DD152794A1 - Vorrichtung zur gefahrlosen entspannung von hochdruckanlagen bei aethylenpolymerisationen - Google Patents

Vorrichtung zur gefahrlosen entspannung von hochdruckanlagen bei aethylenpolymerisationen Download PDF

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Abstract

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur gefahrlosen Entspannung von Hochdruckpolymerisationsanlagen des Aethylens sowie zur Aufnahme, Polymerabscheidung und kurzfristigen Speicherung der bei solchen Notentspannungen anfallenden Entspannungsgemischen. Die Vorrichtung besteht aus einem zylinder- oder kugelfoermigen, gegenueber der umgebenden Atmosphaere abgeschlossenen Behaelter, tangential eintretenden Entspannungsleitungen 2, einer Abscheideeinrichtung 3 sowie speziellen Abbrems- und Trenneinrichtungen 4 zur Trennung der Entspannungsstrahle in einen polymerarmen und polymerreichen Gasanteil (Fig.1) und weiteren Einbauten zur Abscheidung des im Entspannungsgemisch enthaltenen Polymeranteiles. Die Vorrichtung vermeidet bei Notentspannungen den Austritt von Entspannungsgasen in die Atmosphaere, wodurch die Moeglichkeit einer Zuendung der beim Austritt von Aethylen in die Atmosphaere entstehenden explosiven Aethylen/Luftgemische verhindert wird. Ferner wird durch das geschlossene Entspannungssystem eine Erhoehung der Anlagensicherheit erreicht und schlieszlich Voraussetzungen fuer eine Wiederverwendung der Entspannungsgase geschaffen.

Description

-A-
ЧШ Leuna-Werke Leuna, л 2 :':".
!!Walter Ulbricht!?
LP 8014
der Erfindung
Yorriohtung zur gefahrlosen Bitspannung von HocMruokanlagen bei Aethylenpolymerisationen
Anwendungsgebiet der Erfindung
Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur gefahrlosen Sitepannung von Hochdruckpolymerisationssystemen des Aethylens sowie zur Speicherung und Trennung von entspannten Gas-Polymer-Gemischen aus dem Bitspannungsgemisch, insbesondere bei Rohrreaktoranlagen·
Charakteristik der bekannten technischen Loesungen
Es ist bekannt, dass bei Rohrreaktoren durch eine spezielle Anordnung der Druckentlaetungseinrichtungen in Form programmgesteuerter Sicherheitsventile, entsprechend kurzen Anspruchzeiten und eines bestimmten Querschnitts der ühtspannungsoeffnungen im Verhaeltnis zum Reaktorvolumen bei auftretenden Zer3etzungareaktionen die erforderlichen Notentspannungen so schnell realisiert werden, dass materialschaedigende Auswirkungen infolge su hoher Druck- und Temperaturanstiege nicht
auftreten koennen (DD-PS 186839)· Diese Vorrichtung sowie die dort beschriebene Verfahrensweise der Durchführung von Kotentspannungen gewaehrleisten zwar einen ausreichenden Schutz des Reaktionssystems vor mechanischen Ueberbeanspruchungen durch zu hohe Druck- und Temperaturanstiege, es verbleibt jedoch die Moeglichkeit der Zuendung der Entspannungsgaswolke und deren Explosion in der Atmosphaere als Sicherheitsrisiko·
Es ist auch bekannt, dass die Hotentspannung des heissen Reaktionsgemisches von Rohrreaktoren in einen teilweise mit Wasser gefuellten Behaelter zur Abscheidung des im Eatspannungsgemisch in Form von Schmelzetroepfchen enthaltenen Polymeranteils und zur Kuehlung des heissen Entspannungsgases erfolgt und dann das so auf eine Temperatur unterhalb 373 K gekuehlte, nur noch Restmengen von Peststoff enthaltende Gas in die Atmosphaere entspannt wird (DE-OS 2 631 834)*
Dieses Verfahren bewirkt zwar, dass in der mit Wasser befueiiten Abscheidevorrichtung der Polymeranteil aus dem Entspannungsgemisch abgeschieden wird und dadurch die elektrostatische Aufladung der Schmelzetroepfchen als moegliche Zuendquelle der in die Atmosphaere entspannten Gaswolke ausscheidet, es verbleibt jedoch auch hier die Gefaehrdung einer Premdzuendung· Als Zuendquellen f uer eine Premdzuendung der Etitspannungsgaswolke nach deren Verduennung mit Luft auf einen Aethylengehalt in den Bereich der Explosions grenzen von Aethylen-Luf t-Gemischen sind die elektrostatische Aufladung der bei der Entspannung mitgerissenen Polymerschmelzetroepfchen, Blitzschlag und in petrochemischen Anlagen in der Umgebung befindliche Packelflammen in Betracht zu ziehen·
Ziel der Erfindung
Ziel der Erfindung ist die Entwiclung einer Vorrichtung zur gefahrlosen Durchfuehrung von Notentspannungen von Reaktionssystemen, in denen Aethylen unter Druecken oberhalb 50 IiPa radikalioch homo- oder copolymerisiert wird·
Darlegung des Wesens der Erfindung
Aufgabe der Erfindung ist es, eine Vorrichtung zu entwickeln, die es ermoeglicht, das bei Notentspannungen derartiger Systeme innerhalb weniger Sekunden mit hohen Geschwindigkeiten aus den Entspannungenleitungen ausstroemende Reaktionsgemisch aufzunehmen, das enthaltene Polymere zu separieren und abzuscheiden, das Gas kurzzeitig zu speichern und danach gefahrlos abzufuehren.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemaess durch eine Vorrichtung geloest, bestehend aus einem zylinder- oder kugelfoermigen Behaelter 1, dessen Volumen das 40- bis 1 20-fache des maximal zu entspannenden ReaktionsVolumens betraegt, einer oder mehreren EatSpannungsleitungen 2, einer im unteren Teil des Behaelters angeordneten, mit einer inerten Pluessigkeit gefuellten Abscheideeinrichtung 3» deren Durchmesser D„ zum Durchmesser des Behaelters D.. so gewaehlt wird, dass das Verhaeltnis D^:Dg 4 bis 6 betraegt, die oben offen ist und deren unterer, vorzugsweise konischer Teil als Dom teilweise oder ganz aus dem Behaelter 1 herausragt, und die durch Aussparungen 6 in der Seitenwand offen ist, so dass im gesamten Behaelter ein dem Stand im Abscheider entsprechender Fluessigkeitsstand aufrechterhalten wird, wobei eine oder mehrere Entepannungsleitungen mit speziellen Äbbrems- und Trenneinrichtungen 4 am oberen Drittel der Abscheideeinrichtung 3 so angeordnet sind, dass die Winkel zwischen den Achsen der tangential eingefuehrten Entspannungsleitungen und der vertikalen Achse der Abscheideeinrichtung > 90° betragen. ( Fi|# 1 bis 3). Die Abbrems- und Trenneinrichtung 4 ( f-i$, 4) besteht aus einem aeusseren kegelringfoermigen Ueberschalldiffusor 12 und einem inneren kegelfoermigen Ueberschalldiffusor 13 mit jeweils nachgeschalteten aeusseren und inneren Uhterschalldiffusoren 14, 15 sowie einem daran angeflanschten konischen Ringspaltabscheider 16.
Zur Erzielung einer ausreichenden Verminderung der Geschwindigkeiten der aus den Entspannungaleitungen 2 austretenden Entspennungsstrahle und einer optimalen Trennwirkung in
polymerarmes, direkt in den Entspannungsbehaelter 1 entspanntes Gas und in ein polymerreiches, in die zylindrische Abscheideeinrichtung 3 entspanntes Gemisch, werden zweekmaessigerweise die in Tabelle 1 angefuehrten Durchmesser-und Laengenverhaeltnisse fuer die konstruktive Auslegung der Abbrems- und Trenneinrichtung 4 eingehalten· Tabelle 1:
S4ZS3
5 bis 8 10 bis 1,2 bis 1,0 bis 0,35 0,08 1,0 bis 0,3 bis .20 1,5 2,0 bisO,55 bisO,15 1,2 1,0
Das Verhaeltnis 5 ergibt sich aus der jeweils gewaehlten
d4
Groesse des Scheitelhalbwinkels der Unterschalldiffusoren. Die Scheitelhalbwinkel der Untersehalldiffusoren werden im fuer diese Vorrichtungen bekannten Bereich von 2° 30 und 5°, vorzugBweise 4°, und die Scheitelhalbv/inkel der Ueberschalldiffusoren im Bereich von 15° bis 25°, vorzugsweise 20°, gewaehlt·
Fuer den Anstellwinkel der Lamellen der Ringspaltabscheider ist erfahrungsgemaess ein Winkel im Bereich von 50° bis 70° besonders guenstig·
Die in Tabelle 1 verwendeten Symbole fuer die Auslegung der Diffusoren und des Ringspaltabseheiders bedeuten im Einzelnen: d^ Innendurchmesser der Eintrittsoeffnung des inneren kegelfoermigen Ueberschalldiffusors 13
dp Innendurchmesser der Eintrittsoeffnung des aeusseren kegelringf0enaigen Ueberschalldiffusors 12
d3 Innendurchmesser der jeweiligen Entspannungsleitung 2
d4 Innendurchmesser der Austrittsoeffnung des inneren kegelfoermigen Ueberschalldiffusors und gleichzeitig der Eintrittsoeffnung des inneren kegelfoermigen Unterschalldiffusor 15
dcj Innendurchmesser der Austrittgoeffnung des inneren kegelfoermigen Unterschalldiffusors 15 und gleichzeitig der Eintrittsoeffnung des Ringspaltabscheiders 16
d.£ Innendurchmesser der Austrittsoeffnung des Ringspaltabscheiders 16
S- Abstand zwischen der Austrittsoeffnung der Entspannungsleitung 2 und der Eintrittsoeffnung in den inneren kegelfoermigen Ueberschalldiffusor 13
Sg Abstand zwischen der Austrittsoeffnung der Entspannungsleitung 2 und der Eintrittsoeffnung des aeusseren kegelringfoermigen Ueberschalldiffusor 12
S« Laenge des inneren kegelfoermigen Ueberschalldiffusors S^ Laenge des Ringspaltabscheiders 16 fit, 1 zeigt die Darstellung des geschlossenen Entspannungssystems·
Pi's· 2 zeigt eine Draufsicht auf die zylindrische Abscheideeinrichtung 3 mit der tangential symmetrischen Anordnung der Abbrems- und Trenneinrichtungen 4» von denen nur eine volletaendig dargestellt ist, waehrend fuer die anderen lediglich die Stutzen eingezeichnet sind· Die Anzahl dieser Einrichtungen 4 entspricht der Anzahl der Entspannungsleitungen·
.iF4<|. 3 zeigt einen Querschnitt des Abscheiders 3 mit dem konischen Unterteil.
P,'ä · 4 zeigt eine der Abbrems- und Trenneinrichtungen 4· Die erfindungsgemaesse Vorrichtung wird mit Hilfe der Abbildungen 1 bis 4 in ihrer Funktion beschrieben·
Pij· 1 zeigt eine Darstellung des geschlossenen Entspannungssystems in der bevorzugten Ausfuehrung als Kugelbehaelter 1. Das Entspannungsgemisch tritt ueber die Entspannungsleitungen 2 aus und wird unmittelbar ueber die jeder Eatspannungsleitung zugeordneten Abbrems- und Trenneinrichtung 4 dem Behaelter 1 zugefuehrt. Diese Abbrems- und Trenneinrichtungen als wesentlicher Teil der Vorrichtung bestehen aus einem aeusseren kegelringfoermigen und einem inneren kegelfoermigen Ueberschalldiffusor 12, 13 mit jeweils nachgeschalteten aeusseren und inneren Unterschalldiffusoren 14, 15· Das Wirkprinzip der Ueberschalldiffusoren 12, 13 beruht darauf, dass die Verminderung der Geschwindigkeit des Entspannungsgeraisches von
Ueberschall- auf Unterschallgeschwindigkeit durch gezielte Erzeugung schraeger Verdichtungsstoesse erfolgt und in den nachgeschalt e.t en ünterschalldiffusoren 14, 15 die Geschwindigkeit weiter herabgesetzt wird (s· fifl, 4)·
Die Abstaende zwischen der Austrittsoeffnung der jeweiligen Entspannungsleitung 2 und den Eintrittsoeffnungen der zugeordneten aeusseren kegelfoermigen und inneren kegelfoermigen üeberschalldiffusoren sind so gewaehlt, dass durch die Strahlenaufweitung des aus den Eatspannungsleitungen austretenden Gemisches infolge der groesseren Traegheit des mitentspannten Polymeranteiles und der damit verbundenen Konzentrierung dieses Anteiles im Kernbereich des jeweiligen Entspannungsstrahles bereits eine erste Vortrennung des Eatspannungsgemisches erfolgt.
Das weitgehend polymerfreie Entspannungsgas der Randzonen der jeweiligen Eatspannungsstrahle durchötroemt die aeusseren kegelringfоermigen Üeberschalldiffusoren 12 sowie die nachgeschalteten Ünterschalldiffusoren 14 und expandiert mit entsprechend verringerter Geschwindigkeit direkt ohne weitere Behandlung in das freie Volumen des umgebenden Eatspannungsbehaelters 1·
Der polymerreiche Kernstrahl durchstroemt dagegen den inneren kegelfoermigen Ueberschalldiffusor 13 sowie den nachgeschalteten Unterschalldiffusor 15 und tritt anschliessend in einen direkt am Unterschalldiffusor 15 angeflanschten Ringspaltabscheider 16 ein· Dieser bewirkt infolge der Druckdifferenz zwischen dem Druck des umgebenden Entspannungsbehaelters und dem hoeheren Druck des den Ringspaltabscheider 16 durchstroemenden Entspannungsgemisches einerseites und der infolge der konischen Anordnung des Ringspaltabscheiders auftretenden Staupunktstroemung mit anschliessender Eckumstroemung andererseites eine weitere Konzentrierung des Polymeranteiles in Stroemungsrichtung, da polymerarmes Entspannungsgas durch die Ringspalten des Abscheiders 3 in das umgebende freie Volumen des Eatspannungsbehaelters 1 abstroemt, waehrend die Polymertroepfchen infolge ihrer groesseren Traegheit den Ringspaltabscheider 16 in Richtung der Laengsachse durchstroemen und
tangential in den mit Pluessigkeit 11 angefuellten zylindrischen Abscheider 3 eintreten, in dem dann die endgueltige Polymer ab scheidung in feinverteilter Form erfolgt· Ueber den Eatleerungsstutzan. 5 und das Ventil 7 erfolgt die Austragung des syspendierten Polymeren· Das Entspannungsgas wird ueber die Leitung 10 aus dem Behaelter 1 entfernt· Die Leitung 9 mit Berieselungsring im Inneren des Behaelters 1 dient der Zugabe von Flüssigkeit fuer die Polymerenabscheidung. Der Berieselungsring wird dabei so gestaltet, dass die aufgegebene Pluessigkeit an den Behaelterinnenwaenden nach unten fliesst und gegebenenfalls ausserhalb des Abscheiders 3 angefallenes Polymeres nach unten spuelt· Zu diesem Zweck ist ein zusaetzlicher Stutzen 8 im konischen Teil des Abscheiders eingebracht ueber den mittels einer Pumpe Pluessigkeit angesaugt und im Kreislauf bei 9 wieder aufgegeben wird.
Die Punktion des erfindungsgemaessen geschlossenen Entspannungssystems wird nachfolgend anhand eines Beispiels naeher erlaeutert·
Ausfuehrüngsbeispiel
Durch Ueberschreiten des Temperaturgrenzwertes wird in einem bei 240 MPa arbeitenden Rohrreaktor zur Polyaethylenerzeugung eine Hotentspannung ausgeloest· Innerhalb von 3 see werden insgesamt 373 kg BitSpannungsgemisch mit einem durchschnittlichen Polymergehalt von 15 Ma% ueber 4 Entspannungsleitungen der Nennweite 60 in ein geschlossenes Entspannungssystem vom auf Abbildung 1 dargestellten Aufbau eingefuehrt·
Das Volumen des als Entspannungsbehaelter 1 eingesetzten Kugelbehaelters betraegt 800 mr· Das Entspannungsgemisch tritt mit einer Geschwindigkeit von 465 m/s und einer Temperatur von 598 K aus den Entspannungsleitungen 2 aus und wird unmittelbar in die jeder Entspannungsleitung zugeordneten Äbbrems- und Trennvorrichtung 4 eingefuehrt· Diese jeweils aus Ueberschall- und üaterschalldiffusoren 13, 14 mit nachgeschaltetem Ringspaltabscheider 16 bestehenden Einrichtungen weisen den
in Abbildung 4 dargestellten Aufbau aus und sind durch folgende Durchmesser-Laengenverhaeltnisse charakterisiert.
S2Zd2 S3Zd1 S4ZS3 d2Zd3 « ^ 0,44 0,11 1,1 0,7 13,8 6,66 1,33 1,25
Als Scheitelhalbwinkel fuer die Unterschalldiffusoren werden 4° und fuer die Scheitelhalbwinkel der Ueberschaildiffusoren werden 25° gewaehlt. Die Geschwindigkeiten betragen bei Ausstroemen aus den Satspannungsleitungen 2 465 mZs, bei Eintritt in den inneren kegelfoermigen Ueberschalldiffuor 13 IO6O mZs, am Ausgang des Ueberschalldiffusors und Eingang in den Unterschalldiffusors 15 264 ш/з und am Ausgang des Unterschalldiffusors bei Eintritt in dem Ringspaltabscheider 16 129 mZs.
Infolge der StrahlaufWeitung treten bei dem gewaehlten Abstand zwischen der Austrittsoeffnung der Entspannungsleitung und der Eintrittsoeffnung in den inneren kegelfoermigen Ueberschaldiffusor 27 % des Gasanteiles des Bntspannungsgemisches, d.h 85,6 kg Aethylen ueber den aeusseren kegelringfoermigen Ueberschalldiffusors 12 und den nachgeschalteten Unterschall-diffusor 14 direkt in den kugelfoermigen Eat spannungsbehaelter 1 ein.
Der Kernstrahl, bestehend aus 231,4 kg Aethylen und 56 kg Polyaethylen, durchlaeuft den inneren kegelfoermigen Ueberschallund Unterschalldiffusor 13, 15 und tritt mit einer Geschwindigkeit von 129 mZs in den Ringspaltabscheider ein. Infolge der Druckdifferenz und der durch die Staupunktstroemung verursachten Eckumstroemung treten weitere 51 % des Gases ueber die Ringspalten direkt in den Entspannungsbehaelter 1 ein.
Der in den mit Wasser gefuellten zylindrischen Teil der Abscheideeinrichtung 3 am Eoden des Satspannungsbehaelters tangential oberhalb des Pluessigkeitsstandes eintretende
Reststrahl enthaelt nur noch 22 % der Anfangsgasmenge. Dieser Reststrahl, bestehend aus 56 kg Polyaethylen und 70 kg Aethylen, trifft auf die Wasseroeberflaeche auf· Die Schmelzetroepfchen fallen infolge der auftretenden Scherkraefte und des Kuehleffektes als fоinverteilte Feststoffpartikel an, waehrend das Aethylen in das umgebende" Volumen des Bitspannungsbehaelters expandiert.
Die Abscheideeinrichtung 3 weist den in Abbildung 3 dargestellten Aufbau aus und die vier Abbrems- und Trennvorrichtungen sind in der auf Abbildung 2 dargestellten tangential eymetrischen Anordnung am oberen Drittel des Zylinders angeflanscht· Das Durchmesserverhaeltnis von D1 (Durchmesser des ihtspannungsbehaelters 1) zu D2 (Durchmesser der zylindrischen Abscheideeinrichtung 3) d&r eingesetzten Vorrichtung betraegt 4·
Dar Winkel zwischen der Achse der eintretenden Eatspannungsetrahle und der vertikalen Achse der Abscheideeinrichtung 3 wird 100° gewaehlt.
Der Druck im Ekitspannungsbehaelter betraegt nach dem EntspannungsVorgang 0,23 Ш?а.
Das Wasser wird mit dem enthaltenen Polymeren ueber das Ventil 7 aus dem ühtspannungsbehaelter abgelassen und ueber den Berieselungsring neues Wasser vorgelegt·
Das Aethylen wird ueber die Leitung 10 aus dem Bitspannungsbehaelter abgefuehrt und kann wahlweise einer Wiederverwertung oder einer Fackel zur Verbrennung zugefuehrt werden·

Claims (1)

  1. у 10 Erfindungsansprueche
    1» Vorrichtimg zur gefahrlosen Ihtspannung, Speicherung und Trennung von Entspannungsgemischen aus Aethylenhochdruckpolymerisationsanlagen, bestehend aus einem zylinder- oder kugelfoermigen Behaelter (1), dessen Volumen das 40- bis 120-fache des maximal zu entspannenden Reaktantenvolumens betraegt, einer oder mehreren Eiitspannungsleitungen (2), einer im unteren Teil des Behaelters angeordneten, mit einer inerten Pluessigkeit gefuellten Abscheideeinrichtung (3), deren Durchmesser D2 zum Durchmesser des Behaelters D1 so gewaehlt wird, dass das Verhaeltnis D1:D2 4 bis 6 betraegt, die oben offen ist und deren unterer, vorzugsweise konischer Teil als Dom teilweise oder ganz aus dem Behaelter herausragt, und die durch Aussparungen (6) in der Seitenwand offen ist, so dass im gesamten Behaelter (1) ein dem Stand im Abscheider entsprechender Flüssigkeitsstand aufrechterhalten wird, wobei eine oder mehrere ihtspannungsleitungen (2) mit speziellen Abbrema- und Trenneinrichtungen (4) am oberen Drittel der Abscheideeinrichtung (3) so angeordnet sind, dass die Winkel zwischen den Achsen der tangential eingefuehrten Entspannungsleitungen und der vertikalen Achse der Abscheideeinrichtung >90° betragen (Pi^, 1 bis 3)·
    2· Vorrichtung gemaess Punkt 1, dadurch gekennzeichnet, dass eine Abbrems- und Trenneinrichtung (4) verwendet wird, bestehend aus einem aeusseren kegelringfоermigen und einen inneren kegelfоermigen Ueberschalldiffusor (12)(13) mit jeweils nachgeschalteten aeusseren und inneren IMterschalldiffusoren (14)(15) sowie einem daran angeflanschten konischen Ringspaltabscheider (16)·
    3· Vorrichtung gemaess Punkt 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, dass fuer die konstruktive Auslegung der Ueberschall- und ünterschalldiffusoren (14)Ü5), sowie der Ringspaltabscheider (16) und fuer die Abstaende zwischen den Austrittsöeffnungen der Bitspannungsleitungen und den Eintritts-
    oeffnungen in die Ueberschalldiffusoren folgende Verhaeltnisse gewaehlt werden:
    = 5 bis 8; ^H = 1° ЪІ° 20; d4^d3 s 1»2 bis 1»5 = 1,0 bis 2,0;
    11 = 0,35 bis 0,55; Sg/d2 = 0,08 bis 0,15; S3M1 = 1,0 bis
    1,2 und SA/So = 0,3 bis 1,0, wobei die angefuehrten Symbole fuer die folgenden Abmessungen stehen:
    d1 Innendurchmesser der lüntrittsoeffnung des inneren kegelfoermigen Ueberechalldiffusors
    dp Innendurchmesser der Eintrittsoeffnung des aeusseren kegelringf0ermigen ueberschalldiffusors
    do Innendurchmesser der jeweiligen Eatspannungsleitung
    d. Innendurchmesser der Austrittsoeffnung des inneren kegelfoermigen Ueberschalldiffusors und gleichzeitig der Eintritt so effnung des inneren kegelfoermigen Unterschalldiffusors
    de Innendurchniesser der Austrittsoeffnung des inneren kegelfoerriigen Unterschalldiffusors und gleichzeitig der Eintrittooeffnung des konischen Ringspaltabscheiders
    dg Innendurchmesser der Austrittsoeffnung des konischen Ringspaltabscheiders
    S1 Abstand zwischen der Austrittsoeffnung der jeweiligen Bitspannungsleitung und der Eintrittsoeffnung des zugeordneten inneren kegelfoermigen Ueberschalldiffusors·
    Sp Abstand zwischen der Austrittsoeffnung der jeweiligen Entspannungsleitung und der Eintrittsoeffnung des zugeordneten aeusseren kegelringfоermigen Ueberschalldiffusors
    So Laenge des inneren kegelfoermigen Ueberschalldiffusors S. Laenge des konischen Ringspaltabscheiders Hierzu gehoeren 4 Blatt Zeichnungen
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