JP3771547B2 - 動的混合機又は静的混合機を使用する安定なエマルションの製法 - Google Patents

動的混合機又は静的混合機を使用する安定なエマルションの製法 Download PDF

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Description

【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明はエマルションの製法、特に、界面活性剤等の添加剤のゲル化を回避して、所望の要求に合わせてエマルションの特性を調整できるエマルションの製法及びエマルション混合物の製法に属する。
【0002】
【従来の技術】
天然の瀝青(ビチューメン)等の粘着性炭化水素は、カナダ、米国、中国、ナイジェリア及びベネズエラで大量に発見されている。一般に、粘着性炭化水素は、室温で1000〜600,000cPの粘度を有する液体である。この粘度と、粘性炭化水素の相対的に低い反応性とのため、取り扱いの際に相当の困難が発生する。この問題に取り組む一方法は、粘性炭化水素の水エマルション(乳濁液)を形成することにより、粘性炭化水素の粘度を低下させて、これにより燃料として生成物の特性を改善することである。
【0003】
【発明が解決しようとする課題】
エマルションを生成する別の方法が提案されたが、添加できかつ/又は炭化水素内から活性化される乳化剤又は界面活性剤を利用してエマルションを安定化させなければならない。また、他の所望の物質又は添加剤を含有させても、エマルションは安定のままであるべきである。
【0004】
本発明の主目的は、安定かつ有用な最終生成物を生成する粘性炭化水素の水性エマルションの製法を提供することにある。
【0005】
本発明の他の目的及び他の利点を以下に示す。
【0006】
【課題を解決するための手段】
本発明により、前記目的及び利点を容易に達成した。
【0007】
本発明による炭化水素の水性エマルションの製法は、ゲル化温度TG未満の温度で水と混合するときにゲル化する傾向のある液体添加剤を準備する工程と、ゲル化温度TG未満の温度TCでの水流を生成する工程と、混合機入口を有する混合機に水流を供給し、水流にエネルギを付与する工程と、混合機入口の下流で水流に液体添加剤を配合して、液体添加剤を水流に混合し、エネルギにより液体添加剤のゲル化を抑制して、実質的に均質な液体添加剤の水溶液を生成する工程と、混合機内で水溶液を炭化水素と混合して、炭化水素の水性エマルションを形成する工程とを含む。
【0008】
本発明による水溶液を生成する工程では、加熱工程及び冷却工程を過度に使用せずに、良好にゲルの形成を回避できる。
【0009】
本発明による他の実施の形態では、所望の特性を備えるようにエマルションを微調整する工程が実施される。
【0010】
【発明の実施の形態】
本発明による好適な実施の形態を添付図面について以下詳細に説明する。
本発明は、添加剤と界面活性剤の溶液を生成する工程を使用しかつ加熱工程と静的混合機(スタティックミキサ)とを使用して添加剤のゲル形成を回避する炭化水素の水性エマルション(乳濁液)の製法に関する。
【0011】
更に、本発明は、濃縮されたエマルションを生成する工程と、濃縮エマルションを他のエマルションにより希釈し及び/又は他のエマルションと混合して、幾何学的特性及び流動学的特性を有するエマルションを生成する工程とを含む炭化水素の水性エマルションの製法に関する。
【0012】
図1は、複数の添加剤10,12,14を水流16に添加する界面活性剤溶液の製法を概略的に示す。本発明の本実施の形態では、添加剤10及び14は水溶性でありゲル化しないため、あらゆる好適な場所で添加剤10及び14を添加できる。
【0013】
しかしながら、添加剤12は、特定の温度以下例えば周辺温度で水と混合するとゲル化する傾向又は図2に示す添加剤と類似する特性を有する界面活性剤等の添加剤である。従って、水流16を加熱器18に送り、周辺温度より高くかつ好ましくは添加剤12の最大ゲル化温度TGより低い温度TCまで水流16の温度を周辺温度から上昇させる。その後、加熱された水流20をスタティックミキサ入口24からスタティックミキサ22に送り、水流にエネルギを付与する。少なくともあるエネルギを水流に付与したとき、図1の概略図に示す添加剤入口26から添加剤12をスタティックミキサ22に添加することが好ましい。
【0014】
ゲル化温度TG以上の温度に流体流20の温度を加熱しない事実にも拘わらず、本発明では、ミキサ22内の流体流20に付与される混合エネルギが、添加剤12のゲル形成の防止に十分に有効であることが判明した。
【0015】
スタティックミキサ22から流出する流体流28は、水16と、添加剤12と、必要に応じて配合できる他の添加剤10等との実質的に均質な非ゲル化混合物を含むことが好ましい。
【0016】
前記のように、水溶性の添加剤10及び14は、如何なる場所でも配合可能である。このように、図1に示す実施の形態では、添加剤10は、加熱器18とスタティックミキサ22との上流で流体流16に配合されると共に、ミキサ22の下流で添加剤14が配合される。
【0017】
更に図1について説明すると、例えば温度TCが有効な乳剤形成工程等の後工程に温度TCでそのまま流体流28を特に供給できる。これは、溶液の生成に使用される熱を乳剤の製造に再利用でき、製造効率の向上に有利である。
【0018】
より低い温度が要求される他の製造工程では、略示する冷却器30に流体流28を供給し、所望の工程に適する温度TPに温度を低減できる。
【0019】
図2〜図4に示すように、図2は、ゲル化する傾向のある液体添加剤の代表的なゲル化温度特性曲線を示し、水の添加剤濃度に対するゲル化温度TGを示す。図示のように高濃度では、添加剤は、実質的に全ての温度で液状である。しかしながら、単に添加物質を水に添加して、低温で濃度を低下させるに過ぎない場合に、添加剤は、確実にゲル化して種々の問題を生じることは明白である。
【0020】
図2に示すゲル化特性曲線を有する添加剤の一種は、油−水乳剤の生成に使用される界面活性剤である。例えば、エトキシレート化ノニルフェノール(NPE)は、図示の特性曲線を有する。一般に市販されるエトキシレート化ノニルフェノールは、約90%又はそれ以上の濃度で水に配合され、図2に示す点32にほぼ一致する。このような界面活性剤の他の例は、エトキシレート化アルコール(TDE)である。図2の点34に相当する好ましくは約0.2%の減少された濃度で界面活性剤を使用することが一般的である。本発明の製法では、温度TGを超えて加熱する必要がなくかつゲルを形成せずに点32から点34まで希釈できる。
【0021】
勿論、エトキシレート化ノニルフェノールは、図2に示すゲル化特性曲線を有する添加剤の一例に過ぎない。このため、同様の作用を生ずる他の添加剤も本発明の製法に従って好適に使用できる。更に、本発明により使用可能な種々の添加剤は、非イオン性界面活性剤、陰イオン界面活性剤、不活性界面活性剤、生物活性界面活性剤、不活性界面活性剤、ポリマー、粘土粒子等を活性化する活性化添加剤及びそれらの組合せから成る群から選択される少なくとも1つの界面活性剤を含むことが好ましい。不活性界面活性剤を活性化する活性化添加剤について、不活性界面活性剤は、自然に発生し若しくは別に添加され又はその両方の組合せでもよい。活性化添加剤は、得られた添加剤水溶液を少なくとも約pH10に調整するように選択されるpH緩衝溶液を含むことが有利である。更に、好適な活性化添加剤は、ナトリウム塩、カリウム塩及びリチウム塩、アミン類及びその組合せから成る群から選択されるアルカリ性添加剤である。
【0022】
図3は、TG以上の温度に加熱しながら、周辺温度から処理温度に移行するのに必要な加熱工程及び冷却工程を示す。これにより、ゲル形成を回避できるが、相当の加熱冷却コストを要することを容易に理解できよう。
【0023】
図4に示すように、本発明の好適な製法では、ゲル実在最高温度TGより低いが、周辺温度より高い温度TCまで加熱する温度で添加剤を水で希釈する。これは、スタティックミキサから付与されるエネルギがゲル形成を有効に防止しかつ所望の通りに液体基剤又は水に効果的に混合できるゲル形成特性曲線の十分な高さにまで添加剤を加熱する。
【0024】
図3に比べて、本発明の製法での加熱コスト及び冷却コストを実質的に減少できることを容易に理解できよう。また、所望のエネルギの付与に使用されるスタティックミキサ22も、同様に、効率良く作動し信頼性が高く安価である。
【0025】
添加剤入口の好適な配置を図5に図示する。図5は、ミキサ22の長さ方向に沿って360゜回転に対応する長さLmを各々有する一連の渦流発生要素36を設けたスタティックミキサ22を概略的に示す。スタティックミキサ22と渦流発生要素36とは同様に直径d0を有する。本発明により、界面活性剤又は添加剤の単数又は好ましくは複数の入口38は、渦流発生部材36の開始部からほぼLm/4に等しい距離Lbだけ下流に配置することが好ましい。更に、単数又は複数の入口38は、約d0/4にほぼ等しい距離hだけミキサ22内に延伸させることが好ましい。これは、十分な渦流エネルギを付与した点で添加剤を流体流内に良好に注入して、ゲル形成温度未満の温度でのゲル形成を回避できる。これにより、本発明の優れた効果を得ることができる。
【0026】
本発明による界面活性剤溶液の製法は、連続的な方法により実行でき、界面活性剤の濃度が水相中に均一分布するので、粘着性の炭化水素を含む高品質の水性エマルション等の生成物を下流に製造できることを容易に理解できよう。更に、この製法では、最小量のエネルギを使用して加熱工程及び/又は冷却工程を実施し、最小量の保守でミキサを利用しながら、優れた結果が得られることを容易に理解できよう。
【0027】
図6は、エマルションを製造する本発明の方法を概略的に示す。図6は、図1〜図5に関して説明した添加剤界面活性剤溶液を製造するモジュール50を示す。
【0028】
また、図6に示すように、2又はそれ以上の異なるエマルションを製造するモジュール52,54を設けると共に、異なるエマルションを混合して所望の最終エマルションを製造するモジュール56を設ける。
【0029】
更に、図6に示すように、本発明では、モジュール50からの溶液流58を第1の部分60と第2の部分62とに分流することが有利である。更に必要に応じて、第1の部分60を水64により希釈して、モジュール52の混合機内で炭化水素66と混合し、例えば約30ミクロン範囲の大きい液滴粒径を有する第1のエマルション68を形成する。
【0030】
モジュール54の混合機内で第2の部分62と炭化水素70とを混合して、小さい平均値の液滴粒径を有する第2のエマルション72を形成する。続いて、第1のエマルション68と第2のエマルション72とをモジュール56で混合して、所望の最終エマルションを形成する。この点では、例えば、小さい液滴粒径のエマルション72に追加の水74をシステムのエマルション72の流れの中に添加することによって、例えば約29%に等しいか又はこれ以上の所望の水含有量を有する最終二峰性エマルションを生成することが有利であり、更に/又はエマルション混合工程の下流で更に水を配合することもできる。
【0031】
図7は、図6の実施の形態により大きい液滴粒径のエマルションを形成するモジュール52に関する図6の部分を概略的に示す。図7は、静的混合機(スタティックミキサ)として示す第1の混合機100に送られる界面活性剤と添加剤との溶液の部分60に水64を混合する工程を示す。次に、得られた混合物に炭化水素66を混合して、スタティックミキサとして示す別の混合機76に送られる。必要に応じて、別法として、図示の混合機100及び76は動的混合機でもよいことは明白である。炭化水素−水混合物は、スタティックミキサ76から別の混合機78に送出されるが、混合機78は、所望の液滴粒径エマルションを生成するのに十分な剪断力で動作することが好ましい動的混合機、静的混合機又はその両方である。この点では、特定の速度で混合機を操作することにより動的混合機による剪断力を制御し、所与のミキサの直径に対して流量及び温度を調整することによりスタティックミキサの剪断力を制御できる。
【0032】
図7とほぼ同様の構成を示す図8は、図6に示す実施の形態の小さい液滴粒径エマルションを生成するモジュール54をより詳細に示す。図示のように、界面活性添加剤溶液の第2の部分62に追加の水80を配合して、スタティックミキサとして示す混合機82に送られる。次に、得られた希釈溶液に炭化水素70を混合して、静的混合機(スタティックミキサ)又は動的混合機の何れでもよいが、この場合、スタティックミキサとして示す他の混合機84に送出される。続いて、得られた予め混合された配合物を別の混合機86に送るが、混合機86は、動的混合機若しくは静的混合機の何れか又は両方が可能でありかつ例えば3ミクロンの小さい所望の液滴粒径に生成するのに選択された剪断力で操作される。混合機86から得られるエマルションを図示の更なる水74により希釈して、所望のエマルションの最終的な製造工程のモジュール56(図6)に送られる。
【0033】
前記のように、生成されたエマルションを希釈して、炭化水素対水を所望の比率で最終生成物を製造できる点で有利である。この点では、追加の混合工程を実施して、炭化水素対水の体積比が少なくとも約90:10のエマルションを生成することが好ましく、またエマルションを希釈して、炭化水素対水の体積比が約90:10未満の最終エマルションを生成することが有利である。炭化水素対水を少なくとも約97:3の体積比を有する初期エマルションを生成し、このエマルションに水を配合して希釈する工程を実施し、炭化水素対水が約70:30の体積比を有する最終エマルションを生成することが特に好ましい。勿論、所望の他の比率でもよい。しかしながら、前記比率は、エマルションの効率的かつ有効な混合に適し、特に安定で所望の最終生成物となる。
【0034】
図9及び図10は、静的混合機及び動的混合機を使用して、所望のエマルションに対するそれぞれ大きい液滴粒径と小さい液滴粒径を生成する剪断速度を示す。図9に示すように、12〜35ミクロン範囲の液滴粒径を得る場合に、静的混合機及び動的混合機の両方とも、3001/s未満の剪断速度が許容できる結果を示し、得られた結果を比較すると、静的混合機と動的混合機とは互いに互換性があると考えられる。
【0035】
図10に示すように、小さい液滴粒径エマルションに対して、静的混合機又は動的混合機により、3.5〜4.75ミクロン範囲の許容できる平均液滴粒径を約8001/sと約12001/sとの間の剪断速度で得ることができ、また、前記液滴粒径の生成に対し静的混合機と動的混合機とが実質的に互換性があることが明らかである。
【0036】
2種又はそれ以上の異なるエマルションから最終エマルションを製造する場合にも前記説明を適用できよう。添加剤溶液の生成工程と、混合機の動作工程とを含む本発明の方法は、勿論、単一(一様式)のエマルション生成にも同様に十分に適することを理解すべきである。この場合、図6に示すモジュール54を省略できる。また、混合モジュール56を必要とせずに、所望の水含有量まで最終エマルションを希釈する希釈モジュールのみ必要となろう。
【0037】
前記のように、本発明の方法により生成できるエマルションの炭化水素相は、多種多様な炭化水素である。エマルションの粘度を好適に低減できるので、粘性炭化水素をこの方法に有利に使用できる。
【0038】
モジュール50の溶液中に添加すべき添加剤は、代表的に、非イオン性界面活性剤、陰イオン界面活性剤、生物活性界面活性剤、不活性界面活性剤、不活性界面活性剤、ポリマー、粘土粒子等を活性化する活性化添加剤及びそれらの組合せを含むことができる。本発明の方法により、有害なゲル化等を発生させずに、水と接触してゲル化する添加剤及び界面活性剤を水の希釈により所望の低濃度で使用できる利点が生ずる。低濃度の界面活性剤を使用すれば、材料コストの節約となる点でこれは特に好ましい。更に、過剰量な界面活性剤を使用すると、コストに加えて、最終生成物にも同様に好ましくないことがある。
【0039】
再度、図11に示すように、前記方法に従い、最初に複数の一様式のエマルションを生成した後、これらのエマルションを混合すれば、二様式のエマルションを有利に生成できる。図11は、2つの異なる一様式エマルションの液滴粒径分布を示し、また、2つの一態様エマルションから生成される二様式又は最終のエマルション生成物の液滴粒径分布を示す。この最終生成物は、安定しかつ所望の特性を有する。
【0040】
更に本発明では、本発明により生成されるエマルションに追加の添加剤を混合したとき特に安定することが判明した。最終エマルション生成物を生成するのに代表的に必要な種々の添加剤の多くは、エマルションの安定性に対し悪影響を与えることがある。しかしながら、本発明により生成されるエマルションは、エマルション生成物に添加剤を混合した後でもなお顕著な安定性を示す。図12は、追加の添加剤を混合する前後のエマルションの平均液滴粒径を示す。図12から理解されるように、液滴粒径分布は、添加剤を配合する前後で実質的に同一である。液滴粒径分布の安定性により、本発明による方法の特有の長所である所望の特性にまでエマルション生成物を微調整できる。
【0041】
【実施例】
下記の実施例は、本発明による界面活性剤溶液生成工程を使用して得られる優れた結果を示す。
【0042】
実施例1
本実施例では、それぞれ19.05mm(3/4インチ)の12個の要素を有する「ケニックス(Kenics)(登録商標)」混合機を使用して、エトキシレート化トリデシルアルコールを35℃の温度の水に混合した。この水を周辺温度から35℃まで加熱した。スタティックミキサに送られる物質と、プロセス温度と、スタティックミキサの特性とに基づいて決定される混合エネルギをスタティックミキサにより付与しながら、種々の添加物流量で水と添加剤とを混合した。下表1は、各場合に得られた溶解量を示す。
【0043】
【表1】
Figure 0003771547
【0044】
表に示すように、図示の流量に対し、40W/キログラム及びそれ以上の混合エネルギで優れた溶解度が得られた。わずか4W/キログラムの混合エネルギでは、78%の溶解度が得られた。このように、本発明では、スタティックミキサにより付与する混合エネルギにより、ゲル形成を回避して添加剤の完全な溶解を促進できることは明白である。
【0045】
実施例2
この実施例では、ミキサに沿う異なる3個所で界面活性剤を加熱された水に混合して、添加剤注入器の有利な位置を実証できた。
【0046】
第1の例では、ミキサの入口で添加剤を水に注入した。第2の評価では、図5の説明に従い選択された位置で単一の注入器により添加剤を注入した。最後に、第3の評価では、図5に示す位置に配置した2つの注入器により添加剤を注入した。
【0047】
ミキサの入口で導入された添加剤では、僅か72%の溶解度が得られた。単一の注入器により入口の下流で添加剤を導入すると、80%の溶解度が得られた。図5に示すように、入口の下流で2つの注入器により添加剤を注入すると、94%の溶解度が得られた。このように、本発明では、添加剤注入器又は添加剤入口の位置によって、所望の高溶解度が与えられる。
【0048】
炭化水素−水エマルションを生成する本発明の方法では、ゲル化せずに、エマルションに混合する液体添加剤を準備し、全て所望の通りに特定の要求を満足する最終エマルションを生成できることを容易に理解できよう。
【0049】
過剰量の混合エネルギを使用せずに、添加剤のゲル化を回避することにより、ゲル化させずに低濃度の界面活性剤等の添加剤を使用できる。更に、本発明の製法は、所望の最終用途にエマルションを適応させる際に融通性(汎用性)を与え、エマルションの安定性に影響を与えずにかつ添加剤をゲル化しない潜在的に広範囲の添加剤を含む。
【0050】
本明細書に詳記し図面に明示した説明は、本発明を実行する最良の形態を単に示すに過ぎず、本実施の形態では、形状、大きさ、部材の配置及び動作の詳細を変更することができ、本発明を前記説明に限定されないと理解すべきである。むしろ、本発明は特許請求の範囲に記載された趣旨及び範囲から逸脱しない実施の形態の全変更を包含することを意味する。
【発明の効果】
前記の通り、本発明では、過度な加熱工程及び冷却工程を必要とせずかつゲルを形成せずに、均質化された液体添加剤の水溶液を生成できると共に、生成された水溶液と炭化水素とを混合すると、物理的及び化学的に安定したエマルションを形成することができる。また、エマルションにより粘性炭化水素の粘度を低下させて、燃料としての特性を改善できる。
【図面の簡単な説明】
【図1】 本発明による製法を示す概略図
【図2】 水に対し異なる濃度の代表的な界面活性物質のゲル化温度の特性曲線を示すグラフ
【図3】 ゲル化の回避に使用できる熱処理単独工程を示すグラフ
【図4】 ある熱を加えかつエネルギを混合して、ゲル形成を回避する本発明の好適な実施の形態を示すグラフ
【図5】 添加剤注入器を好適に配置して、好適な混合を行う本発明の概略図
【図6】 本発明による製法を示す概略図
【図7】 図6の製法の一部を示す概略図
【図8】 図6の製法の後続工程を示す概略図
【図9】 大きい液滴粒径のエマルションに静的混合機及び動的混合機を使用して得られる液滴粒径分布を示すグラフ
【図10】 小さい液滴粒径のエマルションに対して静的混合機及び動的混合機を使用して得られる液滴粒径分布を示すグラフ
【図11】 大きい液滴粒径のエマルションと小さい液滴粒径のエマルションとを最適の比率で混合して得られる液滴粒径分布を示すグラフ
【図12】 添加剤と水との混合後に得られたエマルションの特性を微調整した液滴粒径分布を示すグラフ
【符号の説明】
(12)・・液体添加剤、 (16)・・水流(流体)、 (20)・・液体基剤流、 (22)・・混合機、 (24)・・混合機入口、 (58)・・流体、 (60)・・第1の部分、 (62)・・第2の部分、 (66,70)・・炭化水素、 (68,72)・・エマルション、 (74)・・水、 (76,78,84,86)・・混合機、 (82)・・第2の混合機、 (100)・・第1の混合機、

Claims (14)

  1. ゲル化温度TG未満の温度の水と混合するときにゲル化する傾向のある液体添加剤を準備する工程と、
    ゲル化温度TG未満の温度TCの水流を生成する工程と、
    混合機入口を有する混合機に水流を送り、水流にエネルギを付与する工程と、
    混合機入口の下流で水流に液体添加剤を加えて液体添加剤を液体基剤流に混合し、エネルギにより液体添加剤のゲル化を抑制して、実質的に均質な液体添加剤の水溶液を生成する工程と、
    混合機内で水溶液と炭化水素とを混合して、炭化水素−水エマルションを生成する工程とを含むことを特徴とする水中に炭化水素を含むエマルションの製法。
  2. 周辺温度の水流を生成して、水流を温度TCに加熱する工程を含む請求項1に記載の製法。
  3. 液体添加剤は、非イオン性界面活性剤、陰イオン界面活性剤、生物活性界面活性剤、不活性界面活性剤、不活性界面活性剤、ポリマー、粘土粒子を活性化する活性化添加剤及びそれらの組合せから成る群から選択される少なくとも1つの構成成分を含む請求項1に記載の製法。
  4. 液体添加剤は、エトキシレート化ノニルフェノール、エトキシレート化アルコール及びその組合せからなる群から選択される請求項3に記載の製法。
  5. 活性化添加剤は、少なくともpH10の水溶液に調整するのに選択されるpH緩衝溶液を含む請求項3に記載の製法。
  6. 活性化添加剤は、ナトリウム塩、カリウム塩及びリチウム塩、アミン類及びそれらの組合せから成る群から選択されるアルカリ性添加剤である請求項3に記載の製法。
  7. 炭化水素は、原油、粘性炭化水素、精製残油、瀝青(ビチューメン)、コークス及びそれらの混合物からなる群から選択される請求項1に記載の製法。
  8. 混合工程を実行して、炭化水素対水の比率を少なくとも90:10のエマルションを生成し、水をエマルションに添加する工程を実施して、炭化水素対水の比率を少なくとも90:10の最終エマルションを生成する請求項1に記載の製法。
  9. エマルションは、少なくとも97:3の炭化水素対水の比率を有する請求項8に記載の製法。
  10. 最終エマルションは、70:30の炭化水素対水の比率を有する請求項8に記載の製法。
  11. 混合工程は、第1の部分と第2の部分とに流体を分流する工程と、第1の混合機により第1の部分と第1の炭化水素とを十分な剪断力で混合して、第1の液滴平均粒径を有する第1の炭化水素−水エマルションを形成する工程と、第2の混合機により第2の部分と第2の炭化水素とを十分な剪断力で混合して、第2の液滴平均粒径を有する第2の炭化水素−水エマルションを形成する工程と、第1のエマルションと第2のエマルションとを混合して、少なくとも2つの異なる液滴粒径集団を有する混合エマルションを生成する工程とを含む請求項1に記載の製法。
  12. 混合機は、静的混合機、動的混合機及びその組合せからなる群から選択される請求項1に記載の製法。
  13. 混合機は、静的混合機である請求項1に記載の製法。
  14. 炭化水素−水エマルションに追加の添加剤溶液を混合して、炭化水素−水エマルションの1又は2以上の特性を調整する工程を含む請求項1に記載の製法。
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