CN112705115B - 固定床反应器 - Google Patents

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Abstract

本申请公开了一种固定床反应器，反应器包括反应器壳体、取热组件和中心导流分布器；取热组件和中心导流分布器沿反应器壳体的轴向同轴地固定在反应器壳体中；取热组件包括换热管层；换热管层缠绕在中心导流分布器上；中心导流分布器含有多个导流孔以使进入中心分布器中的反应介质沿径向流动。本申请的固定床反应器反应介质沿反应器径向流动，压差小，有利于降低装置能耗；催化剂装填率高，易于实现装置大型化；取热组件的缠绕式结构，降低了制造难度，易于实现直径的放大，且绕管可有效消除温差应力，降低泄漏风险。

Description

固定床反应器
技术领域
本发明涉及一种固定床反应器，属于化工设备技术领域。
背景技术
化工装置内主反应为放热反应的，其主反应器一般都具备取热功能。现有技术中的固定反应器的结构：取热管螺旋缠绕在中心筒结构上，催化剂装填在换热管之间，反应介质轴向流过壳程时与催化剂接触发生反应，反应放热通过管内的换热介质移出。
然而由于反应介质轴向流过壳程与催化剂接触反应，而反应介质与催化剂的接触时间有一定限制，不宜过长进而引发过度反应，且床层压降也要符合工艺系统的要求，所以催化剂床层高度受限，该类型反应器在装置放大过程中，只能通过放大设备直径来增加催化剂装填量，而放大直径又会导致设备直径超限，缠绕管束难度增加等问题。
发明内容
根据本申请的一个方面，提供了一种固定床反应器，通过改变中心导流分布器的流道设计和分布孔板的布置，保证了反应介质均匀通过催化剂床层；同时调整取热组件的结构形式和催化剂的装填方式提高催化剂装填率。
本申请提供的固定床反应器，包括反应器壳体、取热组件和中心导流分布器；所述取热组件和中心导流分布器沿所述反应器壳体的轴向同轴地固定在所述反应器壳体中；所述取热组件包括换热管层；所述换热管层缠绕在所述中心导流分布器上；所述中心导流分布器含有多个导流孔以使进入所述中心分布器中的反应介质沿径向流动。
可选地，所述换热管层沿所述反应器壳体的轴向缠绕在所述中心导流分布器上。
可选地，所述中心导流分布器包括内导流筒，所述导流孔包括第一导流孔；所述第一导流孔设置在所述内导流筒上。
可选地，多个所述第一导流孔设置在所述内导流筒的侧壁上端。
可选地，多个所述第一导流孔在所述内导流筒的侧壁上端呈周向分布。
可选地，多个所述第一导流孔设置在所述内导流筒的侧壁上端，所述内导流筒的侧壁下端和中部为实体，此种设置方式可以保证反应介质在径向流动时在纵向高度上分布均匀。
可选地，反应介质通过反应介质入口进入所述内导流筒，反应介质从所述内导流筒侧壁上端呈周向分布的多个第一导流孔中流出。
可选地，本申请中的内导流筒上的第一导流孔为内导流筒的顶端出口，反应介质从反应介质入口流入内导流筒中，在内导流筒中向上流动，流至内导流筒的顶端时，直接从出口流入内导流筒外壁与分布孔板间的间隙中。当第一导流孔为此种设置方式时，内导流筒顶部设置适当高度的空隙以便于反应介质从内导流筒的顶端出口流出。
优选地，多个所述第一导流孔在所述内导流筒侧壁上端呈周向均匀分布，本申请中的多个所述第一导流孔的排列方式也可呈其他形状分布，不限于此排列方式。
可选地，所述第二导流孔的孔径为2～30mm。
可选地，所述中心导流分布器还包括分布孔板和内网；所述内导流筒、分布孔板和内网沿径向向外同轴依次分布；所述导流孔还包括第二导流孔和第三导流孔；所述分布孔板上的孔为所述第二导流孔，所述第二导流孔在所述分布孔板的板面上呈阵列式分布；所述内网上的网孔为第三导流孔，所述第三导流孔在所述内网上呈阵列式分布。
可选地，反应介质通过反应介质入口进入所述内导流筒，反应介质从所述内导流筒侧壁上端呈周向分布的多个第一导流孔中流出，流向所述内导流筒与所述分布孔板之间的空隙中，接着从分布孔板板面上的第二导流孔流向所述分布孔板与所述内网之间的空隙，最后从所述内网上的第三导流孔流出与催化剂反应。
可选地，所述中心导流分布器还包括多条肋板；所述多条肋板沿所述内导流筒的外周壁分布；每条所述肋板沿径向由内向外依次与内导流筒、分布孔板和内网固定连接。
可选地，多条所述肋板设于所述内导流筒的外表面；所述分布孔板和所述内网设于相邻所述肋板之间。
可选地，在每个所述换热管层中包括至少一根螺旋状的换热管；所述换热管层的数量至少为两个，所述换热管层沿径向逐层缠绕在所述中心导流分布器上；相邻的所述换热管层缠绕方向相反。
优选地，换热管的缠绕角为5～25℃；所述换热管的管外壁间距为10-100mm。
可选地，所述取热组件的第一层所述换热管缠绕固定在所述肋板上，所述取热组件与所述中心导流分布器一体成形。
可选地，取热组件通过换热管缠绕而成，可以通过分束形成多个小直径管箱作为进出口，也可以根据反应器的不同需求，通过改变换热管的螺距和换热管层的层间距，对取热组件进行多样化的组合式结构设计，从而实现催化剂装填量的调节。
可选地，所述换热管在反应器取热空间内均匀布满。
可选地，所述换热管层之间设有层间垫条，至少有一个换热管层固定在所述层间垫条上。
可选地，所述换热管层的层间距通过层间垫条控制。
可选地，所述层间垫条的上端与上限位件固定连接。
可选地，所述换热管在管束两端以及相隔一定圈数的位置使用薄钢带箍紧换热管点焊于层间垫条固定，层间垫条端部与上限位件进行搭接或焊接固定，防止管束在竖直状态下发生脱落。
可选地，与所述换热管层与层间垫条之间设有齿形垫条；所述层间垫条与所述齿形垫条的平面端接触且固定；所述换热管层位于所述齿形垫条的齿面端的凹槽内。
可选地，所述换热管的螺距通过所述齿形垫条控制。
可选地，在所述换热管通过限位条固定在所述凹槽内，所述固定条的端部固定在所述齿形垫条上。
可选地，所述反应器壳体包括反应器上封头、反应器筒体和反应器下封头；所述反应器筒体上端与所述反应器上封头连接，所述反应器筒体下端与所述反应器下封头连接；所述反应器上封头、所述反应器下封头和所述反应器筒体形成封闭腔体，所述封闭腔体内设有所述外网收集器，所述外网收集器套设在所述取热组件上。
可选地，所述取热组件还包括多个下管箱和多个上管箱；所述下管箱位于反应器下封头，所述下管箱设有取热介质入口；所述上管箱位于反应器上封头，所述上管箱设有取热介质出口；所述换热管收拢为三至四个管束后其进口和出口分别与所述取热介质入口和所述取热介质出口连通。
可选地，所述取热组件缠绕端部与所述取热介质入口和取热介质出口相连的换热管段为自由弯曲，可以实现自由膨胀变形。
可选地，所述取热介质入口和所述取热介质出口的数量为3～4个。
可选地，所述反应器下封头还设有检修人孔；所述反应器上封头还设有装剂口、压力表口、热电偶口、检修人孔和放空口。
可选地，所述反应器还包括下限位件和上限位件，所述换热管层通过所述下限位件和上限位件固定在所述反应器壳体中。
可选地，所述中心导流分布器与所述反应器壳体间通过下限位件焊接固定，上限位件与反应器壳体保留滑动间隙，与中心导流分布器之间采用焊接连接，上限位件起限位作用。
可选地，所述反应器下封头还设有反应介质入口、催化剂卸料口，所述反应器筒体上设有反应介质出口。
可选地，本申请中的固定床反应器，反应介质通过多个所述导流孔沿反应器壳体的径向流动至催化剂层，反应后沿反应器壳体的最外层反应介质出口流出。
可选地，反应介质依次通过内导流筒上的第一导流孔、分布孔板上的第二导流孔、内网上的第三导流孔流向反应介质出口。
可选地，所述反应介质出口的数量为2～4个。
可选地，所述内导流筒与所述反应介质入口之间设有膨胀节，所述膨胀节用于减小所述内导流筒的膨胀应力。
可选地，所述膨胀节外部还设有保护罩，用于隔离所述膨胀节与反应器下封头堆积的瓷球。
可选地，所述内网和所述外网收集器为约翰逊网。
本申请能产生的有益效果包括：
1、催化剂装填位置由管内改为管外，在满足单位体积催化剂所需换热面积的前提下，催化剂装填率得以提高；取热组件通过换热管层缠绕而成，可以通过分束形成多个小直径管箱作为进出口，不受大直径管板锻件尺寸的限制，反应器直径放大容易实现；换热管缠绕结构使取热组件在升温过程中产生的膨胀量实现自吸收，降低了现有技术中换热管与反应器壳体的温差应力大容易引发的泄漏风险；
2、径向流反应器床层压降较小，有利于降低装置能耗；在保证分布效果的前提下，催化剂装填高度可以尽量高，充分提高催化剂装填量；
3、中心导流分布器和管箱设计加工简单，结构易于检修，有利于降低制造和运行维护成本。
附图说明
图1为固定床反应器的结构示意图；
图2为取热组件结构示意图；
图3为中心导流分布器结构示意图；
图4为换热管固定结构示意图。
部件和附图标记列表：
1-反应介质入口， 2-取热介质入口， 3-下管箱，
4-反应器下封头， 5-下人孔， 6-下限位件，
7-外网收集器， 8-催化剂， 9-换热管，
10-内网， 11-分布孔板， 12-内导流筒，
13-上限位件， 14-内导流筒堵板， 15-上人孔，
16-压力表口， 17-上管箱， 18-取热介质出口，
19-放空口， 20-装剂口， 21-热电偶口，
22-反应器上封头， 23-反应器筒体， 24-裙座，
25-反应介质出口， 26-膨胀节保护罩， 27-膨胀节，
28-催化剂卸料口， 29-层间垫条， 30-肋板，
31-齿形垫条， 32-薄钢带。
具体实施方式
下面结合附图详述本申请。
如图1所示，本发明所提供的固定床反应器包括反应介质入口1，取热介质入口2，下管箱3，反应器下封头4，下人孔5，下限位件6，外网收集器7，催化剂8，换热管9，内网10，分布孔板11，内导流筒12，上限位件13，内导流筒堵板14，上人孔15，压力表口16，上管箱17，取热介质出口18，放空口19，装剂口20，热电偶口21，反应器上封头22，反应器筒体23，裙座24，反应介质出口25，膨胀节保护罩26，膨胀节27，催化剂卸料口28。
如图1所示，取热组件和中心导流分布器沿反应器壳体的轴向同轴地固定在反应器壳体中，取热组件包括换热管层，换热管层沿反应器壳体的轴向缠绕在中心导流分布器上，中心导流分布器含有多个导流孔以使进入中心分布器中的反应介质沿径向流动。
中心导流分布器包括内导流筒12、分布孔板11和内网10，导流孔包括第一导流孔、第二导流孔和第三导流孔，第一导流孔设置在内导流筒12侧壁上端上呈周向分布，内导流筒12的侧壁下端和中部为实体，此种设置方式可以保证反应介质从导流筒内流向反应介质出口时的过程中压差对等，避免反应介质在径向流动时分布不均匀的情况发生。
分布孔板11上的孔为第二导流孔，第二导流孔在分布孔板11的板面上呈矩阵式均匀分布，第二导流孔用于使反应介质均匀地分布且沿径向流动；内网10上的网孔为第三导流孔，第三导流孔在内网10上呈矩阵式分布，第三导流孔用于使反应介质均匀地分布且沿径向流动。本申请中的固定床反应器，反应介质依次通过内导流筒侧壁上端上的第一导流孔、分布孔板上的第二导流孔、内网上的第三导流孔流向反应介质出口。反应介质出口的数量为2～4个。
反应过程中，反应介质通过反应介质入口进入内导流筒12，反应介质通过内导流筒12侧壁上端呈周向分布的第一导流孔流出，流向内导流筒12与分布孔板11之间的空隙中，接着从分布孔板11板面上的第二导流孔流向分布孔板11与内网10之间的空隙，最后从内网10上的第三导流孔流出与催化剂反应。本申请中的第一导流孔、第二导流孔和第三导流孔的排列方式也可呈其他形状分布，不限于此排列方式。本申请中第二导流孔的孔径为2～30mm。
本申请中的内导流筒12、分布孔板11和内网10沿径向向外同轴依次分布，每个换热管层中包括至少一根螺旋状的换热管，换热管层的数量至少为两个，换热管层沿径向逐层缠绕在中心导流分布器上，换热管的缠绕角为5～25℃；换热管的管外壁间距为10-100mm。
在本申请中，如图1所示，反应器筒体23上端焊接反应器上封头22，反应器筒体23下端焊接反应器下封头4，反应器上封头22、反应器筒体23和反应器下封头4形成封闭腔体，该封闭腔体内设有外网收集器7，换热管9，内网10，分布孔板11，内导流筒12，内导流筒堵板14，下限位件6，上限位件13，膨胀节27，膨胀节保护罩26。
如图2(a)所示为取热组件的结构示意图，图2(b)所示为取热组件的俯视图，内导流筒12，分布孔板11和内网10焊接为一体，形成中心导流分布器，同时作为缠绕换热管9的中心支撑结构，换热管9以5～25°缠绕角缠绕于中心结构，每层换热管9之间设置层间垫条29，保证一定的层间距，层间垫条29可以根据层间距的要求采用方钢、圆钢、钢管等结构。每层换热管9通过调整缠绕角、缠绕管间距确定每层换热管9数量，根据缠绕管束高度确定单根换热管9缠绕长度。内导流筒12靠顶部位置开第一导流孔，环形均布，通道孔上方焊接内导流筒堵板14。内导流筒12下端焊接下限位件6，上端焊接上限位件13，下限位件6和上限位件13可以采用型钢等结构实现，层间垫条29与上限位件13焊接固定。
如图3所示为中心导流分布器的结构示意图，中心导流分布器包括一定数量的肋板30，均布于内导流筒12的外表面焊接固定，每条肋板沿径向由内向外依次与内导流筒、分布孔板和内网固定连接。内导流筒12和肋板30整体作为缠绕换热管9的承载部件。分布孔板11和内网10分为条状或块状焊接于相邻的肋板30之间，通过调节不同纵向位置上分布孔板11的孔径和孔间距，实现反应介质均匀通过分布孔板11，内网10采用约翰逊网结构，作为直接接触催化剂的篮筐。
如图4所示为换热管固定结构示意图，换热管层之间设有层间垫条，至少有一个换热管层固定在层间垫条上。换热管层的层间距通过层间垫条控制，层间垫条的上端与上限位件固定连接。换热管9与层间垫条29之间设置齿形垫条31，齿形垫条31与层间垫条29之间点焊固定，齿形垫条31采用宽8～12mm，厚1～3mm的薄钢片折弯而成，通过设置齿形结构实现控制换热管9缠绕角和缠绕管间距的目的。每层换热管9缠绕完成后，相隔一定圈数使用薄钢带32箍紧换热管9，与齿形垫条31点焊固定，防止换热管9回弹松动。层间垫条与齿形垫条的平面端接触且固定，换热管层位于齿形垫条的齿面端的凹槽内，换热管的螺距通过齿形垫条控制，在换热管通过限位条固定在凹槽内，固定条的端部固定在齿形垫条上。
如图1所示，缠绕管束进入反应器筒体23内进行组装，下限位件6与反应器筒体23焊接固定，上限位件13与反应器筒体23内壁之间保留滑动间隙，使管束可向上自由活动。缠绕管束端部分为3～4个分管束，分别与对应位置的管箱焊接相连，下管箱3与反应器下封头4焊接，上管箱17与反应器上封头22焊接。内导流筒12和反应介质入口1之间设置膨胀节27，以减小内导流筒12结构膨胀应力。膨胀节27外设置膨胀节保护罩26隔离反应器下封头4装填的瓷球，膨胀节保护罩26做成分片可拆结构，便于膨胀节27的检修。
如图1所示，外网收集器7长度与管束缠绕长度一致，两端与反应器筒体23焊接固定。外网收集器7采用约翰逊网结构，作为直接接触催化剂的篮筐。外网收集器7和内网10之间以及换热管9之外的空间形成催化剂装填空间。上人孔15和装剂口20作为进入反应器上部空间检修和装填催化剂的通道，下人孔5作为进入反应器下部空间检修和清理瓷球、催化剂的通道。
本发明未做详细描述的内容，如反应介质入口1，取热介质入口2，下管箱3，反应器下封头4，下人孔5，上人孔15，压力表口16，上管箱17，取热介质出口18，放空口19，装剂口20，热电偶口21，反应器上封头22，反应器筒体23，裙座24，反应介质出口25，催化剂卸料口28，均可以采用现有技术中相关型号的产品。
下面通过实施例详述本发明，但本发明并不局限于这些实施例。
实施例1
本实施例采用附图1所示的固定床反应器形式进行二甲醚羰化反应。固定床反应器直径4700mm，中心分布器外径1700mm，外网收集器7直径4300mm，换热管9缠绕角12°，根据反应放热和设备结构综合考虑，换热管9采用Φ19×2mm规格，换热管9管间距和层间距为35mm，共设置2210根换热管9，管束缠绕高度20m，换热管9外共装填催化剂182.9m3。
对比例1
对比例1采用现有技术中常见的列管式反应器进行二甲醚羰化反应。反应器直径4700mm，采用三角形布管，根据反应放热和设备结构综合考虑，反应管选用Φ38×2mm规格，管间距45mm，反应管直管段管长12m，共设置8800根反应管。反应管内共装填催化剂95.8m3。
对比例2
对比例2采用现有技术中管外装填催化剂的列管式反应器进行二甲醚羰化反应。反应器直径4700mm，采用三角形布管，根据反应放热和设备结构综合考虑，换热管外径19mm，壁厚2mm，管间距35mm，换热管直管管长12m，共设置16230根取热管。换热管外共装填催化剂152.9m3。
对比例3
对比例3采用现有技术中的轴向流缠绕管式反应器进行二甲醚羰化反应。反应器直径4700mm，中心筒1700mm，换热管缠绕角12°，根据反应放热和设备结构综合考虑，换热管采用Φ19×2mm规格，换热管管间距和层间距为35mm，共设置2740根换热管，管束高度12m。换热管外共装填催化剂136.2m3。
对比例4
对比例4采用现有技术中的球腔联箱蛇管式反应器进行二甲醚羰化反应。反应器采用缠绕换热管形式，催化剂装填在催化剂筐和中心筒、换热管之间的间隙。管束端部采用球形联箱收集换热器，反应介质出料管箱和取热介质入口管箱为套合结构。
从实施例1和对比例1、对比例2、对比例3的数据可以看出，采用相同直径的反应器壳体，采用本专利提供的固定床反应器结构，在保证取热效果的前提下，催化剂装填量相比对比例1、对比例2、对比例3分别提高91％、20％、34％，可大幅提高装置大型化的生产能力，并且通过调整缠绕管层间距还可增加单位体积催化剂对应的换热面积，提高换热性能。
从实施例1和对比例1的数据可以看出，对于列管式反应器，由于布管间距的结构限制，该类型反应器单位体积催化剂对应的取热面积远大于反应放热量所需取热面积，实施例则根据反应放热设置适当余量的取热面积，充分利用反应器壳体空间，实现优化设计。
从实施例1和对比例3的数据可以看出，轴向流反应器催化剂床层高度存在限制，而对于实施例1的径向流固定床反应器，反应介质通过催化剂床层路径短，反应器高度可以加高，因此在采用相同直径反应器筒体的条件下，本实施例1的径向流反应器可比轴向流反应器装填更多的催化剂。
对于对比例4的球腔联箱蛇管式反应器，取热管束两端所有换热管均收集到一个球形联箱，且反应介质出料管箱和取热介质入口管箱为套合结构，球形管板设计制造难度大，套合管箱换热管焊接接头不易检修。本实施例1采用的是传统管箱结构，方便检修。
对于对比例2的管外装填催化剂的列管式反应器，由于其管束结构设计需要预留催化剂装填和卸出通道，因此换热管两端收集到管箱的结构以及直管温差膨胀应力的消除方法成为设计难点，且由于每根换热管的长度、结构尺寸都不相同，因此管束的加工装配难度大，周期长，制造成本高。
本发明通过上述实施例来说明本发明的详细结构特征，但本发明并不局限于上述详细结构特征，即不意味着本发明必须依赖上述详细结构特征才能实施。所属技术领域的技术人员应该明了，对本发明的任何改进，对本发明所选用部件的等效替换以及辅助部件的增加、具体方式的选择等，均落在本发明的保护范围和公开范围之内。

Claims (8)

1.一种固定床反应器，其特征在于，所述反应器包括反应器壳体、取热组件和中心导流分布器；
所述取热组件和所述中心导流分布器沿所述反应器壳体的轴向同轴地固定在所述反应器壳体中；
所述取热组件包括换热管层；
所述换热管层缠绕在所述中心导流分布器上；
所述中心导流分布器含有多个导流孔以使进入所述中心分布器中的反应介质沿径向流动；
所述中心导流分布器包括内导流筒，所述导流孔包括第一导流孔；
所述第一导流孔设置在所述内导流筒上；
所述第一导流孔为多个；
多个所述第一导流孔设置在所述内导流筒侧壁的上端；
多个所述第一导流孔在所述内导流筒的侧壁上端呈周向分布；
所述中心导流分布器还包括分布孔板和内网；
所述内导流筒、分布孔板和内网沿径向向外同轴依次分布；
所述导流孔还包括第二导流孔和第三导流孔；
所述分布孔板上的孔为所述第二导流孔，所述第二导流孔在所述分布孔板的板面上呈阵列式分布；
所述内网上的网孔为第三导流孔，所述第三导流孔在所述内网上呈阵列式分布；
所述第二导流孔的孔径为2~30mm；
所述反应器筒体外壁上径向设有2~4个反应介质出口;
反应介质依次通过内导流筒侧壁上端上的第一导流孔、分布孔板上的第二导流孔、内网上的第三导流孔流向反应介质出口;
第三导流孔使反应介质沿径向流动。
2.根据权利要求1所述的固定床反应器，其特征在于，
所述中心导流分布器还包括多条肋板；
所述多条肋板沿所述内导流筒的外周壁分布；
每条所述肋板沿径向由内向外依次与内导流筒、分布孔板和内网固定连接。
3.根据权利要求1所述的固定床反应器，其特征在于，每个所述换热管层中包括至少一根螺旋状的换热管；
所述换热管层的数量至少为两层，所述换热管层沿径向逐层缠绕在所述中心导流分布器上；
相邻的所述换热管层缠绕方向相反；
所述换热管的缠绕角为5~25℃；
所述换热管的管外壁间距为10-100mm；
所述换热管层之间设有层间垫条，至少有一个换热管层固定在所述层间垫条上。
4.根据权利要求3所述的固定床反应器，其特征在于，
所述换热管层与层间垫条之间设有齿形垫条；
所述层间垫条与所述齿形垫条的平面端接触且固定；
所述换热管层位于所述齿形垫条的齿面端的凹槽内；
所述换热管通过限位条固定在所述凹槽内，所述限位条的端部固定在所述齿形垫条上。
5.根据权利要求1所述的固定床反应器，其特征在于，
所述反应器壳体包括反应器上封头、反应器筒体和反应器下封头；
所述反应器筒体上端与所述反应器上封头连接，所述反应器筒体下端与所述反应器下封头连接；
所述反应器上封头、所述反应器下封头和所述反应器筒体形成封闭腔体，所述封闭腔体内设有外网收集器，所述外网收集器套设在所述取热组件上。
6.根据权利要求5所述的固定床反应器，其特征在于，
所述取热组件还包括多个下管箱和多个上管箱；
所述下管箱位于反应器下封头，所述下管箱设有取热介质入口；
所述上管箱位于反应器上封头，所述上管箱设有取热介质出口；
所述换热管收拢为三至四个管束后其进口和出口分别与所述取热介质入口和所述取热介质出口连通。
7.根据权利要求6所述的固定床反应器，其特征在于，
所述反应器还包括下限位件和上限位件，所述换热管层通过所述下限位件和上限位件固定在所述反应器壳体中；
所述反应器下封头还设有反应介质入口、催化剂卸料口；
所述内导流筒与所述反应介质入口之间设有膨胀节，所述膨胀节用于减小所述内导流筒的膨胀应力。
8.根据权利要求5所述的固定床反应器，其特征在于，
所述内网和所述外网收集器为约翰逊网。
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