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DISEÑO DE UNA TORRE DE ABSORCION A ESCALA LABORATORIO 1. INTRODUCCION La absorción es una operación de separación que consiste en la transferencia de uno o más componentes minoritarios de una corriente gaseosa a una corriente líquida, llamada disolvente. El objetivo de esta operación suele ser purificar una corriente gaseosa para su procesamiento posterior o su emisión a la atmósfera, o bien, recuperar un componente valioso presente en la corriente gaseosa. La absorción del SO 2 presente en los gases de combustión mediante soluciones alcalinas y la absorción de CO y CO 2 del gas de síntesis de amoníaco son ejemplos de purificación, mientras que la absorción de óxidos de nitrógeno en agua es la etapa final del proceso de fabricación de ácido nítrico. La absorción se suele llevar a cabo en torres o columnas de relleno. El gas conteniendo el componente a absorber se introduce por la parte inferior y atraviesa el relleno, consistente en un lecho de partículas de un determinado tamaño, forma, y material. Al mismo tiempo, se introduce la corriente de disolvente por la parte superior y cae por gravedad, lamiendo la superficie externa de las partículas del relleno. Esto crea, por un lado, una amplia superficie de interfase y, por otro, un contacto intenso y turbulento entre ambas fases. La disposición de flujos que acaba de describirse sedenomina "contracorriente", ya que el sentido de circulación de ambas fases es opuesto. La columna de relleno consta además de otros elementos auxiliares, como los sistemasde distribución de gas y líquido, una parrilla

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DISEÑO DE UNA TORRE DE ABSORCION A ESCALA LABORATORIO

1. INTRODUCCION

La absorción es una operación de separación que consiste en la transferencia de uno o más componentes minoritarios de una corriente gaseosa a una corriente líquida, llamada disolvente. El objetivo de esta operación suele ser purificar una corriente gaseosa para su procesamiento posterior o su emisión a la atmósfera, o bien, recuperar un componente valioso presente en la corriente gaseosa.

La absorción del SO2 presente en los gases de combustión mediante soluciones alcalinas y la absorción de CO y CO2 del gas de síntesis de amoníaco son ejemplos de purificación, mientras que la absorción de óxidos de nitrógeno en agua es la etapa final del proceso de fabricación de ácido nítrico.

La absorción se suele llevar a cabo en torres o columnas de relleno.

El gas conteniendo el componente a absorber se introduce por la parte inferior y atraviesa el relleno, consistente en un lecho de partículas de un determinado tamaño, forma, y material. Al mismo tiempo, se introduce la corriente de disolvente por la parte superior y cae por gravedad, lamiendo la superficie externa de las partículas del relleno. Esto crea, por un lado, una amplia superficie de interfase y, por otro, un contacto intenso y turbulento entre ambas fases. La disposición de flujos que acaba de describirse sedenomina "contracorriente", ya que el sentido de circulación de ambas fases es opuesto. La columna de relleno consta además de otros elementos auxiliares, como los sistemasde distribución de gas y líquido, una parrilla para soportar el relleno y un separador denieblas para captar las gotas que pudiera arrastrar el gas a la salida del lecho.

La transferencia del componente de la corriente de gas a la corriente de disolvente se produce porque en cualquier sección de la torre, a cualquier altura, no hay equilibrio entre ambas fases. La concentración del componente en la fase líquida es inferior a la que le correspondería si estuviera en equilibrio con la fase gas; es decir, existe una fuerza impulsora para la transferencia del componente a la fase líquida.

2. ANTECEDENTES

La absorción es una técnica tan antigua como la compresión. En 7860 Ferdinad Carre construyo la primera máquina de absorción. Desde entonces la absorción se ha venido empleando con éxito diverso y distinto grado de utilización según las tendencias de cada país.

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Los críticos equilibrios termodinámicos que precisa la absorción para su funcionamiento asi como los bajos rendimientos obtenidos, habían dificultado la práctica. Sin embargo, la tecnología, tanto en diseño como en los materiales y elementos de control, ha evolucionado de tal forma que en la actualidad se dispone de una extensa gama de equipos con una gran fiabilidad y unos rendimientos energéticos superiores a sus antecesores.

En los países como en Japón y EEUU en los que se ha producido la mayoría de diseños de las maquinas de absorción existen ya miles de unidades instaladas para usos de climatización en aplicaciones tanto domesticas como en grandes edificios de oficinas, comerciales, hoteles, hospitales, etc. En el Ecuador, la absorción ha sido utilizada principalmente en proceso industriales, en los cuales, existían calores residuales al mismo tiempo que se necesita como refrigeración.

3. OBJETIVOS

3.1. Objetivos generales:

Realizar el diseño y construcción de una torre de absorción a escala de laboratorio para la reducción de contaminantes en los gases dirigidos a la atmosfera.

3.2. Objetivos específicos:

Determinar las diferentes variables del proceso de absorción.

Conseguir el máximo de transferencia de componentes con el mínimo consumo de energía y de tamaño de columna (mínimo coste)

Ejecutar el ensamblaje y armado del equipo

Verificar el funcionamiento del equipo

4. MARCO TEÓRICO

4.1 ANHÍDRIDO SULFUROSO

“El óxido de azufre (IV) también llamado dióxido de azufre, gas sulfuroso y anhídrido sulfuroso, cuya fórmula es SO2, es un gas incoloro con un característico olor asfixiante. Se trata de una sustancia reductora que, con el tiempo y en contacto con el aire y la humedad, se convierte en óxido de azufre (VI). La velocidad de esta reacción en condiciones normales es baja. En agua se disuelve formando una disolución ácida.

Puede ser concebido como el anhídrido de un hipotético ácido sulfurosoH2SO3. Esto en analogía a lo que pasa con el ácido carbónico es inestable en disoluciones ácidas pero forma sales, los sulfitos y hidrogenosulfitos.El óxido de azufre (IV) tiene

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propiedades desinfectantes.. Por esto fue utilizado durante siglos en la desinfección por ejemplo de las cubas de vino quemando azufre en su interior.”

4.2. ASPECTOS AMBIENTALES

El óxido de azufre (IV) es el principal causante de la lluvia ácida ya que en la atmósfera es transformado en ácido sulfúrico. Es liberado en muchos procesos de combustión ya que los combustibles como el carbón, el petróleo, el diesel o el gas natural contienen ciertas cantidades de compuestos azufrados. Por estas razones se intenta eliminar estos compuestos antes de su combustión por ejemplo mediante la hidrodesulfuración en los derivados del petróleo o con lavados del gas natural haciéndolo más "dulce".

4.3. ASPECTOS TOXICOLÓGICOS

El óxido de azufre (IV) es un gas irritante y tóxico. Afecta sobre todo las mucosidades y los pulmones provocando ataques de tos. Si bien éste es absorbido principalmente por el sistema nasal, la exposición de altas concentraciones por cortos períodos de tiempo puede irritar el tracto respiratorio, causar bronquitis y congestionar los conductos bronquiales delos asmáticos. La concentración máxima permitida en los lugares de trabajo es de 2 ppm.

El valor IDLH (Peligroso Para la Vida)

Valor letal 100 ppm (262 mg/m³)

Umbral de olor 0,5 ppm (1 mg/m³) (es detectado por el olfato humano)

4.4. ABSORCIÓN DE GASES

Las torres de relleno son columnas cilíndricas verticales, las cuales están rellenas con pequeñas piezas llamadas empaque. Estas piezas sirven para aumentar el área de contacto entre la fase gaseosa y la líquida, lo cual facilita la absorción.Las torres de etapas son columnas cilíndricas que contienen en su interior una serie de platos perforados o con campanas de burbujeo que permiten el contacto íntimo de las fases líquida y gaseosa. Los residuos que se generan en esta operación unitaria, son lodos que se sedimentan en el fondo de las torres al paso del tiempo, al igual que líquidos con componentes absorbido

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La absorción del SO2 presente en los gases de combustión mediante soluciones alcalinas y la absorción de CO y CO2 del gas de síntesis de amoníaco son ejemplos de purificación, mientras que la absorción de óxidos de nitrógeno en agua es la etapa final del proceso de fabricación de ácido nítrico. La operación inversa se denomina desorción o "stripping" y su finalidad es eliminar o recuperar uno o varios componentes minoritarios de una corriente líquida por transferencia a una corriente gaseosa.

4.4.1. CONCEPTO DE ABSORCIÓN

“La absorción de gases es una operación básica que estudia la separación de uno o varios componentes de una mezcla gaseosa por disolución de un líquido. Por tanto en esta operación se efectúa el transporte de materia del componente a componentes de la fase gaseosa solubles en el líquido absorbente, desde la fase gaseosa a la liquida.”

4.4.2. FACTORES QUE INTERVIENEN EN EL PROCESO DE ABSORCIÓN

“Los parámetros más importantes en el diseño de estos equipos son:

La razón líquido/gas: Cuanto menor sea este número menor cantidad de líquido lavador necesitamos y por tanto menor gasto y menor dimensionado de las instalaciones

pH: Dependiendo del sistema empleado, el pH se debe de mantener dentro de unos límites para asegurar una alta solubilidad del SO2 y la no formación de costras.

Velocidad del gas: Para minimizar los costes los lavadores se diseñan a la máxima velocidad del gas posible, minimizando el tamaño de la vasija.

Tiempo de residencia: El gas debe de permanecer dentro de la vasija el tiempo suficiente para que la mayor cantidad posible de SO2 sea absorbida.”

Las cajas de aspersión son equipos donde la disolución solvente se pone en contacto con el gas residual dentro de una cámara mediante aspersión, donde los flujos de gas y líquido pueden ponerse en contacto en contracorriente (sentidos opuestos), en cocorriente.(mismo sentido) o en flujo transversal (dirección perpendicular).

Lo más adecuado para la máxima eficiencia de separación y la mínima relación líquido/gas es el flujo a contracorriente, ya que se ponen en contacto el gas y el líquido con la mínima concentración de contaminante, de manera que se maximiza la fuerza impulsora. Comúnmente el líquido entra por la parte alta del equipo y se elimina por la parte inferior, y a la inversa circularía el gas contaminado, de la parte baja hacia la superior.

Las columnas de pdilatos son equipos a contracoriente, en los que el contacto se hace en discontinuo sobre unos platos que tienen orificios para el paso de los

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gases, y un vertedero para transferir el líquido de plato a plato, de manera que los gases ascienden burbujeando por los orificios.

Los separadores de venturi provocan una aceleración del gas mediante un estrechamiento, llamado garganta de venturi, en la que se produce la mezcla gas-líquido, siendo la velocidad del líquido la que proporciona la energía para el correcto contacto entre gas residual y solvente, y auque el tiempo de residencia es escaso debido a las altas velocidades, tienen una buena eficiencia en la eliminación de partículas. Estos equipos presentan una gran pérdida de presión y debido a el escaso tiempo de residencia sólo es aplicable a gases de alta solubilidad.

Las columnas de relleno a contracorriente, en las que nos centramos en este apartado, son equipos cilíndricos que contienen en su interior un relleno cuyo objetivo es maximizar el área de contacto entre gas y líquido. Las torres empacadas tienen eficiencias de remonición de gases más altas que otros equipos manejando caudales de gas residual más altos y menor cantidad de líquido de limpieza, aunque las pérdidas de presión son altas y los costos del equipo, de operación y de mantenimiento también pueden ser bastante altos.

4.4.3. Características de los rellenos de columnas de absorción:

1. Químicamente inerte frente a los fluidos de la torre.2. Resistente mecánicamente sin tener un peso excesivo.3. Tener pasos adecuados para ambas corrientes sin excesiva retención de líquido o caída de presión.4. Proporcionar un buen contacto entre el líquido y el gas.5. Coste razonable

5. TEORIA DE DISEÑO

Para el diseño de una columna de relleno debemos tener en cuenta conseguir el máximo de transferencia del contaminante con el mínimo consumo de energía y tamaño de la columna. El cálculo principal en el diseño de la columna es la altura de relleno necesaria para conseguir la transferencia de contaminante al líquido deseada, en función del equilibrio que tenga entre gas y líquido. Aunque existen otros parámetros importantes, como son el diámetro de la columna, los caudales de gas residual y líquido, el tipo de relleno y la pérdida de presión.

Para calcular todos estos datos comenzamos con los parámetros que conocemos para nuestro caso: las condiciones a las que operará nuestra columna (P y T), la composición del gas de entrada, el equilibrio del contaminante entre gas y líquido, la eficiencia que perseguimos en la separación, las propiedades de los contaminantes y el flujo de gas residual que queremos tratar.

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Lo primero es determinar todos los parámetros de entrada y salida de los fluidos que se muestran en el gráfico anterior en la columna de separación que se quiere diseñar.

Gi y Go flujo de gas a la entrada y a la salida.

Yi e Yo concentración de contaminante en el gas residual en la entrada y en la salida de la columna.

La concentración en el gas residual se conoce, y según la eficiencia deseada del equipo η), podemos calcular la concentración a la salida:

Li y Lo flujo de solvente entrando y saliendo de la columna

Xi y Xo concentración de solvente en el líquido en la entrada y en la salida de la columna.

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Ls y Gs expresan los caudales de líquido y gas libres de contaminante, que son constantes ya que la transferencia de humedad de la fase líquida a la gas se considera despreciable.

 

La línea de operación representa la relación de las composiciones globales de líquido y gas en contacto en cualquier punto de la columna:

La curva de equilibrio representa la concentración, a una temperatura dada, del contaminante en la fase líquida y en la fase gas en el momento en que se ha alcanzado el equilibrio.

6. FUNCIONAMIENTO DE LA TORRE DE ABSORCIÓN: En una torre de absorción la corriente de gas entrante a la columna circula en contracorriente con el líquido. El gas asciende como consecuencia de la diferencia de presión entre la entrada y la salida de la columna. El contacto entre las dos fases produce la transferencia del soluto de la fase gaseosa a la fase líquida, debido a que el soluto presenta una mayor afinidad por el disolvente. Se busca que este contacto entre ambas corrientes sea el máximo posible, así como que el tiempo de residencia sea suficiente para que el soluto pueda pasar en su mayor parte de una fase a otra.  

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Para favorecer el proceso de absorción es preciso en principio que la presión de operación de la columna sea alta y que la temperatura no sea muy elevada. Sin embargo, en la práctica, debido a que la compresión y la refrigeración son bastante costosos, lo que se hace es operar a la presión de alimentación (normalmente mayor que la presión atmosférica) y a temperatura ambiente.

Lo contrario ocurre para la desorción o stripping donde la temperatura debe ser alta y la presión baja. Pero como el mantenimiento de una columna a vacío es caro, se suele optar por operar los strippers a una presión ligeramente superior a la atmosférica y la temperatura no debe exceder aquellos valores que den lugar a reacciones químicas indeseables. En todo proceso de separación que implica el contacto entre dos fases existe una cierta resistencia a la transferencia de materia por parte de cada fase. Sin embargo y de acuerdo con la teoría de la doble película de Whitman, se supone que la interfase entre dos fases fluidas no ofrece ninguna resistencia adicional a la transferencia de materia , y que las fases se encuentran en equilibrio en la interfase. Esta teoría es aplicable tanto para flujo laminar como turbulento, aunque la suposición de equilibrio en la interfase no puede hacerse cuando las velocidades de transferencia de materia sean muy elevadas o si se acumulan espumas en la interfase.

 Además, para un buen funcionamiento de la columna es preciso que el disolvente sea estable en las condiciones de operación dadas, que no sea corrosivo, que no forme espuma y que tenga baja viscosidad para que la pérdida de carga sea baja y las velocidades de transferencia de materia y energía elevadas.

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7. APLICACIONES  El proceso de absorción se emplea para retirar contaminantes de una corriente producto que pueden afectar a la especificación final o grado de pureza. Además la presencia de ciertas sustancias aunque sea en proporciones muy pequeñas puede afectar a las propiedades globales de un producto y puede ser que esto no interese en ningún sentido.La absorción se emplea sobre todo para retirar los contaminantes gaseosos de una corriente de gas saliente de un proceso como resultado por ejemplo de una combustión. También se emplea para eliminar olores, humos y otros componentes tóxicos. Se pueden eliminar contaminantes de la corriente producto como: dióxido de azufre, sulfuro de hidrógeno, ácido clorhídrico, óxidos de nitrógeno, cloro, dióxido de carbono, amoniaco, dióxido de cloro, ácido fluorhídrico, aminas, mercaptanos, óxido de etileno, alcoholes, fenol, formaldehido, olores, ácido sulfúrico, ácido acético.

1. Ejemplos de procesos en los que aparecen unidades de absorción son:2. - Separación de los líquidos contenidos en el gas natural Los líquidos

procedentes del gas natural (NGLs) son hidrocarburos líquidos que se recuperan de los gases del gas natural en plantas de proceso. Estos hidrocarburos incluyen: etano, propano, butanos, pentanos y otros componentes más pesados. Estos líquidos procedentes del gas natural se suelen emplear como alimentación de plantas petroquímicas y se comercializan como producto líquido separadamente del gas. Para separar los líquidos del gas se siguen distintas técnicas entre las que se incluye el siguiente proceso:

En este proceso el gas natural se pone en contacto con el disolvente, el lean oil ( ___ ) en una columna de absorción a temperatura atmosférica. Del fondo de la columna sale el rich oil ( ___ ) que va a una columna despropanizadora de rich oil (ROD) que separa el propano y los componentes más ligeros se devuelven a la corriente gaseosa. El resto del rich oil es conducido a una columna de fraccionamiento donde se recuperan por cabeza los líquidos del gas natural y

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por fondo se obtiene el lean oil que se recicla al absorbedor.

8. RECOMENDACIONES

Para la utilización del equipo se recomienda humedecer los rellenos durante 40 s, para tener un buen contacto interfacial.

Como liquido absorbente más barato utilizar agua destilada para obtener una máxima transferencia entre componentes.

No utilizar químicos que sean afín con el vidrio, podrían dañar los rellenos.

Para realizar la absorción de otros tipos de gases de combustión se recomienda se hagan los estudios pertinentes para tratarlos en la columna, como la solubilidad del gas en el líquido, solvente y material de relleno a fines a los componentes a tratar.

Trabajar a velocidades razonables descritas en la discusión de resultados para obtener los datos deseados en el tratamiento del gas contaminante.

Verificar que todas conexiones de funcionamiento del equipo estén en buen estado.

Para un buen desempeño del equipo darle el respectivo mantenimiento luego de cada práctica realizada..

Se recomienda que el liquido que produce la torre sea sometido a un proceso de tratamiento en una torre de ladrillo, en donde su parte interna está blindada con plomo para posteriormente este fluido llevarlo a temperaturas elevadas y hacerle reaccionar con óxidos de nitrógeno para obtener Ácido Sulfúrico.

9. ANEXO

CALCULOS DE DISEÑO DE LA TORRE DE ABSORCION

Datos:

Q=50 m3/h% Comp SO2= 30%% Vol aire = 70%% peso = 3%Tº = 20ºCP = 1 atm% recup = 90%

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Kg SO2/100 Kg de H2o

P (mmHg) x y X Y

2 12 0.00559 0.01578 0.00562 0.0160417 31.7 0.04563 0.04171 0.04781 0.0435235 69.7 0.08961 0.09171 0.09844 0.1009750 114 0.12328 0.15 0.14062 0.1764762 166 0.14848 0.21842 0.17437 0.2794675 227 0.17419 0.29868 0.21094 0.4258990 298 0.20199 0.39210 0.25312 0.64502

Calculo del gas de entrada (y0)

Y0= % compSO21−% compSO2

Y0 = 0.31−0.3

Y0 = 0.42857

Cálculo del gas de salida (yn)

Yn = y0(1-%recup)Yn = 0.42857 (1-0.9)Yn = 0.042857

Cálculo del líquido de entrada (xn+1)

Xn+1 =

% pesoPM SO2

% pesoPM SO2

+ 100−% pesoPMH 2O

Xn+1 =

364

364

+100−318

Xn+1 = 0.00862Xn+1 f = 0.008698

Cálculo de concentración de salida (x1)

Interpolación de la tabla

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0.25312−0.210940.21094+x−0.21094

=0.64502−0.425890.42857−0.42589

x= 0.00051x1 = 0.00051+0.21094x1 = 0.21145

Línea de operación

Cabeza (0.008698; 0.042857)Cola (0.21145; 0.42857)

Relación liquido gas min

( LG ) min= y2− y1x2−x1

= m

( LG ) min = 0.42857−0.0428570.21145−0.008698

( LG ) min = 1.9024

Calculo del gas (G)

G=P∗VR∗T

G = 1atm∗50m3/h

0.082atm∗Lmol º K

∗293 º K∗1m3

1000 LG = 2081.078 mol/h = 2.082 Kmol/h

Cálculo del gas mínimo

Gmin = G (1-%vol aire)Gmin = 2.082 (1-0.70)Gmin = 0.6246 Kmol/h

Cálculo del líquido mínimo

Lmin = Gmin*mLmin = 0.6246*1.9024Lmin = 1.188 Kmol/h

LminH 2O = Lmin *18Kg H 2O1kmol

LminH 2O = 1.188*18Kg H 2O1kmol

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LminH 2O = 21.384 KgH 2O

h

Relación Líquido Gas

( LG )=1.5 ( LG ) min

( LG ) = 1.5*1.9024

( LG ) = 2.8536 = m`

Y2= m`*(x2-x1)+yn

Y2 = 2.8536 * (0.21145-0.008698)+0.042857Y2 = 0.62143

DIMENSIONAMIENTO DE LA TORRE

En este punto se indica la manera como se determino las dimensiones de la torre a construir. Los rangos del diámetro de columna recomendados en función de los tamaños de empaque usados se indican en la tabla

DIAMETRO DE LA COLUMNA

TAMAÑO DEL EMPAQUE

< 0.3 m. < 1 plg.0.3 - 0.9 m. 1 - 1.5 plg> 0.9 m. 2 - 3 plg.

Fuente: columna de absorción www.crodecelaya.edu.mx/ColumnaAbsorcion.html

Debido a que se dispone de rellenos de tubos PVC de 1 plg., se tomo como diámetro de la torre 4 pulgadas = 10.16 cm.Generalmente el equipo no se llena por una capa de empaquetadura continua, sino que se divide el relleno en bloques, con el propósito de evitar que el liquido se mueva preferentemente cerca de la pared y deje de mojar la zona central de la capa de empaquetaduras. Este fenómeno, perjudicial para la transferencia de masa, se denomina efecto pared y esta motivado porque al existir una mayor densidad del relleno en la parte central que en la zona próxima a las paredes del aparato, la resistencia hidráulica cerca de las paredes es menor por lo que el liquido se desplazara preferentemente hacia esa región, razón por la cual se toma como un valor aproximado para una torre de empaques un 34.5% de llenado:Dtorre = 4 pulg

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Dtorrehrelleno

= 0,345

hrelleno = Dtorre0,345

hrelleno = 10,160,345

hrelleno = 29,45 cmAltura total de la torre: 1,5 m.

LOX Y0,0087 0,042850,21145 0,42857 LE0,00562 0,016040,04781 0,043520,09844 0,100970,14062 0,176470,17437 0,279460,21094 0,425890,25312 0,64502NLO0,0087 0,042850,21145 0,62143

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FOTOS DEL GRUPO

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Veronica Vargas

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