CN1429286A - 有内部调温的流体管段 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种用于模件式流体管路系统的流体管段，流体管段用于流过一种结晶的、热敏感的工作流体，如合成聚合物，纤维素衍生物或由纤维素、水和氨基氧化物组成的溶液。这类工作流体有取决于温度的粘度和在发生强烈的放热反应的情况下有自发分解的现象。采用此流体管段(1)应能控制工作流体的温度。为达到此目的采取的措施是，令流体管段(1)有圆环形横截面以及在流动中心的地方有一调温装置(5)。因此按本发明可从内部控制工作流体的温度。

Description

有内部调温的流体管段
技术领域
本发明涉及一种用于模件式流体管路系统的流体管段，流体管段用于流过一种结晶的、热敏感的工作流体，如合成聚合物、纤维素衍生物或由纤维素、水和氨基氧化物组成的溶液，它有一个流过工作流体的工作流体管区。
背景技术
这类流体管段已知设计为简单的管道以及按惯例使用在纺丝设备中，工作流体作为成形材料纺丝为成形体。工作流体通过流体管段从一个在其中混合的反应容器通常输送到喷丝头，并在那里被纺成丝。
在这里所使用的工作流体是热敏感的，以及当在流体管段内超过某一个最高温度时倾向于自发的放热反应，或当工作流体低于此最高温度时导致长期沉积。
在本发明中涉及的工作流体总体上有很高的取决于温度的粘度。这种粘度随温度提高和剪切率增大而减小。
作为一种特别适用于纺丝的工作流体是这样一种成形材料，它由一种纺丝液组成，纺丝液含有纤维素、水和叔胺氧化物，例如N-甲基吗啉N-氧化物(NMMO)以及热稳定纤维素和溶剂的稳定剂和必要时含有其他添加剂，例如二氧化钛、硫酸钡、石墨、羧甲基纤维素、聚乙二醇、凡丁质、壳聚糖酐、藻酸、多糖、染料、起抗菌作用的化学制品、含磷的防火剂、卤素或氮、活性炭、炭黑或导电炭黑、硅酸、作为稀释剂的有机溶剂等。
为了输送工作流体，流体管段一方面必须能加热，以便降低工作流体的粘度并能使工作流体以低的损失通过流体管段输送。另一方面不允许温度过高，以避免工作流体分解和自发放热反应。最后，沿流体管段被工作流体流过的流动截面应形成尽可能均匀的速度剖面，以保证均匀流过此流体管段。
在EP 0668941 B1中建议了一种这些问题的解决方案，对流体管段的管子中心和/或内壁上的温度按文件中提供的公式进行控制。为此，一种冷却剂通过一围绕工作流体管区的冷却套流动。冷却剂从工作流体带走可能发生的放热反应产生的热量以及冷却流体流动的外部区。
但是在EP0 668 941B1中建议的流体管路系统有缺点，在工作流体流动时达到的效率仍然较低，以及只能对于工作流体取决于温度的特性施加不准确的影响。
发明内容
因此本发明的目的是创造一种流体管段，它在工作流体流动时有更高的效率，以及它允许对工作流体取决于温度的特性施加直接的影响。
按本发明对于前言所述类型的流体管段采取下列措施达到上述目的：工作流体管区有一个基本上环形的流动截面；以及，在流体管段的中央，在工作流体流动中心的地方，设一调温装置，用于控制在流体管段内部的工作流体温度。
因此，在此方案中不再存在中心流动。而外部流体的温度可以沿整个流动截面良好地施加影响。调温装置占据流动中心的位置并允许从流动的内部出发控制工作流体的温度。其结果是，工作流体并因而工作流体取决于温度的特性可以更准确地控制，流动损失可以降低。同时还取消了测量流动中心温度的必要性，这种温度测量很不准确和是间接的以及非常麻烦。
与在EP 0668941 B1中采用的方案相反，在那里只能间接地通过降低外部温度对中心温度施加影响，通过被工作流体绕流的按本发明的调温装置，工作流体内部区的温度因而可直接受到影响。
通过将调温装置安排在工作流体的流动中心的位置上以及通过由此造成的环形工作流体管区，还减小了要调温的流动截面的厚度：在按EP0668941A1的方法中，要调温的层的厚度对应于工作流体管区内径的大小。而按本发明要调温的工作流体的层厚只对应于环形流动截面的壁厚。由于减小了层厚，减小了热传导的时间常数。
调温装置既可用于冷却又可用于加热工作流体，这取决于调温装置的温度高于或低于工作流体的温度。在流体管段中调温装置的温度也可以按这样的方式控制，即，令调温装置的某些部分起冷却部分的作用，而另一些部分起加热部分的作用。在这里，沿工作流体管区的流动截面的工作流体平均温度作为工作流体的基准温度。
按一种特别有利的设计，调温装置设计为一根同轴于工作流体管区布置的内管，它被一种调温流体流过。借助调温流体，例如与电加热相比，可以达到更均匀的热传导，与此同时没有大的局部温差。
工作流体通过流过调温装置的调温流体冷却或加热可以逆流或顺流地进行。在顺流时，工作流体的流动方向与调温流体的流动方向基本上同向。在逆流时，工作流体与调温流体的流动方向基本上反向。
按流体管段的另一种特别有利的设计，除调温装置外还可设一调温外套段，它至少部分围绕工作流体管区。
因此在此设计中采用了一个直接作用在流动的内部区的调温装置以及另一个作用在流动的外部区的调温装置。这两个调温装置共同有一个与先有技术相比大得多的热传导面积。
按另一项有利的设计，调温外套段可被调温流体流过。例如与电加热相比，通过调温流体可达到更均匀的热传导，与此同时没有大的局部温差。
因此，按此项设计，与先有技术相比，在工作流体与调温流体之间得到大得多的热传导面积。这种增大了的热传导面积促使大的热流通过相关的外表面。由于更快速地传热，调温流体与工作流体之间的温度差可以减小。工作流体的温度并因而粘度可以控制得比迄今在先有技术中可能的要准确得多。
按另一项有利的设计可以规定，在调温外套段内的调温流体有一个与调温装置内的调温流体无关地独立控制的温度。与调温装置无关，调温外套段可应用于按顺流或逆流地冷却或加热。
为了将流体管段与其周围环境之间的热传导保持得尽可能小，按另一项有利的设计规定，工作流体管段至少部分被一隔热层包封。
对于达到按本发明的目的尤为重要的是，调温装置被工作流体绕流。这一点按另一项有利的设计采取下列措施达到：流体管段有一定距器，定距器从在工作流体中的调温装置延伸到工作流体管段的内壁。根据要求可设任意数量按有利布局的定距器。也可以单独加热定距器。
为了在定距器被工作流体绕流时保持尽可能小的流动损失，定距器可有基本上流线形截面。
若定距器也被调温流体流过，则能再次增大热传导面积。因此，未与调温装置或调温外套段直接接触的工作流体上也可受到直接的作用。与此同时通过这种方案创造了一种在结构上简单的向调温装置供入调温流体的可能性。
若流体管段的内径用DA表示和调温装置的外径用D1表示，其中DA与环形工作流体管区的外径对应以及D1与环形工作流体管区的内径对应，以及确定一个当量流体管径DAD为 ，则表面积比可确定如下：O＝(D1+DA)/DAD。此表面积比O优选地在O＝1至O＝4之间，特别优选地在O＝1至O＝1.8之间。
直径DA与D1之比可通过工作流体层厚比A表示，层厚比A是层厚S＝(DA-D1)/2-在设计有调温装置(环形)时-或S＝DA-没有调温装置(只有外管)时-与工作流体管区的外径DA之比，即A＝S/DAD。此比值优选地小于0.5，特别优选地小于0.4。
鉴于流体管段的稳定性和加工，特别有利的可以是，将定距器设在流体管段处于沿工作流体通过方向的那一端。
为了构成模件式流体管路系统，流体管段可在至少一个处于沿工作流体通过方向的端部有一个连接段，连接段设计为可使此流体管段与另一个流体管段连接。
按另一项有利的设计，用于调温装置的调温流体可在连接段处供入。为此，连接段可以有至少一个调温流体口，调温流体可通过它从流体管段外面供入调温装置。
在多个串联的流体管段的情况下，可以取消分别独立地向各个流体管段供应调温流体，只要此调温装置在至少一个处于沿工作流体通过方向的端部有一个用于调温流体进入调温装置内的通过口，它可不与另一个流体管段的一个对应的通过口连接。在此有利的设计中，串联的流体管段的调温装置互相直接连接。为此，在各通过口可设相应的互相适配的安装件。
在某些情况下还可规定，在此流体管段上连接另一个流体管段，后者不设有按本发明的内部调温装置。对于这种情况可设一封闭装置，它可装在用于内部加热部分的调温流体的通过口上，以及借助它可以密封地封闭此通过口。通过此封闭装置避免调温流体进入工作流体内。为了在此封闭装置所在的位置使流动损失保持为尽可能小，可按另一项有利的设计规定，封闭装置有基本上流线形的外形。此封闭装置可设在调温装置的一个处于沿工作流体通过方向或逆此通过方向的端部。
按上述这些设计，流体管段可采用任何在管道技术中常用的工作形状。
例如按本发明的流体管段可设计为直的或随意弯曲的管道段，它在处于沿工作流体流动方向的每一端各有一个用于连接另外两个流体管段的连接段。采用这样一种流体管段，工作流体可以在具有可准确控制的温度剖面的情况下沿长的距离输送。
但流体管段也可以设计为有至少三个用于连接其他流体管段的连接段的分配段。这种分配段可例如设计为Y形、T形或其他任意的三维形状。
另一种可能性在于，流体管段设计为只有一个用于只连接另一个流体管段的连接段的端段。在这种情况下恰当的是封闭其中一个用于工作流体的通过口。
流体管段也可设计为减径段，它的一个处于一个沿工作流体通过方向的端部的流过工作流体的流动截面，小于处于沿通过方向相反的那一端处的流动截面。这样一种减径段可用于构成在不同流体管路系统之间的过渡装置。
此外，按另一项有利的设计，流体管段可以有一个装入的混合反应器，用于处理工作流体和影响聚合物特性。此流体管段也可以有一个或多个流体过滤器组，用于过滤工作流体。
本发明并不局限于具体形式的调温流体。因此，可以采用液体和气体作为调温流体。
作为调温装置、工作流体管段或调温外套段用的材料，可以采用任何耐工作流体腐蚀和在发生可能的放热反应时耐压的材料。一种可能的材料是钢或不锈钢或镀铬钢或优质钢。为使工作流体在壁上的粘附和摩擦减小到最低程度，调温装置的外壁或工作流体管区的内壁可以加工得特别光滑或加上减小摩擦的镀层。
此外，本发明还涉及一种流体管路系统，它由至少两个可串联的按上述各项设计之一的流体管段构成。此流体管路系统还可有一调节或截止机构，用于控制工作流体。调节或截止机构可通过调温流体供应系统供给。
为了改装现有的流体管路系统或为了安装在传统的流体管道内，调温装置可设计为一单独的部分，可在此单独的部分上固定惯用的流体管段或普通的管道。为此，调温装置有一连接装置，它可与另一个调温模件或另一个流体管段的连接装置连接，并可在上述连接装置上同时密封地固定此流体管段。调温装置占据流体管道内流动中心的位置，从而在调温装置与被改装的流体管道之间构成一个基本上环形的薄层状的流动截面。
附图说明
下面借助实施例并参见附图说明本发明。
其中：
图1流体管段第一种实施例纵剖面；
图2图1所示流体管段横截面；以及
图3按本发明的流体管段第二种实施例。
具体实施方式
图1表示按本发明的流体管段1第一种实施例沿流体管段1中心线M的纵剖面。此流体管段1设计为基本上管状并绕中心线M旋转对称。图1的流体管段专门设计用于流体作为工作流体的纺丝液，它含有水、纤维素和叔胺氧化物。工作流体流过有环形流动截面的工作流体管区2。此工作流体管区有一外壁3和一内壁4，它们构成此工作流体管区2的流动截面的边界。
工作流体管区2的内壁4由调温装置5构成。
调温装置5有一个设计为同轴于工作流体管区2的管段或内体6，它的内腔7被一种调温流体流过。内体6设计为基本上管状。
调温装置5外面被工作流体管区2内的工作流体绕流。因为在调温装置5内腔7内调温流体的温度相对于在工作流体管区2内工作流体的温度有一温差，所以通过管道6的壁发生热交换。取决于调温流体的温度大于或小于工作流体的温度，发生从工作流体向调温流体或从调温流体向工作流体换热。
因此，此调温装置既可用于加热也可用于冷却工作流体。
工作流体管区2的外壁3由管状体8构成，它形成调温外套段。为此，管8被一空腔9围绕，空腔9同样可被一种调温流体绕流。与在调温装置5内的调温流体温度无关，在调温外套段9内的调温流体的温度可高于或低于工作流体的温度。因此外壁3可独立于调温装置5应用于冷却或加热工作流体。
调温外套段设供应调温流体的接头。调温流体以一个预定的可控制的温度供入调温外套段9。
调温装置5通过沿径向延伸终止在通过口11中的供应管10供给调温流体。
通过口11设在流体管段1的法兰状连接段12上。连接段12用于此流体管段1与其他的图中未表示的流体管段连接。工作流体在这里通过一环形通过口13从一个流体管段流向另一个流体管段。
连接段可例如制有通孔或螺纹孔14，借助螺钉可通过它们建立与另一个流体管段的连接段流体密封和耐压的连接。
为了说明供入调温流体不同的方案，图1的流体管段表示，在两个处于沿工作流体通过方向亦即沿中心线M方向的端部，在调温装置5上有不同的连接段。
在图1所示的左端，用于供应调温装置调温流体的部分与调温装置5固定连接。
在图1中，调温装置5管道6的端部装一封闭装置15，借助它封闭调温流体进入调温装置5的通道口。
在流体管段1图1中的右端表示了连接段12或调温流体供入调温装置5的另一种方案。取代与调温装置5连成一体的供给装置，在流体管段1的右端，供给装置设计为一单独的模件或一单独的固定体16。供给模件16设管段16＇，它与调温装置5的调温流体管道6密封连接。在图1的实施例中为达到这一点管段16＇插入管道或内体6中。通过管段16，调温流体管道6的内腔7与供给模件的沿径向或辐条状延伸的供应管10连接。
固定体16的供应管10终止在通过口11中，通过口11与一个图中未表示的调温流体供应装置连接。
在图中未表示的调温流体供应装置将调温流体通过调温装置5输送，并与此同时根据预定的工艺参数控制调温流体的温度，这些参数例如是工作流体的成分、工作流体的输送速度、工作流体的质量流量等。
为了供应调温外套段9和调温装置5，可采用不同的调温流体供给系统。
在图1的实施例中，表面积比O＝(D1+DA)/DAD在O＝1至O＝4之间，特别优选地在O＝1至O＝1.8之间，它由工作流体管区2的外径DA与内径D1之和与一个当量流体管径 D AD = ( D A 2 - D 1 2 ) 之商构成。
层厚S＝(DA-D1)/2与工作流体管区2的当量流体管径DAD之比A＝S/DAD优选地小于0.5，在图1的实施例中小于0.4。
图2表示沿图1中的线II-II垂直于中心线M的横截面。
由图2可以看出，供应管10沿径向直线状延伸并排列成星形。供应管的数量是任意的，同样，它们的排列方式也是任意的。为避免在供应管后面形成死水区，它们的横截面沿工作流体的通过方向设计成流线形。
在图2中供应管10与环腔17连通。环腔17可通过一个或多个接头与调温流体供给系统(未表示)连接。
当前后相继的流体管段的调温装置5应互相隔离时，总是使用封闭装置15。
这例如可以用于沿调温流体的流动方向在调温装置5内保持低的温度降，或用于轮流加热或冷却相继的流体管段。
在调温装置5内调温流体的流动方向与工作流体管区2的通流方向可以同向或逆向，亦即顺流或逆流。
图3表示了按本发明的流体管段1第二种实施例。在此实施例中与图1所示实施例中满足相同的或类似的功能的部分采用相同的符号。
图3的流体管段设计为分配段，它设计为丫形。图3的实施例也可以设计为其他任意分配段的形状，例如T形或任意三维的形状。
在图3的实施例中，分配段设两个弯曲的管段20，它们终止在按图1的方案之一的连接段12中。对于某些应用场合，可以取消管段的中间连接。在这种情况下连接段12直接贴靠在分配段1上。
分配段1外面设调温外套段9，它围绕工作流体管区2的外壁8。在图3的分配段中，调温外套段9通过供应管8与调温装置5连接。
此分配段1与总共三个流体管段(未表示)连接。在分叉出工作流体管区的那一区域内没有安置调温装置5，以便不阻塞工作流体的通流。两个管段20的调温装置5终止在相应的流体管段各中心线M的交点前。为了在调温装置5的端部区内获得一种有利的尽可能没有损失的不形成滞止区的流动(在滞止区内工作流体可能分解)，封闭装置15设计为流线形，在本例中为楔形。采用这种设计实现在分配段1内工作流体流动的规整的分配。通过调温外套段9的部分21，进行这两个管段20的调温装置5调温流体的交流。

Claims (38)

1.流体管段，用于流过一种结晶的、热敏感的工作流体、如合成聚合物或聚合物溶液、纤维素衍生物、由纤维素、水和氨基氧化物组成的溶液、以及它们的混合物，流体管段包括一个流过工作流体的工作流体管区，其特征为：工作流体管区(2)有一个基本上环形的流动截面；以及，在流体管段(1)中央(M)，在工作流体流动中心的地方，设一内部的调温装置(5)，用于控制工作流体管区(2)内部的工作流体温度。
2.按照权利要求1所述的流体管段，其特征为：内部调温装置(5)设计为优选地管状的调温流体管道(8)，它被调温流体流过。
3.按照前列诸权利要求之一所述的流体管段，其特征为：调温装置(5)的温度高于工作流体的温度。
4.按照权利要求1至2之一所述的流体管段，其特征为：调温装置(5)的温度低于工作流体的温度。
5.按照前列诸权利要求之一所述的流体管段，其特征为：调温流体在调温装置(5)内的流动方向，与工作流体通过工作流体管区(2)的流动方向基本相同。
6.按照权利要求1至4之一所述的流体管段，其特征为：调温流体在调温装置(5)内的流动方向，与工作流体通过工作流体管区(2)的流动方向基本上相反。
7.按照前列诸权利要求之一所述的流体管段，其特征为：流体管段(1)有一个用于控制工作流体温度的调温外套段(9)，它至少部分围绕工作流体管区(2)。
8.按照权利要求7所述的流体管段，其特征为：工作流体管区(2)被调温流体流过。
9.按照权利要求7所述的流体管段，其特征为：在调温外套段(9)内调温流体的温度高于调温装置(5)的温度。
10.按照权利要求7所述的流体管段，其特征为：在调温外套段(9)内调温流体的温度低于调温装置(5)的温度。
11.按照权利要求7至10之一所述的流体管段，其特征为：在调温外套段(9)内调温流体的流动方向，与工作流体在工作流体管区(2)内的流动方向相同。
12.按照权利要求7至10之一所述的流体管段，其特征为：在外部的调温外套段(9)内调温流体的流动方向，与工作流体在工作流体管区(2)内的流动方向相反。
13.按照前列诸权利要求之一所述的流体管段，其特征为：工作流体管区(2)至少部分被一隔热层包封。
14.按照前列诸权利要求之一所述的流体管段，其特征为：在工作流体中至少一个定距器(10)从调温装置(5)延伸到工作流体管区(2)的外壁(3)。
15.按照权利要求14所述的流体管段，其特征为：定距器(10)有基本上流线形截面。
16.按照权利要求14或15所述的流体管段，其特征为：定距器(10)被调温装置(5)内的调温流体流过。
17.按照权利要求14至16之一所述的流体管段，其特征为：定距器(10)设在流体管段(1)处于沿工作流体通过方向的一个端部。
18.按照权利要求14至17之一所述的流体管段，其特征为：定距器(10)设计在一单独的供给模件(16)上，此模件装在调温装置(5)上。
19.按照前列诸权利要求之一所述的流体管段，其特征为：连接段(12)设至少一个调温流体口(11)，调温流体可通过它从流体管段(1)外面供入调温装置(5)。
20.按照前列诸权利要求之一所述的流体管段，其特征为：调温装置(5)在至少一个处于沿工作流体通过方向的端部有一个用于调温流体进入调温装置(5)内的通过口(14＇)，它可与另一个流体管段(1)的一个对应的通过口(14＇)密封地连接。
21.按照前列诸权利要求之一所述的流体管段，其特征为：设封闭装置(15)，它可装在用于调温装置(5)调温流体的通过口(14＇)上以及借助它可密封地封闭通过口(14＇)。
22.按照权利要求21所述的流体管段，其特征为：封闭装置(15)有基本上流线形外形。
23.按照前列诸权利要求之一所述的流体管段，其特征为：流体管段(1)在至少一个处于沿工作流体通过方向的端部有一连接段(12)，用于连接流体管段(1)与另一个流体管段(1)。
24.按照前列诸权利要求之一所述的流体管段，其特征为：由环形工作流体管区(2)的外径DA和内径D1之和与当量流体管径 D AD = ( D A 2 - D 1 2 ) 构成的表面积比O＝(D1+DA)/DAD在O＝1至O＝4之间，特别优选地在O＝1至O＝1.8之间。
25.按照前列诸权利要求之一所述的流体管段，其特征为：由工作流体管区(2)的层厚S＝(DA-D1)/2与当量流体管径DAD的比值构成的工作流体层厚比A＝S/DAD优选地小于0.5，特别优选地小于0.4。
26.按照前列诸权利要求之一所述的流体管段，其特征为：流体管段(1)设计为直的或随意弯曲的管道段，它在处于沿工作流体流动方向的每一端各有一个用于连接另外两个流体管段(1)的连接段(12)。
27.按照权利要求1至26之一所述的流体管段，其特征为：流体管段(1)设计为有至少三个用于连接另一些流体管段(1)的连接段的分配段。
28.按照权利要求1至26之一所述的流体管段，其特征为：流体管段(1)设计为只有一个用于只连接另一个流体管段(1)的连接段(12)的端段。
29.按照前列诸权利要求之一所述的流体管段，其特征为：流体管段(1)有一台装入的用于输送工作流体的泵。
30.按照前列诸权利要求之一所述的流体管段，其特征为：流体管段(1)有一个装入的混合反应器，用于处理工作流体和影响聚合物特性。
31.按照前列诸权利要求之一所述的流体管段，其特征为：流体管段(1)有一个或多个流体过滤器组，用于过滤工作流体。
32.按照前列诸权利要求之一所述的流体管段，其特征为：调温流体是一种液体。
33.按照权利要求1至32之一所述的流体管段，其特征为：调温流体是气态的。
34.按照前列诸权利要求之一所述的流体管段，其特征为：流体管段(1)在工作流体管区(2)内用钢、不锈钢或镀铬钢制造。
35.按照前列诸权利要求之一所述的流体管段，其特征为：调温装置(5)用钢或不锈钢或镀铬钢或优质钢制造。
36.模件式流体管路系统，用于流过一种结晶的、热敏感的工作流体，如合成聚合物或聚合物溶液、纤维素衍生物、由纤维素、水和氨基氧化物组成的溶液、以及相互的混合物，其特征为：流体管路系统有至少两个可串联的按照前列诸权利要求之一的流体管段(1)。
37.模件式流体管路系统，用于流过一种结晶的、热敏感的工作流体，工作流体由一种纺丝液组成，它含有纤维素、水和叔胺氧化物例如N-甲基吗啉N-氧化物(NMMO)以及热稳定纤维素和溶剂的稳定剂和必要时其他添加剂，例如二氧化钛、硫酸钡、石墨、羧甲基纤维素、聚乙二醇、凡丁质、壳聚糖酐、藻酸、多糖、染料、起抗菌作用的化学制品、含磷的防火剂、卤素或氮、活性炭、炭黑或导电炭黑、硅酸、作为稀释剂的有机溶剂，其特征为：流体管路系统有至少两个可串联的按照前列诸权利要求之一的流体管段(1)。
38.安装在模件式流体管路系统的流体管段(1)中的调温装置，此流体管路系统用于流过一种结晶的、热敏感的工作流体，如合成聚合物、纤维素衍生物以及由纤维素、水和氨基氧化物组成的溶液，其中，流体管段(1)有一个流过工作流体的工作流体管区(2)；此调温装置(5)有一连接装置(12)，它可与另一个调温装置(5)或另一个流体管段(1)的连接装置(12)连接，以及，流体管段(1)可密封地固定在上述连接装置(12)上；以及，调温装置(5)占据工作流体管区(2)流动中心的位置。
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