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文檔簡介

化工原理第五章吸收塔的計(jì)算2023/7/31第1頁,課件共69頁,創(chuàng)作于2023年2月【吸收塔的計(jì)算內(nèi)容

】1、設(shè)計(jì)型計(jì)算(1)吸收塔的塔徑;(2)吸收塔的塔高等。2、操作型計(jì)算(1)吸收劑的用量;(2)吸收液的濃度;(3)在物系、塔設(shè)備一定的情況下,對指定的生產(chǎn)任務(wù),核算塔設(shè)備是否合用。2023/7/31第2頁,課件共69頁,創(chuàng)作于2023年2月一、物料衡算和操作線方程1、物料衡算G——單位時(shí)間通過任一塔截面惰性氣體的量,kmol/s;L——單位時(shí)間通過任一塔截面的純吸收劑的量,kmol/s;Y——任一截面上混合氣體中溶質(zhì)的摩爾比,X——任一截面上吸收劑中溶質(zhì)的摩爾比。

物料衡算示意圖2023/7/31第3頁,課件共69頁,創(chuàng)作于2023年2月【假設(shè)】溶劑不揮發(fā),惰性氣體不溶于溶劑(即操作過程中L、G為常數(shù))。以單位時(shí)間為基準(zhǔn),在全塔范圍內(nèi),對溶質(zhì)A作物料衡算得:——全塔的物料衡算式(進(jìn)入量=引出量)或2023/7/31第4頁,課件共69頁,創(chuàng)作于2023年2月(1)吸收液的濃度【有關(guān)計(jì)算】據(jù)【結(jié)論】吸收液的濃度取決于混合氣體進(jìn)出設(shè)備的組成Y1、Y2以及吸收劑的組成X2。2023/7/31第5頁,課件共69頁,創(chuàng)作于2023年2月(2)溶質(zhì)的回收率【定義】【計(jì)算公式】——塔底、塔頂組成與回收率之間的關(guān)系【應(yīng)用】可通過控制吸收尾氣的組成Y2調(diào)節(jié)溶質(zhì)的回收率。2023/7/31第6頁,課件共69頁,創(chuàng)作于2023年2月2、吸收操作線方程與操作線

逆流吸收塔內(nèi)任取mn截面,在截面mn與塔頂間對溶質(zhì)A進(jìn)行物料衡算:GY+LX2=GY2+LX或

(進(jìn)入量=引出量)2023/7/31第7頁,課件共69頁,創(chuàng)作于2023年2月

若在塔底與塔內(nèi)任一截面mn間對溶質(zhì)A作物料衡算,則得到:或

【說明】以上兩式均稱為吸收操作線方程。2023/7/31第8頁,課件共69頁,創(chuàng)作于2023年2月【逆流吸收操作線方程的有關(guān)討論】

(1)【作用】表明了塔內(nèi)任一截面上氣相組成Y與液相組成X之間的關(guān)系?!締栴}】與Y*=mX有何不同?2023/7/31第9頁,課件共69頁,創(chuàng)作于2023年2月(2)【特點(diǎn)】當(dāng)定態(tài)連續(xù)吸收時(shí),若L、G一定,Y1、X1恒定,則該吸收操作線在X~Y直角坐標(biāo)圖上為一直線,通過塔頂A(X2,Y2)及塔底B(X1,Y1),其斜率為L/G?!径x】L/G稱為吸收操作的液氣比。2023/7/31第10頁,課件共69頁,創(chuàng)作于2023年2月變換氣

CO+H2O=CO2+H2(Y1含CO216~40%)凈化氣

H2

(Y2含CO2<1.5%)1-油水分離器;2-吸收塔;3-分離器;4-溶劑泵;5-溶劑冷卻器;6-閃蒸槽;7-常解再生塔;8-氣提鼓風(fēng)機(jī);9-中間貯槽;10-洗滌塔;11-洗滌液泵;12-羅茨鼓風(fēng)機(jī)碳酸丙烯酯脫碳常壓吸收-空氣氣提再生工藝流程圖吸收塔解吸塔GLX2X12023/7/31第11頁,課件共69頁,創(chuàng)作于2023年2月YY1YY2XXX1X2Y=f(X)吸收操作線0塔頂塔底斜率=L/GY*【說明】(1)塔內(nèi)的氣液相組成沿操作線連續(xù)改變;(2)操作線上的任一點(diǎn)代表塔內(nèi)某一截面的氣液兩相組成。2023/7/31第12頁,課件共69頁,創(chuàng)作于2023年2月(3)吸收操作線僅與液氣比、塔底及塔頂溶質(zhì)組成有關(guān),與系統(tǒng)的平衡關(guān)系、塔型及操作條件T、p無關(guān)。(4)吸收操作時(shí),Y>Y*或X*>X,故吸收操作線在平衡線Y*=f(X)的上方,操作線離平衡線愈遠(yuǎn)吸收的推動(dòng)力愈大;(5)對于解吸操作,Y<Y*或X*<X,故解吸操作線在平衡線的下方。2023/7/31第13頁,課件共69頁,創(chuàng)作于2023年2月YY1YY2XXX1X2Y=f(X)吸收推動(dòng)力0X*Y*吸收推動(dòng)力Y-Y*吸收推動(dòng)力X*-X2023/7/31第14頁,課件共69頁,創(chuàng)作于2023年2月YY1YY2XXY=f(X)吸收推動(dòng)力0Y*吸收推動(dòng)力Y-Y*Y*Y【說明】吸收推動(dòng)力Y-Y*<0,因此,該過程為解吸操作。2023/7/31第15頁,課件共69頁,創(chuàng)作于2023年2月二、吸收劑用量與最小液氣比

1、最小液氣比【定義】對于一定的分離任務(wù)、操作條件和吸收物系,當(dāng)塔內(nèi)某截面吸收推動(dòng)力為零時(shí)(氣液兩相平衡Y-Y*=0),達(dá)到分離要求所需塔高為無窮大時(shí)的液氣比稱為最小液氣比,以(L/G)min表示。

式中FA——單位時(shí)間溶質(zhì)的吸收量,mol/s;

A——?dú)庖合嘟佑|面積,m2。2023/7/31第16頁,課件共69頁,創(chuàng)作于2023年2月【特點(diǎn)】操作線與平衡線相交或相切?!締栴}】如果進(jìn)一步減小液氣比,將會(huì)出現(xiàn)什么狀況?最小液氣比下的操作線Y-Y*>0Y1-Y1*=0Y-Y*=02023/7/31第17頁,課件共69頁,創(chuàng)作于2023年2月2、操作液氣比對吸收操作的影響

【設(shè)備費(fèi)用降低

】增大吸收劑用量,操作線的斜率變大,操作線往上抬。在此情況下,操作線遠(yuǎn)離平衡線,吸收的推動(dòng)力增大,若欲達(dá)到一定吸收效果,則所需的塔高將減小,設(shè)備費(fèi)用會(huì)減少?!静僮髻M(fèi)用增加

】吸收劑用量增加到一定程度后,塔高減小的幅度就不顯著,而吸收劑消耗量卻過大,造成輸送及吸收劑再生等操作費(fèi)用劇增。(1)增大吸收劑用量對吸收操作的影響2023/7/31第18頁,課件共69頁,創(chuàng)作于2023年2月增大吸收劑用量,所需的塔高將減小,設(shè)備費(fèi)用會(huì)減少。增大吸收劑用量,會(huì)造成輸送及吸收劑再生等操作費(fèi)用增大。2023/7/31第19頁,課件共69頁,創(chuàng)作于2023年2月【設(shè)備費(fèi)用增加】減少吸收劑用量,操作線的斜率變小,操作線往下壓。在此情況下,操作線靠近平衡線,吸收的推動(dòng)力減小,若欲達(dá)到一定吸收效果,則所需的塔高將增大,設(shè)備費(fèi)用會(huì)增加?!静僮髻M(fèi)用降低

】隨著吸收劑用量的減少,吸收后所獲得的吸收液濃度會(huì)增大,降低了解吸工段的難度;同時(shí)吸收劑消耗量也會(huì)較少,輸送及吸收劑再生等操作費(fèi)用減少。(2)減少吸收劑用量對吸收操作的影響2023/7/31第20頁,課件共69頁,創(chuàng)作于2023年2月減小吸收劑用量,所需的塔高將增大,設(shè)備費(fèi)用會(huì)增加。減小吸收劑用量,降低了解吸工段的難度;同時(shí)吸收劑消耗量也會(huì)較少,輸送及吸收劑再生等操作費(fèi)用減少。【結(jié)論】吸收過程的吸收劑用量增大或者減小,會(huì)使得設(shè)備費(fèi)用或者操作費(fèi)用兩項(xiàng)中的一項(xiàng)增加。因此,吸收過程的吸收劑用量過大或者過小,都不利于吸收操作。2023/7/31第21頁,課件共69頁,創(chuàng)作于2023年2月【確定原則】應(yīng)選擇適宜的液氣比,使設(shè)備費(fèi)和操作費(fèi)之和最小?!敬_定方法】根據(jù)生產(chǎn)實(shí)踐經(jīng)驗(yàn),通常吸收劑用量為最小用量的1.1~2.0倍,即:3、吸收劑用量的確定

L適宜=(1.1~2.0)Lmin

或2023/7/31第22頁,課件共69頁,創(chuàng)作于2023年2月LL適宜

費(fèi)用

總費(fèi)用設(shè)備費(fèi)

操作費(fèi)L適宜=(1.1~2.0)Lmin2023/7/31第23頁,課件共69頁,創(chuàng)作于2023年2月4、最小液氣比的確定

(1)圖解法

【方法一】(1)在X-Y圖上分別畫出平衡線與操作線;(2)根據(jù)交點(diǎn)坐標(biāo)值計(jì)算:斜率=(L/G)min操作線平衡線2023/7/31第24頁,課件共69頁,創(chuàng)作于2023年2月(1)過點(diǎn)(X2,Y2)作平衡線的切線;(2)水平線Y=Y(jié)1與切線相交于點(diǎn)(X1,max,Y1),則可按下式計(jì)算最小液氣比:

【方法二】操作線與平衡線相切,則:2023/7/31第25頁,課件共69頁,創(chuàng)作于2023年2月(2)解析法

若平衡關(guān)系符合亨利定律,則采用下列解析式計(jì)算最小液氣比:由于Y1Y2X2X1*2023/7/31第26頁,課件共69頁,創(chuàng)作于2023年2月【例】用清水在常壓塔內(nèi)吸收含SO2

9%(mol)的氣體。溫度為20℃,逆流操作,處理量為1m3/s。要求SO2的回收率為95%,吸收劑用量為最小吸收劑用量的120%。求吸收后吸收液的濃度和吸收用水量。已知操作條件下的氣液平衡關(guān)系為Y*=31.13X

2023/7/31第27頁,課件共69頁,創(chuàng)作于2023年2月【解】已知y1=0.09η=95%=0.95∴

Y2=(1-η)Y1=(1-0.95)×0.099=0.00495

據(jù)Y*=31.13X

知:m=31.13據(jù)∴

2023/7/31第28頁,課件共69頁,創(chuàng)作于2023年2月?lián)?/p>

可解得吸收液的濃度為X1=0.00265∵故吸收用水量為:L=35.5G=35.5×37.85=1343(mol/s)=1.343(kmol/s)∵L=120%Lmin=1.2Lmin∴——全塔的物料衡算式2023/7/31第29頁,課件共69頁,創(chuàng)作于2023年2月三、吸收塔填料層高度的計(jì)算

1、填料塔的高度封頭塔頂空間塔底空間裙座【說明】填料塔的高度主要決定于填料層高度。2023/7/31第30頁,課件共69頁,創(chuàng)作于2023年2月H——塔高(從A到B,不包括封頭、裙座高),m;Z——填料層高,m;Hf——裝置液體再分布器的空間高,m;Hd——塔頂空間高(不包括封頭部分),m,一般取Hd=0.8~1.4m;Hb——塔底空間高(不包括封頭部分),m,一般取Hb=1.2~1.5m;

n——填料層分層數(shù)H=Hd十Z十(n—1)Hf十Hb

HdHfHb2023/7/31第31頁,課件共69頁,創(chuàng)作于2023年2月【說明】由于液體再分布器、噴淋裝置、支承裝置、捕沫器等的結(jié)構(gòu)不同時(shí)其高度不同,當(dāng)一時(shí)無法準(zhǔn)確確定時(shí),也可采用下式近似計(jì)算塔高:H=1.2Z+Hd+Hb

Hd——塔頂空間高(不包括封頭部分),m;Hb——塔底空間高(不包括封頭部分),m。【填料塔高度的近似計(jì)算】2023/7/31第32頁,課件共69頁,創(chuàng)作于2023年2月2、填料層高度的基本計(jì)算式(1)填料層高度的計(jì)算依據(jù)①物料衡算式;②傳質(zhì)速率方程式?!静僮魈攸c(diǎn)】在填料塔內(nèi)任一截面上的吸收的推動(dòng)力(Y-Y*)均沿塔高連續(xù)變化,所以不同截面上的傳質(zhì)速率各不相同?!咎幚矸椒ā竣俨荒軐θM(jìn)行計(jì)算,只可首先對一微分段計(jì)算,得到微分式;②然后得到積分式運(yùn)用于全塔。2023/7/31第33頁,課件共69頁,創(chuàng)作于2023年2月逆流吸收塔內(nèi)的吸收推動(dòng)力【特點(diǎn)】任一截面上的吸收的推動(dòng)力均沿塔高連續(xù)變化。2023/7/31第34頁,課件共69頁,創(chuàng)作于2023年2月其中a——單位體積填料所具有的相際傳質(zhì)面積,m2/m3;稱為有效比表面積。(被吸收劑濕潤的填料表面積)

Ω——填料塔的塔截面積,m2。

微分填料層的傳質(zhì)面積為:(2)吸收塔填料層高度微分計(jì)算式2023/7/31第35頁,課件共69頁,創(chuàng)作于2023年2月拉西環(huán)填料比表面積=填料的數(shù)量/m3×單個(gè)填料的表面積2023/7/31第36頁,課件共69頁,創(chuàng)作于2023年2月堆放在塔內(nèi)的填料有效比表面積a

——單位體積填料被吸收劑濕潤的填料表面積2023/7/31第37頁,課件共69頁,創(chuàng)作于2023年2月

定態(tài)吸收時(shí),氣相中溶質(zhì)減少的量等于液相中溶質(zhì)增加的量,即:式中FA——單位時(shí)間吸收溶質(zhì)的量,kmol/s;

NA——為微元填料層內(nèi)溶質(zhì)的傳質(zhì)速率,在微分層內(nèi)可視為定值,kmol/m2·s;

——物料衡算式微分填料層dZ段內(nèi)吸收溶質(zhì)的量為:——傳質(zhì)速率計(jì)算式2023/7/31第38頁,課件共69頁,創(chuàng)作于2023年2月將吸收速率方程

代入上式得

與dFA=GdY

聯(lián)立后可得:——吸收塔填料層高度微分計(jì)算式

(氣液兩相之間傳遞的量=氣相中減少的量)2023/7/31第39頁,課件共69頁,創(chuàng)作于2023年2月【計(jì)算前提】(1)當(dāng)吸收塔定態(tài)操作時(shí),G、L、Ω、a既不隨時(shí)間而變化,也不隨截面位置變化。(2)低濃度吸收,在全塔范圍內(nèi)氣液相的物性變化都較小,通常KY、KX可視為常數(shù),將前式積分得:——低濃度定態(tài)吸收塔填料層高度積分計(jì)算式

(3)吸收塔填料層高度積分計(jì)算式2023/7/31第40頁,課件共69頁,創(chuàng)作于2023年2月3、傳質(zhì)單元高度與傳質(zhì)單元數(shù)(1)傳質(zhì)單元高度【確定方法】分別確定各物理量的大小,通過定義式直接計(jì)算其數(shù)值的大小?!獑挝粸閙。稱為氣相總傳質(zhì)單元高度?!径x】2023/7/31第41頁,課件共69頁,創(chuàng)作于2023年2月(2)傳質(zhì)單元數(shù)稱為氣相總傳質(zhì)單元數(shù)。——無因次。

【定義】【確定方法】根據(jù)分離的要求、被分離的物系的性質(zhì)、氣液平衡關(guān)系與操作條件,通過各種方法確定其數(shù)值的大小。2023/7/31第42頁,課件共69頁,創(chuàng)作于2023年2月(3)填料層高度計(jì)算通式

計(jì)算通式

Z=傳質(zhì)單元高度×傳質(zhì)單元數(shù)

根據(jù)傳質(zhì)單元高度與傳質(zhì)單元數(shù)的定義,填料層高度可表示為:傳質(zhì)單元高度傳質(zhì)單元數(shù)填料層高度2023/7/31第43頁,課件共69頁,創(chuàng)作于2023年2月(4)填料層高度的各種計(jì)算式

若用不同的總傳質(zhì)系數(shù)及氣、液相傳質(zhì)系數(shù)對應(yīng)的吸收速率方程進(jìn)行推導(dǎo),可得:【說明】(1)可以使用其中任何一個(gè)公式進(jìn)行計(jì)算,并且結(jié)果相同;(2)根據(jù)已知條件選用計(jì)算式。2023/7/31第44頁,課件共69頁,創(chuàng)作于2023年2月——液相總傳質(zhì)單元數(shù)式中

——液相總傳質(zhì)單元高度2023/7/31第45頁,課件共69頁,創(chuàng)作于2023年2月(5)傳質(zhì)單元的物理意義以NOG為例,由積分中值定理得知:【結(jié)論】當(dāng)氣體流經(jīng)填料塔的某一塔段,其氣相中溶質(zhì)組成變化(Ya-

Yb)等于該填料塔的平均吸收推動(dòng)力(中值)(Y-Y*)m,即NOG=1時(shí),則該塔段為一個(gè)傳質(zhì)單元。2023/7/31第46頁,課件共69頁,創(chuàng)作于2023年2月傳質(zhì)單元的物理意義YaYb【問題】一個(gè)吸收塔內(nèi)有多少個(gè)傳質(zhì)單元?一個(gè)傳質(zhì)單元2023/7/31第47頁,課件共69頁,創(chuàng)作于2023年2月(6)傳質(zhì)單元高度的物理意義可以看出:NOG=1時(shí),Z=HOG?!窘Y(jié)論】完成一個(gè)傳質(zhì)單元分離效果所需的填料層高度。

以HOG為例,由式:YaYb2023/7/31第48頁,課件共69頁,創(chuàng)作于2023年2月【結(jié)論】

(1)體積傳質(zhì)系數(shù)KYa與填料性能和填料潤濕情況有關(guān)。傳質(zhì)單元高度的數(shù)值反映了吸收設(shè)備傳質(zhì)效能的高低;(2)HOG愈小,吸收設(shè)備的傳質(zhì)阻力愈小,傳質(zhì)效能愈高,完成一定分離任務(wù)所需填料層高度愈小,則吸收設(shè)備的性能越好?!獋髻|(zhì)阻力

由:(6)傳質(zhì)單元高度對吸收操作的影響2023/7/31第49頁,課件共69頁,創(chuàng)作于2023年2月【體積傳質(zhì)系數(shù)(KYa)——參數(shù)歸并法】(1)有效比表面積(a)與填料的類型、形狀、尺寸、填充情況有關(guān),還隨流體物性、流動(dòng)狀況而變化,其數(shù)值不易直接測定;(2)通常將a與傳質(zhì)系數(shù)(KY)的乘積合并為一個(gè)物理量KYa

(單位kmol/m3·s),稱為體積傳質(zhì)系數(shù),通過實(shí)驗(yàn)測定其數(shù)值;(3)在低濃度吸收的情況下,體積傳質(zhì)系數(shù)在全塔范圍內(nèi)為常數(shù),或可取平均值。2023/7/31第50頁,課件共69頁,創(chuàng)作于2023年2月(7)傳質(zhì)單元數(shù)對吸收操作的影響【決定因素】NOG的分子(Y1-Y2)為氣相組成變化,即分離效果(分離要求);分母(Y-Y*)m為吸收過程的平均推動(dòng)力,大小取決于被分離的物系的性質(zhì)、結(jié)果與操作條件,而與塔設(shè)備無關(guān)?!咀兓?guī)律】分離任務(wù)(Y1-Y2)越高,吸收的平均推動(dòng)力(Y-Y*)m愈小,傳質(zhì)單元數(shù)就愈大?!窘Y(jié)論】傳質(zhì)單元數(shù)反映了吸收過程的難易程度。即傳質(zhì)單元數(shù)越大,吸收過程的難度越大。2023/7/31第51頁,課件共69頁,創(chuàng)作于2023年2月3、傳質(zhì)單元數(shù)的計(jì)算(1)傳質(zhì)單元數(shù)計(jì)算的方法當(dāng)氣液平衡關(guān)系滿足亨利定律時(shí):①對數(shù)平均推動(dòng)力法;②吸收因數(shù)法。當(dāng)氣液平衡關(guān)系不滿足亨利定律時(shí):①圖解積分法;②數(shù)值積分法(辛普森Simpson法)。2023/7/31第52頁,課件共69頁,創(chuàng)作于2023年2月(2)對數(shù)平均推動(dòng)力法【前提】氣液平衡關(guān)系滿足亨利定律?!痉椒ā扛鶕?jù)積分中值定律,先確定中值的數(shù)值,以此計(jì)算傳質(zhì)單元數(shù)。式中——對數(shù)平均推動(dòng)力中值2023/7/31第53頁,課件共69頁,創(chuàng)作于2023年2月Y1*=mX1——與X1相平衡的氣相組成;Y2*=mX2——與X2相平衡的氣相組成;ΔYm——塔頂與塔底兩截面上吸收推動(dòng)力的對數(shù)平均值,稱為對數(shù)平均推動(dòng)力。【中值的確定】G,Y2L,X2G,Y1L,X12023/7/31第54頁,課件共69頁,創(chuàng)作于2023年2月YY1Y2XX1X2Y=f(X)對數(shù)平均推動(dòng)力法0ΔYmΔY1ΔY2塔頂塔底Y2*=mX2Y1*=mX12023/7/31第55頁,課件共69頁,創(chuàng)作于2023年2月同理,液相總傳質(zhì)單元數(shù)的計(jì)算式為:X1*——與Y1相平衡的液相組成;X2*——與Y2相平衡的液相組成。式中

G,Y2L,X2G,Y1L,X12023/7/31第56頁,課件共69頁,創(chuàng)作于2023年2月【兩點(diǎn)討論】(1)當(dāng)ΔY1/ΔY2<2、ΔX1/ΔX2<2時(shí),對數(shù)平均推動(dòng)力可用算術(shù)平均推動(dòng)力替代,產(chǎn)生的誤差小于4%,這是工程計(jì)算允許的;(2)當(dāng)平衡線與操作線平行,即L/mG=1時(shí):

此時(shí)有:2023/7/31第57頁,課件共69頁,創(chuàng)作于2023年2月(2)吸收(解吸)因數(shù)法【方法】由于氣液平衡關(guān)系服從亨利定律,首先建立起函數(shù)關(guān)系式[f(Y-Y*)~Y],根據(jù)傳質(zhì)單元數(shù)的定義式直接積分,導(dǎo)出其解析式。GY+LX2=GY2+LX2023/7/31第58頁,課件共69頁,創(chuàng)作于2023年2月式中

——解吸因數(shù)(脫吸因數(shù))【說明】一般情況下,可直接用該式計(jì)算。2023/7/31第59頁,課件共69頁,創(chuàng)作于2023年2月【方法】為方便計(jì)算,以S為參數(shù);為橫坐標(biāo);

NOG為縱坐標(biāo)。

在半對數(shù)坐標(biāo)上標(biāo)繪公式的函數(shù)關(guān)系,得到吸收(解吸)因素法關(guān)系圖。此圖可方便地查出NOG值。

【吸收(解吸)因素法關(guān)系圖——簡捷計(jì)算】【特點(diǎn)】NOG的數(shù)值與解吸因數(shù)S、有關(guān)。

2023/7/31第60頁,課件共69頁,創(chuàng)作于2023年2月解吸因素法關(guān)系圖【方法】(1)由m、L/G計(jì)算S:(2)由m、Y1、Y2、

X2計(jì)算:(3)由圖中查的NOG。2023/7/31第61頁,課件共69頁,創(chuàng)作于2023年2月【說明】當(dāng)平衡線為曲線時(shí),傳質(zhì)單元數(shù)一般用圖解積分法求取。

(3)圖解積分法YY2Y1①圖解積分法的基本原理2023/7/31第62頁,課件共69頁,創(chuàng)作于2023年2月①在X-Y坐標(biāo)圖上分別畫出氣液平衡線(可查找數(shù)據(jù)手冊獲得氣液平衡數(shù)據(jù))和操作線;②在Y1、Y2之間選擇若干個(gè)Y值;③

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