DE1532740A1

DE1532740A1 - Zentrifuge zur Trennung der Bestandteile verschiedener Dichte eines Gasgemisches

Info

Publication number: DE1532740A1
Application number: DE19661532740
Authority: DE
Inventors: Auf Nichtnennung Antrag
Original assignee: DES MOTEURS D AVIAT SOC NAT D; Societe Nationale dEtude et de Construction de Moteurs dAviation SNECMA
Current assignee: DES MOTEURS D AVIAT SOC NAT D; Safran Aircraft Engines SAS
Priority date: 1965-07-05
Filing date: 1966-06-30
Publication date: 1970-08-27
Also published as: GB1100539A; FR1458992A

Description

P-' jörf 1966

Dipl-lng. R. H. BAHR

DipJ-.-Phys.E. BETZLER

g
46? HERNE, Fröiligraihsiraße 1?

117643

- 3599-66 SOCIBTE D'EXPLOIiEATIOIi DES MTERISLS HISPAlfO-STJIZA

Zentrifuge zur Trennung der Bestandteile verschiedener Dichte eines Gasgemischs

Priorität: Prankreich, vom 5. Juli 1965.

Die Erfindung tetrifft ganz allgemein die Zentrifugen zur Zentrifugalscheidung von Gasen verschiedener Dichte, deren Moleküle oder Atome mehr oder v/eniger homogen in einem nachstehend "Rohgas" genannten Gasgemisch verteilt sind, während die zu scheidenden Gase verschiedener Dichte, im allgemeinen zwei, nachstehend als "leichtes Gas" bzw. " schweres Gas" bezeichnet sind* Von derartigen Zentrifugen betrifft die Erfindung insbesondere, wenn auch nicht ausschliesslich, solche zur Scheidung von zwei isotopen Gasen, welche gleichzeitig in Form

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eines Gasgemischs erzeugt v/erden, welches dann das Äusgangsrohgas bildet.

Die Erfindung "bezweckt insbesondere, derartige Apparate so auszubilden, dass sie besser als bisner den verschiedenen Erfordernissen der Praxis entsprechen, insbesondere hinsichtlich ihrer Wirksamkeit und ihrer Ausbeute.

Hierfür wird bei derartigen Apparaten mit wenigstens einer sich drehenden Zelle, in welche das zvl behandelnde Rohgas eingeführt wird, während das an schwerem Gas angereicherte Gemisch in der Umfangszone der sich drehenden Zelle und das an leichtem Gas angereicherte Gemisch in der axialen Zone dieser Zelle aufgefangen wird, erfindungsgemäss diese"Zelle so ausgebildet, dass die Einführung des Rohgases in den Xnnenraum der Zelle in einer Zwischenzone erfolgt, welche in erheblicher Entfernung sowohl von der Umfangszone als auch von der axialen Zone liegt, wodurch der Scheideprozess, d.h. die Anreicherung der Umfangszone bzw· der axialen Zone an schwerem bessw· leichtem Gas begünstigt wird.

Gemäss einem weiteren Kennzeichen der Erfindung wird zur Begünstigung der Erzeugung einer Drehbewegung des in die sich drehenden Zellen derartiger Apparate eingeführten Rohgases sowie zur Verringerung oder auch Verhinderung der Bildung von Konvektionsströmen und Wirbeln, welche den Scheideprozess durch Zentrifugieren stören, der Innenraum der Zellen mit einem Stoff ausgefüllt, welcher von der Zelle in Umdrehung versetzt wird, und durch welchen hindurch sich eine radiale Gasströmung ausbilden kann, wobei ein derartiger Stoff z.B. ein Metallschaum oder Metallspäne sein kann, oder ein unterteiltes oder mit Zellen versehenes Material, in welchem die Gase radial

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strömen können. ; :■ ..-■'; :

Gemäss einem weiteren Kennzeichen der Erfindung wird bei Einführung des Rohgases in derartige Apparate mit einem ralativen überdruck ein-Teil der kinetischen Energie und der Druckenergie eines-!Teils der in dem Apparat strömenden ■G-as-e- in wenigstens einer sich drehenden Beschaufelung zurückgewonnen, welche dann zweckmässig wenigstens eine Arbeitsbeschaufelung antreiben kann, welche einen erzwungenen Umlauf des anderen Teils der Gase in den Apparaten erzeugt.

Die Erfindung ist nachstehend unter Bezugnahme auf die Zeichnung beispielshalber erläutert»

Pig, 1 zeigt in einem schematischen Axialschnitt die einfachste Form eines erfindungsgemässen Zentrifugierapparats zur Scheidung von zwei Gasen verschiedener Dichte, insbesondere von einem leichten und einem schweren Isotop aus einem die Rolle des Rohgases spielenden Gasgemisch .

Pig. 1 zeigt" in einem schematischen Axialschnitt a

eine Zwischenstufe eines komplizierteren mehrstufigen Zentrifugierapparats.

Pig. 2 bis 5 sind Schemata von Zentrifugenanordnungen

mit Elementen der in Pig. 1 dargestellten Art, wobei diese

vier Figuren vier" verschiedene Montagearten dieser Elemente zeigen, welche vier Scheidungsaufgaben ent sprechen, bei welchen der Wert der verschiedenen in dem Apparat strömenden Gase verschieden ist.

. Pig* 6 zeigt in einer axial geschnittenen Teilansicht ein weiteres Merkmal der Erfindung in seiner Anwendung auf eine Zwischenstufe einer Zentrifuge der in Pig. 1 -darge-

stellten Art.

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• - _ 4 —

Der Apparat weist wenigstens eine vorzugsweise zylindrische Zelle 1 auf, welcher eine Drehbewegung um ihre Achse X-X erteilt wird.

Erfindungsgemäss wird, wie in Pig. 1 dargestellt, diese Zelle 1 so ausgebildet, dass die Einführung des Rohgases in den Innenraurc der Zelle in einer Zwischenzone I erfolgt, welche in einer erheblichen radialen Entfernung sowohl von der Umfangszone l·, in welcher die Abfuhr des an schwerem Gas angereicherten Geinischs erfolgt, als auch von der axialen Zone A, in welcher die Abfuhr des an leichtem Gas angereicherten Gemische erfolgt, liegt, wobei die Zufuhr von Rohgas zweckmässig etwa in halber Entfernung zwischen der Unfangszone und der axialen Zone erfolgen kann.

Vorzugsweise wird ferner die Ausbildung so getroffen, dass die Einführung des Rohgases in den Innenraum der Zelle 1 angenähert in Form einer Schicht erfolgt, welche einen zylindrischen oder leicht konischen zu der Zelle gleichachsigeii Umdrehungskörper bildet. ■

Hierfür ist bei der in Fig. 1 dargestellten Ausführung für die Rohgaszufuhr eine zu der Zelle 1 gleichachsige leitung 2 vorgesehen, welche an das Zentrum eines der Endflansche 1a der Zelle angeschlossen ist.

Innerhalb der Zelle 1 ist dem Endflansch 1

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gegenüber und nahe demselben eine Ablenkseheibe 3 angeordnet, deren Durchmesser angenähert halb so gross wie der der Z.elle 1 ist, so dass der durch die leitung 2 ankommende Rohgasfluss -, am Umfang der Ableiikscheibe J abgelenkt und in einer Zwischenzone der Zelle 1 ausgegeben wird-, .wobei· die ringförmige Mündung

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"a" des von der Scheibe 3 und dem flansch 1 begrenzten Durch -

lasses vorzugsweise parallel zu dem Plansch gerichtet ist, so dass das Rohgas tatsächlich in Form einer angenähert zylindrischen, zu der Zelle 1 gleichachsigen Schicht ausgegeben wird.

Die Abfuhr des an schwerem Gas angereicherten Umfangsgemisehs erfolgt durch einen Durchlass 4, welcher von der Innenwand des anderen Indflanschs 1, der Zelle 1 und einer dieser Innenwand gegenüberliegenden Scheibe 5 begrenzt wird, wobei der Durchlass 4 durch eine ringförmige, zu der Zelle 1 gleichachsige Abfuhrleitung 4_ verlängert wird.

Die Abfuhr des axialen an leichtem Gas angereicherten Gemische- erfolgt durch eine von der Innenwand der ringförmigen Leitung 4_ begrenzte axiale Leitung 6.

et

Bine derartige Einführung des Rohgases in eine Zwischenzone I des Innenraums einer jeden Zelle 1 begünstigt den Scheideprozess durch Fliehkraft, welcher sich in dieser Zelle entwickeln soll, und zwar deshalb, weil die Atome oder Moleküle des schweren Gases zur Erreichung der TJmfangszone P der Zelle einen kleineren Weg zu durchlaufen haben, als wenn das Eohgas in der axialen Zone A der Zelle zugeführt würde, wie dies bisher erfolgte.

Man kann dann zweckmässig die Ausbeute einer derartigen Zentrifuge durch Anwendung eines weiteren Erfindungsmerkmals verbessern, welches auch anwendbar ist, wenn die Ausgabe des Rohgases nicht in einer Zwischenzone des Innenraums der Zelle erfolgt.

Gemäss diesem schematisch in Fig. 1 dargestellten Merkmal wird der Innenraum der Zelle 1 mit einem Stoff 7 ausge-

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füllt, welcher an der Drehbewegung der Zelle teilnimmt, und durch Vielehen hindurch sich die dem Fliehkraftscheideprozess eigentümliche radiale Gasströmung ausbilden kann, wobei das Vorhandensein eines derartigen porösen Stoffs die Erzeugung einer Drehbewegung des in die betreffende Zelle eingeführten Rohgases begünstigt und ausserdem den Vorteil bietet, die Bildung von Konvektionsgasströmen und Wirbeln, d.h. von Erscheinungen, welche den Fliehkraftscheideprozess stören können, abzuschwächen oder auch überhaupt zu verhindern.

Ein derartiger poröser Stoff kann z.B. durch einen Metallschaum oder Metallspane gebildet werden, oder auch durch einen durch Wände unterteilten oder Zellen enthaltenden Werkstoff, in welchem die Gase radial strömen können.

Zur Vereinfachung der Erläuterung war unter Bezugnähme auf Fig. 1 angenommen worden, dass die Zentrifuge eine einzige Zelle 1 aufweist, dies ist jedoch ein Sonderfall, und in der Praxis ist es zweckmässig, eine stufenweise Fliehkraftscheidung in einer Batterie von gleichachsigen Zellen 1 vorzunehmen, welche in Reihe geschaltet sind und die gleiche Drehbewegung ausführen, wobei diese Zellen zweckmässig mit einem dem oben erwähnten Stoff 7 entsprechenden Stoff gefüllt sind·

Eine derartige Batterie von Zentrifugierzellen 1 wird dann vorzugsweise so ausgebildet, dass die beiden Gasflüsse dieser Zellen, nämlich das allmählich an schwerem Gas angereicherte Umfangsgemisch und das allmählich an leichtem Gas angereicherte Axialgemisch, im Gegenstrom strömen, d.h. zueinander gegensinnig.

Es müssen natürlich weiter unten erläuterte Ein-, richtungen vorgesehen werden, welche diese doppelte Gegenstrom-

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strömung erseugen. ;

Es genügt dairn, das Ausgangsroh^gas an einem Ende der Zellenbatterie 1 einzuführen, um an den beiden Enden der Batterie ein an Schwerem Gas angereichertes Gemisch bzw. ein an leichtem Gas angereichertes G-emisch aufzufangen.

, Unter diesen Bedingungen erfolgen offenbar an jeder Zwischenzelle 1 der Batterie zwei Ausgaben von Gasgemischen an ihren beiden Enden, nämlich eine Ausgabe eines aus der Umfangszone der vorhergehenden Zelle kommenden Gemische und eine Ausgabe eines zu dem vorhergehenden gegensinnig strömenden, aus der axialen Zone der nächsten Zelle kommenden Gemischs.

Diese beiden in die betreffende Zelle 1 einzuführenden Gemische spielen dann beide die Rolle des Rohgases für diese Zelle und müssen entsprechend dem Hauptkennzeichen der Erfindung an den beiden Enden der Zelle in eine Zwischenzone der radialen Erstreckung der Zelle eingeführt werden.

Hierfür können zweckmässig, wie in Pig. 1 darge-

stellt, in den Endflanschen 1 und 1^ der Zelle 1 zwei ringförmige Durchlässe ausgebildet werden, deren mittlerer Halbmesser etwa dem der Zwischenzone I entspricht, in welcher die Zufuhr der beiden Gasströme erfolgen soll, wobei ferner an jedem Endflansch zwei ringförmige Ablenker 3„ und 5„ angeordnet wer-

a a

den, welche den Scheiben 3 und 5 der Fig. 1 entsprechen, und von denen derferstere sich in Eichtung auf die axiale Zone A der Zelle erstreckt, in welcher er sich befindet, und der zweite zu der Umfangszone P der Nachbarzelle·

Die beiderseits eines Endflanschs A_n oder -1, lie-

a ρ

genden ringförmigen Ablenker sind durch eine Verbindungswand

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vereinigt, welche durch den in dem betreffenden Flansch ausgebildeten ringförmigen Durchlass geht und jede Vermischung der beiden gegensinnig durch diesen ringförmigen Durchlass strömenden Flüsse verhindert.

In Fig. 1 sind durch Pfeile die Wege der beiden a

gegensinnigen Flüsse dargestellt, welche in den Umfangszonen . bzw. den' axialen Zonen der die Zentrifugierbatterie bildenden Zellen strömen, wobei die Einführung dieser Flüsse in einer Zwischenzone einer jeden Zelle erfolgt.

Die Benutzungsart einer Zentrifuge mit einer gewissen Zahl von auf die obige Weise ausgebildeten und in Reihe geschalteten Zellen hängt davon ab, ob das ursprüngliche Rohgas billig oder teuer ist, und ob man ein an schwerem G-as angereichertes Gemisch oder ein an leichtem Gas angereichertes Gemisch zu erhalten wünscht.

Es sei zunächst angenommen, dass das Rohgas billig ist und ohne wirtschaftlichen Nachteil unverwertet bleiben kann, nachdem es eine einzige Batterie IL von Zellen 1 durchströmt hat.

Wenn in diesem Fall ein an sch/pram Gas angereicher-Gemisch
tes/gewünscht wird, kann man, wie in Fig. 2 dargestellt, bei 8

das Rohgas an dem strömungsaufwärts liegenden Ende der Batterie zuführen, bei 9 das an schwerem Gas angereicherte Get-iisch an dem strömungsabwärtsliegenden Ende der Batterie auffangen, und bei 10 an dem strömungsaufwärts liegenden Ende das an leichtem Gas angereicherte Gemisch abführen,, für Welches kein Interesse besteht, und welches dann im Gegenstrom in dem Apparat strömt. Wenn ein an leichtem Gas_: angereichertes Gemisch gewünscht wird,' kann man, wie in Fit;. 3 dargestellt, wie- vorher

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• bei 8 das Rohgas an--dem-strömung sauf wärts liegenden Ende der Batterie einführen, bei 11 das an leichtem Gas angereicherte Gemisch an dem strömungsabwar±s liegenden Ende der Batterie auffangen, und bei 12 an dem strömungsaufwärts liegenden Ende das an schwerem Gas angereicherte Gemisch abführen, für welches kein Interesse besteht, und welches hier im Gegenstrom strömt*

Es sei .jetzt angenommen, dass das ursprüngliche Eohgas ein teures Gemisch ist, welches vor seiner Abfuhr möglichst vollständig ausgezogen wird, was dazu führt, w eiligst ens eine Rückführung des aus der ersten Batterie B. kommenden restlichen Gasgemischs in eine zweite Batterie Bp vorzunehmen»

Wenn in diesem Fall ein an schwerem Gas angereichertes Gemisch gewünscht wird, kann man, wie in 3?ig. 4 dargestellt, bei 8 das Rohgas an dem strömungsaufwärts liegenden Ende der Batterie B. einführen, bei 13 das an schwerem Gas angereicherte Gemisch, an dem strömungsabwärts liegenden Ende der Batterie BV auffangen, bei 14 an dem strömungsaufwärts liegenden"Ende das an leichtem Gas angereicherte Gemisch entnehmen, welches dann im Gegenstrom strömt und bei 15 in das strömungsaufwärts liegende Ende der Batterie B„ eingeführt wird, bei 16 an dem strömungsauf v/ärts liegenden Ende der Batterie B^ das an schweremGas angereicherte Gemisch auffangen, welches bei TT wieder in das strömungsaufwärts liegende Ende der Batterie B- eingeführt wird, und bei 18 an dem strÖmungsabwärts liegenden Ende der Batterie Bp das an leichtem Gas angereicherte Gemisch abführen, welches die beiden Batterien durchströmt hat.

Wqxxci ein an leichtem Gas angereichertes Gemisch gewünscht wird, kann man,'wie in Pig. 5 dargestellt, bei 8 das Rohgas an dem strömungsaufwärts liegenden Ende der Batterie

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BAD

B^ -zuführen, bei 19 das an. leichtem Gas angereicherte Gemisch an dem strömungsabwärts liegenden Ende der Batterie B. auffangen, bei '20 an dem strömungsaufwärts liegenden Ende das an schwer ein Gas angereicherte Gemisch entnehmen, welches" dann im Gegenstrom strömt und bei 21 in das strömungsaufwärts liegende Ende der Batterie Bp eingeführt wird, bei 22 an dem gleichen strömungsaufwärts liegenden Ende der Batterie Bp das an leichtem Gas angereicherte Gemisch auffangen, -welches bei 23. wieder in das strömungsaufwarts liegende Ende der Batterie Bl, eingeführt wird, und bei 24 an dem ströniungs abwärts liegenden Ende der Batterie B„ das an schwerem Gas angereicherte Geraisch abführen, welches die beiden Batterien durchströmt hat.

Bisher war noch nichts über die Einrichtungen

ausgeführt worden, welche die Strömung des allmählich an schwerem Gas angereicherten Umfangsgemischs und des (im allgemeinen im Gegenstrom strömenden) allmählich an leichtem Gas angereicherten Axialgemischs durch den Apparat erzeugen.

Derartige Einrichtungen können durch eine äuBsere ieistungsquelle gebildet werden, welche eine Druckdifferenz zwischen den Enden der Wege erzeugen kann, auf welchen die Gasgemische den JLpparat durchströmen sollen, zweckmässiger v/ird jedoch hierfür gemäss einem anderen Kennseichen der Erfindung der Apparat mit Rohgas unter einem relativen tiberdruck gespeist, wobei ein Teil der kinetischen Energie und der Druckenergie eines T_eils der in dem Apparat strömenden Gase in wenigstens einer drehbaren Beschaufelung zurückgewonnen wird, welche zum Antrieb wenigstens einer Arbeitsbeschaufelung dient, welche einen erzwungenen Umlauf des anderen Teils der Gase erzeugt. '

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Hierfür können zweckmässig, v/ie in Fig. 6 dargestellt, von einer drehbar gelagerten,, unabhängigen, sich axial über die ganze Zellenbatterie 1 erstreckenden Welle 25 ebenso viele Scheiben 26 getragen werden, wie Zellen 1 vorhanden sind, wobei jede Scheibe 26 in einer Zelle in der Nähe einer Abschlusswand 27 der betreffenden Zelle angeordnet ist, wobei am Umfang einer jeden Scheibe 26-eine ^Turbinenbeschaufelung 28 vorgesehen ist, welche so ausgebildet ist, dass ein Teil der kinetischen Energie und der Druckenergie des an schwerem Gas angereicherten , in der Umfangszone der Zelle strömenden Gasstroms zurückgewonnen wird, wobei ein in der entsprechenden Wand 27 ausgebildeter ringförmiger Diffusor 2.8a den Gasstrom, welcher die Turbinenbeschaufelung 28 durchströmt hat,· in eine Zwischenzone der nächsten Zelle zurückführt. '

In einer ringförmigen Zwischenzone einer jeden Scheibe 26 ist eine Saugbeschaufelung 29 vorgesehen, weiche über eine ringförmige, vorzugsweise konvergierende Sammelleitung 30 in.der axialen Zone der nächsten Zelle einen an leichtem Gas angereicherten Gasstrom entnimmt, welcher so infolge der von der Turbinenbeschaufelung 28 in dem an schwerem Gas angereicherten Umfangsgas. strom entnommenen Energie gezwungen wird, im Gegenstrom zu strömen. .

Es ist zu bemerken, dass ggfs. der Welle 25 äussere Energie zugeführt werden kann, z.B. durch Kupplung dieser Welle mit einem Motor, um den Umlauf der Gasströme innerhalb des Apparats zu beschleunigen.

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Claims

Patentansprüche

1.) Zentrifuge zur Trennung der Bestandteile verschiedener Dichte eines Gasgemischs- mit wenigstens einer sich drehenden Zelle, in weiche das zu behandelnde Rohgas eingeführt .wird,- während das an schwerem Gas angereicherte Genisch, in der Umfangszone der Zelle und das an leichtem Gas angereicherte Gemisch in der axialen Zone der Zelle' aufgefangen wird, dadtr ch gekennzeichnet, dass die Zelle (1) so ausgebildet ist, dass die-Einführung des Rohgases in den Innenraum der Zelle in einer .Zwischenzone (I) erfolgt, welche/in einem erheblichen Abstand sowohl von der Umfangszone (P'). als auch von der Axialzone (A) liegt. ■ . .

2.) Zentrifuge nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,' dass der Innenraum der sich drehenden Zelle (1) mit einem Stoff (7) ausgefüllt ist, welcher von der Zelle in Umdrehung versetzt wird, und durch '.welchen hindurch sich eine radiale Gasströmung ausbilden kann, wobei dieser Stoff z.B. durch einen.Metallschaum oder Metalispäne gebildet werden kann, oder durch ein unterteiltes oder Zellen enthaltendes Material, in welchem die Gase radial strömen können.

3.) Zentrifuge nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass ihr das Rohgas mit einem relativen tiberdruck zugeführt wird,-.und dass ein Teil der kinetischen Energie und der Druckenergie der in eiern Apparat strömenden Gase in

.wenigstens einer sich drehenden Beschaufelung (28) zurückgewonnen wird, welche cv/Gckniässig wenigstens eine Arbeitsbog (2c) antreibt, welche einen erzwungenen ',Umlauf.

0 0 RP Ά ^c MiO^S

des anderen Teils der Gase innerhalb des Apparats erzeugt.

4.) Zentrifuge nach Anspruch 1, dadureh gekennzeichnet, dass die Zufuhr der Rohgase etwa auf halbem Wege zwischen eier Unifangszone (P) und der Axialzone (A) der sich drehenden Zelle (1) erfolgt.

5.) Zentrifuge nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Zufuhr der Rohgase zudem Innenraum der sich drehenden Zelle in Form einer Schicht erfolgt, welche einen zu der Zelle gleichachsigen Umdrehungskörper bildet.

6·) Zentrifuge nach einem der Ansprüche 1 bis 5, gekennzeichnet durch mehrere sich drehende gleichachsige in Seihe geschaltete die gleiche Drehbewegung ausführende Zellen (1; Pig. 2 bis 5).

7.) Zentrifuge na,ch Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die beiden die verschiedenen in Reihe geschalteten Zellen durchströmenden Gasflüsse, nä:.ilich das allmählich an schv/erem. Gas angereicherte Umfangsgemisch und das allmalilich an leichtem Gas angereicherte Axialgemisch, gegensinnig zueinander strömen, wobei dann jeder Zwischenzelle zwei Gasgemische zugeführt werden, und zwar beide in einer Zwisehenzone der radialen Erstreckung der Zelle.

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