CN107022369B - 一种基于酮类平台化合物制备生物航空燃油的装置和方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种制备生物航空燃油的装置和方法,该装置包括生物质酮化反应系统,用于将生物质定向催化转化为酮类以及其他单官能团化合物,同时实现酮类与其他单官能团化合物的分离;碳链增长反应系统,用于将生物质酮化反应系统产生酮类平台化合物通过羟醛缩合及加氢异构等反应转化为链烷烃和环烷烃;沸石催化反应系统,用于将生物质酮化反应系统产生的其他单官能团通过沸石催化转化为芳香烃;烷烃与芳香烃混合系统,用于将链烷烃、环烷烃和芳香烃按照一定比例混合,最终制得航空燃油。本方法可以实现生物质全组分利用,可同时制得直链烷烃、环烷烃和芳香烃等多组分航空燃油且各组分比例可控,提供了一条新的生物质向航空燃油转化途径。

Description

一种基于酮类平台化合物制备生物航空燃油的装置和方法
技术领域
本发明属于生物质能源转化与利用的技术领域,具体涉及一种利用生物质制备航空燃油的装置和方法,酮类平台化合物经碳链增长以及加氢异构获得长链/环状烷烃以及其他热解气沸石催化获得芳香烃,长链/环状烷烃与芳香烃混合制得航空燃油。
背景技术
航空燃油是最重要的运输燃料之一,其需求量仅次于汽油和柴油。航空燃油主要包括两大类:航空汽油和航空煤油,是一种专为飞行器而制备的燃油。为确保喷气式飞机高空(一万米以上)正常飞行,对航空燃料制定了非常严格的标准,如航空煤油要求必须具备高热值(>43MJ/kg)、适度的密度(0.775~0.840g/cm3)、较低的冰点(JeTAl≤-47℃,JeTA≤-40℃),良好的运动黏度(-20℃时,≤8.0mm3/s)等苛刻的技术指标。航空煤油主要化学成分包括烷烃、环烷烃、芳烃以及少量的烯烃等组分,其碳数范围主要集中在C9~C16,沸程为160~300℃,平均相对分子量在200~250之间。目前航空燃油主要来源于常规的石油炼制,同时非传统原料(油砂、超重油、油页岩)的提炼加工以及煤和天然气的费托合成生产是有力的补充。
近几年,随着人们对环境问题(温室效应、雾霾、酸雨等)的重视度日益增加,世界在变化,航空业的发展亦是如此。由于石油资源的消耗和令人震惊的石油价格的上涨,受经济、政治、环境和人文等各种因素的综合影响,开发应用可再生清洁能源和发展节能技术来产生可持续的资源亟不可待。国际航空运输能源署(IATA)规划“到2020年航空生物燃油占航空燃料的比例达到10%,同时在2030年和2040年将分别达到30%和50%”,这不仅降低了对石油等化石资源的依赖,还降低了航空业温室气体的排放。
目前最接近商业化的生物航空燃油的制备工艺为油脂加氢法、费托合成法等。前者通过对甘油三酯脱羧和加氢获得烷烃必须经过加氢裂化和异构化来减小分子量和引入支链。同时合成的生物燃料中主要包括烷烃,几乎不含环烷烃和芳香烃。通常情况下,费托合成所得的液体产物比较复杂,主要含有五类碳氢化合物,比如说链状烷烃、异构烷烃、烯烃、芳香烃以及萘系物。为了满足航空煤油的一些要求,应该增加费托合成燃料(主要为直链状碳氢化合物)中的芳香物以及萘系物。近年来发展了若干生物航空燃油的新技术,例如,生物质水解获得糖平台化合物,然后脱水得到的羟甲基糠醛或糠醛与丙酮通过碱催化的羟醛缩合反应制取具有航空煤油链长范围的含氧有机化合物,然后通过加氢和脱氧等步骤制取C8至C15范围的液态烷烃,该过程合成的烷烃均为直链烷烃,这些烃类的凝固点很高,不完全符合航空燃油的要求;生物质催化热解烯烃加氢齐聚获得烷烃并与芳香烃以一定比例混合获得生物航空燃油,但是此方法获得的烷烃几乎都是直链状,而通常要求航空煤油中包含约20%的环烷烃,因此上述方法不能满足航空燃油的基本技术要求。综合来看,利用木质纤维素生物质可控地制备包含航空燃油多组分(直链烷烃、环状烷烃以及芳香烃)仍然是一项很有挑战性的技术问题。
综上所述,目前的技术主要存在的问题是只能获得直链和环状烷烃中的一种,部分技术不能实现生物质全组分利用。因此,我们急切需要开发生物质全组分利用同时获得航空燃油多组分(直链烷烃、环烷烃以及芳香烃)的新工艺。
发明内容
技术问题:
本发明的目的是针对现有技术的不足,提出一种基于酮类平台化合物制备生物航空燃油的装置和方法。生物质热解气定向转化得到的酮类经羟醛缩合和加氢异构获得直链烷烃和环烷烃,非酮类经沸石催化获得芳香烃,最后将直链烷烃、环烷烃和芳香烃以一定的比例混合制备航空燃油多组分,实现生物质向高品质燃料的高效转化。
技术方案:
为实现上述目的,本发明通过以下的技术方案实现:
本发明的一种基于酮类平台化合物制备生物航空燃油的装置,该装置包括生物质酮化反应系统、碳链增长反应系统、沸石催化反应系统以及烷烃和芳香烃混合系统。
生物质酮化反应系统,用于将生物质催化转化定向转化为酮类以及其他单官能团化合物,同时实现酮类与其他化合物的分离;
碳链增长反应系统,用于将生物质酮化反应系统产生酮类平台化合物通过羟醛缩合及加氢异构等反应转化为链烷烃和环烷烃;
沸石催化反应系统,用于将生物质酮化反应系统产生的其他单官能团通过沸石催化制备芳香烃;
烷烃与芳香烃混合系统,用于将链烷烃、环烷烃和芳香烃按照一定比例混合,制得航空燃油。
生物质酮化反应系统,将生物质定向催化转化为酮类平台化合物以及其他单官能团化合物,并实现酮类平台化合物与其他单官能团化合物的分离;生物质酮化反应系统的出口分别与碳链增长反应系统、沸石催化反应系统的入口连接;生物质酮化反应系统产生的酮类平台化合物进入碳链增长反应系统,通过羟醛缩合及加氢异构反应转化为链烷烃和环烷烃;生物质酮化反应系统产生的其他单官能团化合物进入沸石催化反应系统,通过沸石催化转化为芳香烃;碳链增长反应系统、沸石催化反应系统的出口均与烷烃与芳香烃混合系统的入口连接,链烷烃、环烷烃和芳香烃按照一定比例混合,制得航空燃油。
生物质酮化反应系统包括催化热解器、旋风分离器A、液体产物收集器和酮类分离器等。其中,催化热解器的入口即为生物质酮化反应系统的入口,催化热解器出口与旋风分离器A的入口相连,旋风分离器A的上出口与液体产物收集器入口相连,液体产物收集器的出口与酮类分离器的入口相连。
碳链增长反应系统包括羟醛缩合反应器、有机物-水分离器、加氢异构反应器、压缩机、氢气储罐,其中,生物质酮化反应系统出口的酮类化合物进入羟醛缩合反应器的入口,羟醛缩合反应器所得烯酮混合物进入有机物-水分离器,有机物-水分离器的出口所得有机物进入加氢异构反应器,氢气储罐的出口与压缩机的入口相连,压缩机的出口与加氢异构反应器的下进口相连,加氢异构反应器的出口即为碳链加长反应系统的出口。
沸石催化反应系统包括沸石催化反应器、旋风分离器(B)、芳香烃收集器,其中,生物质酮化反应系统出口的单官能团化合物进入沸石催化反应器的入口,沸石催化反应器的出口与旋风分离器(B)的进口相连,旋风分离器(B)的上出口与芳香烃收集器的进口相连,芳香烃收集器的出口即为沸石催化反应系统的出口。
烷烃与芳香烃混合系统包括混合搅拌器,碳链增长反应系统和沸石催化反应系统的出口与烷烃与芳香烃混合系统的入口相连,烷烃与芳香烃混合系统的入口即为混合搅拌的入口,由混合搅拌器输出为航空燃油。
本发明还提供了一种基于酮类平台化合物制备生物航空燃油的方法。
步骤一:将生物质定向催化转化为酮类以及其他单官能团化合物,然后酮类经羟醛缩合及加氢异构制备烷烃(包括链烷烃和环烷烃),单官能团化合物经沸石催化获得芳香烃,最后将链烷烃、环烷烃和芳香烃按照一定的比例混合配制成航空燃油。
优选的步骤如下:首先将生物质从催化热解器底部送入,在常压、催化剂以及反应温度300~500℃下,进行定向催化催化剂采用TiO2、ZrO2、CeO2、Mn/TiO2、Pd/ZrO2、Fe/CeO2等金属氧化物,;催化热解器出口产物进入旋风分离器A,少量固体产物沉积在旋风分离器A下端,气相产物经生物质液体产物收集器冷凝后获得可冷凝产物,不可冷凝部分则排入大气,可冷凝产物在酮类分离器中区分为酮类化合物以及其他单官能团化合物;
优选的,生物质酮化反应系统出口的酮类物质的主要成分如下:丙酮、2-丁酮、3-戊烯-2-酮、C6/C7酮、环戊烯酮、环戊酮等。
步骤二:将酮类化合物、苯、催化剂混合物置于一定温度的油浴中,经过一段时间反应后取出混合物,经有机物-水分离器将烯酮和水有效分离开,烯酮进入加氢异构反应器并将其转化为直链烷烃和环状烷烃,其中氢气由氢气储罐经压缩后提供。
优选的,羟醛缩合反应器中采用Mg-Al-O复合金属催化剂,油浴温度150~170℃,搅拌速率500转/分钟,反应结束后取出混合物在14000转/分钟的离心转速下分离出液体混合物。
优选的,加氢异构反应器采用Pt-SiO2/Al2O3催化剂,反应温度300℃,压力8.3MPa。
优选的,加氢异构出口的烷烃组分主要包括但不仅限于以下物质:
步骤三:单官能团化合物经沸石催化反应器定向转化,催化产物进入旋风分离器B,少量固体产物沉积在旋风分离器B下端,可冷凝部分经芳香烃收集器冷凝后获得芳香烃。
优选的,沸石催化反应器采用微孔分子筛催化剂,具体为ZSM-5、Fe/ZSM-5、Ga/ZSM-5等,反应温度500~650℃。
优选的,沸石催化反应系统出口的芳香烃包括:苯、甲苯、二甲苯、萘、茚等。
烷烃和芳香烃进入混合搅拌器,将直链烷烃、环烷烃和芳香烃按照一定的比例混合搅拌均匀,以达到航空燃油的标准要求。
优选的,加氢异构出口的烷烃组分主要包括但不仅限于以下物质:
有益效果:
本发明的装置和分析方法具有如下的特色及优点:
1、可实现生物质全组分利用。相较于糠醛-酮缩合制备航空燃油工艺,仅利用了生物质水解糖平台化合物,而本发明中生物质的所有组分都被利用,利用率为100%。
2、可以制备包含直链烷烃、环烷烃和芳香烃等多组分的航空燃油,符合国际标准。本发明中酮类发生自我或者交叉羟醛缩合产生链烷烃和环烷烃,同时其他单官能团化合物沸石催化产生芳香烃。
3、航空燃油各组分比例可合理控制。直链烷烃和环烷烃的比例由羟醛缩合程度直接控制,具体取决于催化剂和反应条件,而单官能团化合物相较于酮类较少,因此芳香烃产率相对于烷烃也较低,这刚好符合航空燃油中各组分比例。
4、定向催化后产物官能团简单,减弱催化剂的失活效应。在生物质酮化反应中,产物主要包含C=C、C=O、-OH等较为简单的官能团结构,其中大部分为酮类,同时包括少量的甲醇、乙醛、苯酚等,而且以上的分子在分子筛催化剂上失活现象不明显。
5、本发明提供的装置具有工艺简单、占地面积小以及投资少等优点,实现生物质全组分利用,可获得多组分航空燃油且各组分比例可控。
附图说明
图1是本发明的基于酮类平台化合物制备生物航空燃油的装置示意图,其中有:
生物质酮化反应系统I,碳链增长反应系统II,沸石催化反应系统III,烷烃与芳香烃混合系统IV;
催化热解器1、旋风分离器A2、液体产物收集器3、酮类分离器4、羟醛缩合反应器5、有机物-水分离器6、加氢异构反应器7、压缩机8、氢气储罐9、沸石催化反应器10、旋风分离器B11、芳香烃收集器12、混合搅拌器13。
图2是本发明的基于酮类平台化合物制备生物航空燃油的方法示意图。
具体实施方式
下面将参照附图1-2对本发明的具体实施方式进一步的说明。
实施例1
本发明提供了基于酮类平台化合物制备生物航空燃油的装置和方法。该方法将生物质定向催化转化为酮类以及其他单官能团化合物,其中酮类经羟醛缩合及加氢异构制备烷烃(包括链烷烃和环烷烃),单官能团化合物经沸石催化获得芳香烃,将链烷烃、环烷烃和芳香烃按照一定的比例混合配制成航空燃油。
该装置包括催化热解器1、旋风分离器A 2、液体产物收集器3、酮类分离器4、羟醛缩合反应器5、有机物-水分离器6、加氢异构反应器7、压缩机8、氢气储罐9、沸石催化反应器10、旋风分离器B 11、芳香烃收集器12、混合搅拌器13。
如图1所示,该装置由四个系统组成,包括生物质酮化反应系统I、碳链增长反应系统II、沸石催化反应系统III和烷烃与芳香烃混合系统IV,上述四个系统之间相互连通,共同组成了酮类平台化合物制备生物航空燃油的装置。
生物质酮化反应系统I,将生物质定向催化转化为酮类平台化合物以及其他单官能团化合物,并实现酮类平台化合物与其他单官能团化合物的分离;生物质酮化反应系统I的出口分别与碳链增长反应系统II、沸石催化反应系统III的入口连接;生物质酮化反应系统I产生的酮类平台化合物进入碳链增长反应系统II,通过羟醛缩合及加氢异构反应转化为链烷烃和环烷烃;生物质酮化反应系统I产生的其他单官能团化合物进入沸石催化反应系统III,通过沸石催化转化为芳香烃;碳链增长反应系统II、沸石催化反应系统III的出口均与烷烃与芳香烃混合系统IV的入口连接,链烷烃、环烷烃和芳香烃按照一定比例混合,制得航空燃油。
所述的生物质酮化反应系统I,由催化热解器1、旋风分离器A 2、液体产物收集器3、酮类分离器4及连接管道组成。其中催化热解器1的入口即为生物质酮化反应系统I的入口,催化热解器1出口与旋风分离器(A)的入口相连,旋风分离器A 2的出口与液体产物收集器3入口相连,液体产物收集器3的出口与酮类分离器4的入口相连;用于将生物质催化转化定向制备酮类以及其他单官能团化合物,同时实现酮类与其他化合物的分离。
所述的碳链增长反应系统II,由羟醛缩合反应器5、有机物-水分离器6)、加氢异构反应器7,氢气储罐8和压缩机9组成,其中生物质酮化反应系统I出口的酮类化合物进入羟醛缩合反应器5的入口,羟醛缩合反应器5所得混合物进入有机物-水分离器6,有机物-水分离器6所得有机物进入加氢异构反应器7,氢气储罐9的出口与压缩机8的入口相连,压缩机8的出口与加氢异构反应器7的下入口相连,加氢异构反应器的出口即为碳链增长反应系统的出口;所述的碳链增长反应系统II用于将生物质酮化反应系统产生酮类平台化合物通过羟醛缩合及加氢异构等反应转化为链烷烃和环烷烃。
所述的沸石催化反应系统(III),由沸石催化反应系统III由沸石催化反应器10、旋风分离器B11、芳香烃收集器12组成,其中生物质酮化反应系统出口的单官能团化合物进入沸石催化反应器10的入口,沸石催化反应器10的出口与旋风分离器B 11的进口相连,旋风分离器B 11的上出口与芳香烃收集器12的进口相连,芳香烃收集器12的出口即为沸石催化反应系统的出口。沸石催化反应系统III用于将生物质酮化反应系统产生的其他单官能团通过沸石催化制备芳香烃。
烷烃与芳香烃混合系统(IV)包括混合搅拌器(13),其中碳链增长反应系统和沸石催化反应系统的出口与烷烃与芳香烃混合系统的入口相连,烷烃与芳香烃混合系统的入口即为混合搅拌的入口,由链烷烃、环烷烃和芳香烃按照一定比例混合由混合搅拌器13搅拌混合,混合搅拌器13输出为航空燃油。
如图2所示,本实例中生物质原料是经烘干破碎(粒径<3mm)的枫树颗粒,定向热解催化剂选用CeO2催化剂作为床料,首先将秸枫树颗粒从催化热解器1底部加入,被加热到600℃发生热解,热解蒸汽进入催化剂孔道被催化转化,生成酮类和甲醇、乙醛等其他单官能团化合物,进入旋风分离器A2,极少部分固体颗粒沉积在旋风分离器A2的底部,旋风分离器A2出来的气体经液体产物收集器3,其中的酮类和其他单官能团化合物经酮类分离器4加以分离。
将枫树颗粒定向催化热解产生的酮类平台化合物,通过羟醛缩合-加氢异构方法制备烷烃。反应条件如下:羟醛缩合,Mg-Al-O催化剂,油浴温度160℃,搅拌速率500转/分钟,反应时间10小时;加氢异构,Pt-SiO2/Al2O3催化剂,反应温度300℃,压力8.3MPa。酮类分离器4中有效获得酮类化合物导入至羟醛缩固液反应器5,其中酮类被低聚形成C9-C16烯酮,将烯酮导入至有机物-水分离器6可去除羟醛缩合反应中形成的水,将烯酮混合物导入至加氢异构反应器7,其中氢气由氢气压缩机8抽吸氢气储罐9供给。
将枫树颗粒定向催化热解伴随产生的单官能团化合物,通过沸石催化转化为芳香烃,其中催化剂为Ga/ZSM-5,反应温度600℃。热解气进入旋风分离器B 11,极少部分固体颗粒沉积在旋风分离器(B 11的底部,旋风分离器B 11出口的气体产物经芳香烃收集器冷凝获得芳香烃。
将加氢异构反应器7出来的C9-C16直链烷烃、环烷烃和芳香烃收集器12获得的芳香烃按直链烷烃70%、环烷烃20%以及芳香烃10%比例通入混合搅拌器13,经充分混合后制备出航空燃油。
以上所述仅为本发明的较佳实施方式,本发明的保护范围并不以上述实施方式为限,但凡本领域普通技术人员根据本发明所揭示内容所作的等效修饰或变化,皆应纳入权利要求书中记载的保护范围内。

Claims (7)

1.一种基于酮类平台化合物制备生物航空燃油的装置,其特征在于:所述装置由生物质酮化反应系统(Ⅰ)、碳链增长反应系统(Ⅱ)、沸石催化反应系统(Ⅲ)以及烷烃与芳香烃混合系统(Ⅳ)组成;
生物质酮化反应系统(Ⅰ),将生物质定向催化转化为酮类平台化合物以及其他单官能团化合物,并实现酮类平台化合物与其他单官能团化合物的分离;生物质酮化反应系统(Ⅰ)的出口分别与碳链增长反应系统(Ⅱ)、沸石催化反应系统(Ⅲ)的入口连接;生物质酮化反应系统(Ⅰ)产生的酮类平台化合物进入碳链增长反应系统(Ⅱ),通过羟醛缩合及加氢异构反应转化为链烷烃和环烷烃;生物质酮化反应系统(Ⅰ)产生的其他单官能团化合物进入沸石催化反应系统(Ⅲ),通过沸石催化转化为芳香烃;碳链增长反应系统(Ⅱ)、沸石催化反应系统(Ⅲ)的出口均与烷烃与芳香烃混合系统(Ⅳ)的入口连接,链烷烃、环烷烃和芳香烃按照一定比例混合,制得航空燃油;
生物质酮化反应系统(Ⅰ)的催化热解器(1)的入口为生物质酮化反应系统(Ⅰ)的入口,催化热解器(1)出口与旋风分离器A(2)的入口相连,旋风分离器A(2)的出口与液体产物收集器(3)入口相连,液体产物收集器(3)的出口与酮类分离器(4)的入口相连;
碳链增长反应系统(Ⅱ)的羟醛缩合反应器(5)的入口与酮类分离器(4)的酮类平台化合物的出口连接,羟醛缩合反应器(5)的出口连接有机物-水分离器(6)的入口,有机物-水分离器(6)的有机物出口与加氢异构反应器(7)的入口连接;氢气储罐(9)的出口与压缩机(8)的入口相连,压缩机(8)的出口与加氢异构反应器(7)的入口相连,加氢异构反应器(7)的出口即为碳链增长反应系统(Ⅱ)的出口;
沸石催化反应系统(Ⅲ)的沸石催化反应器(10)的入口与酮类分离器(4)的其他单官能团化合物的出口连接、沸石催化反应器(10)的出口与旋风分离器B(11)的入口相连,旋风分离器B(11)的出口与芳香烃收集器(12)的入口相连,芳香烃收集器(12)的出口即为沸石催化反应系统(Ⅲ)的出口;
烷烃与芳香烃混合系统(Ⅳ)的混合搅拌器(13)的入口分别连接加氢异构反应器(7)的出口与芳香烃收集器(12)的出口,混合搅拌器(13)的入口为烷烃与芳香烃混合系统的入口(Ⅳ),混合搅拌器(13)输出为航空燃油。
2.一种基于酮类平台化合物制备生物航空燃油的方法,其特征在于,所述方法包括如下步骤:
步骤一:将生物质从催化热解器(1)底部加入,选用催化剂为金属氧化物TiO2、ZrO2、CeO2、Mn/TiO2、Pd/ZrO2或者Fe/CeO2,反应温度为300~500℃,在合适的催化剂和温度条件下将其定向催化转化为酮类以及其他单官能团化合物;热解气进入旋风分离器A(2),少部分固体颗粒沉积在底部;气体产物进入液体产物收集器(3),不可冷凝部分排出进入大气,其他成分沿着管道冷凝;可冷凝部分进入酮类分离器(4),液体产物被有效区分为酮类平台化合物和其他单官能团化合物;
步骤二:将酮类平台化合物导入至羟醛缩合反应器(5),在金属氧化物催化剂作用下缩合;将缩合产物导入至有机物-水分离器(6),去除掉羟醛缩合反应中产生的水;将去水后的烯酮混合物导入至加氢异构反应器(7),其中氢气由氢气储罐(9)经压缩机(8)提供,在催化剂作用下转化为同时包含直链烷烃和环烷烃的混合物;
步骤三:单官能团化合物进入沸石催化反应器(10)催化转化,催化采用微孔分子筛催化剂ZSM-5、Fe/ZSM-5或Ga/ZSM-5,反应温度500~650℃;热解气进入旋风分离器B(11),少部分固体颗粒沉积在底部;气体产物进入芳香烃收集器(12),不可冷凝部分排出进入大气,其他成分沿着管道冷凝获得芳香烃;
步骤四:将加氢异构反应器(7)出口的直链烷烃和环烷烃以及芳香烃收集器(12)出口的芳香烃通入至混合搅拌器(13),按照一定的比例混合获得航空燃油。
3.根据权利要求2所述的一种基于酮类平台化合物制备生物航空燃油的方法,其特征在于,步骤二中羟醛缩合反应器(5)中的羟醛缩合反应采用Mg-Al-O复合金属催化剂,油浴温度150~170℃,搅拌速率500转/分钟,反应结束后,有机物-水分离器(6)在14000转/分钟的离心转速下分离出液体混合物。
4.根据权利要求2所述的一种基于酮类平台化合物制备生物航空燃油的方法,其特征在于,步骤二中加氢异构反应器(7)中的加氢异构反应采用Pt–SiO2/Al2O3催化剂,反应温度300℃,压力8.3MPa。
5.根据权利要求2所述的一种基于酮类平台化合物制备生物航空燃油的方法,其特征在于:步骤一中生物质酮化反应系统(Ⅰ)出口的酮类物质的主要成分如下:丙酮、2-丁酮、3-戊烯-2-酮、C6/C7酮、环戊烯酮、环戊酮。
6.根据权利要求2所述的一种基于酮类平台化合物制备生物航空燃油的方法,其特征在于:步骤二中加氢异构反应器(7)出口的烷烃组分主要包括但不仅限于以下物质,
7.根据权利要求2所述的一种基于酮类平台化合物制备生物航空燃油的方法,其特征在于:步骤三中的沸石催化反应系统(Ⅲ)出口的芳香烃包括苯、甲苯、二甲苯、萘、茚。
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