WO2013030229A2 - Verfahren und anlage zur wärmeübertragung - Google Patents
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- F28B1/00—Condensers in which the steam or vapour is separate from the cooling medium by walls, e.g. surface condenser
- F28B1/02—Condensers in which the steam or vapour is separate from the cooling medium by walls, e.g. surface condenser using water or other liquid as the cooling medium
Definitions
- the invention relates to a method and a system for the transfer of heat from a vaporous medium, which condenses at a working pressure of more than 1 bar in a condensation heat exchanger at least partially, with accumulating condensate is withdrawn from the condensation heat exchanger and expanded to a lower pressure.
- the vaporous medium is in particular water vapor which is used as saturated steam or superheated steam for heating purposes.
- heat of condensation is released, which is used by means of a heat exchanger and transferred to another fluid.
- the heat exchangers used are also referred to as condensation heat exchangers or condensers. They are used, among other things, as heaters for desorption columns. Preferably, surface capacitors are used.
- the condensation of the vaporous medium takes place on the surface of a wall of the heat exchanger.
- the vaporous medium and the resulting condensate on the one hand and the fluid to be heated on the other hand flow in separate spaces.
- the heat exchange takes place indirectly through the partition wall.
- Surface capacitors may be designed, for example, as tube bundle capacitors or plate capacitors.
- the invention has the object of specifying a method with the features described at the outset, in which the highest possible proportion of the energy of the vaporous medium is transferred in the condensation heat exchanger.
- the vapor phase formed during the expansion is compressed to the working pressure of the vaporous medium and fed again to the condensation heat exchanger.
- the compressed steam is either fed directly to the condensation heat exchanger or admixed with the vaporous medium before it enters the condensation heat exchanger.
- steam is used as the vaporous medium.
- the circulating vapor content increases the transferred heat output or reduces the proportion of fresh vaporous medium required. Compared with conventional methods, a larger proportion of the heat in the condensate is used in the condensation heat exchanger.
- An energy balance for water vapor can be taken from the following two examples:
- Example 1 A condensation heat exchanger is supplied with 100 t / h of saturated steam at 5 bar. This could be transferred via the condensation heat exchanger, an energy of 58.6 MW to a fluid.
- the steam condensate is lowered in a downstream container to a pressure of 2.5 bar.
- the steam produced during the expansion is again compressed to 5 bar and added to the fresh saturated steam.
- an additional heat output of 3.2 MW can be transmitted in the condensation heat exchanger.
- the heat output transferred in the condensation heat exchanger increases to 61, 8 MW.
- the electrical power required for compression is only 320 kW. This results in a coefficient of performance, as a ratio of additionally transmitted thermal power to the required compression power, of 10.
- the amount of steam required for this purpose can be reduced by 5.5% by the method according to the invention.
- an energy of 60.6 MW can be transferred to the fluid via the condensation heat exchanger.
- the steam condensate is released in the tank to a pressure of 1, 1 bar.
- the steam produced during the expansion is again compressed to 2.5 bar and added to the fresh saturated steam.
- an additional heat output of 3, 1 MW can be transferred in the condensation heat exchanger.
- the condensate withdrawn from the condensation heat exchanger is preferably expanded in a container.
- a container Such apparatus is also called a condensate expander.
- the high pressure condensate enters the expander via an inlet. Due to the reduction in pressure, a vapor phase is formed, which is called after-steam.
- the post-steam is taken from a hood at the top of the container.
- the condensate still present after the expansion is removed at the bottom of the container by means of a condensate drain, for example a ball float steam trap.
- the vapor phase drawn off at the head of the container is fed to a compression arrangement.
- the compression arrangement may consist of one or more compressors or of one or more ejectors.
- a compression arrangement is used in which compressors and ejectors are combined.
- the compressors can work according to the rotation principle or according to the displacement principle.
- turbo compressors or reciprocating compressors can be used.
- the compression of the post-steam can be effected by means of ejectors.
- Ejectors are apparatuses that operate on the venturi principle.
- a propellant is passed through the ejector.
- the propellant used is preferably the vapor medium used in the condensation heat exchanger.
- the propellant has a higher pressure level than the
- the propellant flows through a nozzle. Immediately after the nozzle creates a negative pressure through which the Nachdampf is sucked. Post-steam and propellant leave the ejector together.
- the pressure level of the motive steam is chosen so that after the compressor assembly, the pressure level of the condensation heat exchanger is reached.
- FIG. 2 shows a process diagram with an ejector
- FIG. 3 shows a process diagram with ejector and compressor.
- Fig. 1 shows a condensation heat exchanger 1, which heats the bottom of a desorption column 2.
- a loaded with carbon dioxide washing liquid 3 is regenerated.
- the loaded washing liquid 3 is fed to the desorption column 2.
- the expelled carbon dioxide 4 is discharged at the top of the desorption column 2, the regenerated washing liquid 5 at the bottom of the desorption column 2.
- a partial flow of the fluid 6 in the bottom of the desorption column 2 is passed over the condensation heat exchanger 1.
- the fluid 6 is heated in the condensation heat exchanger 1.
- a vaporous medium 7 is fed to the condensation heat exchanger 1.
- steam is used, which is fed as saturated steam at a pressure of 5 bar to the condensation heat exchanger.
- the vaporous medium 7 condenses in the condensation heat exchanger 1 and transfers its heat to the fluid 6.
- the condensate is withdrawn and expanded in a container 8 to a pressure of 2.5 bar.
- relaxed condensate 9 is withdrawn.
- a vapor phase 10 is formed, which is drawn off at the top of the container 8 and fed to a compression arrangement 11.
- the compression arrangement comprises in the method shown in Fig. 1, a compressor 12, which compresses the vapor phase 10 back to a pressure of 5 bar.
- the compressed partial flow 13 is added to a feed stream 14 of saturated steam, which also has a pressure level of 5 bar.
- the compression arrangement 1 1 consists of an ejector 15.
- the ejector 15, a blowing agent 16 is supplied.
- the propellant 16 is steam.
- the pressure level of the propellant 16 is chosen so that after the ejector 15, the pressure is established, which has the vaporous medium 7 at the entrance to the condensation heat exchanger 1.
- a feed stream 14 is fed to saturated steam. Steam is used as the vaporous medium 7 and as blowing agent.
- FIG. 3 shows a variant of the method in which the compression arrangement 1 1 comprises an ejector 15 and a compressor 12.
- the compressor 12 is the
- the plant for carrying out the described method comprises a device 14 for supplying a below a working pressure of more than 1 bar vapor medium 7, a condensation heat exchanger 1, in which condenses at least a portion of the supplied vaporous medium 7, a container 8 for releasing the resulting Condensate to a lower pressure and a compression arrangement 1 1 for compressing a withdrawn from the container 8 vapor phase to the working pressure of the vaporous medium.
- the compression arrangement 1 1 is connected to the low pressure side of the container 8 and the pressure side connected to the device 14 for supplying the working fluid under pressure vaporous medium.
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Abstract
Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Anlage zur Übertragung von Wärme aus einem dampfförmigen Medium (7), welches bei einem Arbeitsdruck von mehr als 1 bar in einem Kondensationswärmetauscher (1) zumindest teilweise kondensiert. Anfallendes Kondensat wird aus dem Kondensationswärmetauscher (1) abgezogen und auf einen niedrigeren Druck entspannt. Die bei der Entspannung entstehende Dampfphase (10) wird erfindungsgemäß auf den Arbeitsdruck des dampfförmigen Mediums verdichtet und anschließend direkt in den Kondensationswärmetauscher (1) eingespeist oder dem dampfförmigen Medium vor dessen Eintritt in den Kondensationswärmetauscher (1) zugeführt. Als dampfförmiges Medium wird insbesondere Wasserdampf verwendet.
Description
Verfahren und Anlage zur Wärmeübertragung
Beschreibung:
Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Anlage zur Übertragung von Wärme aus einem dampfförmigen Medium, welches bei einem Arbeitsdruck von mehr als 1 bar in einem Kondensationswärmetauscher zumindest teilweise kondensiert, wobei anfallendes Kondensat aus dem Kondensationswärmetauscher abgezogen und auf einen niedrigeren Druck entspannt wird. Bei dem dampfförmigen Medium handelt es sich insbesondere um Wasserdampf, der als Sattdampf oder überhitzter Dampf zu Heizzwecken genutzt wird. Bei der Kondensation des dampfförmigen Mediums wird Kondensationswärme frei, die mittels eines Wärmetauschers genutzt und auf ein anderes Fluid übertragen wird. Die eingesetzten Wärmetauscher bezeichnet man auch als Kondensationswärmetauscher oder Kondensatoren. Sie werden unter anderem als Heizer für Desorptionskolonnen verwendet. Vorzugsweise werden Oberflächenkondensatoren eingesetzt. Bei diesen erfolgt die Kondensation des dampfförmigen Mediums auf der Oberfläche einer Wand des Wärmetauschers. Das dampfförmige Medium und das daraus entstehende Kondensat einerseits sowie das zu erwärmende Fluid andererseits strömen in voneinander getrennten Räumen. Der Wärmeaustausch erfolgt indirekt durch die Trennwand. Oberflächenkondensatoren können beispielsweise als Rohrbündelkondensatoren oder Plattenkondensatoren ausgeführt sein.
Das bei der Kondensation von Dampf anfallende Kondensat wird in der Regel wieder in einen Kondensatkreislauf zurückgeführt und für die Erzeugung von Frischdampf wiederverwendet. Ferner ist es bekannt, durch Druckabsenkung einen niedriger gespannten Dampf zu erzeugen und in ein Dampfnetz
einzuspeisen, welches einen niedrigeren Arbeitsdruck sowie ein niedrigeres Temperaturniveau aufweist.
Bei einem aus DE 34 40 685 A1 bekannten Verfahren zur Herstellung von Vinylchlorid werden Brüden, die am Kopf einer Rektifikationskolonne gezogen werden, verdichtet und danach zur Beheizung des Sumpfes der Rektifikationskolonne verwendet. Zur Sumpfbeheizung ist ein Kondensationswärmetauscher vorgesehen, der mit den verdichteten Brüden beaufschlagt wird. Anfallendes Kondensat wird aus dem Kondensationswärmetauscher abgezogen und auf einen niedrigeren Druck entspannt. Eine bei der Entspannung entstehende Dampfphase wird in den Verstärkungsteil der Kolonne eingespeist. Mit dem beschriebenen Verfahren kann pro Tonne erzeugtem Vinylchlorid rund 0,65 t Dampf eingespart werden. Bei verfahrenstechnischen Anwendungen, bei denen große Dampfmengen benötigt werden, wie z.B. bei der CO2-Entfernung aus Rauchgasen, kann die Wirtschaftl ich keit des Verfah rens verbessert werden , wen n der Dampf energetisch optimal genutzt wird. Vor diesem Hintergrund liegt der Erfindung d ie Aufgabe zugrunde, ein Verfahren m it den eingangs beschriebenen Merkmalen anzugeben, bei dem ein möglichst hoher Anteil der Energie des dampfförmigen Mediums im Kondensationswärmetauscher übertragen wird.
Gegenstand der Erfindung und Lösung dieser Aufgabe ist ein Verfahren nach Anspruch 1 sowie eine An lage nach Anspruch 6 zur Du rchführung des Verfahrens. Vorteilhafte Ausführungen des Verfahrens und Ausgestaltungen der Anlage werden in den Unteransprüchen beschrieben und nachfolgend erläutert.
Erfindungsgemäß wird die bei der Entspannung entstehende Dampfphase auf den Arbeitsdruck des dampfförmigen Mediums verdichtet und erneut dem Kondensationswarmetauscher zugeführt. Dabei wird der komprimierte Dampf entweder dem Kondensationswarmetauscher direkt zugeführt oder dem dampfförmigen Medium vor dessen Eintritt in den Kondensationswarmetauscher zugemischt. Als dampfförmiges Medium wird insbesondere Wasserdampf verwendet.
Durch den im Kreislauf geführten Dampfanteil wird die übertragene Wärme- leistung gesteigert bzw. der Anteil an benötigtem frischen dampfförmigem Medium verringert. Gegenüber herkömmlichen Verfahren wird ein größerer Anteil der im Kondensat befindlichen Wärme im Kondensationswarmetauscher genutzt. Eine energetische Bilanz für Wasserdampf lässt sich den folgenden beiden Beispielen entnehmen:
Beispiel 1 : Einem Kondensationswarmetauscher werden 100 t/h Sattdampf bei 5 bar zugeführt. Damit könnte über den Kondensationswarmetauscher eine Energie von 58,6 MW an ein Fluid übertragen werden.
Das Dampfkondensat wird in einem nachgeschalteten Behälter auf einen Druck von 2,5 bar abgesenkt. Der bei der Entspannung entstehende Dampf wird erneut auf 5 bar komprimiert und dem frischen Sattdampf beigefügt. Dadurch kann eine zusätzliche Wärmeleistung von 3,2 MW im Kondensationswärmetauscher übertragen werden . Die Anwendung des erfindungsgemäßen Ver-
fahrens steigert somit d ie im Kondensationswarmetauscher übertragene Wärmeleistung auf 61 ,8 MW.
Die für die Kompression benötigte elektrische Leistung beträgt dagegen nur 320 kW. Somit ergibt sich eine Leistungszahl, als Verhältnis von zusätzlich übertragener Wärmeleistung zur benötigten Kompressionsleistung, von 10.
Soll im Kondensationswärmetauscher stets eine Wärmeleistung von 58,6 MW übertragen werden, so kann durch das erfindungsgemäße Verfahren die dazu benötigte Dampfmenge um 5,5 % reduziert werden.
Beispiel 2:
Einem Kondensationswärmetauscher werden 100 t/h Sattdampf bei 2,5 bar zugeführt. Damit kann über den Kondensationswärmetauscher eine Energie von 60,6 MW an das Fluid übertragen werden.
Das Dampfkondensat wird im Behälter auf einen Druck von 1 ,1 bar entspannt. Der bei der Entspannung entstehende Dampf wird erneut auf 2,5 bar verdichtet und dem frischen Sattdampf beigefügt. Dadurch kann eine zusätzliche Wärmeleistung von 3, 1 MW im Kondensationswärmetauscher übertragen werden. Durch Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens kann man somit die im Kondensationswärmetauscher übertragene Wärmeleistung auf 63,7 MW steigern.
Die für die Kompression benötigte elektrische Leistung beträgt dagegen nur 320 kW. Somit ergibt sich eine Leistungszahl von 9,7.
Soll im Kondensationswärmetauscher stets eine Wärmeleistung von 60,6 MW übertragen werden, so kann im Beispiel 2 die dazu benötigte Dampfmenge um 5,1 % reduziert werden. Das aus dem Kondensationswärmetauscher abgezogene Kondensat wird vorzugsweise in einem Behälter entspannt. Solche Apparate bezeichnet man auch als Kondensat-Entspanner. Das Hochdruckkondensat tritt über einen Zufluss in den Entspanner. Aufgrund der Druckabsenkung bildet sich eine Dampfphase, die als Nachdampf bezeichnet wird. Der Nachdampf wird an einem Abzug am Kopf des Behälters entnommen. Das auch nach der Entspannung noch vorhandene Kondensat wird am Boden des Behälters mittels eines Kondensatabieiters, beispielsweise eines Kugelschwimmer-Kondensatableiters, abgeführt.
Erfindungsgemäß wird die am Kopf des Behälters abgezogene Dampfphase einer Verdichtungsanordnung zugeführt. Die Verdichtungsanordnung kann aus einem oder mehreren Verdichtern oder aus einem oder mehreren Ejektoren bestehen. Bei einer besonders günstigen Ausführung der Erfindung wird eine Verdichtungsanordnung eingesetzt, in welcher Verdichter und Ejektoren miteinander kombiniert werden.
Die Verdichter können nach dem Rotationsprinzip oder nach dem Verdrängungsprinzip arbeiten. Dazu können beispielsweise Turboverdichter oder Hubkolbenverdichter eingesetzt werden. Alternativ oder ergänzend dazu kann die Verdichtung des Nachdampfes mittels Ejektoren erfolgen. Ejektoren sind Apparate, die nach dem Venturi-Prinzip arbeiten. Dazu wird ein Treibmittel durch den Ejektor geleitet. Als Treibmittel dient vorzugsweise das im Kondensationswärmetauscher eingesetzte dampfförmige Medium. Das Treibmittel hat ein höheres Druckniveau als der zu
fördernde Nachdampf. Das Treibmittel durchströmt eine Düse. Unmittelbar nach der Düse entsteht ein Unterdruck durch die der Nachdampf angesaugt wird. Nachdampf und Treibmittel verlassen gemeinsam den Ejektor. Das Druckniveau des Treibdampfes wird so gewählt, dass nach der Verdichteranordnung das Druckniveau des Kondensationswärmetauschers erreicht wird.
Durch die Verdichtungsanordnung wird im Kondensat-Entspanner eine Druckabsenkung erzeugt, die einen zusätzlichen Übergang von Kondensat in die Dampfphase bewirkt.
Weitere Merkmale und Vorteile der Erfind ung ergeben sich aus der Beschreibung von Ausführungsbeispielen anhand von Zeichnungen, sowie aus den Zeichnungen selbst. Dabei zeigt
Fig. 1 ein Verfahrensschema mit einem Verdichter,
Fig. 2 ein Verfahrensschema mit einem Ejektor, Fig. 3 ein Verfahrensschema mit Ejektor und Verdichter.
Fig. 1 zeigt einen Kondensationswärmetauscher 1 , der den Sumpf einer Desorptionskolonne 2 aufheizt. In der Desorptionskolonne 2 wird eine mit Kohlendioxid beladene Waschflüssigkeit 3 regeneriert. Die beladene Waschflüssigkeit 3 wird der Desorptionskolonne 2 zugeführt. Das ausgetriebene Kohlendioxid 4 wird am Kopf der Desorptionskolonne 2, die regenerierte Waschflüssigkeit 5 am Sumpf der Desorptionskolonne 2 abgeführt. Ein Teilstrom des Fluids 6 im Sumpf der Desorptionskolonne 2 wird über den Kondensationswärmetauscher 1 geführt.
Das Fluid 6 wird im Kondensationswärmetauscher 1 aufgeheizt. Dazu wird dem Kondensationswärmetauscher 1 ein dampfförmiges Medium 7 zugeführt. Im Ausführungsbeispiel wird Wasserdampf verwendet, der als Sattdampf mit einem Druck von 5 bar dem Kondensationswärmetauscher zugeführt wird. Das dampfförmige Medium 7 kondensiert im Kondensationswärmetauscher 1 und übertragt seine Wärme an das Fluid 6.
Das Kondensat wird abgezogen und in einem Behälter 8 auf einen Druck von 2,5 bar entspannt. Am Boden des Behälters 8 wird entspanntes Kondensat 9 abgezogen. Bei der Entspannung entsteht eine Dampfphase 10, die am Kopf des Behälters 8 abgezogen und einer Verdichtungsanordnung 1 1 zugeführt wird. Die Verdichtungsanordnung umfasst bei dem in Fig. 1 dargestellten Verfahren einen Verdichter 12, der die Dampfphase 10 wieder auf einen Druck von 5 bar verdichtet. Der verdichtete Teilstrom 13 wird einem Feedstrom 14 an Sattdampf beigefügt, der ebenfalls ein Druckniveau von 5 bar hat.
Bei dem in Fig. 2 dargestellten Verfahren besteht die Verdichtungsanordnung 1 1 aus einem Ejektor 15. Dem Ejektor 15 wird ein Treibmittel 16 zugeführt. Bei dem Treibmittel 16 handelt es sich um Dampf. Das Druckniveau des Treibmittels 16 wird so gewählt, dass sich nach dem Ejektor 15 der Druck einstellt, den das dampfförmige Medium 7 am Eintritt in den Kondensationswärmetauscher 1 hat. Im Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 2 wird zusätzlich zu dem durch das Treibmittel 16 zugeführten Dampf ein Feedstrom 14 an Sattdampf zugeführt. Als dampfförmiges Medium 7 und als Treibmittel wird Wasserdampf verwendet.
Fig. 3 zeigt eine Variante des Verfahrens, bei dem die Verdichtungsanordnung 1 1 einen Ejektor 15 und einen Verdichter 12 umfasst. Dem Verdichter 12 ist der
Ejektor 15 vorgeschaltet. Dadurch wird eine zusätzliche Druckabsenkung in dem Behälter 8 erzielt, wodurch mehr Kondensat in d ie Dampfphase 1 0 übertritt. Bei dem Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 3 reicht der als Treibmittel 16 dem Ejektor 1 5 zugeführte Dampf aus, um den im Kondensationswärme- tauscher 1 benötigen Bedarf an dampfförmigem Medium 7 zu decken. Somit muss kein zusätzlicher Feedstrom 14 an Dampf zugeführt werden.
Die Anlage zur Durchführung des beschriebenen Verfahrens umfasst eine Einrichtung 14 zur Zuführung eines unter einem Arbeitsdruck von mehr als 1 bar stehenden dampfförmigen Mediums 7, einen Kondensationswärmetauscher 1 , in dem zumindest ein Teil des zugeführten dampfförmigen Mediums 7 kondensiert, einen Behälter 8 zum Entspannen des anfallenden Kondensats auf einen niedrigeren Druck und eine Verdichtungsanordnung 1 1 zur Verdichtung einer aus dem Behälter 8 abgezogenen Dampfphase auf den Arbeitsdruck des dampfförmigen Mediums. Die Verdichtungsanordnung 1 1 ist niederdruckseitig an den Behälter 8 angeschlossen und druckseitig mit der Einrichtung 14 zur Zuführung des unter Arbeitsdruck stehenden dampfförmigen Mediums verbunden.
Claims
1. Verfahren zur Übertragung von Wärme aus einem dampfförmigen Medium (7), welches bei einem Arbeitsdruck von mehr als 1 bar in einem Kondensationswärmetauscher (1) zumindest teilweise kondensiert, wobei anfallendes Kondensat aus dem Kondensationswärmetauscher (1) abgezogen und auf einen niedrigeren Druck entspannt wird, dadurch gekennzeichnet, dass die bei der Entspannung entstehende Dampfphase (10) auf den Arbeitsdruck des dampfförmigen Mediums verdichtet und anschließend direkt in den Kondensationswärmetauscher (1) eingespeist oder dem dampfförmigen Medium vor dessen Eintritt in den Kondensations- Wärmetauscher (1) zugeführt wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass als dampfförmiges Medium (7) Wasserdampf verwendet wird.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Dampfphase (10) mittels mindestens eines Verdichters (12) verdichtet wird.
4. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Dampfphase mittels mindestens eines Ejektors (15) verdichtet wird.
5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass dem Ejektor (15) als Treibmittel (16) dampfförmiges Medium bei einem Druckniveau zugeführt wird, das über dem Druckniveau im Kondensationswärmetauscher (1) liegt.
6. Anlage zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 5 mit einer Einrichtung (14) zur Zuführung eines unter einem Arbeitsdruck von mehr als 1 bar stehenden dampfförmigen Mediums (7),
einem Kondensationswärmetauscher (1 ), in dem zumindest ein Teil des zugeführten dampfförmigen Mediums(7) kondensiert, einem Behälter (8) zum Entspannen des anfallenden Kondensats auf einen niedrigeren Druck und einer Verdichtungsanordnung (1 1 ) zur Verd ichtung einer aus dem Behälter (8) abgezogenen Dampfphase auf den Arbeitsdruck des dampfförmigen Mediums, wobei die Verdichtungsanordnung (1 1 ) niederdruckseitig an den Behälter (8) angeschlossen ist und druckseitig mit der Einrichtung (14) zur Zuführung des unter Arbeitsdruck stehenden dampfförmigen Mediums (7) verbunden ist.
7. Anlage nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Verdichtungsanordnung (1 1 ) mindestens einen Verdichter (12) umfasst.
8. Anlage nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Verdich- tungsanordnung (1 1 ) mindestens einen Ejektor (15) umfasst.
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