CN212503986U - 一种多回程式重整制氢反应器 - Google Patents

Abstract

本实用新型提供了一种多回程式重整制氢反应器，其包括反应部，反应部被配置为：由多个中心筒嵌套且依次首尾连通；制氢原料经过反应部时，具有正向与逆向的多个回程。本实用新型的有益效果是：(1)采用多回程式反应部，反应通道长度增加了数倍，使反应原料与催化剂接触时间增多，反应效率提高；(2)改进了重整制氢反应器各个零部件的制造工艺与连接方式，具有可拆卸结构，方便零部件更换，反应器制造成本低，制造周期短。

Description

一种多回程式重整制氢反应器

技术领域

本实用新型涉及一种重整制氢反应器，具体涉及一种多回程式重整制氢反应器及其制作方法，属于重整制氢技术领域。

背景技术

燃料电池是一种可以高效环保将化学能转化成电能的新型发电装置，目前发达国家中与汽车、能源相关的大公司都在加速进行燃料电池的开发。氢是燃料电池的最佳燃料，目前氢气储存、运输、分配以及加注等环节尚存在诸多技术难点，因此无法满足各种规模的燃料电池的供应需求。而醇类、烃类等富氢燃料通过重整的方式移动或现场制氢为燃料电池提供氢源，具有能量密度大、能量转换率高、容易运输和携带方便等特点，在经济性、安全性方面也具有优势。

甲醇水重整制氢是目前市场普遍接受的一种有效重整制氢方式。甲醇作为车载制氢原料具有以下优点：1.价廉易得，可以由天然气和其他化石燃料高效地转化得到；2.能量密度高，尤其在涉及氢气储存时，净能量密度比氢气在复合物和金属氢氧化物贮存罐中高得多；3.重整制氢反应温度、反应压力低；4.反应产物CO含量低；5.重整制氢反应产物无NOx、SOx等；6.对现有燃料添加站的改变小，只需对现有加油站稍加改造即可。

现有的甲醇重整制氢装置与重整制氢方法仍存在一些问题，比如，重整制氢的反应时间短、反应效率低，重整制氢装置制造成本高、拆装困难等。因此，本领域技术人员致力于改进甲醇重整制氢装置的结构，提高重整制氢的效率。

实用新型内容

本实用新型的目的是：提供一种高效重整制氢反应器，以解决现有反应器结构中甲醇水重整制氢反应效率低、反应时间短，反应器制造成本高、拆装困难等问题。

为了实现上述目的，本实用新型提供了一种多回程式重整制氢反应器，包括反应部，反应部被配置为：由多个中心筒嵌套且依次首尾连通；制氢原料经过反应部时，具有正向与逆向的多个回程。

在一些实施例中，重整制氢反应器包括：

反应器壳体；

中心支架，中心支架位于反应器壳体内，中心支架的外壁设有传热部件；中心支架与反应器壳体之间形成烟气通道；

第二中心筒，第二中心筒固定在中心支架内，第二中心筒的第一端开口并与中心支架的内腔连通，第二中心筒的第二端封闭；

第一中心筒，第一中心筒固定在第二中心筒内，第一中心筒的第一端与第二端都开口，第一中心筒的第二端与第二中心筒连通；

二级汽化室，二级汽化室与第一中心筒的第一端连通，在二级汽化室开有进气口。

在一些实施例中，在二级汽化室与第一中心筒的连通处安装有多孔均流板。

在一些实施例中，在烟气通道内集成有一级汽化室管路。

在一些实施例中，反应器还包括后盖板，后盖板安装在中心支架的第二端，后盖板分别开有烟气出口、反应气出口与一级汽化室入口。

在一些实施例中，传热部件包括以辐射状排列的多个第一传热翅片。

在一些实施例中，二级汽化室的外壁设有多个第二传热翅片以及与一级汽化室连通的进气口。

在一些实施例中，第一中心筒的外壁与第二中心筒的内壁以第一支撑板连接，第二中心筒的外壁与中心支架的内壁以第二支撑板连接。

在一些实施例中，第一支撑板从第一中心筒的第一端延伸至第二端，第二支撑板从第二中心筒的第一端延伸至第二端。

在一些实施例中，在第一中心筒的筒壁开有第一透气孔组，以及，在第二中心筒的筒壁开有第二透气孔组；

第一透气孔组中的透气孔被配置为：沿着气流在第一中心筒内行进的方向，透气孔的总面积逐渐增加；

第二透气孔组中的透气孔被配置为：沿着气流在第二中心筒内行进的方向，透气孔的总面积逐渐增加。

在一些实施例中，第一透气孔组中的透气孔被配置为：沿着气流在第一中心筒内行进的方向，透气孔的孔间距逐渐减小，和/或，透气孔的孔面积逐渐增加；以及，

第二透气孔组中的透气孔被配置为：沿着气流在第二中心筒内行进的方向，透气孔的孔间距逐渐减小，和/或，透气孔的孔面积逐渐增加。

本实用新型的有益效果是：

(1)采用多回程式反应部，反应通道长度增加了数倍，使反应原料与催化剂接触时间增多，反应效率提高；

(2)改进了重整制氢反应器各个零部件的制造工艺与连接方式，具有可拆卸结构，方便零部件更换，反应器制造成本低，制造周期短。

附图说明

图1是本实用新型实施例1中的重整制氢反应器的外观结构示意图；

图2是本实用新型实施例1中的重整制氢反应器另一视角的外观结构示意图；

图3是本实用新型实施例1中的重整制氢反应器的内部结构示意图；

图4是本实用新型实施例1中的第一中心筒形状示意图；

图5是本实用新型实施例1中的重整制氢反应器的结构爆炸图；

图6是本实用新型实施例2中的重整制氢反应器的内部结构示意图；

图7是本实用新型实施例2中的第一中心筒形状示意图；

图8是本实用新型实施例3中的重整制氢反应器的内部结构示意图；

图9是本实用新型实施例3中的第一中心筒形状示意图。

以上各图中的附图标记如下：

100 反应器壳体

200 重整反应部

210 中心支架

211 中心支架翅片

212 一级汽化室管路

220a 第一中心筒

221a 支撑板

220b 第一中心筒

221b 传热支撑板

220c 第一中心筒

221c 传热支撑板

222 透气孔

223 透气孔

230a 第二中心筒

231a 支撑板

230b 第二中心筒

231b 传热支撑板

230c 第二中心筒

231c 传热支撑板

232 弧形连接部

300 二级汽化室

310 二级汽化室翅片

320 二级汽化室进气口

330 多孔均流板

400 重整器后盖板

410 烟气出口

420 反应气出口

430 一级汽化室进气口

具体实施方式

除非另作定义，本专利的权利要求书和说明书中所使用的技术术语或者科学术语应当为本专利所属技术领域内具有一般技能的人士所理解的通常意义。本说明书以及权利要求书中所使用的“第一”、“第二”以及类似的词语并不表示任何顺序、数量或者重要性，而只是用来区分不同的组成部分。“一个”或者“一”等类似词语并不表示数量限制，而是表示存在至少一个。在本专利的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。“包括”或者“具有”等类似的词语意指出现在“包括”或者“具有”前面的元件或者物件涵盖出现在“包括”或者“具有”后面列举的元件或者物件及其等同元件，并不排除其他元件或者物件。

本实用新型的不同实施例之间可以替换或者合并组合，因此本实用新型也可认为包含所记载的相同和/或不同实施例的所有可能组合。因而，如果一个实施例包含特征A、B、C，另一个实施例包含特征B、D，那么本实用新型也应视为包括含有A、B、C、D的一个或多个所有其他可能的组合的实施例，尽管该实施例可能并未在以下内容中有明确的文字记载。

以下将结合附图对本实用新型的构思、具体结构及产生的技术效果作进一步说明，以充分地了解本实用新型的目的、特征和效果。

实施例1

本实施例提供的多回程式重整制氢反应器的外观结构如图1与图2所示，其内部结构如图3所示。重整制氢反应器主要由反应器壳体100、重整反应部200、甲醇水二级汽化室300与重整器后盖板400等组成，其中的重整反应部200还集成有甲醇水一级汽化室管路。重整反应部200用于装载催化剂以及进行重整制氢反应，重整反应部200由多个中心筒嵌套且依次首尾连通。甲醇水混合物分别经过甲醇水一级汽化室、甲醇水二级汽化室加热后，完全成为高温气态混合物，这些高温气体再进入重整反应部200，在重整反应部200内经过正向与逆向的多个回程，增加了反应时长，利于充分重整，提高了制氢效率。

为了与重整制氢设备的其他部件形状匹配，反应器壳体100被制成正方棱柱形或长方棱柱形，其横截面为圆角正方形或小圆角长方形。反应器壳体100优选以铝合金材料制造，坚固耐用且重量轻，能够保证内部的结构稳固。

如图3所示，重整反应部200由中心支架210、第一中心筒220a以及第二中心筒230a组成，优选的，中心支架210、第一中心筒220a以及第二中心筒230a的轴线重合。重整反应部200的形状与结构是本实用新型的主要创新点。中心支架210与反应器壳体100之间的空间形成高温烟气通道，流经此处的高温烟气是由启动燃烧器提供，启动燃烧器在此专利中未体现。

中心支架210安装在反应器壳体100内部，中心支架210的主体呈一个圆筒状，其外壁设有大量中心支架翅片211用于传热，具体是指吸收高温烟气的热量，高温烟气的温度约为500℃左右。甲醇重整制氢反应为吸热反应，高温烟气的热量由中心支架翅片211逐步传导至催化剂与甲醇水气态混合物，使反应得以持续进行。

优选地，所有中心支架翅片211成辐射状排布，每个中心支架翅片211沿着中心支架长度方向从一端延伸到另一端。每个中心支架翅片211的外端面形成一个方形，这样中心支架210置于反应器壳体100内时，每个中心支架翅片211又起到连接支撑件的作用，使中心支架210在反应器壳体100内不松动。如图5所示，在中心支架翅片内隐藏有甲醇水一级汽化室管路212，其入口为图2中的甲醇水一级汽化室进气口430。在这个甲醇水一级汽化室管路212中的气体流向与高温烟气在中心支架210腔体内的流向相反，甲醇水可以更多吸收高温烟气的热量，有助于甲醇水更高效汽化。

第二中心筒230a是一个比中心支架210直径小些的圆筒，与中心支架210共轴。第二中心筒230a依靠其外壁前端与后端的若干个支撑板231a固定在中心支架210的内壁，支撑板231a的两边分别焊接在第二中心筒230a的外壁与中心支架210的内壁。第二中心筒230a一端开口，另一端封闭；开口的端靠近甲醇水高温气体的入口所在端，并与中心支架210的内部空间连通；封闭的端靠近高温烟气的出口所在端。

第一中心筒220a是一个比第二中心筒230a直径更小些的圆筒，与第二中心筒230a共轴。第一中心筒220a依靠其外壁后端的若干个支撑板221a(如图4中所示)固定在第二中心筒230a的内壁，支撑板221a分别焊接在第一中心筒220a的外壁与第二中心筒230a的内壁。第一中心筒220a两端都开口：第一个开口端是甲醇水高温气体的入口，入口安装有多孔均流板330；第二个开口端靠近第二中心筒230a的封闭端，但与此封闭端面不接触，这样使第一中心筒220a与第二中心筒230a连通并形成了一个折返的气体通道。

甲醇水二级汽化室300的内部与外部结构见图3所示。甲醇水二级汽化室300是一个扁圆柱体，内部设有腔体。二级汽化室300固定在中心支架210的一个端面，二级汽化室300的腔体与第一中心筒220a连通，两者之间以多孔均流板330分隔。二级汽化室300设有一个突出部，这个突出部内部设有管路，此管路与甲醇水一级汽化室管路212(见图5所示)连接。这个突出部的开口设在二级汽化室300内壁，即图3中所示的二级汽化室进气口320。二级汽化室300外周壁设有一圈二级汽化室翅片310，也呈辐射状排布，各自端面在同一个圆上。高温烟气流经二级汽化室翅片310时，热量被翅片传到至二级汽化室300内，加热甲醇水气液混合物，使其中的液体完全汽化。显而易见，二级汽化室翅片310以及甲醇水二级汽化室300的壳体都应由导热性能很好的材料制作，铝合金是优选。

重整器后盖板400盖在反应器壳体100、重整反应部200后部，其结构和功能是多样的。首先，重整器后盖板400起隔离作用，将高温烟气通道与反应产生的氢气通道隔离，使两种气体互不干涉。高温烟气的成分较复杂，如果泄露至氢气中，可能会造成燃料电池的损坏。其次，重整器后盖板400是多个气体通道的出入口，有高温烟气出口410、反应气出口420、一级汽化室进气口430，其中，反应气出口420上还盖有一个多孔均流板。

上述重整制氢反应器的工作流程为：

(1)高温烟气对甲醇水二级汽化室300、二级汽化室翅片310加热，并沿着轴向方向进入由中心支架210、中心支架翅片211及反应器壳体100包围的轴向通道，并对中心支架210、中心支架翅片211进行加热，高温烟气最后通过烟气出口410排出。以上过程提供甲醇水汽化所需热量。其中，甲醇水在一级汽化室内的流向与高温烟气的流向相反，利于甲醇水吸收更多热量。

(2)甲醇水经过甲醇水一级汽化室加热后，通过甲醇水二级汽化室进气口320进入甲醇水二级汽化室300中。经过甲醇水一级汽化室以及甲醇水二级汽化室的加热后，甲醇水混合物完全汽化，温度达到300℃左右。此温度可调整，具体根据催化反应所需催化剂的最佳反应温度而定。

(3)高温汽化后的甲醇水通过多孔均流板330均流后，进入第一中心筒220a，开始反应气第一回程，反应气第一回程中气体温度保持在300℃左右。

(4)甲醇水气体至第一中心筒220a的第二端(末端)后，再折返进入第二中心筒230a，开始第二回程。反应气第二回程气体温度受到第一、第三回程温度影响，温度控制在300℃左右，因此整个重整器反应部各处内温度保持在300℃左右，契合催化剂反应最佳温度。

(5)甲醇水气体至第二中心筒230a的第一端后，再折返进入中心支架210内腔，开始第三回程，最后流经反应气出口420排出。反应气第三回程气体温度受到中心支架翅片211、中心支架210热传导，此温度＞300℃。

由于重整反应为吸热反应，随着反应进行，在第一中心筒220a内进行的反应气第一回程沿着轴向方向温度递减，在第二中心筒230a内进行的反应气第二回程沿着轴向方向反向温度递增，在中心支架210腔体内进行的反应气第三回程沿着轴向方向温度递减，但影响不大。这种温度场布置形式，使三个回程之间温度扰动加大，减少因为重整反应吸热引起的局部温度不均匀现象，提高了重整反应质量。

上述重整制氢反应器的制造方法，包括如下步骤：

(1)采用冲压式加工工艺制造甲醇水二级汽化室300、中心支架210；

(2)制造反应器壳体100、第一中心筒220a、第二中心筒230a；

(3)第一中心筒220a置于第二中心筒230a内，两者之间采用支撑板221a焊接；再将第二中心筒230a置于中心支架210的腔体内，两者之间采用支撑板231a焊接；

(4)中心支架210和反应器壳体100与重整器后盖板400采用法兰连接。

本实施例提供的多回程式重整制氢反应器具有如下优点：

(1)多孔均流板330、第一中心筒220a、第二中心筒230a、中心支架210、重整器后盖板400共同形成腔体，此腔体充斥甲醇水重整反应颗粒状催化剂，并确保催化剂颗粒不散漏；

(2)采用三回程式重整器设计，气态甲醇水流通长度是原来的三倍，流道长度增加使气态甲醇水与催化剂接触时间增多，反应效率提高；

(3)中心支架210和反应器壳体100与重整器后盖板400采用法兰连接，此种连接方式可拆卸，更换方便；

(4)第一中心筒220a、第二中心筒230a、中心支架210分别之间采用支撑板221a和支撑板231a焊接结构，支撑体系牢固，且维修方便；

(5)甲醇水二级汽化室300、中心支架210采用冲压式加工工艺制造，制造周期短、成本低。

(6)第一中心筒220a、第二中心筒230a、中心支架210是可拆卸结构，便于更换催化剂。

实施例2

在实施例1的技术方案中，第一中心筒220a、第二中心筒230a、中心支架210之间采用支撑板221a和支撑板231a焊接结构，但支撑板221a和支撑板231a面积较小，导热效率低。另一方面，第一中心筒220a、第二中心筒230a、中心支架210腔体内的甲醇水重整反应颗粒状催化剂也并非热的良导体。因此，中心支架翅片211从高温烟气吸收的热量，较难由中心支架210外壳传到至第一中心筒220a内部，导致三个气体回程的温度有差异。

为此，本实施例作了改进，如图6和图7所示。第一中心筒220b带有传热支撑板221b，传热支撑板221b从第一中心筒220b的首端一直延伸至末端。图7中采用了四片等间距排列的传热支撑板221b。根据传热需要，还可以继续增加传热支撑板221b数量，多个传热支撑板呈辐射状排列，类似中心支架翅片211那样。同理，第二中心筒230b也采用类似的传热支撑板，如图6中所示的传热支撑板231b从第二中心筒230b的首端一直延伸至其末端。通过设置这种加长且加多的传热支撑板，中心支架翅片211从高温烟气吸收的热量，能较多较快地由中心支架210外壳传递到至第二中心筒230b、第一中心筒220b，使整个反应部腔体内各处温度较为一致。

本实施例中重整制氢反应器的其他结构以及重整制氢工作流程等与实施例1中的相同，此处不再赘述。

本实施例中的重整制氢反应器的制造方法包括如下步骤：

(1)采用挤出成型加工工艺，制造反应器壳体、中心支架、第一中心筒、第二中心筒的一体成型件；

(2)第一中心筒的第二端切短一部分，在第二中心筒的第二端焊接上一个底板，使此端封闭；

(3)第二中心筒的第一端切短一部分，在中心支架腔体第一端焊接上一块盖板，将第一中心筒第一端与中心支架之间的端部区域封闭；

(4)在第一中心筒第一端安装多孔均流板；

(5)采用冲压式加工工艺制造甲醇水二级汽化室，安装在中心支架前端；

(6)制造重整器后盖板，依靠法兰安装在中心支架末端。

实施例3

在实施例1的技术方案中，两个中心筒之间、中心筒与中心支架之间都仅有首尾处气体连通，反应气流在连通处必须180度的折返才能继续前进，又因为第二中心筒的筒壁与筒底垂直，导致气流所受阻力很大，不利于重整制氢反应的进行。为了解决这个技术问题，本实施例提供了以下优化方案。

如图8所示，第一中心筒220c的筒壁上开有多个透气孔，孔径1～10毫米。反应气流在第一中心筒220c内从首端到尾端所受阻力逐渐增大，透气孔的作用是使筒壁内外的气体稍有交流(主要是从筒内壁向筒外壁流动)，这样可减小反应气流所受阻力。透气孔的设置方式与气流所受阻力的变化规律相对应，保证从第一中心筒220c的首端至尾端，透气孔的总面积逐渐增加。

在本实施例中，在第一中心筒220c第一纵深位置，均匀分布一圈等孔径的透气孔。透气孔的形状通常为圆孔，但也可以是其他形状的孔，只要满足催化剂基本不从这些透气孔内漏出即可。在第一中心筒220c的第二纵深位置，又均匀分布一圈等孔径的透气孔(如图9中的透气孔222)，且这些透气孔的孔径大于第一纵深位置处的透气孔孔径。在第一中心筒220c的第三纵深位置，又均匀分布一圈等孔径的透气孔，且这些透气孔的孔径又大于第二纵深位置处的透气孔(透气孔222)的孔径。除此之外，第三纵深与第二纵深之间的间距比第二纵深与第一纵深之间的间距小，也即透气孔越来越密。在第四纵深位置设置更密更大的透气孔，以此类推，直至布满整个第一中心筒220c尾端，图9中所示透气孔223是尾端最后一圈透气孔，也是孔径最大的透气孔。

同理，在第二中心筒230c的孔壁上也开有透气孔，透气孔的分布规律与第一中心筒220c上的类似，保证沿着反应气流在第二中心筒230c内行进的方向，透气孔的总面积逐渐增加，可以是：不同纵深位置透气孔的孔间距逐渐减小，并且孔面积逐渐增加；或者采用使透气孔总面积逐渐增加的其他布置方式。为了便于反应气流在第一中心筒220c与第二中心筒230c的连接处折返，第二中心筒230c的筒壁与筒底设有弧形连接部232进行过渡。

为了解决反应气流所受阻力逐渐增大的问题，除了上述在筒壁开设透气孔的做法之外，还可以采用变直径中心筒的方式，例如，把第一中心筒制成口小尾宽的喇叭形状。

实施例4

在实施例1、实施例2和实施例3的技术方案中，第一中心筒、第二中心筒嵌套安装在中心支架内，形成了首尾相接的三个反应回程。

可以增加更多的中心筒，每次增加双数个，形成更多反应回程。例如，再增加两个中心筒。这样，在中心支架内一共有四个中心筒，就会有五个反应回程，令重整反应更加充分。

本实用新型提供的多回程式重整制氢反应器，可以适用于重整制氢燃料电池发电的领域，如便携式发电箱、边远山区固定发电站、孤岛发电站等，有很大的应用优势与市场前景。制氢原料不限于甲醇溶液，还包括烷类、醇类等，以及生物合成气等气体，都可以通过本实用新型提供的重整制氢反应器进行制氢。

以上详细描述了本实用新型的较佳具体实施例。应当理解，本领域的普通技术人员无需创造性劳动就可以根据本实用新型的构思作出诸多修改和变化。因此，凡本技术领域中技术人员依本实用新型的构思在现有技术的基础上通过逻辑分析、推理或者有限的实验可以得到的技术方案，皆应在由权利要求书所确定的保护范围内。

Claims (9)

1.一种多回程式重整制氢反应器，其特征在于，包括反应部，所述反应部被配置为：由多个中心筒嵌套且依次首尾连通；制氢原料经过所述反应部时，具有正向与逆向的多个回程；

所述反应器包括：

反应器壳体；

中心支架，所述中心支架位于所述反应器壳体内，所述中心支架的外壁设有传热部件；所述中心支架与所述反应器壳体之间形成烟气通道；

第二中心筒，所述第二中心筒固定在所述中心支架内，所述第二中心筒的第一端开口并与所述中心支架的内腔连通，所述第二中心筒的第二端封闭；

第一中心筒，所述第一中心筒固定在所述第二中心筒内，所述第一中心筒的第一端与第二端都开口，所述第一中心筒的第二端与所述第二中心筒连通；

二级汽化室，所述二级汽化室与所述第一中心筒的第一端连通，在所述二级汽化室开有进气口。

2.根据权利要求1所述的一种多回程式重整制氢反应器，其特征在于，在所述烟气通道内集成有一级汽化室管路。

3.根据权利要求1所述的一种多回程式重整制氢反应器，其特征在于，所述反应器还包括后盖板，所述后盖板安装在所述中心支架的第二端，所述后盖板分别开有烟气出口、反应气出口与一级汽化室入口。

4.根据权利要求1所述的一种多回程式重整制氢反应器，其特征在于，所述传热部件包括以辐射状排列的多个第一传热翅片。

5.根据权利要求2所述的一种多回程式重整制氢反应器，其特征在于，所述二级汽化室的外壁设有多个第二传热翅片以及与所述一级汽化室连通的进气口。

6.根据权利要求1所述的一种多回程式重整制氢反应器，其特征在于，所述第一中心筒的外壁与所述第二中心筒的内壁以第一支撑板连接，所述第二中心筒的外壁与所述中心支架的内壁以第二支撑板连接。

7.根据权利要求6所述的一种多回程式重整制氢反应器，其特征在于，所述第一支撑板从所述第一中心筒的第一端延伸至第二端，所述第二支撑板从所述第二中心筒的第一端延伸至第二端。

8.根据权利要求6所述的一种多回程式重整制氢反应器，其特征在于，在所述第一中心筒的筒壁开有第一透气孔组，以及，在所述第二中心筒的筒壁开有第二透气孔组；

所述第一透气孔组中的透气孔被配置为：沿着气流在所述第一中心筒内行进的方向，透气孔的总面积逐渐增加；

所述第二透气孔组中的透气孔被配置为：沿着气流在所述第二中心筒内行进的方向，透气孔的总面积逐渐增加。

9.根据权利要求8所述的一种多回程式重整制氢反应器，其特征在于，所述第一透气孔组中的透气孔被配置为：沿着气流在所述第一中心筒内行进的方向，透气孔的孔间距逐渐减小，和/或，透气孔的孔面积逐渐增加；以及，

所述第二透气孔组中的透气孔被配置为：沿着气流在所述第二中心筒内行进的方向，透气孔的孔间距逐渐减小，和/或，透气孔的孔面积逐渐增加。

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