CN102206510A - 一种提高柴油十六烷值的加氢方法 - Google Patents

一种提高柴油十六烷值的加氢方法 Download PDF

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Abstract

一种提高柴油十六烷值的加氢方法,反应部分依次设置三个反应区,第一反应区装填加氢精制催化剂I,体积空速为0.5~5.0h-1;第二反应区装填加氢改质催化剂,体积空速为1.0~8.0h-1;第三反应区装填加氢精制催化剂II,体积空速为1.5~12.0h-1;所述加氢精制催化剂I的酸性小于加氢精制催化剂II的酸性。采用本发明提供的方法,能使原料中双环以上环状芳烃的开环裂化,并减少长链烷烃断裂为短链烷烃的反应和长侧链环状烃的断侧链反应的发生,可在保持较高柴油收率的情况下,大幅度提高柴油产品的十六烷值。

Description

一种提高柴油十六烷值的加氢方法
技术领域
本发明属于在存在氢的情况下精制烃油的方法,更具体地说,是属于一种提高柴油十六烷值的加氢改质方法。
背景技术
随着环境保护的要求越来越高,各国对柴油产品质量的要求也越来越严格。对车用柴油而言,新的规格中变化较大的指标是硫含量和十六烷值。在中国将要实施的相当于欧IV的排放标准中,要求柴油十六烷值不小于51,硫含量不大于50μg/g,而欧洲已于2009年实施的欧V排放标准中,要求柴油十六烷值不小于51,硫含量不大于10μg/g。
另一方面,随着国际市场原油价格不断攀升,国内炼厂为降低采购成本,使得进口的原油性质日趋变劣,其二次加工油,主要是催化柴油、焦化柴油等劣质柴油的性质也越来越差,表现为芳烃含量高,十六烷值低,硫含量、氮含量等杂质含量较高。劣质柴油的低品质特性与日益提高的柴油产品规格产生了很大的矛盾。
采用常规的加氢精制法以及高活性的加氢精制催化剂,在中等压力下可有效地脱去催化柴油中的硫、氮等杂质含量,使油品的颜色得到改善,但很难通过加氢精制来实现大幅度提高十六烷值。研究结果显示:在氢分压为6.4MPa和通常的空速、温度等加氢反应条件下,依靠常规加氢精制工艺,催化柴油的十六烷值最多能提高3~5个单位,密度只能下降0.015~0.025g/cm3。用加氢精制方法来提高催化柴油的十六烷值有很大的局限性。
催化柴油富含芳烃组份,要大幅度提高十六烷值必须有效降低芳烃特别是多环芳烃的含量、增加饱和烃特别是链烷烃的含量。针对劣质柴油的加氢改质反应,开发了多种柴油加氢改质技术:
US 5609752公开了一种用于脱芳烃和提高十六烷值的技术。该技术可以加工催柴、直柴、瓦斯油或其混合油。所用催化剂活性金属为VIII族及Mo、W中的至少一种,并且含有贵金属Pt,载体则为经水热处理的β分子筛,以氧化铝作黏结剂。流程既可以一段多剂串联,也可以采用两段法流程。催化剂在使用前经过还原再硫化的预处理过程,这样做的目的是为了提高贵金属催化剂抗硫氮中毒能力。该技术由于采用了贵金属催化剂,使得成本增加、操作灵活性降低。
US 7087153B1公开了一种生产超低硫柴油的方法。该方法中第一反应器为加氢裂化反应器,第二反应器为加氢精制反应器,在两个反应器之间设有热高压分离器、热闪蒸设备,采用该方法生产的柴油产品硫含量小于50μg/g,十六烷值达到51。该方法第一反应器进料要求至少含有25(体积)%沸点范围在315~538℃的烃类进料,第二反应器的进料主要为柴油馏分烃类和热高分气相流出物,进行加氢脱硫反应。
CN1746267A公开了一种柴油加氢改质的工艺。该方法将粗柴油分为轻粗柴油和重粗柴油两部分,重粗柴油进入第一反应器进行加氢精制和加氢改质,轻粗柴油与第一反应器产品及富氢气体进入第二反应器进行加氢精制。采用该工艺,可以使柴油的产率达到90~97%。但是该专利申请并未提及产品柴油性质。
发明内容
本发明的目的是在现有技术的基础上提供一种提高柴油十六烷值的加氢改质方法。
本发明提供的方法是:柴油原料和氢气在反应部分进行反应,加氢反应生成物经冷却、分离和分馏,得到气体、石脑油馏分和柴油馏分,反应部分依次设置三个反应区,第一反应区装填加氢精制催化剂I,体积空速为0.5~5.0h-1;第二反应区装填加氢改质催化剂,体积空速为1.0~8.0h-1;第三反应区装填加氢精制催化剂II,体积空速为1.5~12.0h-1;所述加氢精制催化剂I的酸性小于加氢精制催化剂II的酸性。
优选第一反应区的体积空速为1.0~3.0h-1;第二反应区的体积空速为1.5~5.0h-1;第三反应区的体积空速为2.0~10.0h-1
所述柴油原料是一种硫、氮含量高,芳烃和环烷烃含量高的劣质柴油馏分。所述柴油原料为催化裂化柴油、直馏柴油、焦化柴油、减粘柴油、煤制取油的柴油馏分中的一种或几种,馏程干点小于375℃。
柴油产品的使用性能跟其组成密切相关,例如,十六烷值是衡量燃料在压燃式发动机中发火性能的指标,规定正十六烷的十六烷值为100,α-甲基萘的十六烷值为0。当碳数相同时,烷烃的十六烷值最高,芳香烃的十六烷值最低;此外,芳香烃的环数越多,十六烷值越低。因此,要有效提高柴油产品十六烷值,需改变柴油的烃类组成结构:增加饱和烃尤其是链烷烃的含量、降低芳烃尤其是多环芳烃的含量。
此外,短侧链的烷基苯类和十氢萘类的十六烷值不很高,因而柴油馏分中的双环芳烃加氢饱和变为环烷烃后,油品的十六烷值增加幅度有限,只有环烷烃进一步断裂,生成烷烃、带有烷基侧链的单环烷烃或烷基侧链的单环芳烃时,油品的十六烷值才会显著增加。因而要大幅度提高柴油的十六烷值,除了希望发生芳烃加氢饱和反应外,更希望发生环烷烃的开环反应。
另一方面,长链烷烃的十六烷值远大于短链烷烃的十六烷值。例如,正十二烷的十六烷值为87,正十五烷的十六烷值为96,正十六烷的十六烷值为100。也就是说,正十二烷和正十五烷两种烷烃相差3个碳原子,十六烷值相差9个单位,而正十二烷和正十六烷两种烷烃相差4个碳原子,十六烷值居然相差了13个单位。此外,环状烃上侧链的长度对十六烷值也有很大的影响,例如,正十二烷基苯的十六烷值为68,正十四烷基苯的十六烷值为72,二者相差两个碳原子,十六烷值相差4个单位。因此,长链烷烃断裂为短链烷烃的反应和长侧链环状烃的断侧链反应对提高十六烷值的负作用很大。
本申请所提供的方法能促使原料中双环以上环状芳烃的开环裂化,并减少长链烷烃断裂为短链烷烃的反应和长侧链环状烃的断侧链反应的发生,从而大幅度提高柴油产品的十六烷值。
本申请设置三个反应区,第一反应区装填加氢精制催化剂I,柴油原料和氢气的混合物与加氢精制催化剂接触反应,进行深度脱硫、脱氮及芳烃饱和的反应。第一反应区的其他反应条件是:氢分压3.0~15.0MPa,优选6.4~12.0MPa,反应温度250~450℃,优选330~390℃,氢油体积比200~1200Nm3/m3,优选300~1000Nm3/m3
所述加氢精制催化剂I的载体是复合氧化铝和氧化硅,活性金属选自VIII族非贵金属、VIB族非贵金属和IA族非贵金属中的一种或几种。优选的加氢精制催化剂I组成为:以氧化物计并以催化剂总量为基准,镍和/或钴的含量为1~10重%,钼和钨之和大于10~50重%,碱金属的含量为0.1-3.0重%,余量为载体。
加氢催化剂的加氢功能是其最重要的性质,但实际催化反应中还需要有一定的酸性功能与之匹配,最终达到较佳的加氢处理效果。例如在加氢脱氮过程中如果没有合适的酸性功能与之配合,含杂原子N的环不能打开,杂原子N不能以NH3形式脱除。但如果酸性功能过强,会导致烃类过度裂解。
烷烃和烯烃的加氢裂化反应遵循正碳离子机理,加氢催化剂上酸性中心的存在导致正碳离子生成,然后发生异构化和β断裂反应,生成一个较小的正碳离子和烯烃。正构烷烃的碳链越长,其内部的碳原子越容易生成正碳离子,其反应速度也越快。因此,为减少在第一反应区发生环状烃断侧链以及链烷烃断链反应从而降低十六烷值的不利影响,加氢精制催化剂I采用弱酸性的催化剂。
第二反应区装填加氢改质剂,第一反应区的流出物不经分离与加氢改质催化剂快速接触、反应,进行选择性开环裂化反应,第二反应区的其他反应条件是:氢分压3.0~15.0MPa,优选6.4~12.0MPa,反应温度280~450℃,优选330~400℃,氢油体积比300~1100Nm3/m3,优选500~1000Nm3/m3。在第二反应区即缓和加氢改质段采用较高空速,以降低环状烃断侧链和长链烷烃断裂反应对十六烷值的负作用。
加氢改质催化剂含有氧化硅-氧化铝、Y型沸石、氧化铝以及至少一种选自第VIII族的非贵金属组分和至少一种选自第VIB族的非贵金属组分。优选的加氢改质催化剂以催化剂为基准,其组成为:氧化硅-氧化铝1~70重%、Y型沸石1~60重%、氧化铝5~80重%,以氧化物计,第VIII族非贵金属组分1~15重%、第VIB族的非贵金属组分10~40重%。
该加氢改质催化剂具有择形开环能力,能使原料中双环以上环状芳烃进行开环裂化,从而达到提高十六烷值的目的。研究表明,双环芳烃的化学反应遵循如下途径:大部分双环芳烃加氢饱和后变成四氢萘,一部分四氢萘进一步加氢饱和后成为二员环烷烃,另一部分四氢萘经开环裂化反应成为单环芳烃,而部分的单环芳烃再进一步加氢饱和成为单环环烷烃。上述的反应网络,除了四氢萘的开环裂化反应没有逆反应外,其余加氢饱和反应均有逆反应发生,因此有一个相应的化学平衡。下图表征了这一过程:
Figure GSA00000048445100041
本发明优选的加氢改质催化剂具有良好的开环裂化能力,促进了四氢萘开环裂化为单环芳烃反应的发生,从而打破了整个反应网络的化学平衡,使得整个反应能沿四氢萘开环裂化后再加氢饱和的历程顺利进行,从而达到较高的转化深度,降低了馏分油中的芳烃含量、提高了十六烷值。
第三反应区装填加氢精制催化剂II,第二反应区的流出物不经分离与加氢精制催化剂II接触,进行芳烃深度加氢饱和反应。第三反应区的流出物经冷却后进入冷高分进行油气分离,液相产物进入冷低分进一步分离出轻烃组分,然后进入分馏塔切割为石脑油馏分和柴油馏分。第三反应区的其他反应条件是:氢分压3.0~15.0MPa,反应温度280~450℃,氢油体积比为300~1100Nm3/m3。第三反应区的其他反应条件是:氢分压6.4~12.0MPa,反应温度330~390℃,氢油体积比为300~1000Nm3/m3
加氢精制催化剂II是负载在氧化铝-氧化硅载体上的VIII族非贵金属和/或VIB族非贵金属催化剂。优选的加氢精制催化剂II加氢精制催化剂组成为:以氧化物计并以催化剂总量为基准,镍和/或钴的含量为1~10重%,钼和钨之和大于10~50重%,氟1~10重%,其余为氧化铝-氧化硅。
优选的加氢精制催化剂II具有芳烃深度饱和的功能,能对第二反应区已加氢改质后的反应产物,进行进一步的单环芳烃饱和,从而进一步提高柴油产品的十六烷值。
红外光谱法是目前最常用的分析固体催化剂表面的酸性方法之一,它同时可以得到催化剂表面酸的类型、强度和酸量的信息。其基本原理是碱性的探针分子被催化剂表面酸性位吸附,固体酸催化剂表面的B酸和L酸与碱性探针分子作用形成不同的物种,在红外光谱谱图上产生一些特征吸收带或发生原有吸收带的位移,由此可测定酸的类型、强度和酸量。吡啶是最常用的碱性探针分子。
本发明所述催化剂的酸性采用吡啶红外光谱法测定。首先在室温下样品饱和吸附吡啶,然后以200℃真空脱附后的吡啶红外光谱表征催化剂的弱酸中心和强酸中心,以350℃真空脱附后的吡啶红外光谱表征催化剂的强酸中心。
所述加氢精制催化剂I的强酸中心量小于加氢精制催化剂II的强酸中心量。优选的,以加氢精制催化剂II的强酸中心量为基准,加氢精制催化剂I的强酸中心量为加氢精制催化剂II的强酸中心量10%以下。
如果柴油原料中残炭或金属含量较高,为防止加氢催化剂积炭和中毒,可在第一反应区的加氢精制催化剂I床层顶部,装填加氢保护剂,以第一反应区加氢精制催化剂体积为基准,加氢保护剂的体积分数为5~30%。优选加氢保护剂的组成:1.0~5.0重%氧化镍、5.5~10.0重%氧化钼和余量的具有双孔分布的γ-氧化铝载体。
本发明的优点:
(1)、采用本发明提供的方法,能使原料中双环以上环状芳烃的开环裂化,并减少长链烷烃断裂为短链烷烃的反应和长侧链环状烃的断侧链反应的发生,可在保持较高柴油收率的情况下,大幅度提高柴油产品的十六烷值。
(2)、本方法能在缓和的操作条件下,加工高芳烃含量的劣质柴油馏分,不但能大幅度提高其十六烷值、降低多环芳烃含量及其硫、氮含量,还能降低其密度到0.820~0.845g/cm3,所得柴油产品硫含量小于10μg/g,十六烷值可以达到51,能满足欧V的排放标准。而且本方法体积空速高、操作费用低、产品收率高。
具体实施方式
下面的实施例将对本发明提供的方法予以进一步的说明,但并不因此而限制本发明。
实施例中采用的加氢精制催化剂I的组成为:氧化钼20.0重%,氧化镍4.5重%,氧化钾1.5重%,余为氧化铝和氧化硅。
采用的加氢改质催化剂的商业牌号为RIC-2,加氢精制催化剂II的商业牌号为RS-1000,加氢保护剂的商业牌号为RG-1,上述催化剂均由中国石化催化剂分公司长岭催化剂厂生产。
由傅立叶红外光谱仪采用吡啶红外光谱法,测定加氢精制催化剂I和加氢精制催化剂II的表面酸性:将样品压片,升温至350℃,抽真空至10-3Pa,保持1h,脱除样品表面气体分子。冷至室温,吸附吡啶0.5h,吸附平衡升温至200℃,在10-3Pa脱附0.5h,冷至室温后扫描1400~1700cm-1波数范围,获得样品经200℃脱附的吡啶红外光谱;再升温至350℃,经同样步骤获得经350℃脱附的吡啶红外光谱。然后根据吡啶红外光谱中1540cm-1和1450cm-1特征吸附峰的强度,得到B酸中心与L酸中心的相对量。根据350℃脱附的吡啶红外光谱,加氢精制催化剂I的强酸中心量为加氢精制催化剂II的强酸中心量6%。
实施例1
混合原料油H为一种硫、氮含量和芳烃含量较高的劣质催化裂化柴油与一种硫、氮含量较低,性质较好的直馏柴油按照质量比7∶3混合而成,该混合油的性质见表1。在3L固定床中型试验装置上实施。
混合原料油H与氢气混合,经加热炉预热后进入第一反应区,依次与加氢保护剂、加氢精制催化剂I接触反应,加氢保护剂和加氢精制催化剂I的装填体积比为1∶10。第一反应区液体流出物不经中间分离进入第二反应区,与加氢改质催化剂快速接触、反应,第二反应区的反应产物进入第三反应区与加氢精制催化剂II接触、反应,最终液体流出物经冷却后进入冷高分进行油气分离,含氢气体循环使用,液相产物进入冷低分进一步分离出轻烃组分后进入分馏塔根据需要切割为石脑油馏分和柴油馏分。反应条件见表2,产品性质见表3。
从表3可以看出,所得柴油馏分的十六烷值为55.3,密度为0.8296g/cm3,硫含量小于10μg/g。采用本发明的方法可以使产品柴油馏分的各项指标满足欧V排放标准的要求。
对比例1
采用混合原料油H在3L固定床中型试验装置上进行对比试验。
采用与实施例1相同的流程和相同的反应条件,不同的是在第一反应区装填加氢精制催化剂II。反应条件见表2,产品性质见表3。
从表3可以看出,所得柴油馏分的十六烷值为50.4,密度为0.8313g/cm3,硫含量小于10μg/g。与实施例1相比,柴油馏分的十六烷值低了4.9个单位,并且不能满足欧V排放标准的要求。
实施例2
混合原料油F为一种硫、氮含量和芳烃含量较高的劣质催化裂化柴油与一种硫、氮含量较低,性质较好的直馏柴油按照质量比1∶1混合而成,该混合油的性质见表1。在3L固定床中型试验装置上实施。
混合原料油F与氢气混合,经加热炉预热后进入第一反应区,依次与加氢保护剂、加氢精制催化剂I接触反应,加氢保护剂和加氢精制催化剂I的装填体积比为1∶10。第一反应区液体流出物不经中间分离进入第二反应区,与加氢改质催化剂快速接触、反应,第二反应区的反应产物进入第三反应区与加氢精制催化剂II接触、反应,最终液体流出物经冷却后进入冷高分进行油气分离,含氢气体循环使用,液相产物进入冷低分进一步分离出轻烃组分后进入分馏塔根据需要切割为石脑油馏分和柴油馏分。反应条件见表4,产品性质见表5。
从表5可以看出,所得柴油馏分的十六烷值为57.0,密度为0.8201g/cm3,硫含量小于10μg/g。采用本发明的方法可以使产品柴油馏分的各项指标满足欧V排放标准的要求。
实施例3
原料油J为一种劣质催化裂化柴油,该原料油的性质见表1。在3L固定床中型试验装置上实施。
原料油J经加热炉预热后进入第一反应区,依次与加氢保护剂、加氢精制催化剂I接触反应,加氢保护剂和加氢精制催化剂I的装填体积比为:1∶10。第一反应区液体流出物不经中间分离进入第二反应区,与加氢改质催化剂快速接触、反应,第二反应区的反应产物进入第三反应区与加氢精制催化剂II接触、反应,最终液体流出物经冷却后进入冷高分进行油气分离,含氢气体循环使用,液相产物进入冷低分进一步分离出轻烃组分后进入分馏塔根据需要切割为石脑油馏分和柴油馏分。反应条件见表4,产品性质见表5。
从表5可以看出,柴油馏分的十六烷值为51.2,密度为0.8421g/cm3,硫含量小于10μg/g。采用本发明的方法可以使产品柴油馏分的各项指标满足欧V排放标准的要求。
表1
 原料油     H     F     J
 密度(20℃),g/cm3     0.9067     0.8849     0.9418
 馏程(ASTM D-86),℃
 初馏点     196     199     193
 50%     273     268     275
 90%     336     323     340
 终馏点     363     355     362
 硫,μg/g     6300     5100     7900
 氮,μg/g     712     504     1135
 十六烷值     26.2     35.5     19
表2
  反应条件   实施例1   对比例1
  第一反应区
  氢分压,MPa   10.0   10.0
  反应温度,℃   360   360
  主剂体积空速,h-1   1.14   1.14
  氢油体积比,Nm3/m3   1000   1000
  第二反应区
  氢分压,MPa   10.0   10.0
  反应温度,℃   360   360
  体积空速,h-1   2.95   2.95
  氢油体积比,Nm3/m3   1000   1000
  第三反应区
  氢分压,MPa   10.0   10.0
  反应温度,℃   360   360
  体积空速,h-1   8.55   8.55
  氢油体积比,Nm3/m3   1000   1000
表3
Figure GSA00000048445100091
表4
  反应条件   实施例2   实施例3
  第一反应区
  氢分压,MPa   10.0   10.0
  反应温度,℃   355   360
  主剂体积空速,h-1   1.67   1.55
  氢油体积比,Nm3/m3   900   1000
  第二反应区
  氢分压,MPa   10.0   10.0
  反应温度,℃   360   360
  体积空速,h-1   4.17   4.35
  氢油体积比,Nm3/m3   900   1000
  第三反应区
  氢分压,MPa   10.0   10.0
  反应温度,℃   360   360
  体积空速,h-1   2.01   2.19
  氢油体积比,Nm3/m3   900   1000
表5
Figure GSA00000048445100101

Claims (13)

1.一种提高柴油十六烷值的加氢方法,柴油原料和氢气在反应部分进行反应,加氢反应生成物经冷却、分离和分馏,得到气体、石脑油馏分和柴油馏分,其特征在于,反应部分依次设置三个反应区,第一反应区装填加氢精制催化剂I,体积空速为0.5~5.0h-1;第二反应区装填加氢改质催化剂,体积空速为1.0~8.0h-1;第三反应区装填加氢精制催化剂II,体积空速为1.5~12.0h-1;所述加氢精制催化剂I的酸性小于加氢精制催化剂II的酸性。
2.按照权利要求1所述的方法,其特征在于,第一反应区的体积空速为1.0~3.0h-1;第二反应区的体积空速为1.5~5.0h-1;第三反应区的体积空速为2.0~10.0h-1
3.按照权利要求1所述的方法,其特征在于,所述柴油原料为催化裂化柴油、直馏柴油、焦化柴油、减粘柴油、煤制取油的柴油馏分中的一种或几种,馏程干点小于等于375℃。
4.按照权利要求1所述的方法,其特征在于,第一反应区的其他反应条件是:氢分压3.0~15.0MPa,反应温度250~450℃,氢油体积比200~1200Nm3/m3
第二反应区的其他反应条件是:氢分压3.0~15.0MPa,反应温度280~450℃,氢油体积比300~1100Nm3/m3
第三反应区的其他反应条件是:氢分压3.0~15.0MPa,反应温度280~450℃,氢油体积比300~1100Nm3/m3
5.按照权利要求1所述的方法,其特征在于,第一反应区的其他反应条件是:氢分压6.4~12.0MPa,反应温度330~390℃,氢油体积比300~1000Nm3/m3
第二反应区的其他反应条件是:氢分压6.4~12.0MPa,反应温度330~400℃,氢油体积比500~1000Nm3/m3
第三反应区的其他反应条件是:氢分压6.4~12.0MPa,反应温度330~390℃,氢油体积比300~1000Nm3/m3
6.按照权利要求1所述的方法,其特征在于,加氢精制催化剂I的载体是复合氧化铝和氧化硅,活性金属选自VIII族非贵金属、VIB族非贵金属和IA族非贵金属中的一种或几种。
7.按照权利要求6所述的方法,其特征在于,加氢精制催化剂I组成为:以氧化物计并以催化剂总量为基准,镍和/或钴的含量为1~10重%,钼和钨之和大于10~50重%,碱金属的含量为0.1-3.0重%,余量为载体。
8.按照权利要求1所述的方法,其特征在于,加氢改质催化剂含有氧化硅-氧化铝、Y型沸石、氧化铝以及至少一种选自第VIII族的非贵金属组分和至少一种选自第VIB族的非贵金属组分。
9.按照权利要求8所述的方法,其特征在于,加氢改质催化剂以催化剂为基准,其组成为:氧化硅-氧化铝1~70重%、Y型沸石1~60重%、氧化铝5~80重%,以氧化物计,第VIII族非贵金属组分1~15重%、第VIB族的非贵金属组分10~40重%。
10.按照权利要求1所述的方法,其特征在于,加氢精制催化剂II是是负载在氧化铝-氧化硅载体上的VIII族非贵金属和/或VIB族非贵金属催化剂。
11.按照权利要求10所述的方法,其特征在于,加氢精制催化剂II加氢精制催化剂组成为:以氧化物计并以催化剂总量为基准,镍和/或钴的含量为1~10重%,钼和钨之和大于10~50重%,氟1~10重%,其余为氧化铝-氧化硅。
12.按照权利要求1所述的方法,其特征在于,加氢精制催化剂I的强酸中心量小于加氢精制催化剂II的强酸中心量。
13.按照权利要求1所述的方法,其特征在于,以加氢精制催化剂II的强酸中心量为基准,加氢精制催化剂I的强酸中心量为加氢精制催化剂II的强酸中心量10%以下。
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