JPH07127971A - アルゴンの分離装置 - Google Patents

アルゴンの分離装置

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JPH07127971A
JPH07127971A JP27441193A JP27441193A JPH07127971A JP H07127971 A JPH07127971 A JP H07127971A JP 27441193 A JP27441193 A JP 27441193A JP 27441193 A JP27441193 A JP 27441193A JP H07127971 A JPH07127971 A JP H07127971A
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crude argon
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Osamu Utada
修 宇多田
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Nippon Sanso Corp
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Japan Oxygen Co Ltd
Nippon Sanso Corp
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Abstract

(57)【要約】 【目的】 液化精留分離により高純度アルゴンを分離採
取する際の装置構成の簡略化,動力費の低減とともに、
採取するアルゴンの高純度化と収率の向上を図れるアル
ゴンの分離方法及びその装置を提供する。 【構成】 複精留塔1から導出したアルゴン含有ガス
を、アルゴン圧縮機52で昇圧した後、粗アルゴン塔3
に導入して粗アルゴンを分離する。該粗アルゴン中の酸
素を分離する脱酸素塔102を粗アルゴン塔3の上部に
連設し、該接続部に脱酸素塔塔底液を粗アルゴン塔塔頂
ガスの凝縮用冷媒とする凝縮蒸発器61を設ける。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【産業上の利用分野】本発明は、アルゴンの分離装置に
関し、詳しくは、空気を原料として酸素,窒素,アルゴ
ン等の成分ガスを精留分離により分離して、特に高純度
アルゴンを採取する装置に関する。
【0002】
【従来の技術】図3は、従来の空気深冷分離法による高
純度アルゴン分離装置の一例を示すものである。複精留
塔1の低圧塔(上部塔)の中段から実質的に酸素を主成
分とし、アルゴン5〜15%、窒素微量のアルゴン原料
ガスが管2に抜き出され、粗アルゴン塔3の下部に導入
される。該粗アルゴン塔3の上部には、凝縮器4が設け
られており、前記複精留塔1の中圧塔(下部塔)下部か
ら抜き出され、膨張弁5で低圧となった液化空気が管6
から寒冷源として導入されている。この結果、粗アルゴ
ン塔3を上昇した原料ガスは、前記凝縮器4で液化して
還流液となり、塔内を上昇する前記原料ガスとで液化精
留が行われ、該塔頂部からアルゴン90%以上、酸素数
%以下、窒素数%以下の組成の粗アルゴンが管7に抜き
出される。一方、粗アルゴン塔3の底部からは、液化酸
素が管8に導出されて上部塔へ戻され、凝縮器4で液化
空気が気化したガスは、管9により上部塔に導入され
る。
【0003】管7に導出した前記粗アルゴンは、熱交換
器10を通り、戻りガスを冷却して略大気温度となり、
管11から貯槽及び緩衝を兼ねるガスホルダー12を経
て圧縮機13に送られる。圧縮機13で後の工程に必要
な圧力に圧縮された粗アルゴンガスは、管14に吐出さ
れ、水素供給設備15から管16を介して粗アルゴン中
の酸素分を酸素・水素反応によって除去するのに十分な
水素が添加された後、触媒筒17に導入される。該触媒
筒17には、酸素・水素反応を促進する触媒が充填され
ており、この結果、粗アルゴン中の酸素は、添加された
水素と速かに反応して水が生成される。生成した水を含
む粗アルゴンガス(脱酸素アルゴンガス)は、冷却され
た後に管18により水分離器19に送られ、さらに管2
0を介して切換式乾燥器21に導入される。この乾燥工
程で、前記生成した水分を除去した脱酸素アルゴンガス
は、管22で熱交換器10に導かれ、冷却されて管23
から高純アルゴン塔(脱窒素塔)24の中段に導入され
る。
【0004】上記脱窒素塔24の下部には、前記複精留
塔1の下部塔から管25を介して供給される中圧窒素を
加熱源としたリボイラー26が設けられ、上部には凝縮
器31が設けられている。この凝縮器31には、前記リ
ボイラー26で凝縮液化した後、弁27で膨張して管2
8から供給される液化窒素と複精留塔1の下部塔から管
29,弁30を介して供給される液化窒素とが供給され
ている。この脱窒素塔24は、前記管23から導入され
た脱酸素アルゴンを精留し、塔頂部に窒素・水素の混合
ガスを分離して管32から排出するとともに、塔底部に
高純度液化アルゴンを分離するもので、該高純度液化ア
ルゴンは管33を介して採取される。
【0005】なお、管34は、凝縮器31で寒冷を与え
た結果気化した窒素ガスの排出管であり、複精留塔1の
上部塔頂部から導出される窒素ガスの管35と合流す
る。
【0006】以上の説明から明らかなように、従来の高
純度アルゴン採取装置は、脱酸素工程で危険な水素を使
用すること、また、それに付随する乾燥工程等によって
設備,配管等が複雑となり、かつ操作が繁雑であること
などの欠点があった。さらに近年の装置の大型化に伴な
い、前記欠点は益々増大することは明らかであり、その
解決が望まれていた。
【0007】一方、粗アルゴン中の酸素を、水素を用い
ずに除去してアルゴンを精製する方法が、特公昭52−
41235号公報に開示されている。図4は、該公報に
記載された方法を実施する装置を示すものであって、粗
アルゴン塔3から管101に抜き出したアルゴン90%
以上、酸素,窒素それぞれ数%の粗アルゴンは、含有す
る酸素を除去するため、脱酸素塔102に導入される。
この脱酸素塔102には、精留作用を働かせるため、底
部にリボイラー103,頂部に凝縮器104がそれぞれ
設けられており、その間の精留部は、沸点差が小さく精
留分離が困難な酸素とアルゴンとを精留分離するため、
数十段に及ぶ多段として精留作用が十分行われるように
形成されるとともに、それによって生ずる圧力抵抗に対
するための加圧手段105を該脱酸素塔102の前段に
配置している。
【0008】前記リボイラー103は、複精留塔1の下
部塔からの中圧窒素ガスを管107で供給して形成され
ており、また頂部の凝縮器104には、リボイラー10
3で液化した中圧窒素を、脱酸素塔102内でアルゴン
が固化しないように温度を維持するため、弁108で膨
張させて適正圧力に調整後、管109を介して供給して
いる。さらに、この凝縮器104には、複精留塔1の下
部塔から液化窒素を弁110で上記同様に適正な圧力に
調整した後、管111を介して供給している。この結
果、該脱酸素塔102の上部から酸素含有量が数ppm
以下で、窒素数%を含むアルゴン95%程度の脱酸素ア
ルゴンが管112に抜き出されて脱窒素塔24に送られ
る。
【0009】上記脱窒素塔24は、前記図3のものと同
様であり、その底部に、複精留塔1の下部塔から抜き出
された中圧窒素が管25で供給されてリボイラー26を
形成し、上部には該リボイラー26で凝縮液化した液化
窒素が管28,弁27を経て供給されるとともに、前記
脱酸素塔102の凝縮器104に送られている複精留塔
1の下部塔からの液化窒素の一部が分岐管29を経て弁
30で調圧されて送られ、凝縮器31が形成されてい
る。
【0010】脱窒素塔24で精留の結果、該塔頂部より
アルゴンを少量含む窒素ガスが管32から排出され、底
部からは高純度液化アルゴンが管33を介して採取され
る。一方、凝縮器31で気化した窒素ガスは、管34に
より排出され、前記脱酸素塔102の凝縮器104で気
化して排出管114に排出された窒素ガスと共に複精留
塔1の上部塔頂部から導出される管35の窒素ガスと合
流して採取される。
【0011】
【発明が解決しようとする課題】上記脱酸素塔を用いた
方法によれば、酸素含有量が数ppm程度のアルゴンを
採取することが可能であるが、近年の各種ガスの高純度
化の要望は、アルゴンガスにおいても酸素含有量1pp
m以下の値が望まれており、半導体産業向けのアルゴン
では、酸素含有量をppbのオーダーに近付けようとし
ている。加えて、原料空気中のアルゴンに対する収率
は、80〜90%台が要求されており、高純度化,高効
率化の要望が一層強くなってきている。
【0012】収率を下げずに高純度アルゴン中の酸素含
有量を減らすため、精留段数を増加することは極めて通
常的な方法であるが、このためには、精留段の増加によ
る圧力損失に対処する必要がある。また、還流比を増加
させて同様の効果を得るためには、脱酸素塔のリボイラ
ー及び凝縮器の容量の増加が必要になるが、脱酸素塔の
リボイル源と凝縮器の冷却源には、通常、下部塔から導
出した窒素ガスと液化窒素とを利用しているため、これ
ら窒素ガス及び液化窒素の使用量が増加すると、下部塔
から上部塔へ供給される還流液量が減少して上部塔の精
留分離効果を悪化させることになり、空気分離装置全体
としての分離効果を悪化させることになる。
【0013】また、分離効果の悪化を避けるために、脱
酸素塔のリボイル源と凝縮器の冷却源に用いる窒素を循
環サイクル等の別系統から供給することも考えられる
が、その場合は窒素を循環させるために、多くの動力を
必要とする。
【0014】そこで本発明は、空気を原料として液化精
留分離により高純度アルゴンを分離採取する際の装置構
成の簡略化とともに、採取するアルゴンの高純度化と収
率の向上とが図れ、特に脱酸素塔のリボイル源と凝縮器
の冷却源を得るために必要となる動力を軽減することに
より、従来よりも効率の良い運転を行うことができるア
ルゴンの分離装置を提供することを目的としている。
【0015】
【課題を解決するための手段】上記目的を達成するた
め、本発明のアルゴンの分離装置は、複精留塔,粗アル
ゴン塔,脱酸素塔,脱窒素塔等を備え、圧縮,精製,冷
却した原料空気を液化精留して酸素,窒素を分離すると
ともにアルゴンを採取する装置において、複精留塔の上
部塔中部から導出され、粗アルゴン塔に導入されるアル
ゴン含有ガス(アルゴン原料ガス)を昇圧するアルゴン
圧縮機を設けるとともに、前記粗アルゴン塔の上部に前
記脱酸素塔を連設し、該接続部に脱酸素塔塔底液を粗ア
ルゴン塔塔頂ガスの凝縮用冷媒とする凝縮蒸発器を設け
たことを特徴としている。
【0016】
【作 用】上記のように、粗アルゴン中に含まれる酸素
を分離して高純度のアルゴンを採取するに際して、複精
留塔から導出したアルゴン原料ガスを圧縮機で昇圧した
後、粗アルゴン塔に導入して精留を行うことにより、粗
アルゴン塔の操作圧を自由に設定でき、これにより、粗
アルゴン塔頂部の凝縮流体を脱酸素塔のリボイラーの温
流体とすることが可能となる。その結果、脱酸素塔のリ
ボイル源と凝縮器の冷却源に用いる窒素等の流体は不要
となり、そのための動力も不要となる。
【0017】
【実施例】以下、本発明を、図1に示す一実施例に基づ
いてさらに詳細に説明する。なお、前記従来例と同一要
素のものには同一符号を付して、その詳細な説明は省略
する。
【0018】複精留塔1の上部塔中部から圧力約1.4
ataで管2に抜き出されたアルゴン原料ガスは、熱交
換器51で常温まで暖められた後、アルゴン圧縮機52
により約2.7ataまで昇圧される。昇圧されたアル
ゴン原料ガスは、冷却器53及び前記熱交換器51で冷
却され、管54を通って粗アルゴン塔3の下部に導入さ
れる。
【0019】この粗アルゴン塔3での精留により塔上部
に分離した粗アルゴンは、塔頂部から管55に抜き出さ
れ、弁56を通って粗アルゴン塔3の上部に連設された
脱酸素塔102の下部に導入される。一方、粗アルゴン
塔3の底部からは、液化酸素が管8に抜き出され、ポン
プ57,弁58を介して上部塔に戻される。
【0020】上記脱酸素塔102の頂部には、複精留塔
1の下部塔から管59に抜き出された液化空気が減圧弁
60を介して供給される凝縮器104が設けられ、塔底
部には、粗アルゴン塔3の凝縮器と組み合わせたリボイ
ラー、すなわち凝縮蒸発器61が設けられている。
【0021】上記凝縮蒸発器61は、粗アルゴン塔3の
塔頂部に分離した粗アルゴンを、脱酸素塔102の塔底
液、即ち液化酸素を寒冷源として凝縮液化させる凝縮器
として作用するとともに、脱酸素塔102底部の液化酸
素を、粗アルゴン塔3塔頂部の粗アルゴンを加熱源とし
て蒸発気化させるリボイラーとして作用するものであ
る。したがって、従来の粗アルゴン塔3の頂部に設けら
れていた凝縮器と、脱酸素塔102の底部に設けられて
いたリボイラーとを一体化することができ、装置構成の
簡略化が図れるとともに、従来の凝縮器に導入していた
冷流体や、リボイラーに導入していた温流体が不要とな
る。
【0022】そして、上記脱酸素塔102の塔頂部に分
離した脱酸素液化アルゴンが管112から約1.1at
aの圧力で採取され、底部に分離した液化酸素は管11
3に導出される。なお、管113に導出した酸素は、前
記複精留塔1に戻すようにしてもよい。
【0023】さらに、脱酸素塔102から管112に抜
き出された脱酸素液化アルゴンは、加圧手段である加圧
筒(液柱加圧器)62で自身の液ヘッドにより、約1.
5ataに昇圧した後、脱窒素塔24の中段に導入され
る。この脱窒素塔24での精留により塔頂部に分離した
窒素は、管32から導出され、塔底部からは、管33に
高純度液化アルゴンが採取される。なお、従来と同様
に、脱窒素塔24の底部にはリボイラー26が設けら
れ、頂部には凝縮器31が設けられている。
【0024】上記のように、上部塔から導出したアルゴ
ン原料ガスを昇圧するアルゴン圧縮機52を設け、該ア
ルゴン圧縮機52でアルゴン原料ガスを昇圧して粗アル
ゴン塔3に導入するように構成することにより、粗アル
ゴン塔3の操作圧力を高くすることができ、粗アルゴン
塔3の凝縮器の冷却源に脱酸素塔102の塔底液を用い
ることが可能になるとともに、脱酸素塔102のリボイ
ル源として粗アルゴン塔3の塔頂部のガス(粗アルゴン
ガス)を用いることが可能になる。したがって、粗アル
ゴン塔3の上部に脱酸素塔102を連設し、その接続部
に凝縮蒸発器61を設けて相互に冷却源,リボイル源と
して利用することが可能となり、この結果、凝縮器の冷
却源やリボイラーのリボイル源に用いる窒素等の流体が
不要となり、そのための動力も不要となる。
【0025】さらに、脱酸素塔102及び/又は粗アル
ゴン塔3を、その精留部に規則あるいは不規則充填材を
充填した充填塔とすることにより、精留操作時の圧力損
失を低減することができる。例えば、採取するアルゴン
中の酸素量を1ppm以下まで除去するには、粗アルゴ
ン塔3と脱酸素塔102とを合わせて理論段数が150
段以上必要となることから、圧力損失が小さい充填塔を
用いることにより、操作圧力を更に低くすることがで
き、経済的な運転を行うことができる。
【0026】なお、脱酸素塔102の還流比を粗アルゴ
ン塔3に制約されることなく設定し得るように、脱酸素
塔のリボイル源と凝縮源を追加することも可能である。
各凝縮器及びリボイラーの冷却源,加熱源は任意であ
り、冷却源としては、下部塔下部から導出した液化空気
を用いることも可能であり、装置外から液化窒素等の寒
冷源を導入するようにしてもよい。また、加熱源として
も、下部塔下部から導出した空気あるいは空気類似組成
ガス、さらには下部塔導入前の原料空気の一部等を使用
することが可能である。これらの冷却源及び加熱源に用
いる液やガスは、この空気液化分離装置に設定される製
品の種類や形態,量等に応じて適宜に選定することがで
き、複精留塔の下部塔,上部塔の精留操作条件等に応じ
て適宜最適な種類の液やガスを用いることにより、ある
いは、当該装置以外の装置からこれらを導入することに
より、高純度アルゴン,酸素,窒素等の収率を損なうこ
となく効率のよい運転を行うことができる。例えば、液
製品を採取する空気分離装置で寒冷発生のための循環系
統を備えている場合は、その系統に冷却源,加熱源を組
み込むことも可能である。
【0027】いずれの液やガスを冷却源あるいは加熱源
に用いるとしても、凝縮器に導入する冷却源の温度,流
量及びリボイラーに導入する加熱源の温度,流量を調節
することにより、脱酸素塔102における還流比を最適
な状態に設定することができ、これにより、脱酸素塔1
02から採取するアルゴン中の酸素含有量を1ppm以
下にすることが可能である。また、粗アルゴン塔3、脱
窒素塔24、脱酸素塔102から導出する各流体は、必
要に応じて液でもガスでも可能である。
【0028】上記のように、本実施例においては、脱酸
素塔102から採取する高純度アルゴン中の酸素量を1
ppm以下にすることが可能であるが、酸素量をppb
オーダーまで低減する必要がある場合には、脱酸素塔1
02あるいは脱窒素塔24の後段に酸素を吸着する吸着
剤を充填した吸着筒を配設したり、ゲッターを充填した
反応筒を配設し、脱酸素塔102あるいは脱窒素塔24
から導出した高純度アルゴンをこれらの吸着筒あるいは
反応筒で処理することにより、酸素量及び/又は窒素量
を更に低減することができる。なお、この場合、脱酸素
塔102から導出する脱酸素アルゴン中の酸素量は、1
ppm以下にすることなく数ppmでもよい。これは、
この程度の酸素含有量であれば、水素を連続的に添加し
ての触媒反応による脱酸方法ではなく、吸着剤あるいは
ゲッターで十分に脱酸することが可能であるからであ
る。
【0029】また、圧縮機52を低温圧縮機とすること
により、一層動力を削減することが可能である。もちろ
ん複精留塔1の操作圧力が高い場合は昇圧を必要としな
いこともある。
【0030】また、図2に示すように、粗アルゴン塔3
から導出した粗アルゴンを脱窒素塔24に導入し、脱窒
素塔底部からの脱窒素アルゴンを脱酸素塔102に導入
することも可能である。
【0031】すなわち、粗アルゴン塔3の頂部から管5
5に導出した粗アルゴンを、脱窒素塔24に導入して精
留し、該脱窒素塔24の頂部に分離する窒素を管32か
ら排出するとともに、底部に分離する脱窒素液化アルゴ
ンを管33に導出し、弁71を介して脱酸素塔102に
導入し、該脱酸素塔102での精留により脱窒素液化ア
ルゴン中の酸素を塔底部分離して該塔頂部の管112か
ら高純度アルゴンを採取することができる。
【0032】この場合においても、粗アルゴン塔3に導
入するアルゴン原料ガスをアルゴン圧縮機で昇圧して粗
アルゴン塔3の運転圧力を高く設定することにより、粗
アルゴン塔3の上部に脱酸素塔102を連設し、その接
続部に凝縮蒸発器61を設けることが可能となる。な
お、他の構成要素は図1と略同様に構成することができ
るので、同一符号を付して詳細な説明は省略する。
【0033】
【発明の効果】以上説明したように、本発明のアルゴン
の分離装置は、複精留塔から導出したアルゴン含有ガス
をアルゴン圧縮機で昇圧してから粗アルゴン塔に導入し
て精留を行うので、粗アルゴン塔の操作圧を自由に設定
でき、これにより粗アルゴン塔頂部の凝縮流体を脱酸素
塔のリボイラーの温流体とすることが可能となる。その
結果、脱酸素塔のリボイル源と凝縮器の冷却源に用いる
窒素等の流体が不要となり、そのための動力も不要とな
る。特に粗アルゴン塔や脱酸素塔を充填塔で形成するこ
とにより、圧力損失を小さくできるので、アルゴン中の
酸素をより効率よく分離除去することが可能になる。
【0034】また、本発明装置は、精留操作のみでアル
ゴン中の酸素量を効率よく分離除去することができ、採
取する高純度アルゴン中の酸素量を1ppm以下にする
ことができる。さらに、水素ガスを用いないので安全性
が向上するだけでなく、設備の簡略化も図ることがで
き、設備コストの低減と運転コストの低減が図れる。
【図面の簡単な説明】
【図1】 本発明の一実施例を示すアルゴンの分離装置
の系統図である。
【図2】 本発明の他の実施例を示す要部の系統図であ
る。
【図3】 従来の高純度アルゴン採取装置の一例を示す
系統図である。
【図4】 同じく従来の高純度アルゴン採取装置を示す
系統図である。
【符号の説明】
1…複精留塔、3…粗アルゴン塔、24…脱窒素塔、5
2…アルゴン圧縮機、61…凝縮蒸発器、102…脱酸
素塔

Claims (3)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 圧縮,精製,冷却した原料空気を液化精
    留して酸素,窒素を分離する複精留塔と、該複精留塔の
    上部塔中部から導出したアルゴン含有ガスを塔下部に導
    入して精留し、塔上部に少量の窒素及び酸素を含む粗ア
    ルゴンを分離する粗アルゴン塔と、該粗アルゴン塔上部
    から導出した前記粗アルゴンを塔下部に導入して塔底部
    に酸素を、塔上部に脱酸素アルゴンを分離する脱酸素塔
    とを備えたアルゴンの分離装置において、前記アルゴン
    含有ガスを昇圧するアルゴン圧縮機を設けるとともに、
    前記粗アルゴン塔の上部に前記脱酸素塔を連設し、該接
    続部に脱酸素塔塔底液を粗アルゴン塔塔頂ガスの凝縮用
    冷媒とする凝縮蒸発器を設けたことを特徴とするアルゴ
    ンの分離装置。
  2. 【請求項2】 圧縮,精製,冷却した原料空気を液化精
    留して酸素,窒素を分離する複精留塔と、該複精留塔の
    上部塔中部から導出したアルゴン含有ガスを塔下部に導
    入して精留し、塔上部に少量の窒素及び酸素を含む粗ア
    ルゴンを分離する粗アルゴン塔と、該粗アルゴン塔上部
    から導出した前記粗アルゴンを塔下部に導入して塔底部
    に酸素を、塔上部に脱酸素アルゴンを分離する脱酸素塔
    と、該脱酸素塔上部から導出した脱酸素アルゴンを塔中
    部に導入して塔上部に窒素を、塔底部に高純度アルゴン
    を分離する脱窒素塔とを備えた高純度アルゴンの分離装
    置において、前記アルゴン含有ガスを昇圧するアルゴン
    圧縮機を設けるとともに、前記粗アルゴン塔の上部に前
    記脱酸素塔を連設し、該接続部に脱酸素塔塔底液を粗ア
    ルゴン塔塔頂ガスの凝縮用冷媒とする凝縮蒸発器を設け
    たことを特徴とするアルゴンの分離装置。
  3. 【請求項3】 圧縮,精製,冷却した原料空気を液化精
    留して酸素,窒素を分離する複精留塔及び粗アルゴン
    塔,脱酸素塔,脱窒素塔等を備えた高純度アルゴンの分
    離装置において、前記複精留塔の上部塔中部から導出し
    たアルゴン含有ガスを昇圧するアルゴン圧縮機と、該ア
    ルゴン圧縮機で昇圧したアルゴン含有ガスを塔下部に導
    入して精留し、塔上部に少量の窒素及び酸素を含む粗ア
    ルゴンを分離する粗アルゴン塔と、該粗アルゴン塔上部
    から導出した前記粗アルゴンを塔中部に導入して塔上部
    に窒素を、塔底部に脱窒素アルゴンを分離する脱窒素塔
    と、該脱窒素塔底部から導出した脱窒素アルゴンを塔下
    部に導入して塔底部に酸素を、塔上部に高純度アルゴン
    を分離する脱酸素塔とを設けるとともに、前記粗アルゴ
    ン塔の上部に前記脱酸素塔を連設し、該接続部に脱酸素
    塔塔底液を粗アルゴン塔塔頂ガスの凝縮用冷媒とする凝
    縮蒸発器を設けたことを特徴とするアルゴンの分離装
    置。
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Cited By (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
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