DE3122052C2 - Zyklonseparator zum Abtrennen oder Sammeln von Festkörperpartikeln aus einem Fluid - Google Patents

Zyklonseparator zum Abtrennen oder Sammeln von Festkörperpartikeln aus einem Fluid

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Abstract

Der Zyklonseparator weist an seinem Einlaß eine Zufluß-Führungsschaufel auf. Die Führungsschaufel ist derart geformt und positioniert, daß sie den Druckverlust des Zyklons unterdrückt und gleichzeitig seinen Separationswirkungsgrad verbessert. Die Zufluß-Führungsschaufel weist eine Breite von 0,1 bis 0,5 im Dimensionsverhältnis zum Radius des geraden Zylinderabschnitts des Zyklons auf und ist an einer Position angeordnet, die niedriger liegt als die Deckwandfläche einer Einlaßleitung, und zwar um einen Abstand von 0,05 bis 0,5 des Dimensionsverhältnisses zur Höhe der Einlaßleitung.

Description

Die Erfindung betrifft einen Zyklonseparator zum Abtrennen oder Sammeln von Festkörperpartikcln aus einem Fluid mit einem vertikal angeordneten, geraden Zylinderabschnitt, dereine Einlaßleitung zum Einführen eines Fluids in Umfangs- oder Tangentialrichtung aufweist und in den eine Auslaßleitung für das Fluid durch seine Deckenwand eingeführt ist, mit einem Sepanitionsteil von umgekehrter Kegcigestall, der angrenzend unterhalb des geraden Zylinderabschnittes angeordnet ist und einen Auslaß für abgetrennte Partikel an seinem verjüngten unteren Teil aufweist, und mit einer Eintrittsführungsplatte für das einströmende Fluid, die in den geraden Zylindcrabschnilt des Zyklons entlang einer Verlängerungslinie der inneren Seitenwand der Kinlaßlcitung hineinragt und deren Breite zum Radius des geraden Zylinderabschnittes ein Verhältnis im Bereich von 0,1 bis 0,5 auf weist.
Ein solcher Zyklonseparator ist aus CH-PS 46 034 bekannt Dort ragt die Einführungplatte für das einslrömende Fluid in den geraden Zylinderabschnitt des Zyklons entlang einer Verlängerungslinie der inneren Seitenwand der Einlaßleitung hinein; bei dieser beträgt das Verhältnis der Breite zum Radius des geraden Zylinderabschnittes zwischen 0,1 und 0,5.
Aufgrund der Verwendung der Eintriltsführungsplatte ist dort zwar der auftretende Druckverlust geringer als bei einem ohne diese ausgestatteten Zyklonseparator; gleichzeitig verringert sich aber auch der Separationswirkungsgrad erheblich. Die Verwender von Zyklonseparatoren standen also bisher vor der Alternative, entweder einen guten Separationswirkungsgrad bei Verwendung eines sehr starken Sauggebläses zu erzielen oder bei geringem Energieverbrauch durch Einsatz eines weniger leistungsfähigen Sauggebläses einen erheblich verringerten Separationswirkungsgrad in Kauf zu nehmen.
Demgegenüber liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, einen Zyklonseparator der eingangs beschriebenen Art so weiterzubilden, daß der an ihm auftretende Druckabfall noch weiter vermindert und gleichzeitig der Separationswirt ungsgrad wesentlich verbessert wird.
Diese Aufgabe wird überraschend dadurch gelöst, daß die Oberkante der Eintrittsführungsplatte von der Deckenwandfläche der Einlaßleitung einen Abstand aufweist, der gleich dem 0,05fachcn bis O^fachcn der Höhe (AJder Einlaßleitung ist.
Durch die Maßnahme nach der Erfindung wird der Weg für eine Optimierung der beiden einander scheinbar widersprechenden, für die Beurteilung der Arbeitsweise eines Zyklonseparators entscheidenden Kriterien frei, nämlich des am Zyklonseparator auftretenden Druckabfalls und des Separatioriswirkungsgradcs, derart, daß bei vorgegebenem durch die Verwendung einer Eintrittsführungsplatte verminderten Druckabfall ein wesentlich höherer .Separationswirkungsgrad als bisher erreicht werden kann.
Die Einführung des Abstandes zwischen der Oberkante der Eintrittsführungsplallc von der Dcckenwandfläche der Einlaßleitung, der gleich dem 0,05fachcn bis 0,5fachen der Höhe (h)dcr Einlaßleitung ist, ist die oben erwähnte Optimierungswirkung crzielbar.
Vorzugsweise weist die Oberkante der Einlrittsführungsplatte von der Deckenwandfläche der Einlaßlci-Hing einen Abstand auf, der gleich dem 0.1 fachen bis O.jfachcn der Höhe der Einlaßleitung ist.
Günstig ist es. daß der gerade Zylinderabschnitt eine Höhe (H) von wenigstens dem 1,1 fachen der Höhe (h) der Einlaßleitung aufweist, daß die Unterkanle der Einirittsführungsplalte von der Deckenwandfläche der F.in-Inßlcitung einen Abstand aufweist, der wenigstens gleich dem 1,1 fachen der Höhe (h)dcr Einlaßfcitung ist und daß die Unterkante der F.inlrittsführungsplatlc nicht liefer als das untere F.ndc des geraden Zylinderabschnittes liegt.
Nach einer besonders zweckmäßigen Ausführungsform kann die Eintrittsführungsplatte zum Mittelpunkt des Zyklonscparators hin abgebogen sein, so daß sie einen Fluidcinführungsdurehgang bildet, dessen !!reite in Draufsicht im wesentlichen gleich oder größer ;ils die Breite der Einlaßlcilung ist.
Die Erfindung wird im folgenden beispielsweise unter Bezugnahme auf die Zeichnung näher erläutert: es zeigt
Fig.! eine teilweise geschnittene schematische Ansicht eines herkömmlichen Zyklons mit Standardkonstruktion, der nicht mit einer Eintritts-Führungsplatte ausgestattet ist;
F i g. 2 einen Querschnitt des Zyklons der F i g. 1;
Fig.3 eine leilgeschnillene schematische Ansicht eines herkömmlichen Zyklons rr.it einer Führungsplatte;
F i g. 4 einen Querschnitt des Zyklons der F i g. 3;
F i g. 5 einen Längsschnitt eines Zyklons gemäß der Erfindung;
F i g. 6 eine graphische Darstellung der Beziehung des Dimensionsverhältnisses W/R mit dem Separationswirkungsgrad bzw. der Separationsieistung und dem Druckverlust;
F i g. 7 eine graphische Darstellung der Beziehung des Dimensionsverhältnisses l/H mit dem Separationswirkungsgrad bzw. der Separationsleistung und dem Druckverlust und
F i g. 8 und 9 Querschnittsansichten weiterer Ausführungsformen der Erfindung.
In den Fig. 1 und 2 ist ein herkömmlicher Zyklon vom Standardtyp dargestellt, der nicht mit einer ZufiuS-Führungsschaufel bzw. Eintritts-Führungsplacie ausgestattet ist. Der Zyklon weist einen geraden zyihxirischen Abschnitt 1 und einen umgekehrten Kegelabschnitt 2 auf, der angrenzend unterhalb des geraden Zylinderabschnitts 1 geformt ist und der eine sich zu einem Auslaß 3 hin nach unten verminderte Querschnitlsfläche aufweist; der Auslaß 3 ist am unteren Ende zum Abzug des abgetrennten fremden Feststoffmatcrials vorgesehen. Das obere Ende des Zylinderabschnitis 1 ist mit einer Deckwand 4 verschlossen, die in der Mitte mit einer öffnung zur Aufnahme des unteren Endteils einer Auslaßleitung 5 im oberen Zylinderabschnitt 1 versehen ist. Eine Einlaßicitung 6 ist tangential oder umfang.smäßig mit dem oberen Ende des geraden Zylinderabschnilts 1 verbunden, um ein Fcstkörperpartikel enthallendes Fluid zuzuführen, das separiert oder klassifiziert werden soll. Der Zustrom der Mischphase wird zwischen der Auslaßleitung 5 und der inneren Wandflächc des geraden Zylinderabschnitts 1 zur Bildung eines Wirbels bzw. eines Vortex 8 verwirbelt, der allmählich abgesenkt und schließlich am konvergierten unteren Ende, des konischen Abschnitts zur Bildung einer zentralen Axialslrömung 9 umgekehrt wird, welche den Zyklon durch die Auslaßleitung 5 vcHäßl. Andererseits werden die Festkörpcrpartikel in dem Vortex 8 separiert oder klassifiziert, und zwar unter dem Einfluß der Zentrifugalkraft /u den inneren Wandfliichen des geraden Zylinderabschnitts und des unteren konischen Abschnitts 2 in und entlang dieser Wandflächen bis zum Austrag durch den Auslaß 3.
Diese Art eines Zyklons leidet nicht nur an einer ungenügenden .Separationswirkung, sondern auch an einem großen Druckverlust im Fluid, so daß es erforderlich ist, ein Sauggebläse hoher Leistung zu verwenden. Es bestand daher ein erhebliches Bedürfnis für die Verbesserung der Separationswirkung und die Verminderung des Druckverlusts. Es wird angenommen, daß der große Druckverlust in dem vorstehend beschriebenen Zyklon aus den folgenden Gründen auftritt· Wie durch die Pfeile in den F i g. I und 2 gezeigt, trifft das um die Auslaßleitung 5 herumgewirbelte Fluid schräg auf das frisch einströmende Fluid aus der Einlaßleitung 6 auf und drückt das einströmende Fluid zur inneren Umfangswand des Zyklons, wodurch sich das Phänomen der sog. »kontrahieren Strömung« ergibt. Dadurch wird die Geschwindigkeit der Strömung an der inneren Umfangswand des geraden Zylinderabschnitts im Vergleich zu derjenigen des Zufluß-Fluids in der Einlaßleitung 6 erhöht, wodurch der Druckverlust aufgrund der Reibung an der inneren Umfangswand des Zylinderab-Schnitts erhöhl wird.
Die F i g. 3 und 4 zeigen einen herkömmlichen Zyklonseparator mit einer Führungsplatte. Im einzelnen ist der Zyklon mit einer Führungsplatte 10 versehen, die sich in der Verlängerung der inneren Seitenwand der
ίο Einlaßleitung und in der gleichen Höhe wie diese erstreckt. Wie in der F i g. 4 gezeigt ist, trifft das zufließende Fluid, das durch die Einlaßleitung 6 eingelassen und um das untere Ende der Ausiaßlcitung 5 herurngewirbelt worden ist, auf die Führungsplatte 10 auf und wird daher in eine Richtung gelenkt, die im wesentlichen parallel mit der des frisch zuströmenden Fluids ist. Die Anbringung der Führungsplatte verhindert daher das Auftreten des vorstehend erwähnten Phänomens der kontrahierten Strömung und des Anwachsens der Strömungsgesehwindigkeit, um den Druckverlust zu unterdrücken. In einem Fall, bei dem die Sr,-"mungsgesehwindigkeit an der inneren Umfangswand aufgrund der Erscheinung der kontrahierten Strömung, wie in der F i g. 2 gezeigt, erhöht wird, wird der Druckverlust aufgrund der größeren Zahl von Umdrehungen des Fluids erhöht, ϊη dieser Hinsicht trägt die Führungsplatte 10 auch dazu bei, die Anzahl der Umdrehungen des Fluids und damit den Druckverlust zu vermindern.
Die Führungsplatte 10 hat also die Funktion, den Druckverlust wirksam zu vermindern, sie wirft jedoch das Problem auf, daß der Separationswirkungsgrad für Festkörperpartikel beeinträchtigt wird. Die herkömmliche und bekannte Führungsplatte kann also keine vollkommene Verbesserung herbeiführen.
j5 Angesichts dieses Problems wird durch die Erfindung sowohl der Druckverlust als auch die Separationsleistung bzw. der Separationswirkungsgrad verbessert, und zwar unter Berücksichtigung ihrer Beziehung zur Gestalt, den Abmessungen und der Mon;agep:>sition der Führungsplatte.
Die Fig.5 zeigt ein Ausführungsbeispiel der Erfindung, bei dem ein Dimensionsverhältnis W/R, nämlich ein Verhältnis der Breite Wder Einlaß-Führungsschaufel bzw. Eintritts-Führungsplatte zu dem Radius R des
v> geraden Zylinderabschnitts des Zyklons der in der graphischen Darstellung der F i g. 6 gezeigten Beziehung entspricht. Wie sich hieraus ergibt, sinkt der Druckverlusi beim Ansteigen von W/R abrupt ab und bleibt im wesentlichen auf einem konstanten Wert, wenn das Verhältnis W/R größer ist als etwa 0,5. Andererseits wird anfänglich die Separationswirkung mit zunehmendem Wert von W/R erhöht und sinkt dann allmählich nach einem Spitzenwert bei einem Dimensionsverhältnis W/R von etwa 0,1 bis 0,3 wieder ab. Obwohl die Beziehung von W/R zum Separationswirkungsgrad η und dem Druckverlust JPdes Zyklons durch die Gestalt des Zyklons, die Länge des eingesetzten unteren Endes der Auslaßleitung und die Gestalt der Führungsplatte beeinflußt wird, ist es möglich, einen hohen Separations-
bo grad zu erzielen und gleichzeitig den Druckverlust auf ein Minimum herabzudrücken, indem der Wert von W/R auf 0,1 bis 0,5 eingestellt wird.
Es wurden mit Bezug auf die F i g. 5 Experimente ausgeführt, um den Einfluß eines Dimensionsverhältnisses
b5 von l/h, nämlich ein-.m Verhältnis des Abstandes /zwischen der Oberkante 10a der Zufiuß-Führungsschaufel 10 und der Deckwandfläche 6a der Einlaßleitung 6 zur Höhe h der Einlaßleitung 6 auf den Druckverlust und die
Separationswirkung zu studieren. Die Ergebnisse sind in der F i g. 7 gezeigt, woraus eine vollständig neue Tatsache hervorgeht, daß die Tendenz besteht, daß sich der Druckverlust gleichzeitig mit einer Erhöhung der Separationswirkung vermindert, wenn der Wert von l/h allmählich von 0 erhöht wird (der) jenige Zustand des Standes der Technik, bei dem die Oberkante 10a der Führungsplatte auf der Höhe der Deckwiindflächc 6a der Einlaßleitung liegt), d. h„ wenn die Oberkante 10a von der Deckwandflä'che 6a der Einlaßleitung weg abgesenkt wird. Wie sich aus der F i g. 7 klar ergibt, wird der Druckverlust zu einem Dimensionsverhältnis l/h von etwa 0,0.5 hin scharf vermindert und verbleibt auf dem verminderten Wert, bis ein Verhältnis von etwa 0,5 erreicht worden ist. Andererseits wird der Separationswirkungsgrad zusammen mit einem Anwachsen des Verhältnisses l/h erhöht und dann nach einem Maximum in der Nähe eines Dimensionsverhältnisses von etwa 0,1 bis O.J allmählich verringert. Bei einem Dimensionsverhältnis l/h über etwa 0.5 fällt der Separationswirkungsgrad auf einen Wert ab, der sogar geringer ist ais dor Anfangswert, an welchem das Dimensionsverhältnis //Zj=NuII ist. Die Beziehung des Dimensionsverhältnisses l/h zum Separationswirkungsgrad // und dem Druckverlust JP des Zyklons wird durch die Gestalt des Zyklons beeinflußt, sowie durch die Einsatzlänge der Auslaßleitung in dem Zyklon und die Breite W der Führungsplatte. Es wurde jedoch gefunden, daß ein hoher Separationswirkungsgrad gleichzeitig mit einer Absenkung des Druckvci lustes auf ein Minimum dadurch sichergestellt werden kann, daß das Dimensionsverhältnis l/h im Bereich von 0.05 bis 0,5. vorzugsweise im Bereich von 0,1 bis 03 gewählt wird.
Andererseits kann die Oberkante 10a der Eintritts-Zuflußführungsplatte in einer Höhe angeordnet sein, die niedriger ist als die Deckwandflächc 6a der Einlaßleiiüfig σ. in einem rau fügt die Führungsplatte einwärts entlang der Verlängerung der inneren Seitenwand der Einlaßleitung zu einem Punkt jenseits der Mittellinie Y des Zyklons, die senkrecht zur Längsmittellinie der Einlaßleitung angeordnet ist, wie in der F i g. 8 gezeigt, oder die innere Seitenwand der Einlaßleitung wird auswärts am Einlaß des Zyklons gedreht, wie in der F i g. 9 dargestellt. In diesen Fällen ist es bevorzugt, die Führungsplatte zum Zentrum des Zyklons abzulenken (Winkel ff). so daß ein Fluideinführungsdurchgang mit gleichförmiger oder sich vergrößernder Weite angrenzend an die Einlaßleitung und zwischen der Führungsplatte und der inneren Umfangswand des Zyklons gebildet wird, da anderenfalls der Fluid-Einführungsdurchgang schmaler wird als die Leitung am Einlaß des Zyklons, wodurch der Druckverlust aufgrund der höheren Strömungsgeschwindigkeit des Zuflußfluids erhöht würde. Durch Ausbildung eines Fluid-Einführungsdurchgangs gleichförmiger oder zunehmender Weite wird also das Anwachsen des Druckverlustcs unterdrückt. Die Weite des Fluid-Einführungsdurchgangs kann jedoch an dem vorragenden inneren Ende der Führungsplatte leicht verengt werden (Winkel Θ), und zwar in Abhängigkeit vom Betriebszweck, für den der Zyklon beabsichtigt ist, beispielsweise in einem Fall, bei dem ein höherer Separationswirkungsgrad trotz eines Anwachsens des Druckverlustes erwünscht ist.
Es ist möglich verschiedene Abänderungen oder Abwandlungen bei den vorstehend beschriebenen Ausführungsbeispielen der Erfindung vorzunehmen. Obwohl die Führungsplatte 10 allgemein am inneren Ende der Einlaßleitung 6 befestigt ist. ist es beispielsweise möglich, sie an der AusUtüleitung 5 unter Verwendung einer Klammer anzubringen. Bei einem Zyklon, der zum Betrieb bei hohen Temperaturen bestimmt ist, ist es wünschenswert, eine Auskleidung aus hil/.cbcsiiindigcm und
ί hitzeisolierendcm Material iin den inneren Wundfliicheti des Zyklons vorzusehen, und die Führungsplatte uns einem hii/cfesleii Stahl zu formen.
Durch das folgende experimentelle Beispiel werden im einzelnen die Auswirkungen der in F i g. 5 gezeigten
ίο Ausfiihriingsforni der Erfindung in Vergleich mit der herkömmlichen Zyklonkonstrukiion der Fig. 1 und 3 aufgezeigt.
Experimentelles Beispiel
Der Druckverlust und der Separationswirkungsgrad wurden unter Verwendung eines gemäß Fig. I aufgebauten Zyklons gemessen, der die Abmessungen von iSöinm des Radius κ des geraden Zyiinderab.sL-firiiiis,
2n 225 mm Höhe des geraden Zylindcrabschniiis und 165 mm Höhe h der EinluUlcitung halte, und zwar für jeden der Fälle, bei denen (I) der Zyklon mit keiner Führungsplatte verschen ist (Fig. i) und (2) der Zyklon mit einer Führungsplatte versehen ist, deren oberes Ende in gleicher I lohe mit der Deckwandfläche der Linlalllcilung angeordnet ist (l/h = Null) und eine Länge aufweist, die gleich der Höhe der EinlaBleitung ist (Uh = I) (Fig. 3). und (3) der Zyklon mit einer Führungsplatte versehen ist, deren oberes Ende 35 mm unterhalb der
jo Deckwandflächc der Einlaßleitung liegt (l/h = 35/165 a 0,2) und deren I lohe (die Abmessung von der Deckwandflächc der Einlaßlcilung zum unteren Ende der Führungsschaufel) 200 mm beträgt (Uh — 1,2) (Fig. 5). In allen Fällen betrug die Breite W der Füh-
J5 rungsplatte 40 mm (W/R a. 0,27) und es wurde ein Pulver aus handelsüblichem Zement in den Zyklon mit einer Züführrs'c vor· 20 kg/::;ir. /usamitiSf! !v.il getrockneter Luft bei einer Geschwindigkeit von 18 m/s in die Einlaßleitung cingcblascn. Die Ergebnisse sind in der nachstehenden Tabelle I angegeben.
Tabelle I Driickvcrlusl Scparalions-
Versuch Nr. (inmAq) wirkungsjiracl
O)
100 93.0
(1) einfacher Zyklon 70 91.5
(2) Zyklon mit
herkömmlicher
Führungsschaufel 55 94,0
(3) erfindungsgemäßer
Zyklon
Wie sich aus der Tabelle 1 ergibt, weist der einfache Zyklon eine hohe Separalionswirkung auf, jedoch auch einen großen Druckverlust. Der Zyklon mit der herkömmlichen Führungsplatte unterdrückt zwar den Druckverlust in einem gewissen Maß, jedoch nur auf
t>o Kosten des Scparationswirkung.sgradcs. Im Gegensatz hierzu vermindert der erfindungsgemäßc Zyklon den Druckverlust auf etwa die Hälfte eines einfachen Zyklons, hält jedoch gleichzeitig einen Separationswirkungsgrad aufrecht, der sogar höher ist als beim cinfaehen Zyklon.
Aus der vorstehenden Beschreibung wird verständlich, daß der erfindungsgemäße Zyklon, der gleichzeitig eine Verminderung des Druckverlustes und eine Erhö-
hung des Separationswirkungsgrades ermöglicht, einen energiesparenclcn Betrieb gestattet und daher groUen Wert besitzt als Vorrichtung zur Abtrennung. Sammlung oder Klassifizierung von Pulver oder panikelförmigem Material oder als wärmeaustauschende liinrichtung.
1 lier/.u 4 Blau Zeichnungen

Claims (4)

Patentansprüche:
1. Zyklonseparator zum Abtrennen oder Sammeln von Festkörperpartikeln aus einem Fluid mit einem vertikal angeordneten, geraden Zylinderabschnitt, der eine Einlaßleitung zum Einführen eines Fluids in Umfangs- oder Tangentialrichtung aufweist und in den eine Auslaßleitung für das Fluid durch seine Deckenwand eingeführt ist, mit einem Separations- to teil von umgekehrter Kegelgestalt, der angrenzend unterhalb des geraden Zylinderabschnittes angeordnet ist und einen Auslaß für abgetrennte Partikel an seinem verjüngten unteren Teil aufweist, und mit einer Eintrittsführungsplatte für das einströmende Fluid, die in den geraden Zylinderabschnitt des Zyklons entlang einer Verlängerungslinie der inneren Seitenwand der Einlaßleitung hineinragt und deren Breite zum Radius des geraden Zylinderabschniltes ein Verhältnis im Bereich von 0,1 bis 0,5 aufweist. dadurch gekennzeichnet, daß die Oberkante (lOaj der Eintrittsführungsplatte (10) von der Deckenwandfläche (6a) der Einlaßleitung (6) einen Abstand (I) aufweist, der gleich dem 0,05fachcn bis O^fachen der Höhe (h)der Einlaßleitung (6) ist.
2. Zyklonseparator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Oberkante (Wa)der Eintrittsführungsplatte (10) von der Deckenwandfläche (6aj der Einlaßleitung (6) einen Abstand (I) aufweist, der gleich dem 0,1 fachen bis 03fachen der Höhe (h)der jo Einlaßleitung ^6) ist.
3. Zyklonseparator irach A^pruch I oder 2, dadurch gekennzeichnet, djß der gerade Zylinderabschnitt (1) eine Höhe (H) von wc iigstens dem 1,Ifachen der Höhe (h) der Einlaßleitung aufweist, daß j5 die Unterkante (lO^der Eintrittsführungsplatte (10) von der Deckenwandfläche (6a)der Einlaßleitung(6) einen Abstand (L) aufweist, der wenigstens gleich dem 1,1 fachen der Höhe (h)der Einlaßleitung (6) ist und daß die Unterkante (Wb)der Eintrittsführungsplatte (10) nicht tiefer als das untere Ende des geraden Zylinderabschnittes (1) liegt.
4. Zyklonseparator nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Eintrittsführungsplatte (10) zum Mittelpunkt des Zyklonscparators hin abgebogen ist, so daß sie einen Fluideinführungsdurchgang bildet, dessen Breite in Draufsicht im wesentlichen gleich oder größer als die Breite der Einlaßleitung (6) ist.
50
DE3122052A 1980-06-11 1981-06-03 Zyklonseparator zum Abtrennen oder Sammeln von Festkörperpartikeln aus einem Fluid Expired DE3122052C2 (de)

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