FR3099817A1 - Procédé et installation de refroidissement et/ou de liquéfaction. - Google Patents

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Abstract

Procédé de refroidissement et/ou de liquéfaction d’un flux de fluide utilisateur, le procédé utilisant une installation de refroidissement et/ou de liquéfaction comprenant un dispositif (1) de réfrigération à basse température, le dispositif (1) de réfrigération comprenant un circuit de travail (10) formant une boucle et contenant un fluide de travail, le dispositif (1) de réfrigération comprenant un échangeur (8) de refroidissement destiné à extraire de la chaleur au flux de fluide utilisateur par échange de chaleur avec le fluide de travail circulant dans le circuit (10) de travail, le circuit (10) de travail formant un cycle comprenant en série: un mécanisme (2, 3) de compression, un mécanisme (6) de refroidissement, un mécanisme (7) de détente et un mécanisme (6) de réchauffement, l’installation comprenant une conduite (25) de circulation dudit flux de fluide utilisateur à refroidir en échange thermique avec l’échangeur (8) de refroidissement du dispositif (1) de réfrigération, le procédé comprenant une étape de refroidissement d’un flux de fluide utilisateur dans l’échangeur (8) de refroidissement et, après cette étape refroidissement, une étape de nettoyage d’impuretés solidifiées dans l’échangeur (8) de refroidissement, l’étape de nettoyage comprenant une mise à l’arrêt du dispositif (1) de réfrigération et, simultanément, une mise en circulation d’un flux de fluide utilisateur dans l’échangeur (8) de refroidissement. Figure de l’abrégé : Fig. 1

Description

Procédé et installation de refroidissement et/ou de liquéfaction.
L’invention concerne un procédé et une installation et procédé de refroidissement et/ou de liquéfaction.
L’invention concerne plus particulièrement un procédé de refroidissement et/ou de liquéfaction d’un flux de fluide utilisateur, notamment du gaz naturel, le procédé utilisant une installation de refroidissement et/ou de liquéfaction comprenant un dispositif de réfrigération à basse température, c’est-à-dire à une température comprise entre moins 100 degrés centigrade et moins 273 degrés centigrade, notamment entre moins 100 degrés centigrade et moins 253 degrés centigrade, le dispositif de réfrigération comprenant un circuit de travail formant une boucle et contenant un fluide de travail, le dispositif de réfrigération comprenant un échangeur de refroidissement destiné à extraire de la chaleur au flux de fluide utilisateur par échange de chaleur avec le fluide de travail circulant dans le circuit de travail, le circuit de travail formant un cycle comprenant en série: un mécanisme de compression du fluide de travail, un mécanisme de refroidissement du fluide de travail, un mécanisme de détente du fluide de travail et un mécanisme de réchauffement du fluide de travail, l’installation comprenant une conduite de circulation dudit flux de fluide utilisateur à refroidir en échange thermique avec l’échangeur de refroidissement du dispositif de réfrigération, le procédé comprenant une étape de refroidissement d’un flux de fluide utilisateur dans l’échangeur de refroidissement et, après cette étape refroidissement, une étape de nettoyage d’impuretés solidifiées dans l’échangeur de refroidissement.
L'invention concerne en particulier les réfrigérateurs ou liquéfacteurs cryogéniques, par exemple du type à cycle « Turbo Brayton » ou « refroidisseurs Turbo Brayton » dans lequel un gaz de cycle (hélium, azote, ou autre gaz pur ou mélange) subit un cycle thermodynamique produisant du froid qui peut être transféré à une organe ou un gaz devant être refroidi.
Ces dispositifs sont utilisés dans une grande variété d’application et notamment pour refroidir du gaz naturel d’un réservoir (par exemple dans des bateaux). Le gaz naturel liquéfié est par exemple sous-refroidi pour éviter sa vaporisation ou la partie gazeuse est refroidie en vue de sa reliquéfaction.
Par exemple, un flux de gaz naturel peut être mis en circulation dans un échangeur de chaleur refroidi par le gaz de cycle du réfrigérateur/liquéfacteur.
Le gaz refroidi dans cet échangeur peut contenir des impuretés (tels que du dioxyde de carbone…) qui sont susceptibles de se solidifier aux de températures froides atteintes au niveau de l’échangeur de chaleur de refroidissement. Ceci peut obstruer l’échangeur de chaleur et nuire à l’efficacité de l’installation.
Une solution peut consister prévoir des phases dans lesquelles l’échangeur de chaleur est réchauffé activement avec un réchauffeur électrique. Ceci est cependant coûteux en énergie et souvent mal adapté aux atmosphères explosives.
Un but de la présente invention est de pallier tout ou partie des inconvénients de l’art antérieur relevés ci-dessus.
A cette fin, le procédé selon l'invention, par ailleurs conforme à la définition générique qu’en donne le préambule ci-dessus, est essentiellement caractérisé en ce que l’étape de nettoyage comprenant une mise à l’arrêt du dispositif de réfrigération et, simultanément, une mise en circulation d’un flux de fluide utilisateur dans l’échangeur de refroidissement.
Par ailleurs, des modes de réalisation de l’invention peuvent comporter l'une ou plusieurs des caractéristiques suivantes :
  • la mise en circulation d’un flux de fluide utilisateur dans l’échangeur de refroidissement est réalisée via la conduite de circulation,
  • la mise en circulation d’un flux de fluide utilisateur dans l’échangeur de refroidissement est réalisé par pompage dans un réservoir de fluide utilisateur,
  • le procédé comporte, simultanément et/ou postérieurement à l’étape de nettoyage, une étape de purge de l’échangeur de refroidissement avec un flux de fluide de purge injecté dans l’échangeur de refroidissement pour balayer et évacuer hors de l’échangeur de refroidissement les impuretés détachées lors de l’étape de nettoyage,
  • l’étape de purge comprend le balayage de l’échangeur avec un gaz neutre qui est évacué vers une zone de décharge,
  • l’étape de purge comprend le balayage de l’échangeur avec du fluide utilisateur,
  • le fluide utilisateur utilisé dans l’étape de purge est prélevé au niveau de la conduite de circulation,
  • le fluide utilisateur ayant servi à purger l’échangeur de refroidissement est évacué vers au moins l’un parmi : une zone de décharge, un réservoir du fluide utilisateur.
L’invention concerne également une installation de refroidissement et/ou de liquéfaction d’un flux de fluide utilisateur, notamment du gaz naturel, comprenant un dispositif de réfrigération à basse température, c’est-à-dire à une température comprise entre moins 100 degrés centigrade et moins 273 degrés centigrade, le dispositif de réfrigération comprenant un circuit de travail formant une boucle et contenant un fluide de travail, le dispositif de réfrigération comprenant un échangeur de refroidissement destiné à extraire de la chaleur au flux de fluide utilisateur par échange de chaleur avec le fluide de travail circulant dans le circuit de travail, le circuit de travail formant un cycle comprenant en série: un mécanisme de compression du fluide de travail, un mécanisme de refroidissement du fluide de travail, un mécanisme de détente du fluide de travail et un mécanisme de réchauffement du fluide de travail, l’installation comprenant une conduite de circulation dudit flux de fluide utilisateur à refroidir en échange thermique avec l’échangeur de refroidissement de refroidissement du dispositif de réfrigération, l’installation comprenant un contrôleur électronique de pilotage du dispositif de réfrigération, ledit contrôleur étant configuré pour commuter le dispositif de réfrigération dans un mode de refroidissement dans lequel l’échangeur de refroidissement est refroidi par le gaz de travail pour refroidir un flux de fluide utilisateur ou dans un mode d’arrêt dans lequel la circulation du fluide de travail est interrompu dans le circuit de travail, le contrôleur électronique configuré pour commuter l’installation dans une configuration de nettoyage d’impuretés solidifiées dans l’échangeur de refroidissement, dans laquelle le dispositif de réfrigération est commuté dans son mode d’arrêt et, simultanément, assurer de mise une circulation d’un flux de fluide utilisateur dans l’échangeur de refroidissement.
Selon d’autres particularités possibles :
  • l’installation comprend un circuit de purge ayant une extrémité amont reliée à une source de fluide de purge et une extrémité aval débouchant dans une zone de décharge, le circuit de purge transitant dans l’échangeur de refroidissement pour balayer et évacuer hors de l’échangeur les impuretés détachées lors de l’étape de nettoyage,
  • le fluide de purge comprend un gaz neutre ou du fluide utilisateur,
  • la zone de décharge comprend un brûleur, l’atmosphère ou un réservoir de fluide utilisateur à refroidir.
L’invention peut concerner également tout dispositif ou procédé alternatif comprenant toute combinaison des caractéristiques ci-dessus ou ci-dessous dans le cadre des revendications.
D’autres particularités et avantages apparaîtront à la lecture de la description ci-après, faite en référence aux figures dans lesquelles :
représente une vue schématique et partielle illustrant la structure et le fonctionnement d’un exemple d’installation pouvant mettre en œuvre l’invention,
L’installation de refroidissement et/ou de liquéfaction de la comprend un dispositif 1 de réfrigération fournissant du froid (une puissance de refroidissement) au niveau d’un l’échangeur 8 de refroidissement. L’installation comprend une conduite 25 de circulation d’un flux de fluide à refroidir mis en échange thermique avec cet échangeur 8 de refroidissement. Par exemple, le fluide est du gaz naturel liquide pompé dans un réservoir 16, puis est refroidi (de préférence hors du réservoir 16) puis renvoyé dans le réservoir 16 (par exemple en pluie dans la phase gazeuse du réservoir 16. Ceci permet de refroidir ou sous-refroidir le contenu et de limiter les phénomènes de vaporisation. Par exemple, le liquide du réservoir 16 est sous refroidi en-dessous de sa température de saturation (baisse de sa température de plusieurs degrés K notamment 5 à 20K et notamment 14K) avant d’être réinjecté dans le réservoir 16. En variante cette réfrigération peut être apportée au gaz de vaporisation du réservoir 16 en vue notamment de sa reliquéfaction.
Le dispositif de réfrigération à basse température comprend un circuit de travail 10 (de préférence fermé) formant une boucle de circulation. Ce circuit 10 de travail contient un fluide de travail (hélium, azote, néon, hydrogène ou autre outre gaz ou mélange approprié par exemple hélium et argon ou hélium et azote ou hélium et néon ou hélium et azote et néon.).
Le circuit 10 de travail forme un cycle comprenant en série: un mécanisme 2, 3 de compression du fluide de travail, un mécanisme 6 de refroidissement du fluide de travail, un mécanisme 7 de détente du fluide de travail et un mécanisme 6 de réchauffement du fluide de travail.
Le dispositif 1 comprend un échangeur de chaleur 8 de refroidissement destiné à extraire de la chaleur à au moins un organe 25 par échange de chaleur avec le fluide de travail circulant dans le circuit 10 de travail.
Les mécanismes de refroidissement et de réchauffage du fluide de travail comprennent classiquement un échangeur de chaleur 6 commun dans lequel le fluide de travail transite à contre-courant dans deux portions de transit distinctes du circuit de travail selon qu'il est refroidi ou réchauffé.
L’échangeur 8 de chaleur de refroidissement est situé par exemple entre le mécanisme 7 de détente et l’échangeur 6 de chaleur commun. Comme illustré, l’échangeur 8 de chaleur de refroidissement peut être un échangeur de chaleur distinct de l’échangeur 6 de chaleur commun.
Cependant, en variante, cet échangeur 8 de chaleur de refroidissement pourrait être constitué d’une portion de l’échangeur 6 de chaleur commun (c’est-à-dire que les deux échangeurs 6, 8 peuvent être monoblocs, c’est-à-dire peuvent avoir des circuits de fluides distincts qui partagent une même structure d’échange).
Ainsi, le fluide de travail qui sort relativement chaud du mécanisme 2, 3 de compression est refroidi dans l’échangeur 6 de chaleur commun avant d’entrer dans le mécanisme de détente 7. Le fluide de travail qui sort relativement froid du mécanisme 7 de détente et de l’échangeur de chaleur 8 de refroidissement est quant à lui réchauffé dans l’échangeur 6 de chaleur commun avant de retourner dans le mécanisme de compression 2 3 en vue de recommencer un nouveau cycle.
Classiquement, en mode de fonctionnement normal (le gaz de travail subit le cycle de compression, refroidissement, détente et réchauffage et produit du froid au niveau de l’échangeur 8 de refroidissement), un débit massique égal circule les deux portions de transit dans l’échangeur 6 de chaleur commun.
Ainsi, comme illustré, en mode de fonctionnement normal un flux de fluide (gaz naturel liquéfié ou autre, notamment hydrogène) peut être refroidi dans l’échangeur 8 de refroidissement. Dans le cas où ce fluide contient des impuretés (dioxyde de carbone ou autre) susceptibles de se solidifier lors de leur refroidissement, un bouchon 17 ou une obstruction peut survenir dans l’échangeur 8 de refroidissement.
Pour évacuer ces impuretés créées lors d’une utilisation (par exemple après plusieurs heure sou jours de refroidissement), l’installation peut adopter automatiquement ou être disposée manuellement un mode de nettoyage des impuretés solidifiées dans l’échangeur 8 de refroidissement. Selon cette configuration, le dispositif 1 de réfrigération est mis à l’arrêt et simultanément, un flux de fluide utilisateur est mis en circulation dans l’échangeur 8 de refroidissement.
L’arrêt du dispositif 1 de réfrigération va interrompre la production de froid au niveau de l’échangeur 8 de chaleur de refroidissement. Cet échangeur 8 de chaleur va se réchauffer relativement à sa configuration de refroidissement. Ce réchauffement combiné au flux de fluide utilisateur va évacuer les impuretés solidifiées par sublimation ou vaporisation et évacuation mécanique. Les impuretés vont en effet se dissoudre dans le flux qui les balaye.
Cette mise en circulation d’un flux de fluide utilisateur dans l’échangeur 8 de refroidissement peut être réalisée par la même conduite 25 de circulation qui amène le fluide à refroidi, par exemple par pompage dans un réservoir 16 à refroidir.
Pour encore améliorer l’efficacité et la rapidité au processus, simultanément et/ou postérieurement à l’étape de nettoyage, il peut être prévu une purge 18 de l’échangeur 8 de refroidissement avec un flux de fluide de purge injecté dans l’échangeur 8 de refroidissement pour balayer et évacuer hors de l’échangeur 8 de refroidissement les impuretés détachées lors de l’étape de nettoyage.
Par exemple, un circuit 18 de gaz neutre ou autre (azote par exemple) peut être prévu pour purger les impuretés réchauffées. Cette purge peut remplacer le cas échant la mise en circulation du flux de fluide utilisateur lors du réchauffage. Le mélange obtenu peut être évacué vers une zone de décharge (vers l’atmosphère par exemple).
Alternativement cette purge 18 peut être réalisée avec un flux de fluide utilisateur. Par exemple, une fraction de fluide utilisateur est prélevé sur le conduite 12 de circulation (via une dérivation 9 munie d’une vanne par exemple). Le fluide utilisateur de purge peut se vaporiser dans l’échangeur 8 de refroidissement et dégager les impuretés. Le mélange obtenu peut être renvoyé vers l’extérieur ou une zone de récupération et peut notamment être réinjecté dans le réservoir 16 de fluide utilisateur.
Le dispositif peut comprendre au moins un contrôleur 12 électronique raccordé à tout ou partie des organes de l’installation (moteurs, vannes, pompe…). Le contrôleur 12 électronique peut comprendre un microprocesseur ou un ordinateur et peut être configuré pour piloter l’installation et notamment selon le processus décrit ci-dessus ou ci-après.
Le mécanisme 2, 3 de compression comprend un ou plusieurs compresseurs et au moins un moteur 14, 15 d’entraînement en rotation du ou des compresseurs 2, 3 la puissance de réfrigération du dispositif étant variable et contrôlée en régulant la vitesse de rotation du ou des moteurs 14, 15 d’entraînement (vitesse de cycle).
Dans l’exemple représenté, le dispositif de réfrigération comprend deux compresseurs formant deux étages de compression et une turbine de détente. C’est-à-dire que le mécanisme de compression comprend deux compresseurs 2, 3 en série, de préférence du type centrifuge et le mécanisme de détente comprend une unique turbine 7, de préférence centripète. Bien entendu, tout autre nombre et arrangement de compresseur(s) et turbine peut être envisagé, par exemple trois compresseurs en série et une turbine de détente ou deux compresseurs en série et deux turbine sen série ou trois compresseurs en série et deux ou trois turbines en série.
Dans l’exemple illustré un échangeur 4, 5 de refroidissement est prévu à la sortie de chaque compresseur 2, 3 (par exemple un refroidissement avec un échange de chaleur avec de l’eau à température ambiante ou tout autre fluide ou agent de refroidissement). Ceci permet de réaliser une compression isentropique ou isotherme ou sensiblement isotherme. Bien entendu tout autre agencement peut être envisagé (par exemple pas d’échangeur 4, 5 de refroidissement à un ou plusieurs des étages de compression). De même un échangeur de réchauffage peut être prévu ou non en sortie de tout ou partie des turbines 7 de détente pour réaliser une détente isentropique ou isotherme (avant ou après l’échangeur 8 de refroidissement). De préférence également les réchauffage et refroidissement du fluide de travail sont de préférence isobare sans que ceci soit limitatif.
Par exemple, le dispositif 1 comprend deux moteurs 14, 15 à haute vitesse (par exemple 10000 tours par minute ou plusieurs dizaines de milliers de tours par minute) d'entrainement respectifs des deux étages de compression 2, 3. La turbine 7 peut être accouplée au moteur 2 de l'un des étages de compression 2, 3, c'est-à-dire que le dispositif peut posséder une turbine 7 constituant le mécanisme de détente qui est accouplée au moteur 2 d'entraînement d’un étage 2 de compression (le premier notamment).
Ainsi, la puissance de la ou des turbines 7 peut être avantageusement récupérée et utilisée pour réduire la consommation du ou des moteurs. Ainsi, en augmentant la vitesse des moteurs (et donc le débit dans le cycle du gaz de travail), on augmente la puissance de réfrigération produite et donc la consommation électrique du liquéfacteur (et inversement). Les compresseurs 2, 3 et turbine(s) 7 sont de préférence accouplés de façon directe à un arbre de sortie du moteur concerné (sans mécanisme de transmission de mouvement à engrenages).
Les arbres de sortie des moteurs sont de préférence montés sur des paliers de type magnétique ou de type dynamique à gaz. Les paliers sont utilisés pour sustenter les compresseurs et les turbines.
De plus, tout ou partie du dispositif, notamment ses organes froids peuvent être logés dans un carter étanche isolé thermiquement (notamment une enceinte sous vide contenant les parties froides : échangeur 8 de refroidissement, turbine 7…et éventuellement l’échangeur de chaleur commun à contre-courant).
L’invention peut s’appliquer à un procédé de refroidissement et/ou de liquéfaction d’un autre fluide ou mélange, notamment de l’hydrogène.

Claims (12)

  1. Procédé de refroidissement et/ou de liquéfaction d’un flux de fluide utilisateur, notamment du gaz naturel, le procédé utilisant une installation de refroidissement et/ou de liquéfaction comprenant un dispositif (1) de réfrigération à basse température, c’est-à-dire à une température comprise entre moins 100 degrés centigrade et moins 273 degrés centigrade, le dispositif (1) de réfrigération comprenant un circuit de travail (10) formant une boucle et contenant un fluide de travail, le dispositif (1) de réfrigération comprenant un échangeur (8) de refroidissement destiné à extraire de la chaleur au flux de fluide utilisateur par échange de chaleur avec le fluide de travail circulant dans le circuit (10) de travail, le circuit (10) de travail formant un cycle comprenant en série: un mécanisme (2, 3) de compression du fluide de travail, un mécanisme (6) de refroidissement du fluide de travail, un mécanisme (7) de détente du fluide de travail et un mécanisme (6) de réchauffement du fluide de travail, l’installation comprenant une conduite (25) de circulation dudit flux de fluide utilisateur à refroidir en échange thermique avec l’échangeur (8) de refroidissement du dispositif (1) de réfrigération, le procédé comprenant une étape de refroidissement d’un flux de fluide utilisateur dans l’échangeur (8) de refroidissement et, après cette étape refroidissement, une étape de nettoyage d’impuretés solidifiées dans l’échangeur (8) de refroidissement, l’étape de nettoyage comprenant une mise à l’arrêt du dispositif (1) de réfrigération et, simultanément, une mise en circulation d’un flux de fluide utilisateur dans l’échangeur (8) de refroidissement.
  2. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que la mise en circulation d’un flux de fluide utilisateur dans l’échangeur (8) de refroidissement est réalisée via la conduite (25) de circulation.
  3. Procédé selon la revendication 2, caractérisé en ce que la mise en circulation d’un flux de fluide utilisateur dans l’échangeur (8) de refroidissement est réalisé par pompage dans un réservoir (16) de fluide utilisateur.
  4. Procédé selon l’une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé en ce qu’il comporte, simultanément et/ou postérieurement à l’étape de nettoyage, une étape de purge (18) de l’échangeur (8) de refroidissement avec un flux de fluide de purge injecté dans l’échangeur (8) de refroidissement pour balayer et évacuer hors de l’échangeur (8) de refroidissement les impuretés détachées lors de l’étape de nettoyage.
  5. Procédé selon la revendication 4, caractérisé en ce que l’étape de purge (18) comprend le balayage de l’échangeur (8) avec un gaz neutre qui est évacué vers une zone de décharge.
  6. Procédé selon la revendication 4 ou 5, caractérisé en ce que l’étape de purge (18) comprend le balayage de l’échangeur (8) avec du fluide utilisateur.
  7. Procédé selon la revendication 6, caractérisé en ce que le fluide utilisateur utilisé dans l’étape de purge est prélevé au niveau de la conduite (25) de circulation.
  8. Procédé selon la revendication 6 ou 7, caractérisé en ce que le fluide utilisateur ayant servi à purger l’échangeur (8) de refroidissement est évacué vers au moins l’un parmi : une zone de décharge (16), un réservoir (16) du fluide utilisateur.
  9. Installation de refroidissement et/ou de liquéfaction d’un flux de fluide utilisateur, notamment du gaz naturel, comprenant un dispositif (1) de réfrigération à basse température, c’est-à-dire à une température comprise entre moins 100 degrés centigrade et moins 273 degrés centigrade, le dispositif (1) de réfrigération comprenant un circuit de travail (10) formant une boucle et contenant un fluide de travail, le dispositif (1) de réfrigération comprenant un échangeur (8) de refroidissement destiné à extraire de la chaleur au flux de fluide utilisateur par échange de chaleur avec le fluide de travail circulant dans le circuit (10) de travail, le circuit (10) de travail formant un cycle comprenant en série: un mécanisme (2, 3) de compression du fluide de travail, un mécanisme (6) de refroidissement du fluide de travail, un mécanisme (7) de détente du fluide de travail et un mécanisme (6) de réchauffement du fluide de travail, l’installation comprenant une conduite (25) de circulation dudit flux de fluide utilisateur à refroidir en échange thermique avec l’échangeur (8) de refroidissement de refroidissement du dispositif (1) de réfrigération, l’installation comprenant un contrôleur (12) électronique de pilotage du dispositif (1) de réfrigération, ledit contrôleur (12) étant configuré pour commuter le dispositif (1) de réfrigération dans un mode de refroidissement dans lequel l’échangeur (8) de refroidissement est refroidi par le gaz de travail pour refroidir un flux de fluide utilisateur ou dans un mode d’arrêt dans lequel la circulation du fluide de travail est interrompu dans le circuit (10) de travail, le contrôleur (12) électronique configuré pour commuter l’installation dans une configuration de nettoyage d’impuretés solidifiées dans l’échangeur (8) de refroidissement, dans laquelle le dispositif (1) de réfrigération est commuté dans son mode d’arrêt et, simultanément, assurer de mise une circulation d’un flux de fluide utilisateur dans l’échangeur (8) de refroidissement.
  10. Installation selon la revendication 9, caractérisé en ce qu’elle comprend un circuit (17, 19) de purge ayant une extrémité amont reliée à une source (16) de fluide de purge et une extrémité aval débouchant dans une zone de décharge, le circuit (17, 19) de purge transitant dans l’échangeur (8) de refroidissement (8) pour balayer et évacuer hors de l’échangeur les impuretés détachées lors de l’étape de nettoyage.
  11. Installation selon la revendication 10, caractérisé en ce que le fluide de purge comprend un gaz neutre ou du fluide utilisateur.
  12. Installation selon la revendication 10 ou 11, caractérisé en ce que la zone de décharge comprend un brûleur, l’atmosphère ou un réservoir (16) de fluide utilisateur à refroidir.
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