zeichnungen beschrieben werden, worin
- Fig. 1 schematisch ein Fließschema der Anlage zeigt, in der das Verfahren der Erfindung ausgeführt wird, und
- Fig. 2 einen alternativen Weg zum partiellen Kondensieren des Mehrkomponenten-Kühlmittels zeigt.
- Im Verfahren der vorliegenden Erfindung wird ein Erdgasstrom 1 bei erhöhtem Druck einem Waschturm 5 zugeführt. In diesem Waschturm 5 werden schwerere Kohlenwasserstoffe als Methan aus dem Erdgasstrom abgetrennt, welche schwereren Kohlenwasserstoffe vom Boden des Waschturm 5 durch eine Leitung 7 abgenommen werden. In dieser Weise wird ein gasförmiger Überkopfstrom erhalten, der eine höhere Methankonzentration aufweist als das Erdgas, wobei dieser gasförmige Überkopfstrom vom Kopf des Waschturms 5 über eine Leitung 8 abgezogen wird.
- Der gasförmige Überkopfstrom wird partiell kondensiert und daraus wird ein Kondensatstrom abgetrennt, um einen an Methan angereicherten Strom bei erhöhtem Druck zu gewinnen, der durch Leitung 10 zu einem ersten Rohr 15 geführt wird, das in einem Hauptwärmetauscher 17 angeordnet ist, worin der Strom verflüssigt wird. Zunächst wird die Verflüssigung im einzelnen diskutiert, bevor das partielle Kondensieren des gasförmigen Überkopfstroms erörtert wird.
- Das Verflüssigen des an Methan angereicherten Stroms bei erhöhtem Druck geschieht im ersten Rohr 15, das im Hauptwärmetauscher 17 angeordnet ist, durch indirekten Wärmeaustausch mit einem Mehrkomponenten-Kühlmittel, das bei niedrigem Kühlmitteldruck in der Mantelseite 19 des Hauptwärmetauschers 15 verdampft. Das verflüssigte Gas wird bei erhöhtem Druck aus dem Hauptwärmetauscher 17 über eine Leitung 20 für eine weitere (nicht dargestellte) Behandlung abgenommen.
- Das verdampfte Mehrkomponenten-Kühlmittel wird vom warmen Ende der Mantelseite 19 des Hauptwärmetauschers 15 über eine Leitung 25 abgezogen. Im Verdichter 27 wird das Mehrkomponenten- Kühlmittel auf einen erhöhten Kühlmitteldruck komprimiert. Die Kompressionswärme wird unter Anwendung eines Luftkühlers 30 abgeführt. Das Mehrkomponenten-Kühlmittel wird über Leitung 32 einem Hilfswärmetauscher 35 zugeführt. In einem ersten Rohr 38 des Hilfswärmetauschers 35 wird das Mehrkomponenten-Kühlmittel bei erhöhtem Kühlmitteldruck durch indirekten Wärmeaustausch mit einem Mehrkomponenten-Hilfskühlmittel, das bei niedrigem Hilfskühlmitteldruck in der Mantelseite 39 des Hilfswärmetauschers 35 verdampft, partiell kondensiert, um das Mehrkomponenten-Kühlmittel zu erhalten, das dem Hauptwärmetauscher 17 zugeführt wird.
- Das Mehrkomponenten-Kühlmittel wird aus dem ersten Rohr 38 durch eine Leitung 42 einem Separator 45 zugeführt, worin es in einen gasförmigen Überkopfstrom und in einen flüssigen Bodenstrom aufgetrennt wird. Der gasförmige Überkopfstrom wird durch eine Leitung 47 einem im Hauptwärmetauscher 17 angeordneten zweiten Rohr 49 zugeführt, worin der gasförmige Überkopfstrom abgekühlt, verflüssigt und bei erhöhtem Kühlmitteldruck unterkühlt wird. Der verflüssigte und unterkühlte gasförmige Überkopfstrom wird durch einen Leitung 50, die mit einer Expansionsvorrichtung in Form eines Expansionsventils 51 ausgestattet ist, zu dem kalten Ende der Mantelseite 19 des Hauptwärmetauscher 17 geführt, worin es bei niedrigem Kühlmitteldruck verdampfen gelassen wird. Der flüssige Bodenstrom wird durch eine Leitung 57 einem im Hauptwärmetauscher 17 angeordneten dritten Rohr 59 zugeführt, worin der flüssige Bodenstrom bei erhöhtem Kühlmitteldruck gekühlt wird. Der gekühlte verflüssigte Bodenstrom wird durch eine Leitung 60, die mit einer Expansionsvorrichtung in Form eines Expansionsventils 61 ausgerüstet ist, zur Mitte der Mantelseite 19 des Hauptwärmetauscher 17 geführt, worin er bei niedrigem Kühlmitteldruck verdampfen gelassen wird. Das verdampfende Mehrkomponenten-Kühlmittel führt nicht nur Wärme aus dem durch das erste Rohr 15 strömenden Fluid ab, um es zu verflüssigen, sondern auch aus dem durch das zweite und das dritte Rohr 49 und 59 strömenden Kühlmittel.
- Das bei niedrigem Hilfskühlmitteldruck in der Mantelseite 39 des Hilfswärmetauschers 35 verdampfte Mehrkomponenten-Hilfskühlmittel wird über Leitung 65 aus dem Hilfswärmetauscher abgezogen. Im Verdichter 67 wird das Mehrkomponenten-Hilfskühlmittel auf einen erhöhten Hilfskühlmitteldruck komprimiert. Die Kompressionswärme wird unter Anwendung eines Luftkühlers 70 abgeführt. Das Mehrkomponenten-Hilfskühlmittel wird durch eine Leitung 72 einem im Hilfswärmetauscher 35 angeordneten zweiten Rohr 78 zugeführt, worin es abgekühlt wird. Das abgekühlte Mehrkomponenten-Hilfskühlmittel wird durch eine Leitung 80, die mit einer Expansionsvorrichtung in Form eines Expansionsventils 81 ausgerüstet ist, zu dem kalten Ende der Mantelseite 39 des Hilfswärmetauschers 35 geführt, worin es bei niedrigem Hilfskühlmitteldruck verdampfen gelassen wird.
- Nachdem der Verflüssigungskreislauf im einzelnen erörtert worden ist, wird nunmehr diskutiert, wie der über Leitung 8 vom Kopf des Waschturms 5 abgenommene gasförmige Überkopfstrom partiell kondensiert wird.
- Der gasförmige Überkopfstrom wird durch Leitung 8 einem im Hilfswärmetauscher 35 angeordneten dritte Rohr 83 zugeführt. In diesem dritten Rohr 83 wird der gasförmige Überkopfstrom partiell kondensiert. Der partiell kondensierte gasförmige Überkopfstrom wird vom dritten Rohr 83 abgenommen und über eine Leitung 85 einem Separator 90 zugeführt. Im Separator 90 wird ein Kondensatstrom abgetrennt, um einen an Methan angereicherten Strom bei erhöhtem Druck zu erhalten, der durch die Leitung 10 zu dem im Hauptwärmetauscher 17 angeordneten ersten Rohr 15 zugeführt wird. Der Kondensatstrom wird durch eine Leitung 91 als Rücklauf zum oberen Teil des Waschturms 5 zurückgeführt.
- Das Verfahren der vorliegenden Erfindung unterscheidet sich von der bekannten Methode dadurch, daß in dem bekannten Verfahren der Erdgasstrom im Hilfswärmetauscher abgekühlt wurde, bevor er dem Waschturm zugeführt wurde. Im bekannten Verfahren wurde der Rücklauf aus einer Fraktioniereinheit erhalten, und die Temperatur dieses Rücklaufes bestimmt die Temperaturobergrenze des abgekühlten Erdgases, wie es dem Waschturm zugeführt wird.
- Die Temperatur, auf die das Erdgas im bekannten Verfahren abgekühlt werden kann, betrug etwa -22ºC, damit sie über der Rücklauftemperatur liegt. Dies bedeutet, daß die niedrigste Temperatur, die am kalten Ende des Hilfswärmetauschers erzielt werden kann, ebenfalls -22ºC beträgt. Dies ist dann ebenfalls die Temperatur des partiell kondensierten Mehrkomponerrten- Kühlmittels. darüber hinaus bedeutet ein Abkühlen des Erdgases auf -22ºC vor dem Waschturm, daß das Verfahren immer weniger effizient wird, und zwar wegen der mit den flüssigen schwereren Kohlenwasserstoffen abgeführten Kälte, welche Kohlenwasserstoffe vom Boden des Waschturms abgenommen werden.
- Im Verfahren der Erfindung wird hingegen der durch Leitung 8 vom Kopf des Waschturms 5 abgezogene gasförmige Überkopfstrom auf eine viel niedrigere Temperatur von etwa -50ºC partiell kondensiert, und dies kann deshalb erfolgen, weil er den Rücklauf zum Waschturm 50 bildet.
- Als Resultat hievon ist die Temperatur am kalten Ende des Hilfswärmetauschers 35 viel niedrige als im bekannten Verfahren. Die Temperatur, auf die das Mehrkomponenten-Kühlmittel abgekühlt wird, ist daher viel niedriger, und dies führt zu einer geringeren Umlaufrate des Mehrkomponenten-Kühlmittels.
- Zweckmäßig wird der Erdgasstrom vorgekühlt und getrocknet, bevor er in den Waschturm 5 eintritt. Das Vorkühlen wird zweckmäßig durch indirekten Wärmeaustausch mit einem Nebenstrom aus dem Mehrkomponenten-Hilfskühlmittel bewirkt, das durch eine Leitung 72 stromab vom Luftkühler 70 strömt. Zu diesem Zweck wird das Mehrkomponenten-Hilfskühlmittel durch eine Leitung 93, welche mit einem Expansionsventil 95 ausgerüstet ist, zu einem Wärmetauschers 97 geführt, der in der Leitung 1 angeordnet ist. Der Einfachheit halber ist der Wärmetauscher 97 zweimal dargestellt, das erste Mal in der Leitung 1 und das zweite Mal im Kreislauf zwischen den Leitungen 72 und 65. Es handelt sich jedoch um ein und denselben Wärmetauscher.
- Zweckmäßig wird das Mehrkomponenten-Kühlmittel in zwei Stufen partiell kondensiert. Diese Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird unter Bezugnahme auf Fig. 2 beschrieben werden.
- Der Hilfswärmetauscher von Fig. 2 umfaßt einen ersten Hilfswärmetauscher 53' und einen zweiten Hilfswärmetauscher 35".
- Das Mehrkomponenten-Kühlmittel wird durch Leitung 32 dem ersten Hilfswärmetauscher 35' zugeführt. Im ersten Rohr 38' des ersten Hilfswärmetauschers 35' wird das Mehrkomponenten-Kühlmittel bei erhöhtem Kühlmitteldruck durch indirekten Wärmeaustausch mit einem Mehrkomponenten-Hilfskühlmittel abgekühlt, das bei einem mittleren Hilfskühlmitteldruck in der Mantelseite 39' des ersten Hilfswärmetauschers 35' verdampft. Das abgekühlte Mehrkomponenten-Kühlmittel wird durch eine Verbindungsleitung 98· zu dem zweiten Hilfswärmetauscher 35" geführt.
- Im ersten Rohr 38" des zweiten Hilfswärmetauschers 35" wird das Mehrkomponenten-Kühlmittel bei erhöhtem Kühlmitteldruck durch indirekten Wärmeaustausch mit einem Mehrkomponenten- Hilfskühlmittel partiell kondensiert, das bei niedrigem Hilfskühlmitteldruck in der Mantelseite 39" des zweiten Hilfswärmetauschers 35" verdampft, um das Mehrkomponenten-Kühlmittel zu erhalten, das durch eine Leitung 42 dem Hauptwärmetauscher zugeführt wird (in Fig. 2 nicht dargestellt).
- Das bei mittlerem Hilfskühlmitteldruck in der Mantelseite 39' des ersten Hilfswärmetauschers 35' verdampfte Mehrkomponenten- Hilfskühlmittel wird über Leitung 65' aus diesem Hilfswärmetauscher abgenommen. In dieser Ausführungsform ist der Verdichter 67 ein zweistufiger Verdichter. In der zweiten Stufe des Verdichters 67 wird das Mehrkomponenten-Hilfskühlmittel auf erhöhten Hilfskühlmitteldruck komprimiert. Die Kompressionswärme wird unter Anwendung eines Luftkühlers 70 abgeführt. Das Mehrkomponenten-Hilfskühlmittel wird durch Leitung 72 einem im ersten Hilfswärmetauscher 35' angeordneten zweiten Rohr 78' zugeführt, worin es abgekühlt wird. Ein Teil des abgekühlten Mehrkomponenten-Hilfskühlmittels wird durch eine mit einer Expansionsvorrichtung in Form eines Expansionsventils 81' ausgerüstete Leitung 80' dem kalten Ende der Mantelseite 39' des ersten Hilfswärmetauschers 35' zugeführt, worin es bei mittlerem Hilfskühlmitteldruck verdampfen gelassen wird. Das verdampfende Kühlmittel führt Wärme aus den durch die Rohre 38' und 78' strömenden Fluiden ab.
- Der Rest des Mehrkomponenten-Hilfskühlmittels wird durch eine Verbindungsleitung 99 zu einem im zweiten Hilfswärmetauscher 35" angeordneten Rohr 78" zugeführt, worin es abgekühlt wird. Das abgekühlte Mehrkomponenten-Hilfskühlmittel wird durch eine mit einer Expansionsvorrichtung in Form eines Expansionsventils 81" ausgerüstete Leitung 80" dem kalten Ende der Mantelseite 39" des zweiten Hilfswärmetauschers 35" zugeführt, worin es bei niedrigem Hilfskühlmitteldruck verdampfen gelassen wird. Das verdampfende Kühlmittel führt Wärme aus den durch die Rohre 38" und 78" strömenden Fluiden und aus dem gasförmigen Überkopfstrom ab, der vom Kopf des Waschturms 5 abgezogen wurde und durch das dritte Rohr 83 strömt.
- Das bei niedrigem Hilfskühlmitteldruck verdampfte Mehrkomponenten-Hilfskühlmittel wird über eine Leitung 65" abgeführt. In dem Zweistufenverdichter 67 wird das Mehrkomponenten-Hilfskühlmittel auf erhöhten Hilfskühlmitteldruck komprimiert.
- In alternativer Weise wird der vom Kopf des Waschturms 5 abgezogene gasförmige Überkopfstrom sowohl im ersten als auch im zweiten Hilfswärmetauscher 35' und 35" partiell kondensiert.
- Zweckmäßig wird der Erdgasstrom vorgekühlt und getrocknet, bevor er in den Waschturm 5 eintritt. Das Vorkühlen wird zweckmäßig durch indirekten Wärmeaustausch mit einem Nebenstrom aus dem Mehrkomponenten-Hilfskühlmittel vorgenommen, der durch eine Leitung 72 stromab vom Luftkühler 70 strömt. Zu diesem Zweck wird das Mehrkomponenten-Hilfskühlmittel durch eine mit einem Expansionsventil 95' ausgerüstete Leitung 93' zu einem Wärmetauscher 97' geführt, der in der Leitung 1 angeordnet ist.
- Ein weiteres Abkühlen des Erdgasstroms kann zweckmäßig durch indirekten Wärmeaustausch mit einem Nebenstrom aus dem Mehrkomponenten-Hilfskühlmittel erzielt werden, das durch die Verbindungsleitung 99 strömt. Zu diesem Zweck wird das Mehrkomponenten-Hilfskühlmittel durch eine mit einem Expansionsventil 95" ausgerüstete Leitung 93" zu einem Wärmetauscher 97" geführt, der in der Leitung 1 angeordnet ist.
- Die Luftkühler 30 und 70 können durch Wasserkühler ersetzt werden, und erforderlichenfalls können sie oder die Wasserkühler durch Wärmetauscher ergänzt werden, in denen ein weiteres Kühlmittel eingesetzt wird.
- Das Expansionsventil 61 kann durch eine Expansionsturbine ersetzt werden.
- Die Hilfswärmetauscher 35, 35' und 35" können Spiralwärmetauscher oder Platte-Rippe-Wärmetauscher sein.
Claims (4)
1. Verfahren zum Verflüssigen eines an Methan angereicherten
Stroms, das die folgenden Stufen umfaßt:
a) Zuführen eines Erdgasstroms bei erhöhtem Druck zu
einem Waschturm, Abtrennen schwererer
Kohlenwasserstoffe aus dem Erdgasstrom im Waschturm, die vom Boden
des Waschturmes abgenommen werden, um einen
gasförmigen, vom Kopf des Waschturmes abgenommenen
Überkopfstrom zu erhalten, partielles Kondensieren des
gasförmigen Überkopfstroms und Abtrennen eines
Kondensatstroms daraus, um den an Methan angereicherten
Strom bei erhöhtem Druck zu gewinnen;
b) Verflüssigen des an Methan angereicherten Stroms bei
erhöhtem Druck in einem in einem Hauptwärmetauscher
angeordneten Rohr durch indirekten Wärmeaustausch mit
einem Mehrkomponenten-Kühlmittel, das bei niedrigem
Kühlmitteldruck in der Mantelseite des
Hauptwärmetauschers verdampft; und
c) Komprimieren des von der Mantelseite des
Hauptwärmetauschers abgenommenen Mehrkomponenten-Kühlmittels
und dessen partielles Kondensieren bei erhöhtem
Kühlmitteldruck in einem in einem Hilfswärmetauscher
angeordneten Rohr durch indirekten Wärmeaustausch mit
einem Mehrkomponenten-Hilfskühlmittel, das bei
niedrigem Hilfskühlmitteldruck in der Mantelseite des
Hilfswärmetauschers verdampft, um das
Mehrkomponenten-Kühlmittel zur Anwendung in Stufe b) zu erhalten,
dadurch gekennzeichnet, daß das partielle Kondensieren des
gasförmigen Überkopfstroms in einem im Hilfswärmetauscher
angeordneten Rohr vorgenommen wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, worin das partielle
Kondensieren des Mehrkomponenten-Kühlmittels dessen Abkühlen bei
erhöhtem Kühlmitteldruck in einem in einem ersten
Hilfswärmetauscher angeordneten Rohr durch indirekten
Wärmeaustausch mit einem in der Mantelseite des ersten
Hilfswärmetauschers bei mittlerem Hilfskühlmitteldruck verdampfenden
Mehrkomponenten-Hilfskühlmittel und anschließend in einem
in einem zweiten Hilfswärmetauscher angeordneten Rohr
durch indirekten Wärmeaustausch mit einem bei niedrigem
Hilfskühlmitteldruck in der Mantelseite des zweiten
Hilfswärmetauschers verdampfenden
Mehrkomponenten-Hilfskühlmittel umfaßt, und worin das partielle Kondensieren des
gasförmigen Überkopfstroms durch Abkühlen des gasförmigen
Überkopfstroms in einem im ersten und im zweiten
Hilfswärmetauscher angeordneten Rohr vorgenommen wird.
3. Verfahren nach Anspruch 2, worin das partielle
Kondensieren des gasförmigen Überkopfstroms in einem im zweiten
Hilfswärmetauscher angeordneten Rohr vorgenommen wird.
4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, worin der
Erdgasstrom durch indirekten Wärmeaustausch mit einem
Nebenstrom aus dem Mehrkomponenten-Hilfskühlmittel vorgekühlt
wird.
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