DE1257347B - Vorrichtung zur Herstellung von Stadtgas oder Ferngas aus schweren Mineraloelfraktionen - Google Patents
Vorrichtung zur Herstellung von Stadtgas oder Ferngas aus schweren MineraloelfraktionenInfo
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Description
DEUTSCHES Miff PATENTAMT
AUSLEGESCHRIFT
DeutscheKl.: 26 a-11
Nummer: 1257347
Aktenzeichen: M 63792IV d/26 a
J 257 347 Anmeldetag: 14.Januar 1965
Auslegetag: 28. Dezember 1967
Die bekannten Stadtgasnormen, die für die Heizgase der kommunalen Gasversorgung einen Heizwert
von 4200 bis 4650 kcal/Nm3 und eine auf Luft bezogene Dichte von 0,42 bis 0,55 vorschreiben, sind
dem Kokereigas angemessen, das bei der Hochtemperaturverkokung der Steinkohle in der Gaskokerei
oder Hüttenkokerei gewonnen wird. Der hohe Heizwert dieser Gase beruht auf dem hohen Gehalt an
Methan und Wasserstoff. Bei der Vergasung von festen oder flüssigen Brennstoffen mit Luft oder
Sauerstoff und bzw. oder Wasserdampf entstehen Gase, die diesen Heizwert nicht erreichen, weil sie
überwiegend aus Kohlenmonoxyd und Wasserstoff bestehen, meist noch Kohlendioxyd und auch Stickstoff
enthalten, aber kein Methan. Das Wassergas, das durch Umsetzung von Kohlenstoff (Koks) mit
Wasserdampf entsteht, hat im günstigsten Fall einen Heizwert von 3300 kcal/Nm3.
Es ist bekannt, den Heizwert dieser Schwachgase durch Zumischen von leicht flüchtigen Kohlenwasserstoffen,
z. B. von Propan, zu erhöhen. Diese Methode ist als Kaltkarburierung bekannt.
Eine Umkehrung dieser Methode wird zur Einstellung sehr heizkräftiger Gase auf die Stadtgasnorm
angewendet, wenn z. B. Erdgas oder Raffinerieabgase durch Wassergas verdünnt werden.
Es ist bekannt, daß heizwertarme Gase, die durch unvollständige Verbrennung schwerer Erdölfraktionen
mit technischem Sauerstoff hergestellt werden, einen oberen Heizwert von etwa 2500 bis 3000 kcal/
Nm3 haben und im wesentlichen aus Wasserstoff und Kohlenoxyd mit geringen Anteilen an CH4, CO2, N2
bestehen, in noch heißem Zustand mit Kohlenwasserstoffen des Siedebereiches 0 bis 250° C, entsprechend
etwa C4 bis C12, zu vermischen. Dabei wird durch die thermische hydrierende Spaltung der Kohlenwasserstoffe
im wesentlichen Methan gebildet, welches den Heizwert des Schwachgases bis auf den
üblichen Stadtgasheizwert erhöht. Voraussetzungen für die technische Ausführbarkeit dieses als Heißkarburierung
bekannten Prozesses sind ein ausreichender WasserstoffpartiaIdruck von mindestens
4 atü im Schwachgas, eine Gastemperatur von 700 bis IlOO0 C bei der Zumischung der Kohlenwasserstoffe
und ein möglichst geringer Gehalt an kondensierten Aromaten in dem Kohlenwasserstoffgemisch.
Diese Heizwertanreicherung durch hydrierende Spaltung höherer Kohlenwasserstoffe in dem heißen
Schwachgas umfaßt die folgenden Verfahrensschritte:
In einem Reaktor wird durch partielle Oxydation von Kohlenwasserstoffen, vornehmlich Schwerbenzin
oder Schweröl, bei einer Temperatur von 1350 bis Vorrichtung zur Herstellung von Stadtgas
oder Ferngas aus schweren Mineralölfraktionen
oder Ferngas aus schweren Mineralölfraktionen
Anmelder:
Metallgesellschaft Aktiengesellschaft,
Frankfurt/M., Reuterweg 14
Frankfurt/M., Reuterweg 14
Als Erfinder benannt:
Dipl.-Ing. Heinz Hiller, Bad Vilbel;
Dipl.-Ing. Hans Joachim Renner, Oberursel;
Werner Schmidt,
Dipl.-Ing. Hans Joachim Renner, Oberursel;
Werner Schmidt,
Dipl.-Ing. Günther Pockrandt, Frankfurt/M.
1500° C ein Gas erzeugt, das im wesentlichen aus CO und H2 besteht und einem Synthesegas entspricht.
Sein Heizwert beträgt höchstens 3000 kcal/ Nm3. Für die nachfolgende Heißkarburierung wird
das unter der hohen Temperatur von über 1300° C stehende Gas auf etwa 700 bis 1100° C abgekühlt,
worauf Kohlenwasserstoffe des Benzin- und Schwerbenzin-Bereiches eingespritzt und durch Spaltung
und Hydrierung in dem H2-Iialtigen Gas zu Methan und geringen Mengen von Äthan und Propan umgewandelt
werden. Diese Umsetzung erfolgt ohne Katalysatoren, also rein thermisch, zweckmäßig jedoch
unter erhöhtem Druck, um für die Hydrierung einen ausreichenden H2-Partialdruck zur Verfügung
zu haben. Da das heizwertkräftige Gas meistens als Ferngas unter erhöhtem Druck, z. B. von 20 bis
50 atü, angefordert wird, ist es üblich, diesen Prozeß unter diesem Druck durchzuführen.
Bei der großtechnischen Durchführung des Verfahrens bereiten die Abkühlung des bei 20 bis 50 atü
und 1350 bis 1500° C hergestellten Schwachgases und die Benzineinspritzung mancherlei Schwierigkeiten.
Neben der gewünschten Umsetzung des Benzins zu Methan kann leicht eine gleichzeitige Ruß-
und Teerbildung eintreten.
Ein für die großtechnisch erprobte partielle Oxydation von Kohlenwasserstoffen ausgebildeter Reak-
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tor(l) wird üblicherweise so gebaut, daß sich am Kopf des Reaktors ein Brenner befindet, in dem der
zu vergasende Kohlenwasserstoff mit Sauerstoff, gegebenenfalls unter Zusatz kleiner Mengen Wasserdampf
oder CO2, teilverbrannt wird. In dem leeren, ausgemauterten Reaktionsraum reagiert das primäre
Verbrennungsprodukt zu einem Gemisch, das im wesentlichen aus CO und H2 besteht. Man hat schon
versucht, die rasche Abkühlung des Gases auf den Temperaturbereich von 700 bis 1100° C durch Einspritzung
von Wasser in das Innere des Reaktors durchzuführen. Das eingespritzte Wasser stört jedoch
den Vergasungsablauf im Brenner durch Wärmestrahlungsentzug und beansprucht die Festigkeit des
Mauerwerks besonders beim Anfahren und Abstellen der Anlage. Die Temperaturänderungen im
Mauerwerk führen zur Bildung von Rissen, durch welche die heißen Gase an den Druckbehältermantel
dringen können.
Daraus ergeben sich gefährliche Situationen durch Überschreiten der zulässigen Festigkeitsgrenzen des
Druckbehältermaterials. Man hat weiter versucht, die Abschreckkühlung durch Wassereinspritzung in
einem getrennten ausgemauerten Behälter vorzunehmen. Dadurch wird zwar der Einfluß der Wassereinspritzung
auf die Vergasungsreaktion vermieden, jedoch bleiben die Gefahren für das Mauerwerk
und den Mantel und damit für die Sicherheit dieses nachgeschalteten Behälters unverändert bestehen.
Als weitere Schwierigkeit kommt hinzu, daß die Flanschverbindung zwischen diesen beiden Behältern,
in der das Gas mit der genannten hohen Temperatur von 1350 bis 1500° C strömt, so auszuführen ist, daß
eine sichere Abdichtung und eine mechanische Haltbarkeit der Hansche gesichert ist.
Die nachfolgende Einspritzung des Benzins muß in dem Temperaturbereich von 700 bis 1100° C erfolgen,
um Nebenreaktionen zu verhindern. In solchen Nebenreaktionen entstehen bei zu tiefer Temperatur
teerartige Nebenprodukte, die Verstopfungen in den nachgeschalteten Apparaturen verursachen.
Außerdem ist bei zu tiefer Temperatur die Bildung von Olefinen möglich, die im Stadtgas unerwünscht
sind. Bei zu hohen Temperaturen, d. h. über 1100° C, tritt bei der Umsetzung des Benzins eine starke Rußbildung
ein, die einen Verlust am Wirkungsgrad bedeutet und zu Störungen in den nachfolgenden Anlageteilen,
die der Ausnutzung des Wärmeinhalts dienen, führt. Die wirksamste Umsetzung des eingespritzten
Benzins zu niederen Kohlenwasserstoffen, wie CH4, C2- und C3-KohlenwasserstofEen, erfolgt im
Temperaturbereich 700 bis 1100° C Für die Wirtschaftlichkeit des Gesamtprozesses ist die Wärmeverwertung
aus dem heißen Gas nach der Benzinspaltung, z. B. für die Erzeugung von Dampf von 20
bis 100 atü, von wesentlicher Bedeutung. Die Benzinumsetzung muß einwandfrei und ohne Rückstände
erfolgen, damit im nachgeschalteten Kessel auch im Dauerbetrieb keine Ansatzbildung oder gar Verstopfung
durch Ablagerung von Teer, Polymerisaten oder Ruß eintritt. Solche Ablagerungen vermindern
nicht nur den Wärmeübergang, sondern beeinträchtigen auch bei Hintereinanderschaltung der verschiedenen
Prozesse, der partiellen Oxydation, der Einspritzung von Wasser, der Einspritzung von Benzin
und der Wärmegewinnung im Abhitzekessel, die Sicherheit, zumal in der ersten Stufe der Sauerstoff
für die Umsetzung der Kohlenwasserstoffe genau dosiert und gleichmäßig zugesetzt werden muß.
Bei der Errichtung einer technischen Anlage muß gewährleistet sein, daß die verschiedenen Apparate
für die einzelnen obengenannten Verfahrensschritte so angeordnet sind, daß zwischen ihnen keine
Wärmespannungen entstehen. In Anbetracht der im Verfahren angewendeten hohen Temperaturen und
den zwischen den einzelnen Stufen bestehenden hohen Temperaturdifferenzen ergeben sich beim Bau
einer Anlage erhebliche konstruktive Schwierigkeiten.
Gegenstand der Erfindung ist eine Vorrichtung zur Herstellung von Stadtgas oder Ferngas aus
schweren Mineralölfraktionen durch oxydierende Spaltung mit Sauerstoff und Wasserdampf und Karburierung
des heißen Spaltgases mit Benzinkohlenwasserstoffen, die aus einer Brennkammer, einer
Kaburierungs- und Nachreaktionszone und einem Abhitzekessel besteht.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung ist gekennzeichnet durch die als kreisbogenförmiges, mit einem
Kühlmantel umgebenes und mit einem Winkelabstand von 80 bis 160° voneinander angebrachten
Einführungen für Wasserdampf bzw. Benzin versehenes Rohr ausgebildete und horizontal angeordnete
Heißkarburierungszone und die aus zwei vorzugsweise vertikalen, ausgemauerten, an ihren oberen
Enden durch einen ausgemauerten kreisbogenförmigen Krümmer verbundenen Rohren bestehende
Nachreaktionszone, deren eines Rohr am unteren Ende durch den Rohrbogen der Heißkarburierungszone
mit der Brennkammer verbunden ist, während das andere Rohr am unteren Ende durch eine
Flanschverbindung an den Abhitzekessel angeschlossen ist.
Es hat sich gezeigt, daß für die Auslegung einer Anlage zur Herstellung von heißkarburiertem Stadtgas
durch Spaltung von Benzin in einem heißen Schwachgas vorwiegend zu Methan einige Betriebsgrößen
kritisch sind und bei der Bemessung und Anordnung der Anlagenteile berücksichtigt werden
müssen.
In der Abschreck- und Heißkarburierungszone soll die Gasgeschwindigkeit nach der Einspritzung
des Wassers zwischen 10 und 30 m/sec liegen und zweckmäßig 15 bis 25 m/sec betragen. Wird diese
Geschwindigkeit überschritten, dann wird die Lebensdauer des Rohres so weit herabgesetzt, daß
ein störungsfreier Dauerbetrieb nicht mehr möglich ist.
Wird diese Geschwindigkeit unterschritten, dann wird die Verteilung des Benzins in dem Gasstrom
ungleichmäßig, was -sich in der Bildung von Teer und Ruß auswirkt und zu Ablagerungen in der
Apparatur führt.
Bei Einhaltung der gefundenen optimalen Geschwindigkeit scheint sich auf der inneren Oberfläche
des Rohres eine dünne, aber stabile Haut aus Ruß, der sich in der ersten Vergasungsreaktion
bildet, abzusetzen und einen Schutz der Rohrwand zu bewirken. Um das die Heißkarburierungszone
bildende Rohr auf diese Gasgeschwindigkeit auszulegen, erhält es je Betriebs-m3/sec Spaltgas einen
Querschnitt von 0,03 bis 0,1 m2.
Eine weitere zu beachtende Betriebsgröße ist der Abstand zwischen Abschreckwassereinführung und
Benzineindüsung. Dieser Abstand wird bestimmt durch die Verdampfungszeit für das verdüste Ein-
Spritzwasser und das Benzin. Die Verdampfungszeit ist abhängig von der Tropfengröße der versprühten
Medien, der Verweilzeit und den Strömungsverhältnissen. Es hat sich als besonders zweckmäßig erwiesen,
den Krümmungsdurchmesser der Rohrbogenseele 5- bis IOfach so groß wie den lichten
Rohrdurchmesser zu machen. Die freie Weglänge zwischen den Einspritzstutzen für Einspritzwasser
und Benzin soll zwischen 0,3 und 2,4 m betragen, um ausreichende Verweilzeiten für das Einspritzwasser
von 0,05 bis 0,2 Sekunden Qe nach dem gewählten Krümmungsdurchmesser und dem Rohrinnendurchmesser)
zu ergeben. Eine geeignete Charakterisierung für die Lage und den Abstand der Einspritzdüsen von Wasser und Benzin gelingt durch
Angabe des Winkelabstandes, der 30 bis 160° zwischen den beiden Düsen betragen soll, wobei die
Wassereinspritzdüse etwa im Anfang des halbkreisförmigen Rohrbogens liegen soll.
Wird bei Einhaltung der optimalen Strömungsgeschwindigkeit der Winkelabstand zu klein, also
unter 80°, gewählt, dann wird das eingespritzte Benzin teilweise zu Teerstoffen und Aromaten gekrackt.
Wird der Winkelabstand größer als 160° bemessen, dann werden die Krackreaktionen bis in die
Nachreaktionszone verschleppt und führen dort zu einer Schädigung des Mauerwerkes.
Die Nachreaktionszone soll überwiegend der Hydrierung der primären Spaltstücke zu gesättigten
Kohlenwasserstoffen und der Verhinderung der Bildung von ungesättigten und Aromaten dienen. Für
den vollständigen Ablauf dieser Hydrierung soll in dieser Zone eine Aufenthaltsdauer (Verweilzeit) von
mindestens 3,5 Sekunden gegeben sein.
Die erfindungsgemäße räumliche Trennung der Abschreck- und Karburierungszone hat sich daraus
ergeben, daß ein herkömmlicher ausgemauerter und mit Steinzügen ausgestatteter Reaktor, in dem die
Spaltung des Benzins und die Hydrierung der Spaltstücke vorgenommen wurden, den Dauerbetrieb nicht
ausgehalten hat. Mit fortschreitender Betriebsdauer wird das Mauerwerk rissig und bietet dem Reaktionsgemisch Wege, die gegenüber den Steinzügen wesentlich
kürzer sind. Dadurch wird die Aufenthaltsdauer zwischen Benzineindüsung und Übertritt des Reaktionsgemisches
in den Abhitzekessel zu kurz, so daß sich schließlich Ablagerungen von Teer und Koks
im Abhitzekessel einstellen.
Als Nachreaktionszone hat sich deshalb ein ausgemauertes, aber von Einbauten freies Rohr, dessen
Länge und Durchmesser der erforderlichen Verweilzeit entsprechen, bewährt. Um die Nachreaktionszone
auf die gefundene optimale Verweilzeit auszulegen, erhält diese je Betriebs-m3/sec karburiertes
Gas ein Volumen von mindestens 3,5 m3.
Vom Vergasungsreaktor, der bei etwa 1400° C betrieben wird, bis zum Eintritt des ausreagierten
karburierten Gases in den Abhitzekessel besteht im Betriebszustand des Reaktors ein Temperaturabfall
von etwa 500° C. Die Wärmespannungen, die sich beim Anfahren und im Betrieb einstellen, müssen
abgefangen werden, um das Mauerwerk in den Reaktorteilen zu erhalten. Hierzu erweist sich die Ausbildung
der Abschreck- und Karburierungszone sowie der Nachreaktionszone in Bogenform als besonders
zweckmäßig. In der bevorzugten Ausführungsform liegen die beiden Bögen in zueinander senkrechten
Ebenen.
In den Zeichnungen ist eine Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung beispielsweise und
schematisch dargestellt.
Abb. 1 ist eine Seitenansicht der Anlage;
Abb. 2 ist eine Draufsicht auf die Anlage gemäß Abb. 1;
Abb. 1 ist eine Seitenansicht der Anlage;
Abb. 2 ist eine Draufsicht auf die Anlage gemäß Abb. 1;
Abb. 3 ist ein Vertikalschnitt durch das Oberteil der Brennkammer der Anlage;
Abb. 4 zeigt die Anordnung der Einspritzdüsen ίο in der Kühl- und Karburierungszone;
Abb. 5 ist ein vertikaler Schnitt durch den Abhitzekessel;
A b b. 6 ist ein horizontaler Schnitt entlang der Linie6-6 in Abb.5.
In den Abb. 1 und 2 bezeichnen 1 die Brennkammer, 2 die Kühl- und Karburierungszone, 3, 4, 5
die Nachreaktionszone und 6 den Abhitzekessel. Die Brennkammer 1 ist ein an sich bekannter stehender
zylindrischer Druckreaktor, der mit einer Ausmauerung versehen ist. Am Kopf der Brennkammer 1
ist der Brenner 7 mit Zuleitungen für flüssigen Brennstoff 8 und Vergasungsmittel 9 angeflanscht.
In der Nähe des unteren Endes der Brennkammer 1 befindet sich der Austrittsflansch 10, an
welchen sich die Kühl- und Karburierungszone 2 anschließt. Diese besteht, wie aus Abb. 4 ersichtlich,
aus einem mit einem Kühlwassermantel 11 umgebenes Rohr, in das Einspritzdüsen für Wasser 12
und Kaburierungsmittel 13 durch den Wassermantel 11 hindurch eingeführt sind. Um die Ausbildung
von Dampfblasen im Wassermantel zu verhindern, ist dieser mit einem Ableitungsstutzen 14
versehen, der an eine Dampfleitung angeschlossen ist.
Wie aus der Abb. 2 ersichtlich, hat die Kühl- und Karburierungszone die Form eines Kreisbogens. Die
Einspritzdüsen für Wasser 12 und Karburierungsmittel 13 sind an dem Rohrbogen 2 mit einem
Winkelabstand « von beispielsweise 140° angeordnet.
Der Rohrbogen ist mittels des Flansches 15 an den AustrittsflanschlO der Brennkammer angeschlossen
und mittels des Flansches 16 mit dem Eintrittsstutzen der Nachreaktionszone verbunden. Die Nachreaktionszone
besteht aus den parallelen Rohren 3, 4 und dem Rohrbogen 5, die mittels der Flansche 17 und
18 miteinander verbunden sind. Die Nachreaktionszone ist, wie dargestellt, vertikal angeordnet. Sie
kann aber auch horizontal angeordnet werden, so daß die Rohrbogen 2 und 5 in einer Ebene liegen.
Die Rohre und der Rohrbogen sind mit Mauerwerk ausgekleidet. Das Rohr 7 ist an seinem unteren Ende
mittels des seitlichen Stutzens 19 und einer Flanschverbindung 20 mit dem Abhitzekessel 6 verbunden.
In das Rohrbündel 21 des Abhitzekessels wird durch den Stutzen 23 Speisewasser eingeführt. Der erzeugte
Dampf wird durch den Stutzen 22 abgeleitet. Das durch die Flanschverbindung 20 eingeführte heiße
Gas verläßt den Abhitzekessel durch den Stutzen 24 zur weiteren Behandlung und Verwendung.
Über die Betriebsverhältnisse der an Hand der Abbildungen beschriebenen Anlage möge das nachfolgende
Beispiel unterrichten.
Durch die Brennerdüse 8 werden stündlich 4540 kg schweres Heizöl in die Brennkammerl eingedüst.
Gleichzeitig werden durch den Brennerstutzen
Claims (2)
1. Vorrichtung zur Herstellung von Stadtgas oder Ferngas aus schweren Mineralölfraktionen
durch oxydierende Spaltung mit Sauerstoff und Wasserdampf und Karburierung des heißen
Spaltgases mit Benzinkohlenwasserstoffen, bestehend aus einer Brennkammer, einer Karburierungs-
und Nachreaktionszone und einem Abhitzekessel, gekennzeichnet durch die als kreisbogenförmiges, mit einem Kühlmantel
umgebenes und mit einem Winkelabstand von 80 bis 160° voneinander angebrachten Einführungen
für Wasserdampf bzw. Benzin versehenes Rohr ausgebildete und horizontal angeordnete
Heißkarburierungszone und die aus zwei vorzugsweise vertikalen, ausgemauerten, an ihren
oberen Enden durch einen ausgemauerten kreisbogenförmigen Krümmer verbundenen Rohren
bestehende Nachreaktionszone, deren eines Rohr am unteren Ende durch den Rohrbogen der Heißkarburierungszone
mit der Brennkammer verbunden ist, während das andere Rohr am unteren Ende durch eine Flanschverbindung an den Abhitzekessel
angeschlossen ist,
2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das die Heißkarburierungszone
bildende Rohr je Betriebs-m3/sec Spaltgas einen Querschnitt von 0,03 bis 0,1 m2 hat.
3. Vorrichtung nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß in der Heißkarburierungszone
das Verhältnis von lichtem Durchmesser zum Durchmesser des Kreises der Rohrbogenseele
1: 5 bis 1:10 beträgt.
4. Vorrichtung nach Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Nachreaktionszone
je Betriebs-m3/sec karburiertes Gas ein Volumen von mindestens 3,5 m3 hat.
Hierzu 1 Blatt Zeichnungen
709 710/213 12.67 © Bundesdruckerei Berlin
Priority Applications (3)
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---|---|---|---|
DEM63792A DE1257347B (de) | 1965-01-14 | 1965-01-14 | Vorrichtung zur Herstellung von Stadtgas oder Ferngas aus schweren Mineraloelfraktionen |
FR38870A FR1454299A (fr) | 1965-01-14 | 1965-11-18 | Dispositif de mise en réaction pour la carburation à chaud des gaz de chauffe |
GB53736/65A GB1057970A (en) | 1965-01-14 | 1965-12-17 | Apparatus for the production of town gas or grid gas |
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Publication Number | Publication Date |
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DE1257347B true DE1257347B (de) | 1967-12-28 |
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FR (1) | FR1454299A (de) |
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---|---|---|---|---|
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1965
- 1965-01-14 DE DEM63792A patent/DE1257347B/de active Pending
- 1965-11-18 FR FR38870A patent/FR1454299A/fr not_active Expired
- 1965-12-17 GB GB53736/65A patent/GB1057970A/en not_active Expired
Also Published As
Publication number | Publication date |
---|---|
FR1454299A (fr) | 1966-07-22 |
GB1057970A (en) | 1967-02-08 |
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