CN1708336A - 改进的蒸馏系统 - Google Patents

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Abstract

一种设置在分隔壁式塔(100)中的蒸气压差(DVP)单元(150)，其接收包括第一组分(102A)、第二组分(102B)、和第三组分(102C)的进料。分离部分(120)在分隔壁式塔的进料侧上使得该进料分离成包括第一和第二组分的蒸气以及包括第二和第三组分的液体。蒸气压差单元在进料进入该塔的位置之下的水平面处设置在该分隔壁式塔中，并且该蒸气压差单元测量该第一组分的浓度。

Description

改进的蒸馏系统
技术领域
本发明的领域涉及在蒸馏塔中尤其在分隔壁式塔中的进料组分的监控和流动控制。
背景技术
热耦合式蒸馏以及在由分隔壁将进料侧与产物侧分开的单塔中实现这种蒸馏的构思早已是公知的，(参见授权给Brugma的美国专利2295256、授权给Wright的美国专利2471134、由Triantafyllou和Smith所著的[Design and optimization of fully thermallycoupled distillation columns，Trans I.Chem.E，Vol 70，PartA(1992)，第118-132页])。
分隔壁式塔通常具有这样的结构，其中在该塔的中部的垂直隔板将进料点与获取中间沸点产物的点分隔开。以这种方式，在到达侧馏分(side draw)的进料中的轻组分和重组分的量可以按任何的规定来控制，(通常这是在两个常规的蒸馏步骤中实现的)。这可实现多种优点，其包括再沸腾器和冷凝器负荷的明显降低，(例如，与两个塔结构相比到达30％)，并且通过降低所需部件的数量从而进一步成本。
尽管用于分离至少三种进料的分隔壁式塔的使用具有这些和其它的优点，但是这种塔存在多方面的缺点。其中，多年来一直难以实现与在进料点的分隔件上的所需分离充分相关的适当特性的识别。例如，分隔壁式塔的有效控制和运行通常需要轻质物质与重质物质在进料侧充分分离。如果过多的重质物质在进料侧上上升到分隔件的顶部，则中间产物将被重质物质污染。如果过多的轻质物质在进料侧上下降到分隔件的底部，则中间产物将被轻质物质污染。中间组分的分离的问题不大，这是因为中间组分可以分配到(例如进料侧塔的顶部或底部)。
实现在进料侧上轻质物质与重质物质的充分分离的其中一种方法包括使用温度指示器/传感器以便检测轻质物质朝向分隔件的进料侧的底部的流动，(轻质物质通过温度的下降来表征)。尽管温度测量在构思上是可行的，但是在轻质物质的浓度对进料之下的塔盘温度具有明显的影响的情况下温度测量经常受到限制。不利的是，一般而言塔盘温度对于轻质物质的存在不敏感，尤其是当在进料之下轻质物质的浓度相对较少时。
为了避免与温度指示器/传感器相关的问题中的至少一些问题，使用分析器可以在特定位置在分隔壁式塔中位于进料侧上检测进料的成分。然而，分析器往往较昂贵、(至少一些情况下)不可靠、并且响应明显滞后，这增加了塔控制的其它问题。
尽管在现有技术中用于分隔壁式塔的运行和监控的方法和结构是已知的，但是其中的所有或几乎所有的方案都存在一个或多个缺点。因此，仍然存在这样的需要，即提供用于分隔壁式塔的运行和监控的方法和结构。
发明内容
本发明涉及一种分隔壁式塔，其接收至少包括第一组分、第二组分、和第三组分的进料；其中分离部分在该分隔壁式塔的进料侧上使得该进料分离成包括第一和第二组分的蒸气以及包括第二和第三组分的液体。所构思的分隔壁式塔还包括蒸气压差单元，其在进料在进料侧上进入该塔的位置之下的水平面处至少部分地设置在该分隔壁式塔中；该蒸气压差单元测量第一组分的浓度。
在本发明的一方面中，分隔壁式塔还包括使得进料侧与副产物侧分隔开的分隔件，其中该蒸气压差单元定位在进料侧上位于该进料在进料侧上进入分离部分的位置之下且在该分隔件的下端之上的水平面处。在优选方面中，该蒸气压差单元包括基准物质，其蒸气压力大致等于进料在设置该蒸气压差单元的位置处的预定蒸气压力。
在本发明的另一方面中，控制元件与分隔壁式塔连接并且接收来自该蒸气压差单元的信号，其中该控制元件调节该分隔壁式塔中的过程参数(例如温度)。特别优选的是，当在设置该蒸气压差单元的位置处存在第一组分的大约0.02％(mol)到大约5％(mol)时，控制元件调节该过程参数。
在本发明的再一方面中，该进料包括碳氢化合物的进料，其中该第一组分包括C4馏分，第二组分包括C5馏分，第三组分包括C6馏分。所构思的分隔壁式塔还包括第二分离部分和第三分离部分，该第二分离部分接收包括第一和第二组分的蒸气，第三分离部分接收包括第二和第三组分的液体。
依据本发明主题的另一方面，一种操作一设备的方法，其包括：在一步骤中，提供分隔壁式塔，其包括在进料侧上的分离部分，该分离部分接收至少包括第一组分、第二组分、和第三组分的进料。在另一步骤中，进料在分离部分中在进料侧上分离成包括第一和第二组分的蒸气以及包括第二和第三组分的液体，并且在另一步骤中，蒸气压差单元在进料在进料侧上进入该塔的位置之下的水平面处连接到分隔壁式塔上。在再一步骤中，使用该蒸气压差单元测量第一组分的浓度。
参照附图并结合本发明的优选实施例的详细描述，可更好地理解本发明的各个目的、特征、方面、和优点。
附图说明
图1示出了依据本发明的示意性的分隔壁式塔的截面图。
具体实施方式
在本文中所使用的术语“分隔壁式塔”或“分隔壁塔”指的是用于一种或多种组分的进料的蒸馏系统，其中至少两个或通常大于三个热耦合的蒸馏塔设置在共用的壳体中并且将多种组分的进料分离成至少一种轻质、至少一种中间质、和至少一种重质的沸腾馏分。分隔壁式塔的示例例如披露在授权给Girox的美国专利4230533中，或者在由Becker等人所著的[The world’s larges partitioned column withtrays.Linde Reports on Science and Technology 62(2000)，第42-48页](见下文)。
本发明人发现，通过将蒸气压差(DVP)单元热耦合到分隔壁式塔中，可实现在分隔壁式塔(DWC)中对于轻质、中间质、和/或重质沸腾馏分的控制的改进。更具体地说，本发明人构思出：在进料侧上过多轻质物质的下降可按浓度来进行检测，并且检测速度优于已知的检测方法和结构。
因此，提供一种包括分隔壁式塔的设备，该分隔壁式塔接收包括至少第一组分、第二组分、和第三组分的进料，其中在分隔壁式塔的进料侧上分离部分使得该进料分离成包括第一和第二组分的蒸气以及包括第二组分和第三组分的液体。在进料在进料侧上进入分隔壁式塔的位置之下的水平面处，蒸气压差单元热耦合到(例如至少部分地设置在)分隔壁式塔中，其中该蒸气压差单元测量第一组分的浓度。
图1示出了所构思的分隔壁式塔100的示意结构，多组分的进料102供应到分隔壁式塔100中，其中多组分的进料包括第一组分A(例如轻质沸腾馏分)102A、第二组分B(例如中间质沸腾馏分)102B、第三组分C(例如重质沸腾馏分)102C。轻质沸腾馏分A(第一组分)(在流经(未示出的)冷凝器之后)在顶部离开DWC(分隔壁式塔)，同时中间质沸腾馏分B(第二组分)在侧馏分中离开DWC，并且重质沸腾馏分C(第三组分)在底部离开DWC。多组分的进料借助(具有精馏部分RF和汽提部分SF的)第一分离部分120在进料侧上分离成包括包括第一组分A和第二组分B的蒸气以及包括第二组分B和第三组分C的液体。分隔件160使得在进料侧上的第一分离部分120与在中间产物引出侧上的第二分离部分180和第三分离部分180’分隔开。
在侧馏分(产物)侧上的第二分离部分180具有在侧馏分与分隔件160之间的汽提部分SP，以及在该塔的顶部与分隔件160的顶部之间的精馏部分RP。汽提部分SP的主要功能在于，从中间沸腾馏分B中除去轻质沸腾馏分A。该汽提部分通常不能使得重质沸腾馏分C与中间沸腾馏分B分离，因此从分隔件的顶部下降到侧馏分部分的任何重质沸腾馏分C将作为杂质终止于侧馏分的中间沸腾馏分中。相似地，在侧馏分侧上的精馏部分RP’从中间沸腾馏分B中除去重质沸腾馏分C。该(下)精馏部分RP’通常不能使得轻质沸腾馏分A与中间沸腾馏分B分离，因此从分隔件的底部上升的任何轻质沸腾馏分将作为杂质终止于中间沸腾馏分B中。因此重要的是，非常轻质沸腾馏分不会到达在分隔件160之下的产物侧。
精馏部分RP在分隔件160的顶部之上，该精馏部分RP对于从进料侧和产物侧上升的蒸气进行精馏，以便从轻质沸腾馏分中除去中间质沸腾馏分。相似地，汽提部分SP’位于分隔件的底部之下，汽提部分SP’对于从进料侧和产物侧下降的液体进行汽提，以便从重质沸腾馏分中除去中间质沸腾馏分。
在进料进入DWC的位置与分隔件160的下端对应的水平面之间的水平面处，蒸气压差单元150与分隔壁式塔热耦合。DVP(蒸气压差)单元150还可以选择性地设置在与分隔件的下端对应的水平面相同的水平面或之下的水平面的处(在图中虚线表示)。控制元件170接收来自DVP单元150的信号并且调节在DWC100中的过程参数(例如流经再沸腾器RB的温度)。
通常可构思到，所有已知的用于分离至少三种进料的热耦合式蒸馏系统适于与在此的教示相结合，特殊构思的蒸馏系统包括这样一种分隔壁式塔，在分离器的一侧(即进料侧)上带有一个分离部分，并且在分离器的另一侧(即侧馏分侧)上至少带有通常大于两个的分离部分。示例性的适当DWC披露在授权给Wright的美国专利2471134、Triantafyllou和Smith[Design and optimization of fullythermally coupled distillation columns，Trans I.Chem.E，Vol70，PartA(1992)，第118-132页]、Douglas[Conceptual controlof dividing wall distillation columns-Part I.Trans I.Chem.E，Vol 76，Part A(1998)，第308-318页]、Agrawal和Fidkowski[More operable arrangements of fully thermally coupleddistillation columns.AIChE J.Vol 44，No.11(1998)，第2565-2568页]、Vaughan和Hahn[Sasol’s 1-octene process；在会议Achema 2000，德国法兰克福，2000年5月22日上提出的论文]、Becker等人[The world’s larges partitioned column with trays.Linde Reports on Science and Technology 62(2000)，第42-48页]、或Kolbe等人[Partitioned distillation column；在会议Achema 2000，德国法兰克福，2000年5月24日上提出的论文]中。在市场上可获得的另外的结构还包括从Sumitomo Heavy Industries公司的[Column-in-columnTM configuration]获得的。
而且，分离器的数量和结构可以明显不同，并且可构想到，依据所需提纯的产物流的数量(或在进料中具有不同沸点/沸点范围的组分的数量)，DWC可包括一个、两个、或多个分离器。例如，如果DWC具有8种组分的进料，可构想到该DWC可具有三个如G.Kaibel[Distillation columns with vertical partition s.Chem.Eng.Technol.10(1987)，第92-98页]所述的DWC。在另一示例中，适当的DWC可具有变型的分离器，其分离具有不同成分的两个进料流，如Schultz等人的[Design and control of a dividing walldistillation column for the fractionation secion in the Pacolenhancement process.在2001年4月的2001春季AIChE国家会议上提出]中所述。
因此，应当理解所构思的DWC可以包括至少两个和多个通常为至少三个分离部分，每一部分可包括精馏部分和汽提部分。在特别优选的方面中，在进料侧上的分离部分在精馏部分和汽提部分之间的进料部分中接收进料，并且蒸气(例如包括轻质和中间质的沸腾产物)从精馏部分的顶部离开，同时液体(例如包括重质和中间质的沸腾产物)从汽提部分的底部离开。另外可以构想到，精馏部分接收来自第二分离部分的液体(例如主要包括中间沸点产物)，同时汽提部分还接收来自第三分离部分的蒸气(例如主要包括中间沸点产物)。
另外优选的是，第二分离部分在进料部分中接收(来自第一分离部分的精馏部分的)蒸气，该进料部分位于精馏部分和汽提部分之间，其中第一组分(例如轻质沸点产物)经由冷凝器离开第二分离部分的精馏部分。第二组分作为液体经由侧馏分离开第二分离部分的汽提部分。相似地，优选的是，第三分离部分(即在第二分离部分之下的分离部分)在进料部分中接收(来自第一分离部分的汽提部分的)液体，该进料部分位于精馏部分和汽提部分之间，其中第二组分(例如中间沸点产物)作为蒸气离开第三分离部分的精馏部分并且移动到第二分离部分的汽提部分中。第二组分作为液体经由侧馏分离开第二分离部分的汽提部分，同时第三组分在塔的基部离开第三分离部分的汽提部分。再沸腾器通常在在塔的基部用于提供用于汽提部分的蒸气。
通常优选的是，DWC的至少一个并且通常多个的分离部分均可以是塔盘式或填料式部分，然而，还可构思到其它的结构或内部结构。依据进料的类型，可使用不同的吸收剂，并且特别适当的材料包括碳氢化合物和极性溶剂。
对于进料而言，可以构想到特别适当的进料包括碳氢化合物的进料，其包括具有不同沸点/沸点范围的至少三种(甚至多种)组分。例如，特别构想到的进料包括第一、第二、第三组分，其中第一组分包括C4馏分，第二组分包括C5馏分，第三组分包括C6馏分。或者，适当的进料包括在C2和C8之间或甚至更高的直链碳氢化合物或支链碳氢化合物形成的多种碳氢化合物混合物。
在本发明的优选方面中，DVP单元是在市场上可获得的DVP单元(例如Foxboro DVP单元，或者Instrumentation.com A Shelby JonesCo.)，其可由基准液体来填充。特别优选的基准液体包括蒸气压力大致等于在设置DVP单元的位置处在进料侧上的液体的预定蒸气压力(即不超过差值的±20％)的基准液体。因此，特别优选的是，该基准液体是所需塔盘成分的示例。然而，在另一方面中，除了所需塔盘成分之外的多种基准液体也是适当的，其包括(含有或不含碳氢化合物的)单组分和多组分的液体。另外，DVP单元不必限制为特定的结构或制造商，只要所构想到的DVP单元产生与基准通道(其与塔连通)与(在DVP单元或DVP单元组件中的)基准流体之间的蒸气压力差成(线性、对数、或其它形式的)比例的信号即可。因此，适当的DVP单元还可包括信号变换器以便将压力差转变成电子输出。所构想到的DVP单元或DVP单元组件的示例披露在例如授权给Karas的美国专利No.6279401、授权给Kurtz的美国专利No.6272928、授权给Nudd的美国专利No.4766769、授权给Fung等人的美国专利No.5357808、授权给karas的美国专利No.5583294、授权给Powell的美国专利No.5656782、授权给Nudd的美国专利No.4693121，它们通过引证在此引入。
一个或多个DVP单元插入到塔中，(即与塔中的在进料侧上的液体或液体组分热连接)，并且与压差传送器的一端连接。该传送器的另一端在与DVP单元大致相同的水平面处(即不超过一米的垂直差)与该塔连接，(通常是直接连接)。然而，如果适当的话，该传送器的另一端还可在不同于DVP单元的水平面的水平面处与塔连接。由于水平面而产生的压力差随后借助计算模型来矫正。
对于DVP单元的位置而言，可以构想到多个位置是适合的，并且特定位置通常由在特定位置被监控的组分来确定。例如，如果需要检测或监控轻质沸点馏分的不希望的下降，则通常优选的是DVP单元位于进料侧上处于在进料侧上的进料进入塔的位置之下并且在分隔件的下端之上的水平面处(例如在进料侧上2或3个塔盘在该塔的气提部分SF的底部之上)。或者，DVP单元还可以位于与分隔件的下端相当或之下的水平面处。在这种结构中，在DVP单元与在塔中设置DVP单元处的塔盘之间的大致相等的蒸气压力通常表明满意的塔盘成分。在塔盘中蒸气压力相对于DVP单元中的基准液体的升高表明存在过多的轻质物质，而在塔盘中蒸气压力相对于DVP单元中的基准液体的下降表明轻质物质的耗尽。
这种构思的结构在DWC中是特别有利的，这是因为通常出现的是在进料进入塔的水平面之下轻质物质的浓度较小(即低于1％)。在这种情况下，已知的塔盘温度测量通过对于轻质物质的低浓度是不敏感的。为了避免该问题，可使用分析器。然而，分析器是昂贵的、往往不可靠、和具有相对滞后时间，由此难以获得经济的合理控制。而且，即使在DWC过程中可能存在适当的控制温度，在进料侧上的气提部分的结构通常也是这样的，即温度探头可相对紧密地靠近进料入口，在该位置处已知的是温度随进料的改变明显地波动。因此，特定应当理解，DVP单元提供了一种可靠且经济地测量靠近分隔件底部甚至是分隔件之下的成分的手段，在该位置处对于成分的控制是非常希望的。
在其它的示例中，所希望的是，需要监控或控制高沸点馏分的升高，所构思的DVP单元可定位在进料侧上位于进料在进料侧上进入塔的位置之上且在分隔件上端之下的水平面处。或者，DVP单元还可以定位在与分隔件的上端相当或在其之上的水平面处。另外，可以构思到，多个DVP单元可定位在DWC中处于一个或两个侧的不同水平面上，并且对于温度探头起辅助作用或替代至少一个温度探头。因此，可以构思到，DVP单元可以定位在进料侧上和/或定位在(通常与进料侧相对的)产物侧上，并且位于进料进入DWC的位置处之上或之下的水平面处。因此，还应当特别理解，与通常使用的温度控制器相比，所构思的DVP单元对于塔盘中的成分改变具有明显更高的灵敏度，并且因此还可预料到，DVP单元的使用获得了快速的响应，在三种或多种组分的系统中提供了准确的测量。
还可预料到，一个或多个所构思的DVP单元在操作上与控制元件连通(例如电子连通、液压连通、和/或机械连通)，该控制元件接收来自蒸气压差单元(或DVP单元转换器)的信号，其中控制元件调节分隔壁式塔中的过程参数。用于DWC的多种控制元件在本领域中是已知的，并且认为所有的已知控制元件适于在此使用。然而，特别优选的控制元件包括控制面板(或软件)，由该控制面板来控制DWC的工作。因此，所构思到的过程参数非常多，然而，特别优选的过程参数包括温度(例如塔盘温度)、产物流(例如第一、第二、或第三组分)、内部流(例如分镏、流向产物部分的内分镏)、再沸腾器负荷、和冷凝器负荷。在本发明的特别优选的方面中，当在设置该蒸气压差单元的位置处存在第一组分的大约0.02％(mol)到大约5％(mol)时，控制元件调节该过程参数。
因此，应当理解，DVP单元可以有利地用于至少三种进料(即具有不同沸点/沸点范围的至少三种组分的进料)的分离。而且，应当理解，如果在进料侧上在DWC中在进料水平面之下的水平面处，更典型的是在进料水平面与分隔件的底部之间，以及在一些情况下甚至是在分隔件底部之下，DVP单元监控/检测到轻质组分的存在，则所构思的结构是特别有利的。而且，尽管通常优选的是，DVP单元可用作控制至少一个过程参数的传感器，但是还应当理解所构思的DVP单元可用于控制塔的工作。
因此，一种操作一设备的方法，其包括：在一步骤中，提供分隔壁式塔，其包括在进料侧上的分离部分，该分离部分接收至少包括第一组分、第二组分、和第三组分的进料。在另一步骤中，进料在分离部分中在进料侧上分离成包括第一和第二组分的蒸气以及包括第二和第三组分的液体，并且在另一步骤中，蒸气压差单元在进料在进料侧上进入该塔的位置之下的水平面处连接到分隔壁式塔上。在再一步骤中，使用该蒸气压差单元测量第一组分的浓度。对于该DWC、分离部分、进料、DVP单元，可应用上述的相同构思。
因此，依据描述了改进的蒸馏系统的特定实施例和应用。然而，对于本领域的普通技术人员明显的是，在不脱离本发明的构思的情况下，可作出已经描述之外的其它变型。因此，本发明不限于在此的描述，而是由后附的权利要求来限定。而且，在说明书和权利要求书中，所有的术语应当按本发明的构思尽可能地广义理解。特别是，术语“包括”和“由…组成”应当理解成除了明确描述的元件、部件、或步骤之外还可非限定性地包括其它的元件、部件、或步骤。

Claims (20)

1.一种设备，其包括：
分隔壁式塔，其接收至少包括第一组分、第二组分、和第三组分的进料；
其中分离部分在该分隔壁式塔的进料侧上使得该进料分离成包括第一和第二组分的蒸气以及包括第二和第三组分的液体；
蒸气压差单元在进料在进料侧上进入该塔的位置之下的水平面处至少部分地设置在该分隔壁式塔中；以及
分隔件，其使得该进料侧与副产物侧分隔开。
2.如权利要求1所述的设备，其特征在于，该蒸气压差单元定位在进料侧上位于该进料在进料侧上进入分离部分的位置之下且在该分隔件的下端之上的水平面处。
3.如权利要求1所述的设备，其特征在于，该蒸气压差单元定位于与分隔件的下端相当或之下的水平面处。
4.如权利要求1所述的设备，其特征在于，该蒸气压差单元包括基准物质，其蒸气压力大致等于进料在设置该蒸气压差单元的位置处的预定蒸气压力。
5.如权利要求4所述的设备，其特征在于，还包括接收来自该蒸气压差单元的信号的控制元件，其中该控制元件调节该分隔壁式塔中的过程参数。
6.如权利要求5所述的设备，其特征在于，该过程参数是温度、产物流、和内部流中的至少一个。
7.如权利要求5所述的设备，其特征在于，当在设置该蒸气压差单元的位置处存在第一组分的大约0.02％(mol)到大约5％(mol)时，控制元件调节该过程参数。
8.如权利要求7所述的设备，其特征在于，该进料包括碳氢化合物的进料。
9.如权利要求8所述的设备，其特征在于，该第一组分包括C4馏分，第二组分包括C5馏分，第三组分包括C6馏分。
10.如权利要求1所述的设备，其特征在于，该分隔壁式塔还包括第二分离部分和第三分离部分，该第二分离部分接收包括第一和第二组分的蒸气，第三分离部分接收包括第二和第三组分的液体。
11.一种操作一设备的方法，其包括：
提供带有分隔件的分隔壁式塔，该分隔壁式塔包括在进料侧上的分离部分，该分离部分接收至少包括第一组分、第二组分、和第三组分的进料，其中该分隔件使得进料侧与副产物侧分隔开；
在该分离部分中在进料侧上使得该进料分离成包括第一和第二组分的蒸气以及包括第二和第三组分的液体；
使得蒸气压差单元在进料在进料侧上进入该分隔壁式塔的位置之下的水平面处连接到该分隔壁式塔中；以及
使用该蒸气压差单元来测量该第一组分的浓度。
12.如权利要求11所述的方法，其特征在于，该蒸气压差单元定位在进料侧上位于该进料在进料侧上进入该塔的位置之下且在该分隔件的下端之上的水平面处。
13.如权利要求11所述的方法，其特征在于，该蒸气压差单元定位于与分隔件的下端相当或之下的水平面处。
14.如权利要求11所述的方法，其特征在于，该蒸气压差单元包括基准物质，其蒸气压力大致等于进料在设置该蒸气压差单元的位置处的预定蒸气压力。
15.如权利要求14所述的方法，其特征在于，还包括接收来自该蒸气压差单元的信号的控制元件，其中该控制元件调节该分隔壁式塔中的过程参数。
16.如权利要求15所述的方法，其特征在于，该过程参数是温度。
17.如权利要求15所述的方法，其特征在于，当在设置该蒸气压差单元的位置处存在第一组分的大约0.02％(mol)到大约5％(mol)时，控制元件调节该过程参数。
18.如权利要求17所述的方法，其特征在于，该进料包括碳氢化合物的进料。
19.如权利要求18所述的方法，其特征在于，该第一组分包括C4馏分，第二组分包括C5馏分，第三组分包括C6馏分。
20.如权利要求11所述的方法，其特征在于，该分隔壁式塔还包括第二分离部分和第三分离部分，该第二分离部分接收包括第一和第二组分的蒸气，第三分离部分接收包括第二和第三组分的液体。
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