DE2528559C3 - Vorrichtung zum Durchführen einer Reaktion zwischen Strömungen fließfähiger Medien - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Durchführen einer Reaktion zwischen Strömungen fließfähiger Medien mit einem an einem Ende durch eine Stirnwand abgeschlossenen Mantel, in den am von der Stirnwand abgewandten Ende ein zylindrisches Innenrohr eingesetzt ist, so daß ein an dem der Stirnwand abgewandten Ende geschlossener Ringraum entsteht, einem tangential in den Ringraum mündenden Einlaß zum Einleiten einer Strömung, einem koaxial zum Innenrohr durch die Stirnwand geführten Zufuhrrohr zum Einleiten einer anderen Strömung und einem das Zufuhrrohr umschließenden, an die Stirnwand angrenzenden, perforierten Einsatz, der bezogen auf die Achse des Innenrohrs rotationssymmetrisch ist

Bei einer bekannten Vorrichtung der beschriebenen Gattung (FR-PS 20 71 012), die zur Abgasverbrennung dient, mündet der das Abgas einleitende Einlaß in der Nähe des geschlossenen Endes des Ringraumes in den Ringraum. Der Ringraum weist vorzugsweise ein spiralförmiges Leitblech auf, das die ihn durchströmende Abgasströmung in schraubenförmige Bewegung versetzt Ein Teil dieser schraubenförmigen Strömung verläßt den Ringraum dann durch den perforierten Einsatz hindurch, der als sich zum Innenrohr hin öffnender Konus ausgebildet ist und vermischt sich im Inneren des Einsatzes mit Brennstoff, der durch das Zufuhrrohr eingeleitet wird. Der andere Teil des zugeführten Abgases tritt durch eine zwischen dem Innenrohr und dem Einsatz ausgebildete Ringöffnung axial aus und vermischt sich im Inneren des Innenrohrs, das den eigentlichen Brennraum darstellt, mit dem aus dem Einsatz austretenden Gemisch. Bei der Verbrennung tritt aus dem Einsatz eine sich aufweitende Flamme aus, deren Brennbereich die durch die Ringöffnung um den Einsatz in das Innenrohr eintretenden Gase erfaßt und diese zusätzlich verbrennt. Dabei gelangt die Flamme bis unmittelbar an die Innenwand des Innenrohrs, so daß das Innenrohr als Wärmetauscher zwischen den heißen Verbrennungsgasen in seinem Inneren und den durch den Ringraum zugeführten Abgasen fungiert. Entsprechend wird die Wand des Innenrohrs thermisch relativ hoch beansprucht und aufgeheizt, was dazu führt, daß die von der Vorrichtung abgegebene Heizleistung nicht schnell an die jeweiligen Erfordernisse angepaßt werden kann.

In der US-PS 25 64 700 ist ein Rußofen beschrieben, bei dem in einem zylindrischen Mantel ein zylindrisches inneres Rohr mit feuerfestem Material, beispielsweise Aluminium-Oxyd, ausgekleidet ist. Zwischen dem feuerfesten Material und dem Mantel befindet sich thermisch isolierendes Material. Das Innenrohr ist an einer Seite verschlossen. An dieser Seite werden ihm durch ein axial einmündendes Zufuhrrohr Kohlenwasserstoffe zugeführt. Nahe seinem geschlossenen Ende weist das Innenrohr einen aufgeweiteten Bereich auf, in den durch zwei tangential einmündende Rohre Verbrennungsgase eingeleitet werden, die mit den eingeleiteten Kohlenwasserstoffen reagieren und Ruß bilden. Die axiale Einleitungsgeschwindigkeit der Verbrennungsgase soll so gewählt sein, daß sie im Innenrohr eine insgesamt schraubenförmige Bewegung ausführen, in deren axialen Bereich der Ruß im wesentlichen aus dem Innenrohr herausgeführt wird und in derem äußeren, der Auskleidung benachbarten Bereich sich im wesentlichen nur heiße Gase befinden. Auch bei diesem Rußofen wird die feuerfeste Auskleidung des Innenrohrs thermisch stark beansprucht und aufgeheizt, so daß der Ofen insgesamt thermisch träge ist.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine wirtschaftlich herstellbare Vorrichtung zum Durchführen einer Reaktion zwischen Strömungen fließfähiger Medien zu schaffen, die eine feine Steuerung der Reaktion ermöglicht.

Diese Aufgabe wird mit einer Vorrichtung der

eingangs beschriebenen Gattung erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß der perforierte Einsatz dicht mit dem Innenrohr verbunden ist

Durch diese Ausbildung der Vorrichtung wird erreicht, daß die durch den Ringraum eingeleitete Strömung in völlig rotationssymmetrischer Weise, d. h. durch alle als Drosselstelle wirkenden öffnungen des perforierten Einsatzes in gleicher Weise, in das Innere des Einsatzes eindringt und dort eine schraubenförr:iige Strömung entstehen läßt, die längs der Wand des Innenrohrs auswärts strömt Da die Druckverhältnisse in der schraubenförmigen Strömung wegen der voll symmetrischen Entstehung dieser Strömung völlig rotationssymmetrisch sind, bildet sich in der Achse des Innenrohrs ein Unterdruckbereich aus, der die miteinander reagierenden Medien der durch das Zufuhrrohr eingeleiteten Strömung und der schraubenförmigen Strömung führt und dafür sorgt, daß die miteinander reagierenden Medien im inneren, axialen Bereich des Innenrohrs bleiben und nicht dessen Wand berühren. Die Wand des Innenrohrs wird somit weder thermisch noch chemisch beansprucht, d. h. an das Material werden keine besonderen Anforderungen gestellt, so daß beispielsweise normaler Stahl verwendet werden kann. Die Reaktionsbedingungen werden ausschließlich durch die beiden Strömungen und nicht durch die jeweilige Temperatur der Wand des Im ^nrohrs bestimmt, wodurch die Reaktion fein und schnell steuerbar ist

Die erfindungsgemäße Vorrichtung ist vor allem für Verbrennungen geeignet, wobei die zu verbrennende Substanz durch das Zufuhrrohr als Gas oder Dampf oder als zerstäubte Flüssigkeit, ggf. mit Feststoffteilchen, zugeführt werden kann. Durch das Zufuhrrohr kann weiter Gas eingeleitet werden, das mit der brennbaren Substanz reagiert und/oder Trägergas dieser Substanz sein kann.

Die schraubenförmige Strömung kann ein Inertgas sein oder aus Gasen oder Dämpfen bestehen, die mit der durch das Zufuhrrohr eingeleiteten Strömung reagieren können. Bei der Verwendung der Vorrichtung zum Verbrennen ist die schraubenförmige Strömung vorteilhafterweise eine Luftströmung.

Durch das Zufuhrrohr kann beispielsweise ein Gemisch aus Chlor und flüssigen, durch das Chlor zerstäubten, gegebenenfalls chlorierten Kohlenwasserstoffen eingeleitet und als schraubenförmige Strömung ein Gemisch aus Äthylen und gesättigten oder ungesättigten Chlorkohlenwasserstoffen eingeleitet werden.

Die öffnungen im perforierten Einsatz, durch die die schraubenförmige Strömung gleichmäßig hindurchtritt, sind im allgemeinen kreisförmig und sollen zumindest an dem der Stirnwand zugewandten Ende ein Verhältnis ihres Durchmessers zur Wandstärke des Einsatzes größer als 5 aufweisen. Die Mindeststärke der Wand des Einsatzes wird ausschließlich durch mechanische Erfordernisse bestimmt. Im allgemeinen sind mindestens sechs öffnungen vorhanden, die auf mindestens einer die Achse der Vorrichtung umschließenden Kreislinie angeordnet sind, vorzugsweise sind jedoch mehrere, auf mehrere Kreislinien verteilte öffnungen vorgesehen.

Mit Vorteil sind die öffnungen des Einsatzes überwiegend an seinem der Stirnwand zugewandten Ende angeordnet. Dadurch wird das Mischen der miteinander in Reaktion zu bringenden Substanzen begünstigt und ist gewährleistet, daß keine durch das Zufuhrrohr eingeleitete Substanzen an die Innenwand des Innenrohrs gelangen.

Der tangential in den Ringraum mündende Einlaß ist normalerweise nahe dem von der Stirnwand abgewandten Ende des Ringraums angeordnet, da dies, ohne daß im R^;ngraum irgendwelche Leitvorrichtungen vorgesehen sind, den gleichmäßigen Eintritt der schraubenförmigen Strömung in die öffnungen des Einsatzes begünstigt!.

Bei einer speziellen Ausführungsform der Vorrichlung ist der Einlaß nicht unmittelbar am von der Stirnwand abgewandten Ende angeordnet und ist im Innenrohr nahe dem von der Stirnwand abgewandten Ende ein Kranz von öffnungen ausgebildet, deren Gesamtquerschniu ein Hundertstel bis ein Zehntel der Gesamtfläche aller Öffnungen ausmacht.

Das Verhältnis des senkrecht zur Achse gemessenen mittleren Querschnitts des Ringraumes zum Gesamtquerschnitt aller öffnungen liegt vorzugsweise im Bereich von 5 bis 15, insbesondere wenn der Mantel zylindrisch ist.

Die Vorrichtung zeichnet sich vorteilhafterweise weiter dadurch aus, daß die halbe Differenz zwischen dem Innendurchmesser des Mantels und des Innenrohres 1 bis 10 cm beträgt und daß der Innendurchmesser des Einsatzes, gemessen in mm, das 0,4- bis 0,5-fache von \k beträgt, wobei[Jt die stündliche abgegebene Reaktionswärme in kcal ist. Der Durchmesser des Innenrohrs soll nicht kleiner sein als 500 mm, wenn in der geradlinigen axialen Strömung ein viskoser Reaktionspartner zugeführt wird, beispielsweise schweres Heizöl, das vorzugsweise sehr fein und homogen dispergiert wird.

Bezüglich des koaxial zum Innenrohr durch die Stirnwand geführten Zufuhrrohrs bestehen keine engen Vorschriften. Wenn flüssige Brennstoffe zugeführt werden, enthält diese Zufuhr vorteilhafterweise eine Düse, wie sie in der Patentanmeldung P 2 42 92 91.9-23 beschrieben ist, oder ist ein einfaches Rohr mit einem kegelstumpfartigen Ausgang, auf das außerhalb der Vorrichtung eine Zuleitung aufgeschweißt wird, über die das für die Zerstäubung benötigte Gas zugeführt wird. Es sollte lediglich beachtet werden, daß die Flüssigkeit nicht in einer Strömung mit einem Öffnungswinke! von mehr als 90° eingespeist wird.

Wenn axial gasförmiger Brennstoff zugeführt wird, ist die Vorrichtung zweckmäßig derart ausgebildet, daß sie einen kreisförmigen Schirm aufweist, dessen Durchmesser kleiner is.t als der Durchmesser des Innenrohrs und der parallel zu der Stirnwand und in einem Abstand von 2 bis 20 mm von dieser angeordnet ist. Dieser Schirm wird durch die durch das Zufuhrrohr geradlinig zugeführte Gasströmung gekühlt.

Bei einer weiteren Ausführungsform der Vorrichtung ist auf der Außenseite der Stirnwand eine 5 bis 20 mm breite zylindrische Kammer angeordnet, die durch achssymmetrische öffnungen mit dem Inneren des Innenrohrs in Verbindung steht. Bei dieser Ausführungsform der Vorrichtung wird der zylindrischen Kammer beispielsweise zusätzlich Luft zugeführt, die zusammen mit der durch das Zufuhrrohr eingeleiteten Strömung in die schraubenförmige Strömung im Einsatz und im Inneren des Innenrohrs eintritt. Die Kammer kann mit dem Ringraum verbunden oder vom Ringraum isoliert und mit einem eigenen, tangential in sie mündenden Einlaß versehen sein.

Bevorzugt weist die Vorrichtung eine Stauscheibe zum Abschluß des Innenrohrs auf. Mit einer solchen

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Innenrohr brennenden Flamme verringert werden.

Zu dem gleichen Zweck kann die Vorrichtung eine Stauscheibe mit axialer kreisrunder öffnung im Inneren des Innenrohrs, vorzugsweise dort, wo das Innenrohr in den Einsatz übergeht, aufweisen.

Wenn die Vorrichtung als Brenner verwendet wird, kann der Brennstoff beispielsweise mit Hilfe einer Zündkerze gezündet werden, die an einer zurückziehbaren Vorrichtung angebracht ist.

Die gesamte Vorrichtung kann aus gewöhnlichem Stahl hergestellt werden, da sie an keiner Stelle thermisch hoch belastet wird. Rostfreier Stahl oder andere korrosionsfeste Metalle brauchen nur dann verwendet zu werden, wenn die Anwesenheit irgendwelcher Oxydstäube verhindert werden muß. Die Verarbeitung von hochwarmfestem Stahl oder feuerfestem Material ist nicht notwendig.

Vorteilhafterweise tritt die schraubenförmige Strömung aus dem Ringraum durch die Öffnungen des Einsatzes mit einer Geschwindigkeit von etwa 15 bis jo 50 m/s ein. Dieser Berechnung liegt allerdings eine rein radiale Strömung zugrunde, die in der Praxis nicht oder nur in unbedeutendem Maß auftritt, da die Strömung dem Ringraum tangential zugeführt wird und entsprechend mit starker tangentialer Komponente durch die öffnungen hindurchtritt, damit im Inneren des Innenrohrs die schraubenförmige Strömung entsteht.

Bei Verwendung der Vorrichtung als Brenner, bei dem die schraubenförmige Strömung Luft ist und die axial eingeleitete Strömung ein Gas sein kann, wie beispielsweise Methan, Propan oder ein anderer leichter Kohlenwasserstoff, oder ein flüssiger Rückstand sein kann, der durch Verbrennung zerstört werden soll und ggf. Teer oder Ruß suspendiert enthält, oder auch ein bei Raumtemperatur fester Körper sein kann, der vor dem Einspritzen geschmolzen wird, beispielsweise Schwefel, können die beiden Strömungen unmittelbar entsprechend den jeweils gewünschten Bedingungen, z. B. der erzeugten Wärmemenge, eingestellt werden. Da die Vorrichtung selbst keine Wärme aufnimmt, kann die abgegebene Wärmemenge somit schnell und sicher entsprechend der Einstellung der beiden Strömungen eingestellt werden.

Da infolge des Unterdrucks im axialen Bereich der schraubenförmigen Strömung Brennstoff aus dem Zufuhrrohr angesaugt wird, muß auf die Strömung im Zufuhrrohr keinerlei Druck ausgeübt werden, es sei denn, daß sie zerstäubt werden soll. Eine weitere Wirkung des Unterdruckes liegt darin, daß die axial zugeführte Strömung sich praktisch geradlinig unter Reaktion bzw. Verbrennung im zentralen Kern weiter bewegt. Die Reaktionszone oder — im Falle einer Verbrennung — die Flamme hat somit eine im wesentlichen zylindrische Form, wobei das Wegschleudern oder Auftreffen von Brennstoff auf die Innenwand des Innenrohrs vermieden wird. Auch bei hohen Einleitgeschwindigkeiten der axialen Strömung, beispielsweise von 100 bis 150 m/s ist die Flamme vollständig von der schraubenförmigen Strömung umschlossen. Infolge des im zentralen Kern der schraubenförmigen Strömung herrschenden Unterdrukkes werden heiße Gasteilchen zur Achse des Kerns hin zurückgeführt und die Flamme verbleibt innerhalb eines Zylinders, dessen Radius etwa ein Drittel des Radius des Innenrohrs beträgt, wenn keine Stauscheiben verwendet werden. Der Durchmesser der Flamme ist im wesentlichen unabhängig von den Durchsatzmengen des Brennstoffes. Die Länge der Flamme dagegen ändert sich in Abhängigkeit von den Durchsatzmengen.

Die Erfindung wird im folgenden anhand schematischer Zeichnungen beispielsweise und mit weiteren Einzelheiten erläutert. Die dabei dargestellten Vorrichtungen dienen vor allem als Brenner. Es zeigen

F i g. 1 einen Längsschnitt durch eine erste Ausführungsform der Vorrichtung,

F i g. 2 einen Schnitt längs der Linie AB in F i g. 1 mit in die Schnittebene projizierten Zuleitungen und

Fig.3 einen Längsschnitt durch eine weitere Ausführungsform der Vorrichtung.

Gemäß F i g. 1 ist ein Mantel 1 einseitig mit einer Stirnwand 7 verschlossen. In den Mantel 1 ist ein zylindrisches Innenrohr 2 eingesetzt, so daß ein an dem von der Stirnwand 7 abgewandten Ende verschlossener Ringraum 4 entsteht. Das Innenrohr 2 ist zur Stirnwand 7 hin durch einen perforierten Einsatz 2' mit öffnungen 3 verlängert, so daß der Ringraum 4 bis an die Stirnwand 7 heranreicht.

In den Ringraum 4 mündet tangential nahe seinem von der Stirnwand 7 abgewandten Ende ein Einlaß 5, durch den Gas eingeleitet wird. Durch die Stirnwand 7 tritt koaxial zum Einsatz 2' und Innenrohr 2, d. h. in der Achse einer durch das Innenrohr 2 gebildeten Verbrennungskammer 6 ein Zufuhrrohr 8, das im Inneren des Einsatzes 2' mündet und zur Zufuhr von Brennstoff dient.

Auf der vom Einsatz 2' abgewandten Seite der Stirnwand 7 befindet sich eine zylindrische Kammer 10, die durch eine parallel zur Stirnwand 7 verlaufende, zum Gehäuse der Vorrichtung gehörende Außenwand U verschlossen ist und über öffnungen 9 mit dem Inneren des Einsatzes 2' verbunden ist. In die zylindrische Kammer 10 mündet eine Zufuhrleitung 12, die in Fi g. 2 tangential einmündend dargestellt ist, jedoch in einem beliebigen Winkel zu der zylindrischen Außenfläche der Kammer 10 geneigt sein kann.

Durch den Mantel 1 und den Einsatz 2 ragt eine Zündkerze 13 hindurch, die nach dem Zünden zurückgezogen werden kann. Im Inneren der Verbrennungskammer 6 ist am Übergang zwischen Innenrohr 2 und Einsatz 2' eine Stauscheibe 15 mit einer Mittelöffnung 17 und am freien Ende des Innenrohrs 2 eine Stauscheibe 14 mit einer Mittelöffnung 16 angeordnet.

Im Betrieb wird durch das Zufuhrrohr 8 Brennstoff, durch den Einlaß 5 Gas und durch die Zufuhrleitung 12 Luft eingespeist. Das Gas durchströmt den Ringraum 4 in einer schraubenförmigen Strömung und tritt durch die öffnungen 3 im Einsatz 2' gleichmäßig hindurch und bewegt sich in einer schraubenförmigen Strömung an der Außenseite der Verbrennungskammer 6 nach außen. Der dabei im axialen Kern der schraubenförmigen Strömung entstehende Unterdruck saugt die aus dem Zufuhrrohr 8 und den öffnungen 9 austretenden axialen Strömungen an und führt sie. Wird die Verbrennung durch Zünden der Zündkerze 13 in Gang gebracht, so entsteht eine im Inneren der schraubenförmigen Strömung geführte Flamme, deren Durchmesser im wesentlichen durch die Durchmesser der Mittelöffnungen 17 und 16 gegeben ist Teile der Flamme, die dai Bestreben haben, nach außen in Richtung auf da« Innenrohr 2 zu strömen, werden durch den im axialer Kern herrschenden Unterdruck in Richtung dei gestrichelten Pfeile zurückgeführt

Bei der Ausführungsform der Vorrichtung gemät Fig. 3 fehlt die Außenwand 11 und ist die Stirnwand i ohne die öffnungen 9 ausgebildet Stattdessen ist hiei

ein Schirm 18 vorgesehen, der an einem Schaft 19 befestigt ist, welcher seinerseits im Zufuhrrohr 8 durch eine Querstange oder ein Kreuz 2(1' gehalten wird. Die Luft wird hier über eine Leitung 21 zugeführt. Das Gemisch aus Luft und Brennstoff, das in einer solchen Vorrichtung im wesentlichen gasförmig sein soll, wird zunächst von dem Schirm 18 abgelenkt, bevor es in die Verbrennungskammer 6 eintritt und hier die allgemeine geradlinige Strömungsrichtung im zentralen Kern der schraubenförmigen Strömung annimmt.

Ein Brenner der in F i g. 1 gezeigten Ausführungsform hat beispielsweise folgende Hauptabmessungen: Gesamtlänge der Vorrichtung 45 cm, Innendurchmesser

des Mantels: 55 cm, Innendurchmesser des Innenrohrs 2 bzw. Einsatzes 2': 42,5 cm, Wandstärke des Einsatzes 2': 5 mm. Der Einsatz 2' weist 75 öffnungen von jeweils 20 mm Durchmesser auf, die in der Nähe der Stirnwand 7 in Art eines Netzes mit Maschen von 5 χ 5 cm angeordnet sind. Das Innenrohr 2 weist weiter nahe seinem von der Stirnwand 7 abgewandten Ende auf einer Umfangslinie verteilte öffnungen von 8 mm Durchmesser auf. Die Vorrichtung wird mit 100 m³/h Methan und mit 3 000 m³/h Luft gespeist. Dis aus dem Brenner austretenden Gase haben eine Temperatur von 800°C; die Temperatur des perforierten Einsatzes beträgt 150° C, die des Mantels 60⁰C.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims (8)

Patentansprüche:

1. Vorrichtung zum Durchführen einer Reaktion zwischen Strömungen fließfähiger Medien mit einem an einem Ende durch eine Stirnwand abgeschlossenem Mantel, in den am von der Stirnwand abgewandten Ende ein zylindrisches Innenrohr eingesetzt ist, so daß ein an dem der Stirnwand abgewandten Ende geschlossener Ringraum entsteht, einem tangential in den Ringraum mündenden Einlaß zum Einleiten einer Strömung, einem koaxial zum Innenrohr durch die Stirnwand geführten Zufuhrrohr zum Einleiten einer anderen Strömung und einem das Zufuhrrohr umschließenden, an die Stirnwand angrenzenden, perforierten Einsatz, der bezogen auf die Achse des Innenrohrs rotationssymmetrisch ist, dadurch gekennzeichnet, daß der perforierte Einsatz (2') dicht mit dem Innenrohr (2) verbunden ist.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Perforation (3) des Einsatzes (2') überwiegend an seinem der Stirnwand (7) zugewandten Ende angeordnet sind.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Einlaß (5) nicht unmittelbar am von der Stirnwand (7) abgewandten Ende des Ringraums angeordnet ist und im Innenrohr (2) nahe dem von der Stirnwand abgewandten Ende ein Kranz von öffnungen ausgebildet ist, deren Gesamtquerschnitt Vioo bis '/,₀ der Gesamtfläche aller öffnungen ausmacht.

4. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die halbe Differenz zwischen den Innendurchmessern des Mantels (1) und des Innenrohres (2) 1 bis 10 cm beträgt und daß der Innendurchmesser des Einsatzes (2') in Millimetern das 0,4- bis 0,5-fache mal ]/'k beträgt, wobei k die stündlich von der Vorrichtung erzeugte Wärmemenge in kcal ist.

5. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, gekennzeichnet durch einen kreisförmigen Schirm (18), dessen Durchmesser kleiner ist als der Durchmesser des Innenrohrs (2) und der parallel zu der Stirnwand (7) und in einem Abstand von 2 bis 20 mm von dieser angeordnet ist.

6. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß auf der Außenseite der Stirnwand (7) eine 5 bis 20 mm breite zylindrische Kammer (10) angeordnet ist, die durch achssymmetrische Offnungen (9) mit dem Inneren des Innenrohres (2) in Verbindung steht.

7. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, gekennzeichnet durch eine Stauscheibe (14) zum Abschluß des Innenrohres (2).

8. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, gekennzeichnet durch eine Stauscheibe (15) mit axialer kreisrunder öffnung (17) im Inneren des Innenrohres (2).

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