DE2457873A1

DE2457873A1 - Waermetauscher

Info

Publication number: DE2457873A1
Application number: DE19742457873
Authority: DE
Inventors: Joergen Gribsvad
Original assignee: Haldor Topsoe AS
Current assignee: Topsoe AS
Priority date: 1974-11-29
Filing date: 1974-12-06
Publication date: 1975-06-12
Also published as: FR2253999A1; IT1024969B; FR2253999B1; US3982585A; CA1005046A; JPS5089953A; GB1488349A

Description

DR. ING. F. WUKSTHOFF 8MtJNOHENGO DR. E. V. PEOHMANBT SCHWJBIGKEHSTRASSE 2 DR. ING. D. BEHRENS ^ΙπίΙΌ» ^{<0811) ββ so sl} DIPL₁ING. R. GOETZ »*«■■* 070 TKLEOHAMME : PATENTAKWiI₁TI μοτιοτρατβκτ münohkn

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Beschreibung zu der Patentanmeldung

HAIiDOR TOPS0E A/S, 2860 S^borg, Dänemark betreffend

Wärmetauscher

Die Erfindung bezieht sich auf Vorrichtungen zum Bewirken eines indirekten Wärmeaustausches zwischen zwei !luden und betrifft insbesondere Wärmetauscher, bei denen ein solcher Wärmeaustausch zwischen einem heißen Gasstrom und einer Kühlflüssigkeit herbeigeführt wird..

Ein Wärmetauseher der allgemeinen Bauart, auf die sich die Erfindung bezieht, weist mindestens einen Druckmantel auf, ferner einen Einlaßrohrboden, einen Auslaßrohrboden sowie ein Austauscherrohrbündel zwischen diesen Boden. Bei einer typischen Anwendungsweise eines solchen Wärmetauschers wird ein heißer Gasstrom durch die Austauscherrohre geleitet, während eine sich normalerweise im verdampfenden Zustand befindende Kühlflüssigkeit um die Austauscherrohre herumgeleitet wird.

Solche" Wärmetauscher.können verschiedenen Zwecken dienen. Beispielsweise kann man einen solchen Wärmetauscher als Abwärmekessel benutzen, ferner als beheizten Kessel zur Dampferzeugung sowie als rohrförmigen Reaktionsbehälter, in dem sich exothermische Prozesse in Gegenwart eines in den Rohren

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enthaltenen Katalysators abspielen. Die Benutzung von Abwärmekesseln ist von besonderer Bedeutung in der chemischen Industrie, wo eine weitgehende Ausnutzung der Wärme von Produktgasströmen für die gesamte Wirtschaftlichkeit einer Anlage zum Durchführen eines chemischen Prozesses maßgebend ist. Im Hinblick hierauf ist es von ausschlaggebender Bedeutung, zuverlässig und gefahrlos zu betreibende Wärmetauscher zur Verfugung, zu haben.

In allen Fällen, in denen Wärmetauscher der vorstehend geschilderten Art benutzt werden, ergeben sich erhebliche Schwierigkeiten aus der unterschiedlichen Wärmedehnung der Austauscherrohre, der verschiedenen Teile der Rohrboden und des Druckmantels·, und nierbei treten erhebliche mechanische Beanspruchungen auf, die zu einer Verformung oder sogar zum Bruch "bestimmter Teile des Wärmetauschers führen können. Bs bestehen verschiedene Möglichkeiten, die Wärmespannungen bzw. die Temperaturunterschiede zu verringern, die zu solchen Wärmespannungen führen. Hierzu gehören eine Steigerung der Durchsatzgeschwindigkeit der zirkulierenden Kühlflüssigkeit, die Verwendung einer Wärmeisolierung an allen Flächen, die den die höchsten Temperaturen aufweisenden G-asströmen ausgesetzt sind, der Schutz der kritischen Bauteile durch Rohre aus nichtrostendem Stahl, d.h. sogenannte Endringe- oder Einfassungen, usw.

Aus wirtschaftlichen G-ründen ist es jedoch erwünscht, beim Betrieb eines Wärmetauschers die Betriebstemperatur und den Betriebsdruck möglichst hoch zu halten, da hierdurch der Wärmeaustauschwirkungsgrad verbessert wird. Dies gilt insbesondere für die Benutzung von Wärmetauschern bei chemischen Prozessen. Daher erweisen sich die weiter oben genannten Maßnahmen nicht in allen Fällen als ausreichend, um das Auftreten schädlicher Wärmespannungen zu verhindern, und dies hat zur Folge, daß häufig Verformungen oder Brüche oei bestimmten kritischen Bauteilen auftreten, so daß es erforderlich ist, kostspielige Instandsetzungs- und Wartungsarbeiten durchzuführen.

In der U.S.A.-Patentschrift 3 398 787 wurde bereits vorgeschlagen, die sich aus einer axialen Wärmedehnung der Aus-

tauscherrolire ergebenden Schwierigkeiten dadurch zu vermeiden, daß einer der Rohrboden" mit einem rohrförmigen Hantel verbunden wird, der in der Bohrung des Druckmantels verschiebbar gelagert ist. Hierbei wird eine flexible und gasdichte Abdichtung zwischen dem Mantel des Rohrbodens und dem Druckmantel durch eine Rohrmembran herbeigeführt. Bei dieser Anordnung ist jedoch die Rohrmembran zu schwach, so daß sie das Austauscherrohrbündel nicht einwandfrei unterstützen kann. Daher ist zusätzlich zu dem in der Bohrung des"Druckmantels verschiebbar gelagerten Mantel ein Führungsring als zusätzliche Unterstützung für das Austauscherrohrbündel vorhanden.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen verbesserten Wärmetauscher zu.schaffen, bei dem die Gefahr des Auftretens schädlicher mechanischer Spannungen als folge einer unterschiedlichen Wärmedehnung dadurch verringert oder sogar vollständig beseitigt ist, daß eine flexible Verbindung vorhand'en ist, die geeignet ist, alle Wärmedehungsbewegungen auszugleichen und das Austauscherrohrbündel einwandfrei zu unterstützen.

Zur Lösung dieser Aufgabe ist durch die' Erfindung ein Wärmetauscher zum Herbeiführen eines indirekten Yförmeaustau-^ sches zwischen zwei Fludströmen geschaffen worden, der einen Druckmantel aufweist, ferner einen Einlaßrohrboden, einen Auslaßrohrboden sowie-Austauscherrohre, die in Form eines Rohrbündels zwischen dem Einlaßrohrboden und dem Auslaßrohrboden angeordnet sind, und bei dem mindestens einer der Rohrböden mit dem Druckmantel durch flexible Verbindungen verbunden ist,' die geeignet sind, durcn Yiiärme hervorgerufene radiale Ausdehnungsbewegungen des Einlaßrohrbodens und durch Yfärme verursachte axiale Ausdehnungsbewegungen der Austauscherrohre auszugleichen, ohne daß übermäßig hohe mechanische Beanspruchungen auftreten, und die außerdem geeignet sind, die durch das Austauscherrohrbündel gebildete Last aufzunehmen. Zu den flexiblen Verbindungen zwischen dem bzw. jedem Rohrboden und dem Druckmantel gehören jeweils ein ringförmiger Abschnitt, der durch eine einzige Verbindung mit der Innenfläche des.Druck--

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mantels verbunden ist, sowie ein im wesentlichen zylindrischer Mantelabschnitt, der an einem Ende durch einfache Verbindungen mit dem inneren Rand des ringförmigen Abschnitts und am anderen Ende mit dem äußeren Rand des Rohrbodens verbunden ist, dessen Durchmesser kleiner ist als der Innendurchmesser des Druckmantels.

Zweckmäßigerweise ist der Einlaßrohrboden gegenüber dem ringförmigen Abschnitt oder Bauteil in der Strömungsrichtung des G-asstroms versetzt, und der Auslaßrohrboden ist mit dem Druckmantel durch eine flexible Verbindung verbunden, die·.,der dem Einlaßrohrboden zugeordneten Verbindung ähnelt.

Die Erfindung wird im folgenden mit weiteren Einzelheiten anhand schematischer Zeichnungen eines Ausführungsbeispiels erläutert. Es zeigt:

Jig. 1 einen senkrechten Schnitt durch einen Wärmetauscher;

Fig. 2 einen Teilschnitt durch eine Verbindung bzw» Abdichtung zwischen einem Austauscherrohr und einem Austauscherrohrboden; und

Pig. 3 einen Teilschnitt durch die flexible Verbindung zwischen dem Druckmantel und einem Rohrboden.

Die in den Zeichnungen dargestellte und nachstehend im einzelnen beschriebene Ausführungsform eines Wärmetauschers nach der Erfindung eignet sich insbesondere zur Verwendung als Abwärmekessel bei Anlagen zum Durchführen chemischer Prozesse, doch läßt sich der gleiche "Wärmetauscher ohne größere Änderungen auch in anderen Fällen anwenden.

Ein typisches Anwendungsbeispiel für einen solchen Wärmetauscher wird durch eine Anlage zum Erzeugen von Ammoniak gebildet, bei der das synthetische Ammoniakgas durch die Umwandlung von Kohlenwasserstoffen mit Hilfe von Dampf gewonnen wird. Bei einer solchen Anlage wird der heiße Pioduktgasstrom, der einer sekundären Umwandlungseinrichtung entnommen wird,

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in einem Abwärmekessel abgekühlt, in welchem Dampf für die rohrförmige Umwandlurrgs einrichtung und/oder für andere Zwecke erzeugt wird. Der heiße Produktgasstrom verläßt sie zweite Umwandlungseinrichtung gewöhnlich gemäß Fig. 1 über eine mit einem feuerfesten Material ausgekleidete Überströmleitung 11, die unmittelbar mit dem Einlaßkanal 12 des Wärmetauschers bzw. Abwärmekessels 13 verbunden ist. Von dem Einlaßkanal 12 aus strömt das heiße Gas durch die Austauscherrohre 14, die sich von dem Einlaßrohrboden 15 aus zu dem Auslaßrohrboden 16 erstrecken. Die Austauseherrohre 14- sind von Wasser umgeben, das in dem Druckmantel 17 zirkuliert. Das abgekühlte Gas wird in einem Auslaßkanal 18 -gesammelt, von dem aus es entweder unmittelbar einer weiteren Behandlungseinrichtung zugeführt wird, oder jenseits dessen das Gas einer erneuten Abkühlung in einem zweiten, in Mg. 1 nicht dargestellten Abwärmekessel unterzogen wird, welcher dem Abwärmekessel 13 nachgeschaltet ist, so daß letzterer als primärer Abwärmekessel betrieben wird»

Da sich der in den Einlaßkanal 12 eintretende Produktgasstrom auf einer sehr hohen Temperatur befindet, die in typischen Fällen über 800°0 liegt und häufig sogar 95O⁰O überschreitet, müssen alle in Berührung mit. dem heißen Gas kommenden Teile mit einer Wärmeisolierung versehen oder auf andere Weise geschützt sein. Aus diesem Grund ist die Überströmleitung 11 mit einer Auskleidung 21 aus hitzebeständigem Material versehen. Entsprechend weisen die Einlaßkammer 12 und der Einlaßrohrboden 15 wärmeisolierende Verkleidungen 22 und 23 auf.

Sämtliche Teile, die den Verbindungen·zwischen dem Einlaßrohrboden 15 und den Austauscherrohren 14 benachbart sind, sind sehr hohen Beanspruchungen ausgesetzt, denn an diesen Punkten kommt der seine maximale Temperatur aufweisende heiße Gasstrom in Berührung mit den Innenflächen der Austauscherrohre. Daher wird es normalerweise erforderlich sein, die genannten Teile durch rohrförmige Einsätze aus hitzebestäindigem Stahl bzw. sogenannte Übergangsrohre 24 zu schützen. Die Übergangsrohre 24 können mit Verankerungsringen 25 versehen sein

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und sind so ausgebildet und angeordnet, daß zwischen ihnen und den Innenflächen der zugehörigen Austauscherrohre 14 jeweils ein enger Ringspalt 26 vorhanden ist. Um eine Isolierung zu bewirken, ist gemäß Pig. 2 jedes Übergangsrohr 24 mit einer Packung 27 aus einem weichen hifzebeständigen Material versehen.

Im Bereich des Auslaßkanals 18 herrschen weniger kritische Betriebsbedingungen, denn an dieser Stelle ist der Sasstrom bereits auf eine mäßige Temperatur abgekühlt wordene In manchen Fällen ist jedoch die Temperatur des Gases immer noch so hoch, daß man sämtliche Innenflächen des Auslaßkanals mit einer Wärmeisolierung versehen muß. Mit anderen Worten, es kann erforderlich sein, gemäß Fig. 1 auch die Innenflächen des Auslaßkanals 18 mit einer Auskleidung 28 aus hitzebeständigem Material zu versehen.

Um den Wärmeübergang bzw. den Wärmedurchsatz des Abwärmekessel zu erhöhen, wird normalerweise Wasser so durch den Druckmantel 17 geleitet, daß es die Austauscherrohre 14 umspült. Hierbei kann das Wasser nach dem Thermosiphonverfahren durch den Kessel geleitet oder mittels einer Pumpe zwangsläufig durch den Kessel hindurchgefördert werden,, In beiden Fällen entweicht aus dem Abwärmekessel 13 ein Gemisch aus Wasser und Dampf über eine oder mehrere Düsen 29, die in den oberen Teil des Druckmantels .17 eingebaut sind, während das erneut umgewälzte Wasser zusammen mit Kesselspeisewasser im Abwärmekessel 13 über einen oder mehrere Rohrstutzen 30 zugeführt wird, die in den unteren Teil des Druckmantels 17 eingebaut sind. Das über die oberen Düsen oder Auslässe 29 entweichende Dampf-Wasser-Gemisch wird dann einem Behälter zugeführt, in dem der Dampf von flüssigen Wasser getrennt wird, welch letzteres dann dem Abwärmekessel gegebenenfalls mittels einer Pumpe erneut zugeführt wird. Da diese Hilfseinrichtungen zum Abtrennen des Dampfes und zum erneuten Zuführen des Yifassers von bekannter Art sind und nicht einen Gegenstand äer Erfindung bilden, sind sie in Fig. 1 nicht dargestellt.'

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Bei Wärmetauschern bzw. Abwärmekesseln bekannter Art sind der Binlaßrohrboden und der Auslaßrohrboden mi⁴ dem Druckmantel durch einfache feste Verbindungen verbunden. Wird ein solcher Wärmetauscher bei einer hohen Temperatur betrieben, treten bei bestimmten Teilen des Wärmetauschers Wärmedehnungsbewegungen auf, da sich gewisse Temperaturunterschiede zwischen verschiedenen Teilen des v/ärme tauschers ergeben. Außerdem können sich die verschiedenen zur Herstellung der Teile des Wärmetauschers verwendeten Werkstoffe bezüglich ihres War» meausdehnungsbeiwertes unterscheiden. Dies hat zur Folge, daß an kritischen Punkten hohe mechanische Spannungen bzw. Beanspruchungen auftreten. Schon kleine Temperaturunterschiede, die z.B. im Bereich von 10° bis 20⁰C liegen, können zu kritischen mechanischen Beanspruchungen führen, lerner trägt der hohe Innendruck, mit dem ein solcher Wärmetauscher betrieben wird, zur mechanischen Beanspruchung der Teile bei.

Genauer gesagt, werden sich der Einlaßrohrboden 15 und die Austauscherrohre 14 auf eine Temperatur einstellen, die etwas höher ist als die Temperatur des Druckmantels 17· Infolgedessen sind die radialen Ausdehnungsbewegungen des Einlaßrohrbodens und die axialen Ausdehnungsbewegungen der Austauscherrohre größer als die radialen bzw. die axialen Ausdehnungsbewegungen des Druckmantels. Diese· unterschiedlichen War-, medehnungsbewegungen führen zu mechanischen Beanspruchungen, die sich auf die Verbindung zwischen dem Einlaßrohrboden und dem Druckmantel sowie auf die Verbindungen zwischen den Austauscherrohren und dem Einlaßrohrmantel konzentrieren, lerner kann^ die Gefahr bestehen, daß sich der Einlaßrohrboden 15 infolge von Temperaturunterschieden in axialer Richtung durchbiegt. Eine solche Durchbiegung trägt zum Entstehen thermischer Beanspruchungen der verschiedenen Verbindungen bei. Daher ist häufig zu beobachten, daß die Verbindungen beschädigt werden, und daß die Austauscherrohre aufreißen.

Ähnliche Schwierigkeiten, wie sie vorstehend bezüglich des Einlaßrohrbodens 15 beschrieben sind, können sich ebenfalls, wenn auch in einem geringeren Ausmaß, bei dem Auslaß-, rohrboden 16 ergeben.

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Bei dem Wärmetauscher nach der Erfindung ist die Gefahr des Auftretens solcher Schaden dadurch verringert oder sogar vollständig ausgeschaltet, daß flexible Verbindungen zwischen dem Einlaßrohrboden 15 und dem Druckmantel 17 vorhanden sind, die geeignet sind, die verschiedenen Ausdehnungsbewegungen auszugleichen, welche beim Betrieb des Wärmetauschers auftreten, wobei die flexiblen Verbindungen die durch das Austauscherrohrbündel gebildete Last einwandfrei unterstützen. In Fällen, in denen mit besonders hohen Beanspruchungen zu rechnen ist, kann es zweckmäßig sein, solche flexiblen Verbindungen auch zwischen dem Auslaßrohrboden 16 und dem Druckmantel 17 vorzusehen.

Ein Beispiel für e|ne flexible Verbindung, die zur Verwendung bei einem erfindungsgemäßen Wärmetauscher geeignet ist, ist im einzelnen in Pig. 3 dargestellt. Zu dieser Verbindung gehören ein zylindrischer Mantelabschnitt 41 und ein allgemein flacher ringförmiger Abschnitt 42. Das eine Ende des zylindrischen Mantelabschnitts 41 ist mit dem Einlaßrohrboden 15 verbunden, während das andere Ende dieses Abschnitts mit dem ringförmigen Abschnitt 42 verbunden ist, der seinerseits mit dem Druckmantel 17 verbunden ist. Sämtliche Verbindungen zwischen dem Einlaßrohrboden 15> dem zylindrischen Mantelelement 41, dem ringförmigen bzw. plattenförmigen Abschnitt 42 und dem Druckmantel 17 können als geschweißte Verbindungen hergestellt sein. Bei der Anordnung nach Fig. 3 können alle Ausdehnungsbewegungen der Austauscherrohre 14 und des Einlaßrohrbodens durch geringfügige Verformungen des zylindrischen Mantelabschnitts 41 und des ringförmigen Abschnitts 42 ausgeglichen werden. Die Wahl der Abmessungen und der "Werkstoffe für den zylindrischen Mantelabschnitt und den ringförmigen Abschnitt werden durch auf bekannte Weise durchgeführte Berechnungen bestimmt.

Es ist besonders wichtig, daß die konstruktiven Einzelheiten der beschriebenen flexiblen Verbindung so ausgebildet werden, daß das Vorhandensein von scharfen Einkerbungen oder dergl. möglichst weitgehend vermieden wird, da solche Einker-

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bungen zu Spannungsanhäufungen- und daher zu Beschädigungen führen könnten. Die entsprechenden konstruktiven Maßnahmen sind bekannt j die Darstellung in Pig. ^ bildet lediglich ein Beispiel für mehrere verschiedene mögliche Lösungen dieser konstruktiven Aufgabe.

Bei dem Wärmetauscher nach !ig. 1 handelt es sich lediglich um eines von mehreren Möglichen Ausführungsbeispielen. Es wurde bereits erwähnt,, daß man auch den Auslaßrohrboden 16 mit dem Drucicmantel 17 in der gleichen Weise verbinden könnte, in welcher der Einlaßrohrboden gemäß der vorstehenden Beschreibung mit dem Druckmantel verbunden ist. Diese Maßnahme würde man insbesondere dann anwenden, wenn einem primären Wärmetauscher" ein sekundärer Wärmetauscher nachgeschaltet ist. In diesem lall würde der in den Auslaßkanal des primären Wärmetauschers eintretende Gasstrom immer noch eine Temperatur haben, die hoch genug ist, um kritische mechanische Beanspruchungen hervorzurufen, wenn nur eine einfache Verbindung zwischen dem ■ Auslaßrohrboden 16 und dem Druckmantel 17 in der aus Pig. 1 ersichtlichen Weise vorhanden wäre.

Wird ein sekundärer Wärmetauscher verwendet, kann dieser Wärmetauscher praktisch in jeder Beziehung dem primären Wärmetauscher nach Mg. 1 ähneln. Ss ist bekannt, auf welche Weise man zwei solche Wärmetauscher hintereinanderschaltet und sie auf möglichst wirtschaftliche Weise betreibt. Beispielsweise wird die Temperatur am Auslaß des sekundären Wärmetausches häufig mit Hilfe einer innenliegenden oder außen angeordneten Umgehungsleitung für Gas geregelt.

Bei dem in -Pig. 1 dargestellten Wärmetauscher ist der Einlaßrohrboden 15 gegenüber dem ringförmigen Abschnitt 42 in der Richtung versetzt, in welcher der Gasstrom durch den Wärmetauscher geleitet wird. Im Rahmen der Erfindung könnte jedo.ch der Einlaßrohrboden auch in der entgegengesetzten Richtung gegenüber dem ringförmigen Abschnitt 42 versetzt sein. Allerdings würde sich hierbei eine weniger wirksame Kühlung der Austauscherrohre -14 an ihren Eintrittsenden e-rgeben. Daher ist die

in Pig. 1 gezeigte Anordnung vorzuziehen»

Soll auch der Auslaßrohrboden 16 mit dem Druckmantel 17 durch eine flexible Verbindung verbunden werden, gelten entsprechende Gesichtspunkte für die Richtung der Versetzung des Auslaßrohrbodens gegenüber dem zugehörigen ringförmigen Abschnitt. Da jedoch an diesem Ende des Wärmetauschers gewöhnlich eine niedrigere Temperatur herrscht, können für die Wahl der Konstruktion andere Gesichtspunkte, z.B. die leichte Herstellbarkeit, maßgebend sein.

Wird der Wärmetauscher als Abwärmekessel benutzt, wie es in Jig. 1 dargestellt ist, ist er normalerweise so angeordnet, daß sich die Austauscherrohre .waagerecht erstrecken. In anderen !'allen kann es zweckmäßiger sein, den Wärmetauscher anders anzuordnen« Beispielsweise würde man die beschriebene Konstruktion normalerweise mit stehend angeordneten Austauscherrohren versehen, wenn die Konstruktion als mit einem Katalysator arbeitendes Reaktionsgefäß für exothermische Prozesse benutzt werden soll.

Ansprüche;

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Claims

A F S P R Ü C H E

/ 1.y Rohrbündel-Wärmetauscher, dessen Rohrbündel zwischen einem Ifinlaßrohrboden und einem Auslaßrohrboden in einem Druckmantel gehalten ist, mit dem mindestens einer der Rohrboden durch eine .flexible Verbindung v.erbunden ist, dadurch gekennzeichnet , daß die flexible Verbindung einen ringförmigen, plattenförmigen Abschnitt (42) , welcher mit der Innenfläche des Dujrckmantels (17) durch eine einfache normale Verbindung verbunden ist, sowie einen zylindrischen rohrförmingen Abschnitt (41), der an seinem einen Rand mit dem inneren. Rand des plattenförmigen Abschnitts und an seinem anderen Rand mit dem äußeren Rand des jeweils durch eine einfache normale Verbindung verbunden ist, aufweist und daß der Durchmesser des Rohrbodens kleiner ist als der Innendurchmesser des Druckmantels.
2. Wärmetauscher nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß der Einlaßrohrboden (15) gegenüber dem plattenförmigen Abschnitt (42) der flexiblen Verbindung in der Strömungsrichtung des durch den Wärmetauscher hindurchgeleiteten Gases versetzt ist.

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