CN111194240B - 流反应器流体连接设备和方法 - Google Patents

Abstract

流反应器[10]包括流体模块[20]，其具有外表面[22]、内部加工流体路径[24]以及连接到加工流体路径[24]的输入端口[I]和输出端口[O]。上游连接器[30]连接到输入端口[I]，以及下游连接器[40]连接到输出端口[O]。上游连接器[30]具有：按靠住流体模块[22]的衬垫凹槽[36]中的衬垫[38]，以及从上游连接器[32]突出并延伸进入输入端口[I]中的空心环形圆柱形柱[35]。下游连接器[40]具有：按靠住流体模块[20]的衬垫凹槽[46]中的衬垫[48]，以及不具有延伸进入输出端口[O]中的空心环形圆柱形柱。

Description

流反应器流体连接设备和方法

相关申请的交叉引用

本申请根据U.S.35U.S.C.§119，要求2017年10月6日提交的美国临时申请第62/568,791号以及2017年11月30日提交的临时申请第62/593,211号的优先权，其全文通过引用结合入本文。

技术领域

本公开内容涉及流反应器技术，具体来说，涉及用于或者可用于玻璃和陶瓷流反应器模块的可去除流体连接器的系统、设备和方法，所述流体连接器展现出改善的耐化学性。

背景技术

康宁公司(Corning)已经开发并商业化了用于进行化学反应的连续流反应器。这些反应器是模块化的，并且可以通过特定玻璃和/或陶瓷(SiC)流模块的选择性布置和流体互联进行构造和/或重构。在流模块中，通过微结构限定在流体通道中循环的反应物。反应物通道通常位于夹在热控通道之间的层中，热交换流体在所述热控通道中流动。

各种尺寸的玻璃反应器和SiC陶瓷反应器能够解决大范围的流速，提供大范围的化学反应产率，从而这些模块化流反应器可以解决从实验室研究到化学生产的需求，特别是对于精细和特种化学品而言。

对于这些反应器中的两种类型的流体通道(具有加工流体(例如化学反应物)的加工通道，以及具有热交换流体的热控通道)，通过衬垫使得流体模块与管道或管之间的流体连接不发生泄漏(特定材料的衬垫，其会取决于化学性、温度和待执行过程的其他因素的需求发生变化)。在一些情况下，反应通道(或加工通道)上的衬垫(特别是在高温情况下)的寿命会短于目前所希望的情况。

发明内容

本公开内容的一个方面涉及流反应器，其包括：流体模块，所述流体模块具有外表面、内部加工流体路径以及输入端口和输出端口，所述输入端口和输出端口分别是外表面中的开口的形式，加工流体路径从输入端口延伸到输出端口。上游连接器(coupler)连接到输入端口，上游连接器包括具有上游衬垫的上游连接器主体，上游衬垫通过上游连接器主体的上游连接器面按靠住流体模块的外表面并且围绕了输入端口。下游连接器(coupler)连接到输出端口，下游连接器包括具有下游衬垫的下游连接器主体，下游衬垫通过下游连接器主体的下游连接器面按靠住流体模块的外表面并且围绕了输出端口。

上游连接器主体包括：容纳上游衬垫的上游连接器面中的上游衬垫凹槽，以及从上游连接器面突出并延伸进入到输入端口中的空心环形圆柱形柱。下游连接器主体包括：容纳下游衬垫的下游连接器面中的下游衬垫凹槽，以及不包含延伸进入到输出端口中的空心环形圆柱形柱。

会希望与这个方面结合的其他方面包括：与加工流体路径流体联通的流体模块的外表面中的开口形式的未使用的端口，用塞子使得未使用的端口是关闭的，其中，塞子包括塞子主体和塞子衬垫，塞子衬垫通过塞子主体按靠住流体模块的外表面，并且衬垫围绕了未使用的端口。塞子主体包括容纳塞子衬垫的塞子衬垫凹槽，以及延伸进入未使用的端口中的实心环形圆柱形柱。

根据其他任选但是所希望的方面，塞子衬垫凹槽具有塞子衬垫凹槽内直径，并且当处于松弛的使用前状态时塞子衬垫具有塞子衬垫内直径，以及塞子衬垫内直径小于塞子衬垫凹槽内直径。

根据另一个任选但是所希望的方面，塞子衬垫凹槽具有塞子衬垫凹槽外直径，并且当处于松弛的使用前状态时塞子衬垫具有塞子衬垫外直径，以及塞子衬垫外直径小于塞子衬垫凹槽外直径。

根据另一个任选但是所希望的方面，具有以下两种情况：(1)上游衬垫凹槽具有上游衬垫凹槽内直径，并且当处于松弛的使用前状态时上游衬垫具有上游衬垫内直径，以及上游衬垫内直径小于上游衬垫凹槽内直径；和(2)下游衬垫凹槽具有下游衬垫凹槽内直径，并且当处于松弛的使用前状态时下游衬垫具有下游衬垫内直径，以及下游衬垫内直径小于下游衬垫凹槽内直径。

根据另一个任选但是所希望的方面，具有以下两种情况：(1)上游衬垫凹槽具有上游衬垫凹槽外直径，并且当处于松弛的使用前状态时上游衬垫具有上游衬垫外直径，以及上游衬垫外直径小于上游衬垫凹槽外直径；和(2)下游衬垫凹槽具有下游衬垫凹槽外直径，并且当处于松弛的使用前状态时下游衬垫具有下游衬垫外直径，以及下游衬垫外直径小于下游衬垫凹槽外直径。

根据另一个任选但是所希望的方面，下游连接器面具有下游连接器通道开口，以及开口的直径大于输出端口的直径。

本公开内容的另一个实施方式涉及具有流体连接器的流体导管(conduit)，其用于具有模块的流体反应器(所述模块具有相应的模块的外表面中的开口形式的输入和输出端口)，导管包括：形成流体导管并且具有上游导管端部和下游导管端部的管(tube)或管道(pipe)或者一系列的管或管道，以及穿过其从上游导管端部到下游导管端部的通道。

具有连接器的导管还包括下游连接器主体，其具有穿过其的通道，在下游连接器主体的下游连接器面中包括开口。开口被下游连接器面中用于装纳下游衬垫的下游衬垫凹槽围绕。

具有连接器的导管还包括上游连接器主体，其具有穿过其的通道，在上游连接器面中包括开口，所述开口被上游连接器面中用于装纳上游衬垫的上游衬垫凹槽围绕。

下游连接器主体固定到上游导管端部并且取向成使得下游连接器面是面朝远离上游导管端部，以及上游连接器主体固定到下游导管端部并且取向成使得上游连接器面是面朝远离下游导管端部。

上游连接器主体包括从上游连接器面突出的空心环形圆柱形柱(含有上游连接器面中的开口)，以及下游连接器主体不包括从下游连接器面突出的空心环形圆柱形柱。

根据这个实施方式的一个额外任选且所希望的方面，下游连接器面中的开口具有内直径D_DC，以及从上游连接器面突出的空心环形圆柱形柱具有外直径d，并且D_DC>d。

在以下的详细描述中给出了其他特征和优点，其中的部分特征和优点对本领域技术人员而言是显而易见的，或通过实施文字描述和其权利要求书以及附图中所述实施方式而被认识。要理解的是，上面的一般性描述和下面的详细描述都仅仅是示例性的，用来提供理解权利要求书的性质和特点的总体评述或框架。

附图说明

所附附图提供了进一步理解，附图被结合在本说明书中并构成说明书的一部分。附图说明了本发明的一个或多个实施方式，并与详细描述一起用来解释各种实施方式的原理和操作。因此，结合附图，通过以下详细描述会更好地理解本公开，其中：

图1是根据本公开内容一个方面的流反应器的一部分的横截面代表图；

图2是凹槽内的衬垫(O形环)的平面图，显示了所希望的尺寸关系；

图3是根据本公开内容另一个方面的透视图，呈现了部分剖面和部分透明性，以显示具有连接器的流体导管的细节；以及

图4以实验方式证实了根据连接器类型和位置的衬垫重量增加图，显示了通过本公开内容的设备和方法所获得的益处。

具体实施方式

下面详细描述本公开内容的各种实施方式，这些实施方式的例子在附图中示出。只要有可能，在所有附图中使用相同或类似的附图标记和符号来表示相同或类似的部分。附图不一定成比例，并且本领域技术人员会理解对附图做出简化以显示本发明的关键方面。

如下所附的权利要求书结合在该具体实施方式中并构成其部分。

术语“下游”和“上游”指的是组件、元件等的相对位置，其基于流体的目标移动方向或者“使用时”的移动方向，从而A位于B的下游表示流体首先通过B然后通过A。类似地，A位于B的上游表示流体首先通过A然后通过B。

图1显示包括至少一个流体模块20的流反应器10的示意性横截面图。参见图1，根据本公开内容的一个方面，流反应器10包括：流体模块20，所述流体模块20具有外表面22、内部加工流体路径24以及输入端口I和输出端口O，所述输入端口I和输出端口O分别是外表面中的开口的形式，加工流体路径24从输入端口I延伸到输出端口O。

反应器10还包括连接到输入端口I的上游连接器30。上游连接器30包括：具有上游连接器面的上游连接器主体32和上游衬垫38。上游衬垫38通过上游连接器主体32的上游连接器面34按靠住流体模块20的外表面22，并且围绕了输入端口I。

反应器10还包括连接到输出端口O的下游连接器40。下游连接器40包括：具有下游连接器面44的下游连接器主体42和下游衬垫48。下游衬垫48通过下游连接器主体的下游连接器面44按靠住流体模块20的外表面22，并且围绕了输出端口O。

上游连接器主体还包括：容纳上游衬垫38的上游连接器面34中的上游衬垫凹槽36，以及从上游连接器面34突出并延伸进入到输入端口I中的空心环形圆柱形柱35。下游连接器面42还包括：容纳下游衬垫48的下游连接器面44中的下游衬垫46凹槽，以及不包括延伸进入到输出端口O中的空心环形圆柱形柱。希望凹槽36、48具有同心面向的内壁和外壁。在实施方式中，凹槽的高度比相关的衬垫横截面直径小了25％。在实施方式中，凹槽的宽度比衬垫横截面直径大了25％。在实施方式中，凹槽的底角是圆化的。在实施方式中，并且顶角是斜切的。

这个方面的流反应器10还可以包括额外的输入端口I或者额外的输出端口O，以及位于流体模块20的外表面22中的额外开口形式的一个或多个未使用的端口U，一种是图1的情况。(未使用的端口U与加工流体路径24流体联通，并且旨在用于除了图1部分所示情况的反应器10的构造中)。未使用的端口U通过塞子50封闭。塞子50包括具有塞子面54的塞子主体52和塞子衬垫58。塞子衬垫58通过塞子主体52的塞子面54按靠住流体模块20的外表面22，并且围绕了未使用的端口U。塞子主体52还包括容纳塞子衬垫58的塞子衬垫凹槽56，以及延伸进入未使用的端口U中的实心环形圆柱形柱55。

在流反应器10中，塞子衬垫凹槽56具有塞子衬垫凹槽内直径57，以及希望当处于松弛的使用前状态时，塞子衬垫58的塞子衬垫内直径59小于塞子衬垫凹槽内直径57，使得塞子衬垫58没有受到其内直径的约束从而固定在塞子衬垫凹槽58中。(在图1中，衬垫38、48、58的虚线轮廓线表示衬垫它们处于松弛的使用前状态。尺寸不一定呈比例。)此外，塞子衬垫凹槽56具有塞子衬垫凹槽外直径51，当处于松弛的使用前状态时，塞子衬垫58具有塞子衬垫外直径58，以及希望塞子衬垫外直径53小于塞子衬垫凹槽外直径51，从而塞子衬垫58通常没有受到其外直径的约束，或者至少在压靠住表面22之前没有受到其外直径的约束。

此外，希望上游衬垫凹槽36具有上游衬垫凹槽内直径37，当处于松弛的使用前状态时，上游衬垫38具有上游衬垫内直径38，并且希望上游衬垫内直径38小于上游衬垫凹槽内直径37。该差异范围可以是0.05mm至0.2mm，希望是0.08至0.15mm或者约0.1mm。类似地，希望下游衬垫凹槽46具有下游衬垫凹槽内直径47，当处于松弛的使用前状态时，下游衬垫48具有下游衬垫内直径49，并且希望下游衬垫内直径48小于下游衬垫凹槽内直径47，具有相同的差异范围。

类似地，希望上游衬垫凹槽36具有上游衬垫凹槽外直径31，当处于松弛的使用前状态时，上游衬垫38具有上游衬垫外直径33，并且希望上游衬垫外直径33小于上游衬垫凹槽外直径31。同样类似地，希望下游衬垫凹槽46具有下游衬垫凹槽外直径41，当处于松弛的使用前状态时，下游衬垫48具有下游衬垫外直径43，并且希望下游衬垫外直径43小于下游衬垫凹槽外直径41。

作为另一个额外希望的选项，下游连接器面44可以具有下游连接器通道开口45，开口的直径D_DC大于相关的输出端口O的直径d_O。

发现当衬垫受到它们的大直径或者外直径约束时，测试衬垫具有更大的劣化，以及当衬垫受到凹槽的内直径约束时，具有较小的劣化。因此，如上文所述，希望凹槽38、48、58的外直径31、41、51大于衬垫38、48、58的外直径33、43、53，和/或希望当松弛时，衬垫38、48、58的内直径39、49、59小于凹槽37、47、57的内直径，如图1的横截面图所示，如图2的上游或下游连接器面34、44的视图所示。

根据本公开内容的另一个方面并参照图3，提供了用于流反应器的具有流体连接器30、40的流体导管110，导管110特别是旨在用于具有模块的反应器，所述模块在相应模块的外表面中具有开口形式的输入和输出端口。希望导管110由耐化学性聚合物形成，例如：含氟聚合物，例如全氟烷氧基(PFA)、氟化乙烯丙烯(FEP)和聚四氟乙烯(PTFE)。具有连接器30、40的导管110包括：形成流体导管110且具有上游导管端部112和下游导管端部114的管或管道120或者一系列的管或管道120，以及穿过其从上游导管端部112到下游导管端部114的通道116。具有连接器的流体导管还包括下游连接器主体42，其具有穿过其的通道29，在下游连接器主体42的下游连接器面44中包括开口45。开口45被下游连接器面44中用于装纳下游衬垫(图3未示出)的下游衬垫凹槽46围绕。具有连接器30、40的导管110还包括上游连接器主体32，其具有穿过其的通道28，在上游连接器面34中包括开口27，所述开口27被上游连接器面34中用于装纳上游衬垫的上游衬垫凹槽36围绕。下游连接器主体42固定到上游导管端部112并且取向成使得下游连接器面44是面朝远离上游导管端部112，以及上游连接器主体32固定到下游导管端部114并且取向成使得上游连接器面34是面朝远离下游导管端部114。此外，根据这个方面，上游连接器主体32(在下游导管端部114)包括从上游连接器面34突出的空心环形圆柱形柱35(在其中具有开口27)，以及下游连接器主体42(在上游导管端部112)不包括从下游连接器面44突出的空心环形圆柱形柱。注意到的是，如本文所用，术语“固定”，具体地包括这样的实施方式：作为一个方面其中，所陈述的固定的结构与所陈述的与其固定的结构是单个连续的材料片，以及这样的实施方式，其中，“固定”结构接合或固定到一起。

在其中包含衬垫的本公开内容的这个方面的流体导管的实施方式中，希望保留如上文所述那样的相同尺寸关系。

流体导管可以包括、是单个管或管道120，并且该管或管道120可以由单个材料片形成，具有上游连接器主体32和下游连接器主体42中的一个或两个。

作为另一个合乎希望的尺度关系，下游连接器面中的开口可以具有内直径D_DC，以及从上游连接器面突出的空心环形圆柱形柱可以具有外直径d，并且D_DC可以大于d。

使用所揭示的设备为用于连接器中的衬垫材料的寿命以及所得到的包含玻璃或SiC流体模块的流反应器的可靠性提供了明显的益处。为了简单地鉴定每个适配器相对于流体模块(相对于流体方向上)的适当位置，希望具有环形圆柱形柱的适配器端部的U形凹槽可以被标记，例如机械标记。这个标记使得方便地防止将上游连接器装配到下游位置，反之亦然。

通过图4所示的结果显示了一些益处，图4是根据连接类型和位置(上游或下游)的衬垫重量增加百分比图。从图中可以看出，作为重量增加的测量，对于测试衬垫破坏最小的情况发生在用于上游连接器的空心柱和用于下游连接器的没有空心柱的情况。具有空心柱的下游连接器对于测试衬垫的溶胀具有特别差的表现(最右边的条形柱)。不希望受限于理论，相信这个差异是因为上游空心柱屏蔽了衬垫防止暴露于流动的反应物，这部分是因为紧邻上游柱的下游空间是相对较低压力区(相对于柱的空心内部而言)，而使用下游空心柱产生了紧邻柱上游的较高的相对压力(相比于没有柱的情况而言)的相关区的限制，导致下游衬垫更多地暴露于反应物。换言之，在本公开内容中，通过连接器产生的流动限制从流体模块的输入端口到输出端口是从较高到较低。

使用具有从塞子面突出的实心环形圆柱形柱的塞子还给予了如下优点：在流体模块内(因而在相关反应器内)的加工流体路径中，在靠近塞子的区域/体积产生较少的死体积。此外，在装配过程中，实心环形圆柱形柱帮助塞子居中，并且在反应器运行过程中，帮助保护塞子衬垫。类似地，用于上游连接器面的空心环形圆柱形柱还有助于反应器装配过程中的对齐。

对本领域的技术人员而言，很清楚可以在不偏离所附权利要求所限定的本公开内容的精神或范围下，对本文所述的本公开内容的优选实施方式进行各种修改。因此，本公开内容覆盖了此类修改和变动，只要这些修改和变动在所附权利要求及其等同方案的范围之内。

Claims (12)

1.一种流反应器[10]，其包括：

流体模块[20]，其具有外表面[22]、内部加工流体路径[24]以及输入端口[I]和输出端口[O]，所述输入端口[I]和输出端口[O]分别是外表面[22]中的开口的形式，所述加工流体路径[24]从输入端口[I]延伸到输出端口[O]；

连接到输入端口[I]的上游连接器[30]，所述上游连接器[30]包括：具有上游衬垫[38]的上游连接器主体[32]，所述上游衬垫[38]通过上游连接器主体[32]的上游连接器面[34]压靠住流体模块[20]的外表面[22]，所述上游衬垫[38]围绕了输入端口[I]；以及

连接到输出端口[O]的下游连接器[40]，所述下游连接器[40]包括：下游连接器主体[42]和下游衬垫[48]，所述下游衬垫[48]通过下游连接器主体[42]的下游连接器面[44]压靠住流体模块[20]的外表面[22]，所述下游衬垫[48]围绕了输出端口[O]；

其中，上游连接器主体[32]包括：容纳上游衬垫[38]的上游连接器面[34]中的上游衬垫凹槽[36]以及从上游连接器面[34]突出并延伸进入输入端口[I]中的空心环形圆柱形柱[35]，以及其中，下游连接器主体[42]包括：容纳下游衬垫[48]的下游连接器面[44]中的下游衬垫凹槽[46]，并且不包括延伸进入输出端口[O]中的空心环形圆柱形柱。

2.如权利要求1所述的流反应器[10]，其还包括：流体模块[20]的外表面[22]中的开口形式的未使用的端口[U]，所述未使用的端口[U]与加工流体路径[24]流体联通，所述未使用的端口[U]用塞子[50]封闭，所述塞子[50]包括塞子主体[52]和塞子衬垫[58]，所述塞子衬垫[58]通过塞子主体[52]的塞子面[54]压靠住流体模块[20]的外表面[22]，所述塞子衬垫[58]围绕未使用的端口[U]，其中，塞子面[54]包括容纳塞子衬垫[58]的塞子衬垫凹槽[56]和延伸进入到未使用的端口[U]中的实心环形圆柱形柱[55]。

3.如权利要求2所述的流反应器[10]，其中，塞子衬垫凹槽[56]具有塞子衬垫凹槽内直径[57]，当处于松弛的使用前状态时，塞子衬垫[58]具有塞子衬垫内直径[59]，以及塞子衬垫内直径[59]小于塞子衬垫凹槽内直径[57]。

4.如权利要求3所述的流反应器[10]，其中，塞子衬垫凹槽[56]具有塞子衬垫凹槽外直径[51]，当处于松弛的使用前状态时，塞子衬垫[56]具有塞子衬垫外直径[53]，以及塞子衬垫外直径[53]小于塞子衬垫凹槽外直径[51]。

5.如权利要求1-4中任一项所述的流反应器[10]，其中，具有以下两种情况：(1)上游衬垫凹槽[36]具有上游衬垫凹槽内直径[37]，当处于松弛的使用前状态时上游衬垫[38]具有上游衬垫内直径[39]，以及上游衬垫内直径[39]小于上游衬垫凹槽内直径[37]；和(2)下游衬垫凹槽[46]具有下游衬垫凹槽内直径[47]，当处于松弛的使用前状态时下游衬垫[48]具有下游衬垫内直径[49]，以及下游衬垫内直径[49]小于下游衬垫凹槽内直径[47]。

6.如权利要求5所述的流反应器[10]，其中，具有以下两种情况：(1)上游衬垫凹槽[36]具有上游衬垫凹槽外直径[31]，当处于松弛的使用前状态时上游衬垫[38]具有上游衬垫外直径[33]，以及上游衬垫外直径[33]小于上游衬垫凹槽外直径[31]；和(2)下游衬垫凹槽[46]具有下游衬垫凹槽外直径[41]，当处于松弛的使用前状态时下游衬垫[48]具有下游衬垫外直径[43]，以及下游衬垫外直径[43]小于下游衬垫凹槽外直径[41]。

7.如权利要求5所述的流反应器[10]，其中，下游连接器面[44]具有下游连接器通道开口[45]，所述开口[45]的直径大于输出端口[O]的直径。

8.一种用于具有模块的流反应器的具有流体连接器[30,40]的流体导管[110]，所述模块具有相应的模块的外表面中的开口形式的输入和输出端口，所述导管[110]包括：

形成流体导管[110]且具有上游导管端部[112]和下游导管端部[114]的管或管道[120]或者一系列的管或管道，以及穿过其从上游导管端部[112]到下游导管端部[114]的通道[116]；

下游连接器主体[42]，所述下游连接器主体[42]具有穿过其的通道[29]，在下游连接器主体[42]的下游连接器面[44]中包含开口[45]，所述开口[45]被下游连接器面[44]中用于容纳下游衬垫的下游衬垫凹槽[46]围绕；以及

上游连接器主体[32]，所述上游连接器主体[32]具有穿过其的通道[28]，在上游连接器面[34]中包含开口[27]，所述开口[27]被上游连接器面[34]中用于容纳上游衬垫的上游衬垫凹槽[36]围绕，其中，下游连接器主体[42]固定到上游导管端部[112]并且取向成使得下游连接器面[44]是面朝远离下游导管端部[114]，以及上游连接器主体[32]固定到下游导管端部[114]并且取向成使得上游连接器面[34]是面朝远离下游导管端部[112]；

其中，上游连接器主体[32]包括从上游连接器面[34]突出的空心环形圆柱形柱[35]，以及下游连接器主体[42]不包括从下游连接器面[44]突出的空心环形圆柱形柱。

9.如权利要求8所述的流体导管，其中，上游衬垫凹槽容纳上游衬垫以及下游衬垫凹槽容纳下游衬垫，以及其中，具有以下两种情况：(1)上游衬垫凹槽具有上游衬垫凹槽内直径，当处于松弛的使用前状态时上游衬垫具有上游衬垫内直径，以及上游衬垫内直径小于上游衬垫凹槽内直径；和(2)下游衬垫凹槽具有下游衬垫凹槽内直径，当处于松弛的使用前状态时下游衬垫具有下游衬垫内直径，以及下游衬垫内直径小于下游衬垫凹槽内直径。

10.如权利要求9所述的流体导管，其中，具有以下两种情况：(1)上游衬垫凹槽具有上游衬垫凹槽外直径，当处于松弛的使用前状态时上游衬垫具有上游衬垫外直径，以及上游衬垫外直径小于上游衬垫凹槽外直径；和(2)下游衬垫凹槽具有下游衬垫凹槽外直径，当处于松弛的使用前状态时下游衬垫具有下游衬垫外直径，以及下游衬垫外直径小于下游衬垫凹槽外直径。

11.如权利要求8-10中任一项所述的流体导管，其中，所述管或管道或者一系列的管或管道是管或管道，以及其中，所述管或管道以及上游连接器和下游连接器中的一个或两个由单片形成。

12.如权利要求11所述的流体导管，其中，下游连接器面中的开口具有直径D_DC，以及从上游连接器面突出的空心环形圆柱形柱具有直径d，并且D_DC>d。

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