CN210131616U - 一种微化学反应装置 - Google Patents

Abstract

一种微化学反应装置,包括化学微反应器、物料A输送泵、物料B输送泵、物料A储罐、物料B储罐，物料A补料管、物料B补料管、物料A循环管线、物料B循环管线、物料C输送管线和进气管线；微反应器包括反应器外管、物料释放毛细管束、物料释放管间隙、第一物料A进出料接口、第二物料A进出料接口、第一物料B进出料接口和第二物料B进出料接口。本实用新型通过调节物料A输送泵和物料B输送泵的压力匹配可实现化学反应过程发生在物料释放毛细管束的内表面、外表面或介孔通道中发生化学微反应。

Description

一种微化学反应装置

技术领域

本实用新型涉及化工生产设备及化工产品生产技术领域，特别涉及一种化工产品生产过程中离子或分子状态的微观反应器及其使用方法，是一种具有耐温、耐腐蚀可在正压或负压状态下进行化学反应的化工产品生产装置。

背景技术

膜分离技术自20世纪60年代起开始崛起，因其具有分离程度高、高效节能、环保安全以及可集成化等优点，迅速成为了应用最广泛的新一代分离技术。其中，膜生物反应器(MBR)具有出水品质高、结构稳定和操作简便等特征，被广泛应用于市政用水和工业废水的回用领域，是最有市场前景的废水处理技术之一。

化学微反应器(CMR)是在膜生物反应器(MBR)的基础上发展起来的一种新型微反应装置，是将化学反应过程与膜的微观介孔结合起来的新型反应工艺，二者的有效结合使得传统的化学反应效率、产品质量等方面均得以提高。

化学微反应器(CMR)及其使用方法是以膜表面和断面的贯通介孔作为微观反应器，以化学反应动力学和热力学为前提进行的化学反应过程，重点是利用膜具有较高的比表面、特殊孔道结构等实现反应物的控制加入、不同物料的相间传递强化、反应过程分离集成等，从而改善化学反应的选择性、提高反应速率、提高产品质量和化学反应转化率、降低设备投资等目的。

实用新型内容

本实用新型的目的在于设计一种新型的微化学反应装置，解决上述问题。

为了实现上述目的，本实用新型采用的技术方案如下：

一种微化学反应装置，其特征在于：包括化学微反应器、物料A 输送泵、物料B输送泵、物料A储罐和物料B储罐、物料A循环管、物料B循环管、物料A补料管、物料B补料管、物料C输送管线和进气管线；

所述物料A补料管连通到所述物料A储罐的进料口，所述物料A 储罐的出料口经所述物料A输送泵与所述第一物料A进料接口相连通，所述第二物料A进出料接口通过所述物料A循环管线与所述物料 A储罐相连通；

所述物料B补料管连通到所述物料B储罐的进料口，所述物料B 储罐的出料口经所述物料B输送泵与所述第一物料B进出料接口相连通，所述第二物料B进出料接口经所述物料B循环管线连通到所述物料B储罐。

优选的，所述化学微反应器包括反应器外管、物料释放毛细管束、物料释放管间隙、第一物料A进出料接口、第二物料A进出料接口、第一物料B进出料接口和第二物料B进出料接口。

优选的，所述第一物料A进出料接口通过所述物料释放管间隙与所述第二物料A进出料接口相连通；所述第一物料B进出料接口经所述物料释放毛细管束与所述第二物料B进出料接口相连通。

优选的，所述反应器外管的壁厚为2-10mm。

优选的，所述物料释放毛细管束为中空纤维毛细管，内径 0.6-1.2mm、外径0.8-2.4mm、壁厚0.1mm-0.6mm、表面孔径50nm-200nm 和/或孔隙率30％-80％。

优选的，所述的化学微反应器毛细管间隙在所述反应器外管内的排列方式为正三角形或正方形排列，所述物料释放毛细管束的心距为所述物料释放毛细管束外径的1.1-2.0倍排列。

优选的，所述物料释放毛细管束上设置有与物料释放管间隙相通的介孔。

优选的，所述物料B储罐上还设置有所述物料C输送管线。

优选的，还包括压缩风机，所述压缩风机通过所述进气管线一端连通到所述物料A输送泵与所述第一物料A进出料接口之间的管路上，另一端连通到所述物料B输送泵与所述第一物料B进出料接口之间的管路上。

本实用新型有益效果可以总结如下：

1、本实用新型通过调节物料A输送泵和物料B输送泵的压力匹配可实现化学反应过程发生在物料释放毛细管束的内表面、外表面或介孔通道中发生化学微反应；

2、本实用新型可通过调节物料A输送泵和物料B输送泵的流量大小实现物料释放毛细管束内外表面的切向和法向流速控制，调控化学反应过程；

3、本实用新型可通过压缩风机经进气管线与物料A、物料B 或物料AB经管道混合进入化学微反应器参与或保护化学反应；

4、本实用新型可强化气-液或液-液反应相间传质，即膜可作为反应物的分布器，可以形成两种或多种反应物以微米或纳米级别范围内发生分子或离子间反应，使得气液传质面积增加；

5、本实用新型通过反应物料侧的压力调控可形成表面反应过程，有效控制反应速度、反应历程和产品结构分布；

6、本实用新型可提高平行反应的选择性；

7、本实用新型可提高反应安全性：对于反应物预混会引起燃烧、爆炸等不安全因素的体系，通过膜表面的微观介孔输入，可维持反应物的最佳浓度，同时提高系统的安全性；

8、本实用新型对于进料计量要求严格、转化率高的快速反应，可将反应物分别从膜两侧向膜孔内扩散，可以在膜结构的介孔内形成一定的化学计量反应面。

附图说明

图1为本实用新型的结构示意图。

1、反应器外管；2、物料释放毛细管束；3、物料释放管间隙；4、物料A循环管线；5、物料B循环管线；6、第一物料A进出料接口；7、第一物料B进出料接口；8、物料A补料管；9、物料B补料管； 10、物料C输送管；11、进气管；

26、第二物料A进出料接口；27、第二物料B进出料接口；

31、化学微反应器；32、物料A输送泵；33、物料B输送泵；34、物料A储罐；35、物料B储罐；36、压缩风机。

具体实施方式

为了使本实用新型所解决的技术问题、技术方案及有益效果更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本实用新型进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本实用新型，并不用于限定本实用新型。

如图1所示的一种微化学反应装置，包括化学微反应器、物料A 输送泵、物料B输送泵、物料A储罐和物料B储罐、物料A循环管、物料B循环管、物料A补料管、物料B补料管、物料C输送管线和进气管线；

所述物料A补料管连通到所述物料A储罐的进料口，所述物料A 储罐的出料口经所述物料A输送泵与所述物料A进料接口相连通，所述第二物料A进出料接口通过所述物料A循环管线与所述物料A储罐相连通；

所述物料B补料管连通到所述物料B储罐的进料口，所述物料B 储罐的出料口经所述物料B输送泵与所述第一物料B进出料接口相连通，所述第二物料B进出料接口经所述物料B循环管线连通到所述物料B储罐。

在更加优选的实施例中，所述化学微反应器包括反应器外管、物料释放毛细管束、物料释放管间隙、第一物料A进出料接口、第二物料A进出料接口、第一物料B进出料接口和第二物料B进出料接口。

在更加优选的实施例中，所述第一物料A进出料接口通过所述物料释放管间隙与所述第二物料A进出料接口相连通；所述第一物料B 进出料接口经所述物料释放毛细管束与所述第二物料B进出料接口相连通。

在更加优选的实施例中，所述反应器外管的壁厚为2-10mm。

在更加优选的实施例中，所述物料释放毛细管束为中空纤维毛细管，内径0.6-1.2mm、外径0.8-2.4mm、壁厚0.1mm-0.6mm、表面孔径50nm-200nm和/或孔隙率30％-80％。

在更加优选的实施例中，所述的化学微反应器毛细管间隙在所述反应器外管内的排列方式为正三角形或正方形排列，所述物料释放毛细管束的心距为所述物料释放毛细管束外径的1.1-2.0倍排列。

在更加优选的实施例中，所述物料释放毛细管束上设置有与物料释放管间隙相通的介孔。

在更加优选的实施例中，所述物料B储罐上还设置有所述物料C 输送管线。

在更加优选的实施例中，还包括压缩风机，所述压缩风机通过所述进气管线一端连通到所述物料A输送泵与所述第一物料A进出料接口之间的管路上，另一端连通到所述物料B输送泵与所述第一物料B 进出料接口之间的管路上。

一种化学微反应装置，包括包括化学微反应器31、物料A输送泵32、物料B输送泵33、物料A储罐34、物料B储罐35、压缩风机 36、物料A循环管线4、物料B循环管5、物料A补料管8、物料B 补料管9、物料C输送管线10和进气管线11。

其中，化学微反应器31包括反应器外管1、物料释放毛细管束2、物料释放管间隙3、第一物料A进出料接口6、第二物料A进出料接口26、第一物料B进出料接口7和第二物料B进出料接口27。料释放毛细管束2上还设置有与物料释放管间隙3相通的介孔。

物料A补料管8连通到物料A储罐34的进料口，物料A储罐34 的出料口经物料A输送泵32与第一物料A进料接口6相连通；第一物料A进出料接口6通过物料释放管间隙3与第二物料A进出料接口 26相连通，第二物料A进出料接口26通过物料A循环管线4与所述物料A储罐34相连通。物料B补料管9连通到物料B储罐35的进料口，物料B储罐35的出料口经物料B输送泵33与第一物料B进出料接口7相连通；第一物料B进出料接口7经物料释放毛细管束2与第二物料B进出料接口27相连通，第二物料B进出料接口27经物料B 循环管线5连通到物料B储罐35。物料B储罐35上还设置有物料C 输送管线10。

反应器外管1的材质为耐温、耐腐蚀有机高分子材料；反应器外管1的壁厚为2-10mm，优选3-6mm。其中，有机高分子材料优选PP、 PE、含氟类聚合物材料(包括但不限于PTFE、PVDF、PFA)、PET、ABS、UPVC等，更优选有机高分子材料PP、PVDF、UPVC。

物料释放毛细管束2为中空纤维毛细管，内径为0.6-1.2mm、外径0.8-2.4mm、壁厚0.1mm-0.6mm、表面孔径50nm-200nm、孔隙率30％-80％，优选中空纤维毛细管内径0.8-1.0mm、外径1.2-2.0mm、壁厚0.2-0.4mm、表面孔径50-150nm、孔隙率50％-70％；材质为PVC、PVDF、PP、PE、PSF、PES等，优选PVC、PVDF、PP、PE。

毛细管间隙3为毛细管在反应器外管1内的排列方式为正三角形或正方形排列，毛细管心距为毛细管外径的1.1-2.0倍排列，优选正三角形排列、优选毛细管心距为毛细管外径的1.2-1.6倍排列。

压缩风机36通过进气管线11一端连通到所述物料A输送泵32 与第一物料A进出料接口6之间的管路上，另一端连通到物料B输送泵33与第一物料B进出料接口7之间的管路上。

工作原理：

物料A由物料A储罐34经物料A输送泵32进入化学微反应器的第一物料A进出料接口6进入物料释放管间隙3，物料A与经物料释放毛细管束2部分释放的物料B在毛细管外壁发生界面微化学反应生成产品C，反应产生的产品C在物料释放毛细管束2的外表面被切向流动的所述物料A带离，经第二物料A进出料接口26沿物料A循环管线4返回至物料A储罐34；或者物料A部分释放与物料B在物料释放毛细管束2的内壁发生反应，未反应的物料A经第二物料A进出料接口26沿物料A循环管线4返回至物料A储罐34。

物料B由物料B储罐35经物料B输送泵33送入化学微反应器31的第一物料B进出料接口7进入物料释放毛细管束2，物料B通过物料释放毛细管束2部分释放与物料A在物料释放毛细管束2外表面发生界面化学微反应形成产品C,反应后的产品C在物料释放毛细管2的边界层被流动的物料B切向带离，经第二物料B进出料接口27沿物料B循环管线5返回至物料B储罐35。

其中，通过调节第一物料A进出料接口6与第一物料B进出料口 7的压力，控制物料的释放方向同时调控物料A与物料B在毛细管界面的反应速度和反应强度。通过调节物料A输送泵32的流量，调控第一物料A进出料接口6的流量，从而调控物料A在物料释放毛细管束间隙3内的流动速度；通过调节物料B输送泵33的流量，调控第一物料B进出料接口7的流量，从而控制物料B在所述毛细管束2内的流动速度。调节第一物料A进出料接口6的压力为0.1-2bar；通过调节物料A输送泵32的流量，使得膜面流速为0.5-3.0m/sec。

物料A和物料B发生反应时,可以通过计量控制形成间歇或连续反应分离过程。

实施例1

一种化学微反应装置，包括包括化学微反应器31、物料A输送泵32、物料B输送泵33、物料A储罐34、物料B储罐35、压缩风机 36、物料A循环管线4、物料B循环管5、物料A补料管8、物料B 补料管9、物料C输送管线10和进气管线11。

其中，化学微反应器31包括反应器外管1、物料释放毛细管束2、物料释放管间隙3、第一物料A进出料接口6、第二物料A进出料接口26、第一物料B进出料接口7和第二物料B进出料接口27。料释放毛细管束2上还设置有与物料释放管间隙3相通的介孔。

反应器外管1选用材质为耐温、耐腐蚀壁厚为2mm的PP管材。

物料释放毛细管束2为PVC中空纤维毛细管，内外径分别为 0.6/0.8，壁厚为0.1mm、表面孔径50nm、孔隙率30％。

物料释放管间隙3为毛细管在反应器外管1内的排列方式为正三角形排列，毛细管心距为1.6mm。

所述的化学微反应器中的物料A进出料接口6和第二物料A进出料接口26排布在反应器外管1的同侧。

所述的化学反应发生在物料释放毛细管束2外表面的一种化学微反应装置的使用方法：物料A由物料A储罐34经物料A输送泵 32送入化学微反应器31的第一物料A进出料接口6，并调节物料A 输送泵32的出口压力为0.1bar进入物料毛细管间隙3，同时控制物料A在物料释放管间隙3内的流动速度为0.5m/sec，以形成物料A 沿物料释放毛细管束2外表面的切向和法向流速。

在物料开始循环释放的过程中，同时调节物料B输送泵33的进口压力0.5bar；控制物料B在物料释放毛细管2外表面与物料A的反应速度和反应强度；调节物料B在物料释放毛细管束2内的流动速度为1.0m/sec，形成物料B沿物料释放毛细管束2内部的切向流速和与物料A的反应速度。

物料B经毛细管外壁部分释放与物料A在毛细管外壁发生化学反应，未反应的物料B由第二物料B进出料接口27返回至物料B储罐35。反应后的产品在物料释放管间隙3的边界层被流动的物料A 切向离开，由第二物料A进出料接口26沿物料A循环管线4返回至物料A储罐34，产品在物料A储罐34中分离后排出。

需要氧气或惰性气体参与的化学微反应：可通过压缩风机36经进气管11与物料A、物料B或物料AB经管道混合进入化学微反应器 31参与或保护化学反应。

实施例2

一种化学微反应装置，包括包括化学微反应器31、物料A输送泵32、物料B输送泵33、物料A储罐34、物料B储罐35、压缩风机 36、物料A循环管线4、物料B循环管5、物料A补料管8、物料B 补料管9、物料C输送管线10和进气管线11。

其中，化学微反应器31包括反应器外管1、物料释放毛细管束2、物料释放管间隙3、第一物料A进出料接口6、第二物料A进出料接口26、第一物料B进出料接口7和第二物料B进出料接口27。料释放毛细管束2上还设置有与物料释放管间隙3相通的介孔。

反应器外管1选用材质为耐温、耐腐蚀壁厚为3mm的UPVC管材。

物料释放毛细管束2为PVDF中空纤维毛细管，内外径分别为 0.8/1.2，壁厚为0.2mm、表面孔径100nm、孔隙率50％。

物料释放管间隙3为毛细管在反应器外管1内的排列方式为正方形排列，毛细管心距为1.92mm。

所述的化学微反应器中的物料A进出料接口6和第二物料A进出料接口26排布在反应器外管1的异侧。

所述的化学反应发生在物料释放毛细管束2内表面的一种化学微反应装置的使用方法：物料A由物料A储罐34经物料A输送泵 32送入化学微反应器31的第一物料A进出料接口6，并调节物料A 输送泵32的出口压力为0.5bar进入物料毛细管间隙3，同时控制物料A在物料释放管间隙3内的流动速度为1.0m/sec，以形成物料A 沿物料释放毛细管束2外表面的切向和法向流速。

在物料开始循环释放的过程中，同时调节物料B输送泵33的进口压力0.1bar；控制物料B在物料释放毛细管2内表面与物料A的反应速度和反应强度；调节物料B在物料释放毛细管束2内的流动速度为0.5m/sec，形成物料B沿物料释放毛细管束2内部的切向流速和与物料A的反应速度。

物料B经毛细管外壁部分释放与物料A在毛细管外壁发生化学反应，未反应的物料B由第二物料B进出料接口27返回至物料B储罐35。反应后的产品在物料释放管间隙3的边界层被流动的物料A 切向离开，由第二物料A进出料接口26沿物料A循环管线4返回至物料A储罐34，产品在物料A储罐34中分离后排出。

实施例3

一种化学微反应装置，包括包括化学微反应器31、物料A输送泵32、物料B输送泵33、物料A储罐34、物料B储罐35、压缩风机 36、物料A循环管线4、物料B循环管5、物料A补料管8、物料B 补料管9、物料C输送管线10和进气管线11。

其中，化学微反应器31包括反应器外管1、物料释放毛细管束2、物料释放管间隙3、第一物料A进出料接口6、第二物料A进出料接口26、第一物料B进出料接口7和第二物料B进出料接口27。料释放毛细管束2上还设置有与物料释放管间隙3相通的介孔。

反应器外管1选用材质为耐温、耐腐蚀壁厚为6mm的PVDF管材。

物料释放毛细管束2为PP中空纤维毛细管，内外径分别为 1.0/2.0，壁厚为0.5mm、表面孔径150nm、孔隙率70％。

物料释放管间隙3为毛细管在反应器外管1内的排列方式为正三角形排列，毛细管心距为2.6mm。

所述的化学微反应器中的物料A进出料接口6和第二物料A进出料接口26排布在反应器外管1的同侧。

所述的化学反应发生在物料释放毛细管束2外表面的一种化学微反应装置的使用方法：物料A由物料A储罐34经物料A输送泵 32送入化学微反应器31的第一物料A进出料接口6，并调节物料A 输送泵32的出口压力为0.1bar进入物料毛细管间隙3，同时控制物料A在物料释放管间隙3内的流动速度为0.5m/sec，以形成物料A 沿物料释放毛细管束2外表面的切向和法向流速。

在物料开始循环释放的过程中，同时调节物料B输送泵33的进口压力0.5bar；控制物料B在物料释放毛细管2内表面与物料A的反应速度和反应强度；调节物料B在物料释放毛细管束2内的流动速度为1.0m/sec，形成物料B沿物料释放毛细管束2内部的切向流速和与物料A的反应速度。

物料B经毛细管外壁部分释放与物料A在毛细管外壁发生化学反应，未反应的物料B由第二物料B进出料接口27返回至物料B储罐35。反应后的产品在物料释放管间隙3的边界层被流动的物料A 切向离开，由第二物料A进出料接口26沿物料A循环管线4返回至物料A储罐34，产品在物料A储罐34中分离后排出。

实施例4

一种化学微反应装置，包括包括化学微反应器31、物料A输送泵32、物料B输送泵33、物料A储罐34、物料B储罐35、压缩风机 36、物料A循环管线4、物料B循环管5、物料A补料管8、物料B 补料管9、物料C输送管线10和进气管线11。

其中，化学微反应器31包括反应器外管1、物料释放毛细管束2、物料释放管间隙3、第一物料A进出料接口6、第二物料A进出料接口26、第一物料B进出料接口7和第二物料B进出料接口27。料释放毛细管束2上还设置有与物料释放管间隙3相通的介孔。

反应器外管1选用材质为耐温、耐腐蚀壁厚为10mm的ABS管材。

物料释放毛细管束2为PE中空纤维毛细管，内外径分别为 1.2/2.4，壁厚为0.6mm、表面孔径200nm、孔隙率80％。

物料释放管间隙3为毛细管在反应器外管1内的排列方式为正方形排列，毛细管心距为2.88mm。

所述的化学微反应器中的物料A进出料接口6和第二物料A进出料接口26排布在反应器外管1的异侧。

所述的化学反应发生在物料释放毛细管束2内表面的一种化学微反应装置的使用方法：物料A由物料A储罐34经物料A输送泵 32送入化学微反应器31的第一物料A进出料接口6，并调节物料A 输送泵32的出口压力为2.0bar进入物料毛细管间隙3，同时控制物料A在物料释放管间隙3内的流动速度为3.0m/sec，以形成物料A 沿物料释放毛细管束2外表面的切向和法向流速。

在物料开始循环释放的过程中，同时调节物料B输送泵33的进口压力1.5bar；控制物料B在物料释放毛细管2内表面与物料A的反应速度和反应强度；调节物料B在物料释放毛细管束2内的流动速度为2.0m/sec，形成物料B沿物料释放毛细管束2内部的切向流速和与物料A的反应速度。

物料B经毛细管外壁部分释放与物料A在毛细管外壁发生化学反应，未反应的物料B由第二物料B进出料接口27返回至物料B储罐35。反应后的产品在物料释放管间隙3的边界层被流动的物料A 切向离开，由第二物料A进出料接口26沿物料A循环管线4返回至物料A储罐34，产品在物料A储罐34中分离后排出。

以上通过具体的和优选的实施例详细的描述了本实用新型，但本领域技术人员应该明白，本实用新型并不局限于以上所述实施例，凡在本实用新型的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种微化学反应装置，其特征在于：包括化学微反应器(31)、物料A输送泵(32)、物料B输送泵(33)、物料A储罐(34)、物料B储罐(35)、物料A循环管线(4)、物料B循环管线(5)、物料A补料管(8)、物料B补料管(9)、物料C输送管线(10)和进气管线(11)；

所述化学微反应器(31)包括反应器外管(1)、物料释放毛细管束(2)、物料释放管间隙(3)、第一物料A进出料接口(6)、第二物料A进出料接口(26)、第一物料B进出料接口(7)和第二物料B进出料接口(27)；

所述物料A补料管(8)连通到所述物料A储罐(34)的进料口，所述物料A储罐(34)的出料口经所述物料A输送泵(32)与所述第一物料A进出料接口(6)相连通，所述第二物料A进出料接口(26)通过所述物料A循环管线(4)与所述物料A储罐(34)相连通；

所述物料B补料管(9)连通到所述物料B储罐(35)的进料口，所述物料B储罐(35)的出料口经所述物料B输送泵(33)与所述第一物料B进出料接口(7)相连通，所述第二物料B进出料接口(27)经所述物料B循环管线(5)连通到所述物料B储罐(35)。

2.根据权利要求1所述的一种微化学反应装置，其特征在于：所述第一物料A进出料接口(6)通过所述物料释放管间隙(3)与所述第二物料A进出料接口(26)相连通；所述第一物料B进出料接口(7)经所述物料释放毛细管束(2)与所述第二物料B进出料接口(27)相连通。

3.根据权利要求1所述的一种微化学反应装置，其特征在于：所述反应器外管(1)的壁厚为2-10mm。

4.根据权利要求1所述的一种微化学反应装置，其特征在于：所述物料释放毛细管束(2)为中空纤维毛细管，内径0.6-1.2mm、外径0.8-2.4mm、壁厚0.1mm-0.6mm、表面孔径50nm-200nm和/或孔隙率30％-80％。

5.据权利要求1所述的一种微化学反应装置，其特征在于：所述物料释放管间隙(3)在所述反应器外管(1)内的排列方式为正三角形或正方形排列，所述物料释放毛细管束(2)的心距为所述物料释放毛细管束(2)外径的1.1-2.0倍排列。

6.根据权利要求1所述的一种微化学反应装置，其特征在于：所述物料释放毛细管束(2)上设置有与物料释放管间隙(3)相通的介孔。

7.根据权利要求1所述的一种微化学反应装置，其特征在于：所述物料B储罐(35)上还设置有所述物料C输送管线(10)。

8.根据权利要求1所述的一种微化学反应装置，其特征在于：还包括压缩风机(36)，所述压缩风机(36)通过所述进气管线(11)一端连通到所述物料A输送泵(32)与所述第一物料A进出料接口(6)之间的管路上，另一端连通到所述物料B输送泵(33)与所述第一物料B进出料接口(7)之间的管路上。

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