CH625852A5 - - Google Patents
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Description
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Aufnahme von körnigen Katalysatoren für die Abgasentgiftung von Verbrennungsmotoren, bestehend aus einem mit Endplatten verschlossenen Gehäuse, welches einen Gaseintrittsstutzen s und einen Gasaustrittsstutzen aufweist und in welchem sich konzentrisch zum Gaseintrittsstutzen ein gelochte Wandungen aufweisender, im Querschnitt ringförmiger Behälter befindet, wobei der Behälter mit körmigem Katalysator unter Ausbildung eines Katalysatorbettes gefüllt ist.
Es sind eine Reihe von Katalysatoren bekannt, welche die Schadstoffe in den Abgasen von Verbrennungsmotoren in unschädliche Verbindungen zu überführen erlauben. Diese Katalysatoren werden in Form von Monolithen oder in körniger Form, beispielsweise als Pellets oder Presslinge, eingesetzt.
Die Katalysatoren sind beispielsweise wegen der am Verbrennungsmotor herrschenden Bedingungen in bezug auf den Temperaturwechsel und die mechanischen Erschütterungen starker Beanspruchung ausgesetzt. Körnige Katalysatoren werden in metallische Behälter eingefüllt mit den Abgasen in Berührung gebracht, wobei normalerweise die verschiedenen thermischen Ausdehnungskoeffizienten vom metallischen Behälter und keramischen Katalysatorzu berücksichtigen sind. Von besonderer Bedeutung ist im allgemeinen die unterschiedliche Wärmeausdehnung von Behälter und Katalysator bei nahe dem Verbrennungsmotor angeordneten Abgasentgiftungseinrichtungen mit Arbeitstemperaturen von 1000°C und mehr, da sich die Katalysatorkörner wegen ihrer in bezug auf den Behälter geringeren Wärmeausdehnung mit steigender Temperatur im Behälter zunehmend frei bewegen können. Dadurch erleiden die Katalysatorkörner Abrieb, was üblicherweise zu Katalysatorverlust und schliesslich zur Funktionsunfähigkeit der Abgasentgiftungseinrichtung führt.
Es ist bekannt, in Behälter eingefüllte körnige Katalysatoren zur Vermeidung von Abrieb durch mechanische oder pneumatische Verspannung in Ruhelage zu halten. Dabei wird die mechanische Verspannung durch eine Feder bewirkt, welche axial auf das Katalysatorbett drückt, wobei die Feder innerhalb des Gehäuses (vergi. US-PS 3 197 287) oder ausserhalb davon (vergi. DT-OS 2 242 888) angeordnet sein kann. Die pneumatische Verspannung wird bisher nur beim sogenannten Flachbettreaktor angewendet, bei welchem das in das liegend angeordnete Gehäuse eintretende Abgas auf die Oberseite der Katalysatorschüttung drückt (vergi. GB-PS 1 357 241).
Schliesslich ist aus der US-PS 3 449 086 ein katalytischer Schalldämpfer bekannt, welcher aus einem mit Endplatten versehenen Gehäuse besteht, wobei die Endplatten von Stutzen für den Gaseintritt bzw. Gasaustritt durchdrungen sind. Im Gehäuse befindet sich ein ringspaltförmiger Behälter mit perforierten Wänden zur Aufnahme von körnigem Katalysator. Die Innenwand des Behälters fluchtet mit dem G.asein-trittsstutzen. Der Behälter ist an der Endplatte der Gaseintrittsseite befestigt, während sein entgegengesetztes Ende mit einer Abschlussscheibe verschlossen ist. Die Abschlussscheibe ist über Bolzen starr mit der Endplatte an der Gasaustrittsseite verbunden. Der obere Bereich des ringspaltförmigen Behälters - im Querschnitt gesehen ein Bereich von 20 bis 120° - ist durch Auflegen einer entsprechend gebogenen Platte gasundurchlässig gestaltet.
Nachteilig ist bei der Vorrichtung nach der US-PS 60 3 197 287, dass die Feder wegen ihrer Anordnung innerhalb des Gehäuses Temperaturen bis 1000 ° C ausgesetzt ist und daher in kurzer Zeit ihre Federkraft einbüsst, während bei der Vorrichtung nach der DT-OS 2 242 888 die gasdichte Durchführung der Schubstange durch den Gehäusedeckel Schwierigkei-65 ten bereitet. Bei der Vorrichtung nach der GB-PS 1 357 241 ist von Nachteil, dass sie nur liegend eingebaut bei Abgaszu-strömung von oben funktionsfähig ist. Schliesslich ist bei der Vorrichtung nach US-PS 3 449 086 lediglich eine Herabset15
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zung der Aufwirbelung der Katalysatorkörner im oberen Teil der Schüttung und keine pneumatische Verspannung der Kata-lysatorschüttung erzielbar.
Es ist daher Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Vorrichtung zur Aufnahme von Katalysatoren für die Abgasentgiftung von Verbrennungsmotoren zu schaffen, bei welcher die Schüttung aus körnigem Katalysator durch das strömende Abgas zusammengedrückt und in Ruhelage verspannt wird, um Abrieb des Katalysators und bypass-Strömungswege für das Abgas zu vermeiden. Das wird erfindungsgemäss dadurch erreicht, dass mindestens eine die Umformung eines Teiles des in das Gehäuse (1) einströmenden Gases in einen axialen, auf einen Stirnseitenbereich des im Querschnitt ringförmigen Behälters (7) gerichteten Gasstrom mit erhöhtem statischem Druck bewirkende Gasleiteinrichtung im Gehäuse angeordnet ist.
Die Vorrichtung gemäss der Erfindung kann wahlweise auch noch dadurch gekennzeichnet sein, dass a) die Gasleiteinrichtung aus einem zwischen einem senkrecht an einer Endplatte (3) befestigten ersten Metallring (12) angeordneten Anströmkegel (15) und aus einem senkrecht an der Endplatte (3) befestigten zweiten Metallring (11) mit senkrecht daran angeordnetem Ringblech (18) besteht, wobei der erste Metallring (12) im Bereich des Anströmkegels (15) perforiert ist;
b) senkrecht an einer Endplatte (3) zwischen dem ersten Metallring (12) und dem zweiten Metallring (11) ein dritter Metallring (16) befestigt ist;
c) der dritte Metallring (16) nahe der Endplatte (3) an seinem Umfang Durchbrechungen (17) aufweist;
d) die Gasleiteinrichtung aus einem zwischen einem senkrecht an seiner Endplatte (3) befestigten ersten Metallring (12) angeordneten Gasentnahmering (19) und aus einem senkrecht an der Endplatte (3) befestigten zweiten Metallring (11) mit senkrecht daran angeordnetem Ringblech (18) besteht, wobei der erste Metallring (12) oberhalb des Gasentnahmeringes
(19) perforiert ist;
e) sich der Gasentnahmering (19) auf der entgegengesetzten Seite des ersten Metallringes (12) in einem Gasleitblech (22) fortsetzt;
f) die Gasleiteinrichtung aus einer mit Durchbohrungen (20) versehenen Endplatte (3) und aus einem senkrecht an der Endplatte (3) befestigten Metallring (11) mit senkrecht daran angeordnetem Ringblech (18) besteht;
g) die Gasleiteinrichtung einen die mit Durchbohrungen
(20) versehene Endplatte (3) nach aussen abschliessenden, am Gehäusemantel (2) befestigten Deckel (21) aufweist;
h) die Gasleiteinrichtung einen die mit Durchbohrungen (20) versehene Endplatte (3) nach aussen abschliessenden, am Gehäusemantel (2) und am Gaseintrittsstutzen (5) befestigten ringförmigen Deckel (23) sowie im Gaseintrittsstutzen (5)
einen Gasentnahmering (19) aufweist, wobei der Gaseintrittsstutzen (5) im Bereich zwischen dem ringförmigen Deckel (23) und dem Gasentnahmering (19) perforiert ist;
i) mindestens eine der Endplatten (3) im Bereich des im Querschnitt ringförmigen Behälters (7) einen verschliessbaren Stutzen (14) aufweist.
Zweckmässig wird entweder ein Teil des den ringspaltförmi-gen Behälter radial durchströmenden Gases an der dem Gaseintrittsstutzen entgegengesetzten Ende des Gehäuses in eine Axialströmung umgeformt oder ein Teil des axial in das Gehäuse einströmenden Gases lediglich parallel verschoben in Axialrichtung gehalten. In beiden Fällen drückt in der Regel das in Axialrichtung strömende Gas mit gegenüber dem Radialstrom erhöhten Gasdruck gleichmässig auf die ringförmige Oberfläche des körnigen Katalysators, so dass die Kata-lysatorschüttung durch Axialkraft auf das kleinstmögliche Katalysatorbettvolumen verspannt wird.
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Wesentlich ist bei der vorliegenden Erfindung beispielsweise, dass kinetische Energie der Gasströmung in zusätzlichen statischen Druck umgewandelt wird, h. h. dass Staudruck erzeugt und auf die Stirnseite der Katalysatorschüttung geführt wird. Dadurch wird bei Hohlraumbildungen durch Abrieb des Katalysators üblicherweise ein Fliessen der Katalysatorkörner verhindert.
In einer erfindungsgemässen Vorrichtung können auch zwei verschiedene Gasleiteinrichtungen angeordnet sein, welche einen Teil des in das Gehäuse einströmenden Abgases auf beide Stirnseiten der Katalysatorschüttung führen.
Bei einer Ausführungsform der Vorrichtung gemäss der vorliegenden Erfindung beträgt die Länge des inneren Metallringes 10 bis 35 % der Länge des ringspaltförmigen Behälters. Der nach aussen folgende Metallring, an welchem senkrecht ein Ringblech befestigt ist, hat etwa die gleiche Länge wie der innere Metallring. Das radial angeordnete Ringblech ist 30 bis 80% so breit wie der Abstand der beiden perforierten Wände des ringspaltförmigen Behälters. Durch die beiden Metallringe und das Ringblech wird ein Katalysatorvorratsraum begrenzt. In diesem Katalysatorvorratsraum kann ein weiterer Metallring angeordnet sein, der 50 bis 80% der Länge des äusseren Metallringes und Durchbohrungen in seinem nahe der Endplatte gelegenen Bereich aufweist.
Bei der beispielsweisen Vorrichtung dienen die beiden den Katalysatorraum begrenzenden Metallringe gleichzeitig als Gleitsitz für die perforierten Wände des ringspaltförmigen Behälters.
Bei einer Ausführungsform der Vorrichtung gemäss der Erfindung ist der Gasentnahmering der Gasströmung im spitzen Winkel oder halbschalenförmig entgegengerichtet und als Ringspalt mit einer Spaltweite von 5 bis 20% des Durchmessers des Gaseintrittsstutzens ausgebildet.
Im Hinblick auf die dynamischen Verhältnisse im Gehäuse sei noch folgendes bemerkt: Bei dem bekannten Radialfluss-Konverter erfüllt der körnige Katalysator während des Gasdurchganges immer den gesamten Raum des im Querschnitt ringförmigen Behälters. Ist aber im Laufe der Betriebszeit durch Abrieb der Katalysatorkömer erst einmal ein Lückenvolumen im Behälter vorhanden, so kommt es wegen der Relativbewegungen der Katalysatorkörner untereinander zu ständig zunehmendem Abrieb.
Im Gegensatz dazu ist bei einer Ausführungsform der Vorrichtung gemäss der Erfindung während des Gasdurchganges durch die Schüttung nicht der gesamte Raum des Behälters mit körnigem Katalysator gefüllt (vergi. Fig. 1). Demnach kommt es kaum zu Relativbewegungen der Katalysatorkörner untereinander, weil der durch die Gasleiteinrichtung auf die ringförmige Katalysatoroberfläche geführte Staudruck als zusätzliche axiale Katalysatorverspannung eine vollständige Raumerfüllung des Behälters mit Katalysator verhindert, wodurch der Katalysatorabrieb gering gehalten wird.
Mit anderen Worten: Bei einer Ausführungsform der Vorrichtung gemäss der Erfindung wird das in Axialrichtung strömende Gas mit gegenüber dem Radialstrom erhöhtem Gasdruck gleichmässig auf die ringförmige Oberfläche des körnigen Katalysators gedrückt, so dass die Katalysatorschüttung durch Axialkraft auf das kleinstmögliche Katalysatorbettvolumen verspannt wird. Dabei wird kinetische Energie der Gasströmung in zusätzlichen statischen Druck umgewandelt, d.h. Staudruck erzeugt und auf die Stirnseite der Katalysatorschüttung geführt, wodurch bei Hohlraumbildungen durch evtl. Abrieb des Katalysators ein Fliessen der Katalysatorschüttung verhindert wird.
In der beigefügten Zeichnung sind Ausführungsbeispiele des Gegenstandes der Erfindung schematisch im Längsschnitt dargestellt. Dabei zeigen:
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Figur 1 eine Vorrichtung mit einem Anströmkegel und einem an ihrer Unterseite befindlichen Gaszuführungsstutzen,
Figur 2 eine Vorrichtung mit einem an ihrer Oberseite befindlichen Gaszuführungsstutzen mit Gasentnahmering und Gasleitblech,
Figur 3 eine Vorrichtung mit einer perforierten Endplatte und einem an ihrer Unterseite befindlichen Gaszuführungsstutzen,
Figur 4 eine Vorrichtung mit einem an ihrer Oberseite befindlichen Gaszuführungsstutzen mit Gasentnahmering und mit einer perforierten Endplatte.
Der Gehäusemantel 2 eines Gehäuses 1 ist mit Endplatten 3 verschlossen, welche mit nach aussen gerichteten Aushalsun-gen 4 versehen sind. Dabei weist eine Endplatte 3 des Gehäuses 1 einen Gaseintrittsstutzen 5 auf, während der Gehäusemantel 2 von einem Gasaustrittsstutzen 6 durchdrungen ist. Konzentrisch zum Gaseintrittsstutzen 5 befindet sich im Gehäuse 1 ein ringspaltförmiger Behälter 7 zur Aufnahme von Katalysatoren in körniger Form. Dabei weist der Behälter 7 perforierte Wände 8 auf, an deren Innenseite Drahtgewebe 9 angeordnet ist.
An der Innenseite mindestens einer Endplatte 3 sind Metallringe (10,11,12) befestigt, in denen die Enden des Behälters 7 zur Aufnahme seiner axialen Relativbewegungen gleitend gelagert sind, wobei die Verlängerung des Gaseintrittsstutzens 5 in das Gehäuse 1 an die Stelle eines Metallringes 12 treten kann (vergleiche Figur 2). Zwischen der Innenwand des Gehäusemantels 2 und der Aussenwand des ringspaltförmigen Behälters 7 sind ein oder mit axialem Abstand voneinander mehrere Abstandshalter 13 angeordnet. Der Abstandshalter 13 ist an der Aussenwand des ringspaltförmigen Behälters 7 befestigt und kann an der Innenwand des Gehäusemantels 2 gleiten. Dabei kann der Abstandshalter 13 aus einem ringförmigen Lochblech oder aus mehreren Bolzen bestehen, welche am Umfang mit seitlichem Abstand voneinander angeordnet sind. Die Abstandshalter 13 dienen zur Aufnahme von radialen und axialen Relativbewegungen des ringspaltförmigen Behälters 7.
Mindestens eine der Endplatten 3 weist im Bereich des Behälters 7 einen verschliessbaren Stutzen 14 auf, durch welchen der Behälter 7 mit körnigem Katalysator beaufschlagbar ist.
Nach Figur 1 ist an der Innenseite der Endplatte 3 und dem Gaseintrittsstutzen 5 gegenüberliegend ein Anströmkegel 15 angeordnet. Der dem Anströmkegel 15 benachbarte Metallring 12 ist in seinem oberen Bereich perforiert, während etwa in der Mitte zwischen den Metallringen 11 und 12 an der Innenseite der Endplatte 3 ein Metallring 16 befestigt ist, welcher nahe der Endplatte 3 um seinen Umfang herum Durchbrechungen 17 aufweist. Weiterhin ist am Metallring 11 senkrecht ein in das Innere des Gehäuses 1 weisendes Ringblech 18 befestigt. Dabei enden der Anströmkegel 15 sowie die Metallringe 11 und 12 in einem etwa gleichen Abstand von der Endplatte 3.
Nach Figur 2 ist in der Verlängerung des Gaseintrittsstutzens 5 in das Innere des Gehäuses 1, welche an die Stelle des Metallringes 12 tritt, ein Gasentnahmering 19 angeordnet,
welcher sich ausserhalb der Verlängerung des Gaseintrittsstutzens 5 in einem Gasleitblech 22 forsetzt. Zwischen der Endplatte 3 und dem Gasleitblech 22 ist die Verlängerung des Gaseintrittsstutzens 5 perforiert. Am Metallring 11 ist senkrecht ein in das Innere des Gehäuses 1 weisendes Ringblech 18 befestigt. Dabei weisen der Metallring 11 und die Verlängerung des Gaseintrittsstutzens 5 etwa die gleiche Länge auf.
Nach Figur 3 ist die dem Gaseintrittsstutzen 5 gegenüberliegende Endplatte 3 mit Durchbohrungen 20 versehen. Diese Endplatte 3 ist nach aussen hin durch einen am Gehäusemantel 2 befestigten Deckel 21 abgeschlossen. Am Metallring 11 ist senkrecht ein in das Innere des Gehäuses 1 weisendes Ringblech 18 befestigt.
Nach Figur 4 ist der Gaseintrittsstutzen 5, welcher mit einer Verlängerung in das Innere des Gehäuses 1 versehen ist, oberhalb der mit Durchbohrungen 20 versehenen Endplatte 3 perforiert. Zwischen der Perforierung und der Endplatte 3 ist im Gaseintrittsstutzen 5 ein Gasentnahmering 19 angeordnet. Zwischen dem Gehäusemantel 2 und dem Gaseintrittsstutzen 5 ist ein ringförmiger Deckel 23 angeordnet, welcher am Gas-eintrittsstutzen 5 oberhalb seiner Perforierung befestigt ist. Am Metallring 11 ist senkrecht ein in das Innere des Gehäuses 1 weisendes Ringblech 18 befestigt.
Die Funktionsweise der in den Figuren dargestellten Vorrichtungen ist wie folgt;
Figur 1 Der Gasstrom a, welcher durch den Gaseintrittsstutzen 5 in das Gehäuse 1 eintritt, durchströmt zum grössten Teil als Radialstrom b den Katalysator, während ein kleiner Teil am Anströmkegel 15 abgelenkt (c) und durch die perforierte Wand des Metallringes 12 hindurchgepresst wird. Im Katalysatorvorratsraum wird das Gas schliesslich zu einem Axialstrom d umgelenkt, welcher auf die Stirnseite der Katalysatorschüttung mit einem gegenüber dem Radialstrom erhöhten Druck drückt.
Figur 2 Vom Gasstrom e, welcher durch den Gaseintrittsstutzen 5 in das Gehäuse 1 eintritt, wird ein kleiner Teil durch den Gasentnahmering 19 abgelenkt (f), während der Hauptteil den Katalysator als Radialstrom g durchströmt. Nach Passieren der Perforierung im Gaseintrittsstutzen 5 verläuft der Gasstrom f zwischen der Endplatte 3 und dem Gasleitblech 22,
wird im Bereich zwischen den Metallringen (11,12) axial gerichtet und wirkt schliesslich auf die Katalysatorschüttung zusammenpressend ein.
Figur 3 Vom Gasstrom h, welcher durch den Gaseintrittsstutzen 5 in das Gehäuse 1 eintritt, durchströmt der grössere Teil als Radialstrom i den Katalysator, während ein Teil j die mit Durchbohrungen 20 versehene Endplatte 3 durchströmt, am Deckel 21 umgelenkt wird und als Axialstrom k über die Durchbohrungen 20 in der Endplatte 3 auf die Katalysatorschüttung drückt.
Figur 4 Vom Gasstrom 1, welcher durch den Gaseintrittsstutzen 5 in das Gehäuse 1 eintritt, wird ein kleiner Teil durch den Gasentnahmering 19 abgelenkt (m), während der Hauptteil den Katalysator als Radialstrom n durchströmt. Nach Passieren der Perforierung im Gaseintrittsstutzen 5 wird der Gasstrom m zu einem Axialstrom o umgeformt, welcher auf die Stirnseite der Katalysatorschüttung drückt.
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2 Blatt Zeichnungen
Claims (10)
1. Vorrichtung zur Aufnahme von körnigen Katalysatoren für die Abgasentgiftung von Verbrennungsmotoren, bestehend aus einem mit Endplatten verschlossenen Gehäuse, welches einen Gaseintrittsstutzen und einen Gasaustrittsstutzen aufweist und in welchem sich koaxial zum Gaseintrittsstutzen ein gelochte Wandungen aufweisender, im Querschnitt ringförmiger Behälter befindet, wobei der Behälter mit körnigem Katalysator unter Ausbildung eines Katalysatorbettes gefüllt ist, gekennzeichnet durch mindestens eine die Umformung eines Teiles des in das Gehäuse (1) einströmenden Gases in einen axialen, auf einen Stirnseitenbereich des im Querschnitt ringförmigen Behälters (7) gerichteten Gasstrom mit erhöhtem statischem Druck bewirkende Gasleiteinrichtung.
2. Vorrichtung nach Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Gasleiteinrichtung aus einem zwischen einem senkrecht an einer Endplatte (3) befestigten ersten Metallring (12) angeordneten Anströmkegel (15) und aus einem senkrecht an der Endplatte (3) befestigten zweiten Metallring (11) mit senkrecht daran angeordnetem Ringblech (18) besteht, wobei der erste Metallring (12) im Bereich des Anströmkegels (15) perforiert ist.
3. Vorrichtung nach Patentanspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass senkrecht an einer Endplatte (3) zwischen dem ersten Metallring (12) und dem zweiten Metallring (11) ein dritter Metallring (16) befestigt ist.
4. Vorrichtung nach Patentanspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass der dritte Metallring (16) nahe der Endplatte (3) an seinem Umfang Durchbrechungen (17) aufweist.
5. Vorrichtung nach Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Gasleiteinrichtung aus einem zwischen einem senkrecht an einer Endplatte (3) befestigten ersten Metallring (12) angeordneten Gasentnahmering (19) und aus einem senkrecht an der Endplatte (3) befestigten zweiten Metallring (11) mit senkrecht daran angeordnetem Ringblech (18) besteht, wobei der erste Metallring (12) oberhalb des Gasentnahmeringes
(19) perforiert ist.
6. Vorrichtung nach Patentanspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass sich der Gasentnahmering (19) auf der entgegengesetzten Seite des ersten Metallringes (12) in einem Gasleitblech (22) fortsetzt.
7. Vorrichtung nach Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Gasleiteinrichtung aus einer mit Durchbohrungen
(20) versehenen Endplatte (3) und aus einem senkrecht an der Endplatte (3) befestigten Metallring (11) mit senkrecht daran angeordnetem Ringblech (18) besteht.
8. Vorrichtung nach Patentanspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Gasleiteinrichtung einen die mit Durchbohrungen (20) versehene Endplatte (3) nach aussen abschliessenden, am Gehäusemantel (2) befestigten Deckel (21) aufweist.
9. Vorrichtung nach Patentanspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Gasleiteinrichtung einen die mit Durchbohrungen (20) versehene Endplatte (3) nach aussen abschliessenden, am Gehäusemantel (2) und am Gaseintrittsstutzen (5) befestigten ringförmigen Deckel (23) sowie im Gaseintrittsstutzen (5) einen Gasentnahmering (19) aufweist, wobei der Gaseintrittsstutzen (5) im Bereich zwischen dem ringförmigen Deckel (23) und dem Gasentnahmering (19) perforiert ist.
10. Vorrichtung nach Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens eine der Endplatten (3) im Bereich des im Querschnitt ringförmigen Behälters (7) einen ver-schliessbaren Stutzen (14) aufweist.
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