JP2006523747A - 炭化水素混合物からの着色物及び/又はアスファルテン汚染物質の分離方法 - Google Patents
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Abstract
炭化水素混合物からの着色物質および/またはアスファルテン汚染物質の分離方法であって、供給物側および透過物側を有する膜を使用し、前記炭化水素混合物を前記膜の前記供給物側と接触させ、前記供給物側と前記透過物側との間に圧力差を適用して、前記炭化水素混合物の一部を供給物側から透過物側に通過させ、前記膜の前記透過物側において減少した含有量の着色物質および/またはアスファルテン汚染物質を有する炭化水素透過物を得、ならびに、前記膜の前記透過物側から前記炭化水素透過物を除去し、選択された時間間隔の間に前記膜の前記透過物側からの前記炭化水素透過物の除去を停止して、膜を越える圧力差を一時的に実質的に低下させる、前記方法。
Description
本発明は、膜を使用し、炭化水素混合物の一部を膜の供給物側から透過物側の方に通過させ(膜の側の間に圧力差が適用されている)、これによって、膜の透過物側で、減少した含有量の着色物及び/又はアスファルテン汚染物質を有する炭化水素透過物を得ることにより、膜の透過物側から炭化水素透過物を除去することにより、炭化水素混合物から着色物及び/又はアスファルテン汚染物質を分離するための方法に指向している。
このような方法は、国際特許出願公開第9927036号明細書から公知である。この刊行物には、公知のスチームクラッキング法の手段による、汚染した供給原料からの低級オレフィンの製造方法が開示されている。供給原料をスチームクラッカー炉に供給する前に、汚染物質が供給原料から、膜分離の手段によって除去される。この方式で供給原料から汚染物質を除去することによって、低級オレフィンの製造のための供給原料として、例えば、いわゆる黒凝縮物(black condensates)を使用することが可能である。用語「黒凝縮物」は、3以上のASTM色を有する汚染された天然ガス凝縮物を指すために、一般的に使用されている。上記のスチームクラッカー法に於けるこれらの比較的安価な供給原料の直接の適用は、供給原料中の汚染物質及び/又は着色物が、対流区画及び付随するスチームクラッカー炉内で過剰のコーク形成を起こすために可能ではなかったであろう。
国際特許出願公開第9927036号明細書に従った方法の欠点は、1日当たり1平方メートル当たりの膜を透過する供給原料で表される流束が、例えば1200kg/m2・日付近の最大値から、非経済的なより低い値にまで急速に低下したことである。
本発明の目的は、長期間に亘って、高い平均流束で運転することができる方法を提供することである。
本発明に従って、炭化水素混合物からの着色物質および/またはアスファルテン汚染物質の分離方法であって、供給物側および透過物側を有する膜を使用し、前記炭化水素混合物を前記膜の前記供給物側と接触させ、前記供給物側と前記透過物側との間に圧力差を適用して、前記炭化水素混合物の一部を供給物側から透過物側に通過させ、前記膜の前記透過物側において減少した含有量の着色物質および/またはアスファルテン汚染物質を有する炭化水素透過物を得、ならびに、前記膜の前記透過物側から前記炭化水素透過物を除去し、選択された時間間隔の間に前記膜の前記透過物側からの前記炭化水素透過物の除去を停止して、膜を越える圧力差を一時的に実質的に低下させる、前記方法が提供される。
本出願者らは、炭化水素透過物の流束が、膜を越える正常な分離運転の間に、運転時間と共に、初期最大値から減少することを観察した。膜の透過物側からの炭化水素透過物の除去を停止すると、供給原料混合物の一部は膜を通して透過し続けるので、膜を越える圧力差の実質的な低下になることが見出された。透過物除去が停止されるために、これは、透過物側での圧力が上昇し、供給物側でのより高い圧力に近づき、最終的に、両側での圧力が徐々に平衡化する結果になる。
本出願者らは、また、透過物の流束が一定の最低許容値に達した後、このようにして圧力差を実質的に減少させることによって、再び、膜の透過物側から透過物を除去することにより正常な膜分離が回復したとき、最初の最大流束で膜分離を運転することが可能であることを見出した。残留物(retentate)は、殆どの場合再循環されるか、再循環されることができ、新しい供給原料と混合することができ、これによって一定の時間間隔の間、分離が起こらないか又は限定された分離が起こるという事実は、残留物組成の問題として経験されていない。
圧力平衡化は漸進的プロセスであり、この速度は、運転条件での膜の透過率に依存性である。従って、達成される最低圧力差は、この間に透過物の除去が停止される時間間隔の長さに依存し得る。圧力差の実質的な低下の表現は、透過物流束が回復したとき、最初の最大値にまで透過物流束を回復させるために、実際的状況下で十分であることを証明する、圧力差のあらゆる低下を参照するために使用される。適切には、実質的な低下は、20%以上、好ましくは50%以上又は更に好ましくは90%以上の圧力差の低下である。透過物の除去を、十分に長い時間間隔の間停止するとき、ゼロの圧力差が達成されるように、圧力を完全に平衡化させることができる。時間間隔が、完全な圧力平衡化のために十分に長くないとき、なお、時間間隔の終わりに少なくとも一時的に、圧力差の実質的な低下を達成できる。
このようにして、一層複雑なバックフラッシング運転を必要とせず、また、膜の供給物側での如何なる運転の特別の操作も必要としない簡単な方法が得られた。
膜を通る透過物のバックフラッシングは、時々、膜を越える流束を改良するために、膜及び/又は濾過プロセス内で使用される。バックフラッシングの欠点は、これが制御するために一層複雑であり、これが、例えば、バックフラッシングポンプのような更なる装置を必要とし、望まない黒色副生物を多く作るであろうことである。また、膜が、高密度膜から製造された薄いトップ層及び多孔質膜から製造された支持体層によって形成されている場合に、透過物のバックフラッシングは、殆ど確実に薄い高密度膜の損傷を起こすであろうし、従って適用することができない。更なる利点及び好ましい実施態様を、以下説明する。
本件特許出願の出願日に公開されていなかった国際特許出願公開第PCT/EP02/11712号明細書には、着色物及び/又はアスファルテン汚染物質を、炭化水素混合物から、炭化水素混合物の一部を、膜を越える圧力差が維持されている膜に通過させ、これによって減少した含有量の着色物及び/又は汚染物質を有する炭化水素透過物を得ることにより分離するための方法であって、選択された時間間隔で、膜を越える圧力差を、膜の供給物側への炭化水素混合物の流れを停止することによって実質的に低下させる方法が記載されている。供給原料流の停止は、例えば、供給ポンプの運転を停止することにより又は炭化水素混合物を、供給ポンプと膜との間の位置から、供給ポンプの上流の位置に再循環させることにより達成できる。
本発明の利点は、膜の供給物側と透過物側との間の圧力差が、供給物側での圧力を解放することなく実質的に低下されることである。これは、供給物側での装置の機械的応力を最小限にする。また、高い温度で供給物側で圧力を解放することは、炭化水素供給混合物のより軽い成分のフラッシングになり得、これは、膜への供給原料供給を再開するとき、望ましくない蒸気ロック(vapour−lock)になり得る。この現象は、膜を運転することができる最高温度を制限する。本発明に従って、透過物の除去を停止することによって、圧力差を低下させるとき、膜を、より高い温度で運転することができる。より軽い成分のフラッシングが透過物側で起こる場合、これは、通常、透過物側にポンプが存在しないので、通常問題ではない。
本発明の更なる利点は、膜を通過する供給原料の透過が、透過物除去が停止される間隔の少なくとも一部の間、続くことである。透過物除去が、除去導管内のバルブを開けることによって再開されるとき、直ちに、流れを停止していた間に増した、透過物側での圧力の解放のために、透過物のピーク流れが観察される。この方法によって、時間に亘って製造された炭化水素透過物の量は、更に最大になる。
更に他の利点は、供給物側での膜表面に沿った供給原料の横断流が、圧力差が低下しながら続くことである。従って、供給物側で膜から放出される如何なる汚染物質も、有効に運び去られる。
炭化水素混合物には、炭化水素混合物に黒ずんだ色を与える、汚染物質及び/又は着色物が含有されているであろう。本発明の方法は、一定の色指数より高い供給原料で使用するために限定されない。これは、ASTM D1500に従って測定したとき、2よりも大きい、特に3以上のASTM色指数を有する炭化水素混合物のために特に有用であることが見出された。透過物のASTM色は、炭化水素供給原料の色及び膜分離方法の運転条件に依存して、2よりも小さい、ときには1よりも小さいことが見出される。本発明の方法は、無次元色指数の、10%以上、好ましくは30%以上、最も好ましくは50%以上の低下になり得る。
汚染物質及び/又は着色物は、典型的に、高い沸点を有し、スチームの存在下でも容易に蒸発しない炭化水素である。このような炭化水素の例は、多核芳香族物質、多核シクロパラフィン、巨大パラフィン系炭化水素(ワックス)並びにオレフィン系成分、例えば、多核シクロオレフィン及び巨大オレフィン系炭化水素、特にジオレフィンである。
本発明に従った方法で使用すべき炭化水素混合物は、適切には、20℃よりも高い初期沸点並びにASTM D−2887によって決定した、600℃未満の80%回収点、好ましくは600℃未満の95%回収点、更に好ましくは450℃未満の95%回収点、なお更に好ましくは350℃未満の95%回収点を有する炭化水素混合物である。このような炭化水素混合物は、粗石油留分、(汚染された)天然ガス凝縮物又は(汚染された)製油所流であってよい。適切な炭化水素混合物の例は、ナフサ(直留ガソリン留分)及び/又は軽油(ケロシンと軽潤滑油との間の特性の留分、中間物)留分であり、これは貯蔵タンク内で又は該留分を精油装置からスチームクラッカーに輸送するときパイプライン内で汚染される。適切に使用することができる炭化水素混合物の他の例は、汚染された天然ガス凝縮物である前記参照した黒凝縮物である。天然ガス凝縮物は、通常、1よりも小さいASTM色を有する。汚染は、このようなガス凝縮物を、貯蔵容器内に貯蔵するか又はこれを通して、例えば、原油も貯蔵/輸送するパイプラインを経て輸送するとき起こる。天然ガス凝縮物は、典型的に、実質的に、即ち90重量%よりも多くC5−C20炭化水素又は更に典型的にC5−C12炭化水素を含有する混合物である。
膜には、適切に、高密度膜から製造されたトップ層及び多孔質膜から製造されたベース層(支持体)が含まれている。この膜は、透過物流が最初に高密度膜トップ層を通過し、次いでベース層を通過するように適切に配置されており、こうして膜を越える圧力差が、トップ層をベース層の上に押し付けるようになっている。高密度膜層は、汚染物質を炭化水素混合物から分離する実際の膜である。当業者に公知である高密度膜は、炭化水素混合物が、この構造内に溶解し、この構造を通って拡散することによって、該膜を通過するような特性を有する。好ましくは、高密度膜層は、例えば、国際特許出願公開第9627430号明細書に記載されているような、いわゆる架橋構造を有する。高密度膜層の厚さは、好ましくはできるだけ薄い。適切には、この厚さは、1から15マイクロメートル、好ましくは1から5マイクロメートルである。汚染物質及び着色物は、これらのより複雑な構造及び高分子量のために、該高密度膜中に溶解することができない。例えば、適切な高密度膜は、ポリシロキサン、特にポリ(ジメチルシロキサン)(PDMS)から製造することができる。多孔質膜層は、膜に機械的強度を与える。適切な多孔質膜は、ポリアクリロニトリル(PAN)、ポリアミドイミド+TiO2(PAI)、ポリエーテルイミド(PEI)、ポリビニリデンジフルオリド(PVDF)及び多孔質ポリテトラフルオロエチレン(PTFE)であり、限外濾過、ナノ濾過又は逆浸透のために一般的に使用されている種類のものであってよい。
本発明に従った方法は、炭化水素透過物の除去を、これが、実際の分離が起こり、高い流束が達成される第一時間間隔を含み、第一時間間隔が、炭化水素透過物の除去が停止される第二時間間隔によって交替されるように、即ち、第二時間間隔の間に、膜を越える圧力差が、第一時間期間に比較したとき、漸進的に実質的に低下するように、規則的にあけた時間間隔で繰り返して停止するように実施することができる。しかしながら、透過物の流束速度又は色指数のような分離方法のパラメーターをモニターすること及び最小可能透過物流束速度のような一定の予定条件が満たされた場合にのみ、透過物の除去を遮断することも可能である。
第二時間間隔の後で、膜分離を、運転の長期間に亘る顕著な低下無しに、実質的に最初の高い流束で再び運転することが可能であることが見出された。
如何なる方法でも本発明を限定することを望まないで、下記の機構が、膜表面上への着色物及び/又はアスファルテン汚染物質の堆積に起因する膜性能の劣化を防止することに寄与すると信じられる。運転の間に、高密度膜は、膜中に溶解し、膜を通して拡散する炭化水素のために、著しく膨潤される。即ち、この膨潤は、膜を越える圧力差によって幾らか相殺されるけれども、高密度膜の厚さは、運転の間に増加する。圧力差が顕著に低下したとき、高密度膜は、この厚さが増加するように膨張することができ、これによって膜表面上の如何なる堆積物も失うと信じられる。
分離の間に、膜を越える圧力差は、典型的に5から60バール、更に好ましくは10から30バールである。圧力差が低下される時間間隔の間に、圧力差は0から5バール、特に1バール以下、また0バールであり得る。適切には、圧力差は、20%以上、好ましくは50%以上、更に好ましくは90%以上低下される。
本発明は、平行運転される、単一の分離段階を含む膜分離器(の群)に於いて又は2個若しくは3個以上の順次的分離段階を含む実施態様(この場合には、第一分離段階の残留物は、第二分離段階の供給物として使用される)に於いて適用することができる。
当業者は、連続分離の最適期間及び透過物の除去が停止される時間間隔を、容易に決定することができる。膜分離を越える平均流束を最大にすることは、このような決定を推進するであろう。ここで平均流束によって、分離及び中間の時間間隔の両方に亘る平均透過物流束が意味される。従って、透過物流束が停止される期間を最小にし、分離が起こる期間を最大にすることが望ましい。流束は、分離間隔中に減少し、適切には流束がこの最大値の75から99%よりも低くなるとき、分離間隔を停止する。適切には、膜を越える連続分離の5から480分間が、透過物の除去が停止される、1から60分間、好ましくは30分間以内、更に好ましくは10分間以内、最も好ましくは6分間以内の期間によって交替される。
この膜分離は、適切には、−20から100℃、特に10から100℃の範囲内の、適切には40から85℃の範囲内の温度で実施される。供給原料基準の透過物の回収重量%は、典型的に50から97重量%、しばしば80から95重量%である。
本発明を、下記の限定されない実施例の手段によって説明する。
表1に列挙した特性を有する黒凝縮物を、70kg/時の速度で、残留物の一部が再循環され、新しい供給物と混合され、膜の供給物側上の流体の流束が1000kg/時であるような膜分離装置に供給した。この膜分離装置には、ポリジメチルシロキサン(PDMS)のトップ層及びポリアクリロニトリル(PAN)の支持層を含む、GKSSフォルシュンクスツェントルム社(GKSS Forschungszentrum GmbH)(ドイツ国ゲーストハクト(Geesthacht)にこの本社を有する会社)から得られるようなPDMS/PAN150膜1.5m2が設けられていた。分離するときの圧力差は20バールであり、透過物側での圧力はほぼ大気圧であった。運転温度は70℃であった。透過物の色特性は1.5のASTM色であった。
合計実験時間は24時間であった。正常分離のそれぞれ約55分間後に、透過物除去導管残留物内のバルブを5分間閉じることによって、透過物の流れを手動で停止した。この時間の間、透過物側での圧力は、1バール以内にまで供給物側での圧力に近づくことが見出された。
図1に、時間t(時)の関数としての、透過物の流束F(kg/(m2・日)で)を示す。図1に於ける流束は、正常分離の間、約820kg/(m2・日)の最大値から著しく低下し、これは膜の供給物側の上への着色物の堆積に起因すると考えられる。この最大値は、新しい膜を使用して観察された値である。約55分間後にバルブを閉じることによって透過物流束を停止しなかった場合には、透過物流束の定常的低下が続くであろう。バルブを5分後に再び開けるとき、透過物流束は、ほぼ最初の最大流束値にまで回復する。この最大透過物流束及び続く低下パターンは、本発明に従って透過物流を停止した後、この実験の全24時間の間、観察することができた。図に於ける時間t=0は、実験の過程内で定常状態に到達した後の時間を表す。
炭化水素質供給物のための分離方法に於ける第一回のために、最初の膜を使用するとき、これは、通常、膜性能に於ける定常状態に到達する前に、初期期間を必要とする。この場合に役割を演じる一つの要因は、膜の膨潤である。典型的に、このような初期期間は、ほぼ数時間、特に10時間以内、例えば2時間を必要とする。透過物側からの炭化水素透過物の除去を、例えば、20から60分間毎に、数分間、例えば10分間よりも短い間停止する場合、これは、最初の数サイクルの間に観察される最大流束が、僅かに変化し得ることを意味する。この初期期間中の最大流束差は、典型的に20%よりも小さい。新しい膜に於いて定常状態に到達したとき観察される最大流束は、最初の流束として考えられる。定常状態に到達したとき、本発明の方法で観察される最大流束は、典型的に、幾つかの離れたものを無視すれば、数日間に亘って、約10%未満で変化する。
本発明に従った方法は、国際特許出願公開第9927036号明細書にこの例が記載されている、スチーム又はナフサクラッカーのために、供給原料から汚染物質、特に黒凝縮物と呼ばれているものを分離するために使用するために適している。増加した濃度の汚染物質を含有する残留物は、スチームクラッカー炉の下流の分留塔に供給することができる。好ましくは、残留物は、残留物の種々の成分は、通常原油蒸留塔に供給される原油供給原料中にも見出されるので、製油所の原油蒸留塔に供給される。
従って、本発明は、更に、炭化水素混合物が、これから軽いオレフィンが熱分解によって製造される液体炭化水素供給原料であり、膜が、この中で炭化水素透過物が膜の透過物側から除去される膜分離装置の一部を形成し、残留物が膜の残留物側から除去されるものであり、並びに、更に、
(a)透過物を分解炉の入口に供給し、透過物を、分解炉のコイル内で、スチームの存在下で高温度で分解させ、分解炉から軽いオレフィンに富んでいる分解した流を取り出す工程、
(b)分解した流を急冷する工程、
(c)冷却した分解した流を分留塔に供給する工程、
(d)残留物を、好ましくは、これを分留塔又は原油蒸留塔に供給することによって除去する工程、および
(e)分留塔の頂部からガス状流を、分留塔の側部から燃料油成分のサイド流を及び分留塔の底部からボトム流を取り出す工程
を含む、請求項1から15の何れか1項に記載の方法を提供する。
(a)透過物を分解炉の入口に供給し、透過物を、分解炉のコイル内で、スチームの存在下で高温度で分解させ、分解炉から軽いオレフィンに富んでいる分解した流を取り出す工程、
(b)分解した流を急冷する工程、
(c)冷却した分解した流を分留塔に供給する工程、
(d)残留物を、好ましくは、これを分留塔又は原油蒸留塔に供給することによって除去する工程、および
(e)分留塔の頂部からガス状流を、分留塔の側部から燃料油成分のサイド流を及び分留塔の底部からボトム流を取り出す工程
を含む、請求項1から15の何れか1項に記載の方法を提供する。
従って、本発明を使用して、公知の方法は、これが著しく長い期間、高い平均流束で運転できるように改良される。この改良は、公知の方法の供給原料供給及び膜分離工程を、供給原料を膜を越えて圧力差が維持されている膜が設けられた膜装置の入口に供給し、これによって、膜の透過物側で、減少した含有量の着色物及び/又は汚染物質を有する透過物を得、膜の残留物側で残留物を得、膜から透過物及び残留物を除去し、選択された時間間隔の間、膜の透過物側からの炭化水素透過物の除去を停止して、膜を越える圧力差が一時的に実質的に低下するようにする工程によって置き換えることによって達成される。
適切には、工程(a)に於ける膜には、供給原料からの炭化水素を、この構造内に溶解させ、この構造を通って拡散させることによって、膜を通過させるが、アスファルテン又は着色物は通過させない、前記のような高密度膜層が含まれる。このような膜は、適切には、炭化水素供給原料が、更に、炭化水素供給原料中に分散されている水滴中に存在する塩汚染物質を含有しているときにも使用される。塩汚染物質は、生成水又は製油所での他の処理から来得、この汚染塩の例は、塩化ナトリウム、塩化マグネシウム、塩化カルシウム及び塩化鉄である。他の塩、例えば硫酸塩が同様に存在し得る。水及び/又は塩は、通常、高密度膜中に溶解せず、従って透過物には塩は含有されないであろう。
この膜のための運転パラメーターの詳細及び範囲を、前の説明及び実施例に示す。クラッキング方法、使用する供給原料及び得られる製品についての詳細は、国際特許出願公開第9927036号明細書に、特に実施例に開示されている。
Claims (16)
- 炭化水素混合物からの着色物質および/またはアスファルテン汚染物質の分離方法であって、供給物側および透過物側を有する膜を使用し、前記炭化水素混合物を前記膜の前記供給物側と接触させ、前記供給物側と前記透過物側との間に圧力差を適用して、前記炭化水素混合物の一部を供給物側から透過物側に通過させ、前記膜の前記透過物側において減少した含有量の着色物質および/またはアスファルテン汚染物質を有する炭化水素透過物を得、ならびに、前記膜の前記透過物側から前記炭化水素透過物を除去し、選択された時間間隔の間に前記膜の前記透過物側からの前記炭化水素透過物の除去を停止して
、膜を越える圧力差を一時的に実質的に低下させる、前記方法。 - 膜が、高密度膜から製造されたトップ層及び多孔質膜から製造された支持体層を含む、請求項1に記載の方法。
- 高密度膜が、ポリシロキサン、例えばポリ(ジメチルシロキサン)から製造される、請求項2に記載の方法。
- 膜を越える圧力差を、20%以上、好ましくは50%以上、更に好ましくは90%以上ほど低下させる、請求項1から3の何れか1項に記載の方法。
- 分離の間の膜を越える圧力差が10から30バールである、請求項1から4の何れか1項に記載の方法。
- 圧力差を0バールまで低下させる、請求項1から5の何れか1項に記載の方法。
- 膜を越える連続分離の5から480分間の期間を、透過物の除去が停止される、1から60分間の時間間隔によって交替させる、請求項1から6の何れか1項に記載の方法。
- 透過物除去が停止される時間間隔が、30分間以内、好ましくは10分間以内、更に好ましくは6分間以内である、請求項7に記載の方法。
- 透過物側からの炭化水素透過物の除去を、規則的間隔で停止する、請求項1から8の何れか1項に記載の方法。
- 炭化水素透過物を、膜の透過物側から、透過物バルブを含む導管を通して除去し、このバルブは、選択された時間間隔の間、透過物の除去を停止するように閉じられている、請求項1から9の何れか1項に記載の方法。
- 膜を40℃よりも高い温度で運転する、請求項1から10の何れか1項に記載の方法。
- 膜を65℃よりも高い温度で運転する、請求項1から10の何れか1項に記載の方法。
- 炭化水素混合物が、20℃よりも高い初期沸点並びにASTM D2887によって決定した、600℃未満の80%回収点、好ましくは600℃未満の95%回収点、更に好ましくは450℃未満の95%回収点を有する、請求項1から12の何れか1項に記載の方法。
- 炭化水素混合物が、ASTM D1500に従った、2よりも大きい、好ましくは3よりも大きいASTM色を有する、請求項1から13の何れか1項に記載の方法。
- 炭化水素混合物が、汚染された天然ガス凝縮物又は汚染された製油所流である、請求項1から14の何れか1項に記載の方法。
- 炭化水素混合物が、これから軽いオレフィンが熱分解によって製造される液体炭化水素供給原料であり、膜が、この中で炭化水素透過物が膜の透過物側から除去される膜分離装置の一部を形成し、残留物が膜の残留物側から除去されるものであり、並びに、更に、
(a)透過物を分解炉の入口に供給し、透過物を、分解炉のコイル内で、スチームの存在下で高温度で分解させ、分解炉から軽いオレフィンに富んでいる分解した流を取り出す工程、
(b)分解した流を急冷する工程、
(c)冷却した分解した流を分留塔に供給する工程、
(d)残留物を、好ましくは、これを分留塔又は原油蒸留塔に供給することによって除去する工程、および
(e)分留塔の頂部からガス状流を、分留塔の側部から燃料油成分のサイド流を及び分留塔の底部からボトム流を取り出す工程
を含む、請求項1から15の何れか1項に記載の方法。
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