DE102014005936A1 - Verfahren zum Verflüssigen einer Kohlenwasserstoff-reichen Fraktion - Google Patents
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Abstract
Es wird ein Verfahren zum Verflüssigen und Unterkühlen einer Kohlenwasserstoffreichen Fraktion, insbesondere von Erdgas, beschrieben, wobei die Fraktion nach erfolgter Abkühlung einer der Abtrennung von schweren Kohlenwasserstoffen, insbesondere von Benzol, dienenden Teilkondensation unterworfen wird. Erfindungsgemäß wird a) die verflüssigte Kohlenwasserstoff-reiche Fraktion (7) in einem separaten Wärmetauscher (E3) unterkühlt (Normalbetrieb), b) die Zuführung der verflüssigten Kohlenwasserstoff-reichen Fraktion (7) zu dem Wärmetauscher (E3) spätestens bei Erreichen eines definierten Feststoffablagerungswertes im Wärmetauscher (E3) unterbrochen (Reinigungsbetrieb), c) der Feststoff im Wärmetauscher (E3) mittels eines Defrostgases (10, 11) aufgeschmolzen und aus dem Wärmetauscher (E3) abgezogen, und d) anschließend die verflüssigte Kohlenwasserstoff-reiche Fraktion (7) wieder dem Wärmetauscher (E3) zugeführt.
Description
- Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Verflüssigen und Unterkühlen einer Kohlenwasserstoff-reichen Fraktion, insbesondere von Erdgas, wobei die Fraktion nach erfolgter Abkühlung einer der Abtrennung von schweren Kohlenwasserstoffen, insbesondere von Benzol, dienenden Teilkondensation unterworfen wird.
- Das Verflüssigen und Unterkühlen einer Kohlenwasserstoff-reichen Fraktion erfolgt üblicherweise gegen wenigstens einen Kältemittelkreislauf und/oder wenigstens einen Kältemittelgemischkreislauf.
- Beim Verflüssigen Kohlenwasserstoff-reicher Fraktionen, insbesondere Erdgas, besteht eine wichtige Aufgabe darin, Betriebsstörungen durch Ausfrieren bestimmter Komponenten der zu verflüssigenden Fraktion zu verhindern. Wasser und Kohlendioxid werden üblicherweise zu Beginn der Verfahrensabfolge bei Umgebungstemperatur durch eine chemische Wäsche (z. B. Aminwäsche) und/oder adsorptive Verfahren soweit abgetrennt, dass sie bei der Verflüssigung der Kohlenwasserstoff-reichen Fraktion keine unerwünschte Feststoffbildung verursachen.
- Gefriergefährdete, schwere Kohlenwasserstoffe (SKW) – der Begriff ”schwere Kohlenwasserstoffe” umfasse nachfolgend C6+-Kohlenwasserstoffe –, insbesondere Benzol, lassen sich nur mit hohem Aufwand aus der zu verflüssigenden Fraktion bei Umgebungsbedingungen abtrennen. Daher wird häufig nach einer geringen Teil-Kondensation des Einsatzgases eine SKW-reiche Flüssigkeitsfaktion in einem Abscheider abgezogen, wodurch eine Gefriergefährdung der diesem Abscheider abströmenden Gasphase während der anschließenden Verflüssigung und Unterkühlung hinreichend verringert wird.
- Eine ausreichende Abreicherung von SKWs, insbesondere von Benzol, aus der Gasphase durch Teilkondensation ist in der Regel jedoch nur dann gewährleistet, wenn das zu verflüssigende Gasgemisch Komponenten im mittleren Siedebereich, bspw. Propan, Butan und/oder Pentan enthält, die sich beim Abkühlen des Einsatzgases in hinreichender Menge vor den SKWs verflüssigen und somit als Lösungsmittel für diese dienen.
- Sofern die Zusammensetzung des Einsatzgases aufgrund einer unzureichenden Konzentration an Mittelsiedern – in diesem Falle spricht man von einem sog. mageren Gas – eine hinreichende Abreicherung von Benzol (typischerweise auf < 1 vppm) durch partielle Kondensation und anschließende Abtrennung der SKW-reichen Flüssigkeit nicht erlaubt, kann es weiterhin zu einem ungewollten Ausfrieren kommen.
- Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein gattungsgemäßes Verfahren zum Verflüssigen und Unterkühlen einer Kohlenwasserstoff-reichen Fraktion, insbesondere von Erdgas, anzugeben, das ein zuverlässiges und wirtschaftliches Abtrennen von schweren Kohlenwasserstoffen auch unter diesen Bedingungen ermöglicht.
- Zur Lösung dieser Aufgabe wird ein Verfahren zum Verflüssigen und Unterkühlen einer Kohlenwasserstoff-reichen Fraktion, insbesondere von Erdgas, vorgeschlagen, das dadurch gekennzeichnet ist, dass
- a) die verflüssigte Kohlenwasserstoff-reiche Fraktion in einem separaten Wärmetauscher unterkühlt (Normalbetrieb),
- b) die Zuführung der verflüssigten Kohlenwasserstoff-reichen Fraktion zu dem Wärmetauscher spätestens bei Erreichen eines definierten Feststoffablagerungswertes im Wärmetauscher unterbrochen (Reinigungsbetrieb),
- c) der Feststoff im Wärmetauscher mittels eines Defrostgases aufgeschmolzen und aus dem Wärmetauscher abgezogen, und
- d) anschließend die verflüssigte Kohlenwasserstoff-reiche Fraktion wieder dem Wärmetauscher zugeführt wird.
- Erfindungsgemäß wird die bereits verflüssigte Kohlenwasserstoff-reiche Fraktion nunmehr in einem separaten Wärmetauscher (Unterkühler) unterkühlt, in dem bewusst ein Ausfrieren bzw. Ablagern von Feststoff zugelassen wird. Bei der Verflüssigung von Erdgas wird somit gezielt eine Feststoffbildung der schweren Kohlenwasserstoffe bei einer Temperatur von weniger als –70°C, vorzugsweise von weniger als –80°C im Unterkühler angestrebt. Bei Erreichen eines definierten Feststoffablagerungswertes in diesem separaten Wärmetauscher wird der Normalbetrieb unterbrochen und in den Reinigungsbetrieb gewechselt. Dazu wird die Zuführung der verflüssigten und zu unterkühlenden Kohlenwasserstoff-reichen Fraktion zum Unterkühler unterbrochen und die verflüssigte Fraktion unmittelbar ihrer weiteren Verwendung und/oder einer Zwischenspeicherung zugeführt. Der vorgenannte definierte Feststoffablagerungswert kann beispielsweise durch einen erhöhten Druckabfall der zu unterkühlenden Kohlenwasserstoff-reichen Fraktion beim Durchgang durch den Unterkühler bestimmt werden. Erfindungsgemäß wird im Reinigungsbetrieb durch den Einsatz eines Defrostgases geeigneter Menge und Temperatur der Feststoff aufgeschmolzen und anschließend an geeigneter Stelle, vorzugsweise an einem bzw. den Rohrleitungstiefpunkten, und in konzentrierter Form aus dem separaten Wärmetauscher abgezogen und im Regelfall an der Anlagengrenze abgegeben. Menge und/oder Temperatur des Defrostgases sind so zu wählen, dass wenigstens 50%, vorzugsweise wenigstens 70% der Feststoffmenge aufgeschmolzen und entfernt werden können. Das erfindungsgemäße Verfahren weiterbildend wird vorgeschlagen, dass nach erfolgtem Aufschmelzen des Feststoffes in dem separaten Wärmetauscher zumindest diejenigen Wärmetauscherpassagen des separaten Wärmetauschers, in denen eine Feststoffbildung erfolgen kann, mittels eines gasförmigen oder flüssigen Spülmediums gespült werden. Dieses Spülen dient dem Aufschmelzen und Entfernen der verbliebenen Feststoffe in dem separaten Wärmetauscher. Als Spülmedium eignet sich insbesondere trockener Stickstoff oder eine Boil-off-Gas-Fraktion, die bei der Zwischenspeicherung der verflüssigten und unterkühlten Kohlenwasserstoff-reichen Fraktion anfällt.
- Nach erfolgter Reinigung wird die Zuführung des Defrostgases bzw. des Spülmediums beendet und in den Normalbetrieb übergegangen, wozu die verflüssigte und zu unterkühlende Kohlenwasserstoff-reiche Fraktion erneut dem separaten Wärmetauscher zugeführt wird
- Sofern die verflüssigte Kohlenwasserstoff-reiche Fraktion im Normalbetrieb im separaten Wärmetauscher gegen wenigstens einen Kältemittelstrom und/oder wenigstens einen Kältemittelgemischstrom unterkühlt wird, ist eine vorteilhafte Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens zum Verflüssigen und Unterkühlen einer Kohlenwasserstoff-reichen Fraktion dadurch gekennzeichnet, dass im Reinigungsbetrieb dieser Kältemittelstrom und/oder Kältemittelgemischstrom zur Kühlung der zu verflüssigenden Kohlenwasserstoff-reichen Fraktion verwendet werden.
- Aufgrund der vorbeschriebenen, im Reinigungsbetrieb realisierten Umspeisung des Kältemittelstromes und/oder Kältemittelgemischstromes, übernimmt der stromaufwärts des separaten Wärmetauschers gelegene Wärmetauscher bzw. Wärmetauscherbereich zumindest teilweise die Unterkühlfunktion des separaten Wärmetauschers. Mittels dieser Verfahrensführung kann wirkungsvoll vermieden werden, dass die verflüssigte Kohlenwasserstoff-reiche Fraktion den Verflüssigungsbereich im Reinigungsbetrieb deutlich wärmer verlässt als die unterkühlte Fraktion den separaten Wärmetauscher im Normalbetrieb. Die am kalten Ende des Verfahrens abgezogene verflüssigte Kohlenwasserstoff-reiche Fraktion weist somit auch im Reinigungsbetrieb eine Temperatur auf, die höchstes 30°C, vorzugsweise nicht mehr als 20°C über der Temperatur der unterkühlten Kohlenwasserstoff-reichen Fraktion im Normalbetrieb liegt.
- Sofern die zu verflüssigende Kohlenwasserstoff-reiche Fraktion gegen wenigstens einen Kältekreislauf verflüssigt und unterkühlt wird, wird gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens das für den Reinigungsbetrieb erforderliche Defrostgas durch einen Teilstrom des in dem Kältekreislauf zirkulierenden Kältemittels gebildet. Weist dieser Kältekreislauf beispielsweise eine zweistufige Verdichtereinheit auf, so kann der als Defrostgas dienende Kältemittelteilstrom von der Saugseite der zweiten Verdichterstufe entnommen, auf einen geeigneten Druck entspannt und ggf. temperiert, durch den separaten Wärmetauscher geführt und anschließend der Saugseite der ersten Verdichterstufe zugeführt werden.
- Das erfindungsgemäße Verfahren zum Verflüssigen und Unterkühlen einer Kohlenwasserstoff-reichen Fraktion sowie weitere vorteilhafte Ausgestaltungen desselben seien nachfolgend anhand der in den
1 und2 dargestellten Ausführungsbeispiele näher erläutert. - Hierbei zeigt die
1 eine Verfahrensführung, bei der die Verflüssigung und Unterkühlung der Kohlenwasserstoff-reichen Fraktion gegen einen Gemischkreislauf erfolgt, während bei der in der2 dargestellten Verfahrensführung ein zweistufiger Stickstoff-Expanderkreislauf zum Einsatz kommt. - Die zu verflüssigende Kohlenwasserstoff-reiche Einsatzfraktion
1 , bei der es sich beispielsweise um ein sog. mageres Erdgas handelt, wird vor der eigentlichen Verflüssigung einer Abtrenneinheit A zugeführt, in der mittels einer chemischen Wäsche und/oder eines adsorptiven Verfahrens Wasser und Kohlendioxid, die über Leitung2 abgezogen werden, abgetrennt werden. Die derart vorgereinigte Einsatzfraktion3 wird einem ersten Wärmetauscher bzw. Wärmetauscherbereich E1 zugeführt, in diesem abgekühlt und teilkondensiert. Die teilkondensierte Fraktion4 wird sodann einem Abscheider D1 zugeführt und diesem in eine schwere Kohlenwasserstoffe enthaltende Flüssigfraktion5 sowie eine Kohlenwasserstoff-reiche Gasfraktion6 aufgetrennt. Während die Erstgenannte über Regelventil V6 aus dem Sumpf des Abscheiders D1 abgezogen wird, wird die gasförmige Fraktion6 im zweiten Wärmetauscher bzw. Wärmetauscherbereich E2 verflüssigt. Die verflüssigte Kohlenwasserstoff-reiche Fraktion7 wird erfindungsgemäß in einem separaten Wärmetauscher bzw. Unterkühler E3 unterkühlt. Über Ventil V4 wird die unterkühlte Kohlenwasserstoff-reiche Fraktion8 – im Falle von Erdgas stellt diese die LNG-Produktfraktion dar – ihrer weiteren Verwendung und/oder Zwischenspeicherung zugeführt. Die vorbeschriebenen Wärmetauscher E1 bis E3 können als gewickelte Wärmetauscher und/oder gelötete Plattenaustauscher ausgeführt sein. - Bei der in der
1 dargestellten Verfahrensführung erfolgen Abkühlen, Verflüssigen und Unterkühlen der Kohlenwasserstoff-reichen Fraktion gegen einen Gemischkreislauf, der eine zweistufige Verdichtereinheit C1 aufweist. Das in den Wärmetauschern E1 bis E3 verdampfte und angewärmte Kältemittel wird über Leitung20 einem der ersten Stufe der Verdichtereinheit C1 vorgeschalteten Behälter D2 zugeführt. Die in ihm anfallende Gasfraktion21 wird in der ersten Verdichterstufe der Verdichtereinheit C1 auf einen Zwischendruck verdichtet, im Zwischenkühler E4 abgekühlt und teilkondensiert und über Leitung22 einem zweiten Abscheider D3 zugeführt. Die ihn ihm anfallende Gasfraktion23 wird in der zweiten Verdichterstufe der Verdichtereinheit C1 auf den gewünschten Kreislaufendlauf verdichtet und über Leitung27 , in der ein Nachkühler E5 angeordnet ist, dem dritten Abscheider D4 zugeführt. - Die aus dem Sumpf des zweiten Abscheiders D3 entnommene Flüssigfraktion
25 wird im Wärmetauscher E1 abgekühlt. Anschließend wird diese Fraktion im Ventil V1 kälteleistend entspannt und über Leitung26 im Gegenstrom zu der abzukühlenden Kohlenwasserstoff-reichen Einsatzfraktion3 durch den Wärmetauscher E1 geführt. Während die im dritten Abscheider D4 anfallende Flüssigfraktion28 über das Regelventil V5 vor den zweiten Abscheider D3 zurückgeführt wird, wird die im dritten Abscheider D4 anfallende Gasfraktion29 ebenfalls im Wärmetauscher E1 abgekühlt und teilkondensiert und sodann im Abscheider D5 in eine Flüssigfraktion30 sowie eine Gasfraktion32 aufgetrennt. - Letztere wird in den Wärmetauschern E2 und E3 kondensiert und unterkühlt, im Ventil V3 kälteleistend entspannt und über Leitung
33 zur Bereitstellung der im separaten Wärmetauscher E3 benötigten Spitzenkälte durch diesen geführt. Über Regelventil V7 und Leitung34 wird diese Fraktion anschließend der im Wärmetauscher E2 abgekühlten Flüssigfraktion30 zugemischt. Diese wird im Entspannungsventil V2 kälteleistend entspannt und anschließend über Leitung31 im Gegenstrom zu der abzukühlenden und zu verflüssigenden Kohlenwasserstoff-reichen Einsatzfraktion3 /6 durch die Wärmetauscher E2 und E3 geführt. - Erfindungsgemäß ist der Wärmetauscher bzw. Unterkühler E3 als eigenständiger Apparat ausgeführt. Er ist mit den Wärmetauschern E1 und E2 lediglich über Rohrleitungen verbunden. Wird nunmehr ein definierter Feststoffablagerungswert im Wärmetauscher E3 erreicht, wird vom Normalbetrieb in den Reinigungsbetrieb umgeschaltet. Dazu wird das Ventil V4 geschlossen und das Ventil V9 geöffnet, so dass die verflüssigte Kohlenwasserstoff-reiche Fraktion
7 über Leitung9 den Wärmetauscher E3 umgeht. Zeitgleich werden die Ventile V3 und V7 geschlossen und Ventil V8 geöffnet, so dass die aus dem Abscheider D5 abgezogene Gasfraktion32 nunmehr ausschließlich durch den Wärmetauscher E2 geführt wird. Durch diese Umspeisung der Kältemittelfraktion32 übernimmt der Wärmetauscher E2 zumindest teilweise die im Normalbetrieb im separaten Wärmetauscher E3 realisierte Unterkühlung der verflüssigten Kohlenwasserstoff-reichen Fraktion. - Zeitgleich mit dem vorbeschriebenen Öffnen und Schließen der Ventile V3, V4 und V7 bis V9 wird bei geöffneten Ventilen V10 und V11 über Leitung
10 ein Defrostgas geeigneter Menge und Temperatur durch den Wärmetauscher E3 geführt und über Leitung11 abgezogen. Der in der Leitung10 vorgesehene Wärmetauscher E6 dient der Temperierung dieses Defrostgases. Anstelle der im Normalbetrieb durch den Wärmetauscher E3 strömenden Kältemittelfraktion32 dient nunmehr das Defrostgas10 als Wärmeträger und bewirkt, dass die im Wärmetauscher E3 angelagerten Feststoffe aufschmelzen. Diese können zwischen den Wärmetauschern E2 und E3 an einer geeigneten Stelle, beispielsweise an den Rohrleitungstiefpunkten über entsprechende, der Übersichtlichkeit halber nicht dargestellte Absperrventile, in konzentrierter Form abgezogen werden. - Bei der in der
2 dargestellten Verfahrensführung erfolgen Abkühlen, Verflüssigen und Unterkühlen der Kohlenwasserstoff-reichen Einsatzfraktion durch einen zweistufigen Stickstoff-Expanderkreislauf. Da die Verfahrensführung der zu verflüssigenden und zu unterkühlenden Kohlenwasserstoff-reichen Einsatzfraktion hierbei identisch zu derjenigen der1 ist, wird auf sie im Folgenden nicht mehr eingegangen; im Folgenden wird daher lediglich der Stickstoff-Expanderkreislauf beschrieben. - Das in den Wärmetauschern E1 bis E3 angewärmte, Stickstoff-reiche Kältemittel
40 wird in der ersten Verdichterstufe der Verdichtereinheit C1' auf einen Zwischendruck verdichtet, im Zwischenkühler E4' abgekühlt und über Leitung41 der zweiten Verdichterstufe der Verdichtereinheit C1' zugeführt. Das auf den Kreislaufenddruck verdichtete Kältemittel42 wird im Nachkühler E5' abgekühlt und in den Wärmetauschern E1 und E2 abgekühlt. Ein erster Teilstrom43 des abgekühlten Kältemittels wird einem ersten Expander X1 zugeführt, in diesem kälteleistend und arbeitsleistend entspannt und über Leitung44 im Gegenstrom zu der zu verflüssigenden Kohlenwasserstoff-reichen Einsatzfraktion3 durch die Wärmetauscher E2 und E1 geführt. Der zweite Kältemittelteilstrom45 wird im zweiten Expander X2 ebenfalls kälteleistend und arbeitsleistend entspannt, über Leitung46 im Gegenstrom zu der zu unterkühlenden Kohlenwasserstoff-reichen Fraktion7 durch den separaten Wärmetauscher E3 geführt und anschließend über Ventil V7' dem vorbeschriebenen Kältemittelteilstrom44 beigemischt. - Bei Erreichen des definierten Feststoffablagerungswertes im Wärmetauscher E3 wird der zweite Expander X2 außer Betrieb genommen. Zeitgleich werden Ventil V7' geschlossen und die Ventile V8', V10' und V11' geöffnet. Der zweite Kältemittelteilstrom
45 , der bisher dem zweiten Expander X2 zugeführt wurde, wird nunmehr bei geöffnetem Ventil V8' über die gestrichelt gezeichnete Leitung52 vor den ersten Expander X1 geführt). Über die gestrichelt gezeichnete Leitung50 wird dem Wärmetauscher E3 bei geöffnetem Ventil V10' – dieses dient dem Einstellen des gewünschten Defrostgasdruckes – ein Teilstrom des vor der zweiten Verdichterstufe abgezogenen Kältemittels als Defrostgas zugeführt. Der Wärmetauscher E6' dient der ggf. erforderlichen Temperierung des Defrostgases. Nach Durchgang durch den Wärmetauscher E3 wird das Defrostgas bei geöffnetem Ventil V11' über die gestrichelt gezeichnete Leitung51 vor die erste Verdichterstufe der Verdichtereinheit C1' zurückgeführt. - Das erfindungsgemäße Verfahren zum Verflüssigen und Unterkühlen einer Kohlenwasserstoff-reichen Fraktion, insbesondere von Erdgas, ermöglicht ein zuverlässiges und wirtschaftliches Abtrennen von schweren Kohlenwasserstoffen, insbesondere von Benzol, auch beim Vorliegen eines sog. mageren Gases. Die Realisierung des erfindungsgemäßen Gedankens ist hierbei unabhängig von der gewählten Art der Verflüssigung und Unterkühlung der Kohlenwasserstoff-reichen Fraktion.
Claims (6)
- Verfahren zum Verflüssigen und Unterkühlen einer Kohlenwasserstoff-reichen Fraktion, insbesondere von Erdgas, wobei die Fraktion nach erfolgter Abkühlung einer der Abtrennung von schweren Kohlenwasserstoffen, insbesondere von Benzol, dienenden Teilkondensation unterworfen wird, dadurch gekennzeichnet, dass a) die verflüssigte Kohlenwasserstoff-reiche Fraktion (
7 ) in einem separaten Wärmetauscher (E3) unterkühlt (Normalbetrieb), b) die Zuführung der verflüssigten Kohlenwasserstoff-reichen Fraktion (7 ) zu dem Wärmetauscher (E3) spätestens bei Erreichen eines definierten Feststoffablagerungswertes im Wärmetauscher (E3) unterbrochen (Reinigungsbetrieb), c) der Feststoff im Wärmetauscher (E3) mittels eines Defrostgases (10 ,11 ) aufgeschmolzen und aus dem Wärmetauscher (E3) abgezogen, und d) anschließend die verflüssigte Kohlenwasserstoff-reiche Fraktion (7 ) wieder dem Wärmetauscher (E3) zugeführt wird. - Verfahren nach Anspruch 1, wobei die verflüssigte Kohlenwasserstoff-reiche Fraktion (
7 ) im Normalbetrieb im Wärmetauscher (E3) gegen wenigstens einen Kältemittelstrom und/oder wenigstens einen Kältemittelgemischstrom unterkühlt wird, dadurch gekennzeichnet, dass im Reinigungsbetrieb dieser Kältemittelstrom und/oder Kältemittelgemischstrom zur Kühlung (E1, E2) der zu verflüssigenden Kohlenwasserstoff-reichen Fraktion (3 ,6 ) verwendet werden. - Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, wobei die zu verflüssigende Kohlenwasserstoff-reiche Fraktion (
3 ) gegen wenigstens einen Kältekreislauf verflüssigt und unterkühlt wird, dadurch gekennzeichnet, dass ein Teilstrom des in dem Kältekreislauf zirkulierenden Kältemittels das Defrostgas (10 ,11 ) bildet. - Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass nach erfolgtem Aufschmelzen des Feststoffes im Wärmetauscher (E3) zumindest diejenigen Wärmetauscherpassagen, in denen eine Feststoffbildung erfolgen kann, mittels eines Spülmediums gespült werden.
- Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass als Spülmedium trockener Stickstoff und/oder eine bei der Zwischenspeicherung der verflüssigten und unterkühlten Kohlenwasserstoff-reichen Fraktion anfallende Boil-off-Gas-Fraktion verwendet werden.
- Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Abkühlung (E1), Verflüssigung (E2) und Unterkühlung (E3) der zu verflüssigenden Kohlenwasserstoff-reichen Fraktion (
3 ) in gewickelten Wärmetauschern und/oder gelöteten Plattenaustauschern erfolgt.
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