KR101276259B1 - 미세액적 기액접촉장치 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 용해성 물질을 포함하는 기체 및 흡수액이 혼합된 혼합액이 유입되는 유입구; 상기 유입된 혼합액의 이동경로를 제공하는 혼합액 유도부재; 상기 혼합액 유도부재를 통과한 혼합액이 충돌하여 미세액적을 형성하는 충돌판; 및 충돌판에 의해 형성된 미세액적을 함유한 액체가 배출되는 배출구를 포함하는 미세액적 기액접촉장치에 관한 것이다.

Description

미세액적 기액접촉장치{Gas-Liquid Contact Apparatus with Micro-Droplets}
본 발명은 미세액적 기액접촉장치에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 폐가스, 배기가스 또는 바이오가스 중에 포함되어 악취를 발생시키는 악취성분 및/또는 이산화탄소 등을 포함하는 기체를 미세액적 형태로 액체와 접촉시켜 악취성분 및/또는 이산화탄소를 제거하는 미세액적 기액접촉장치에 관한 것이다.
현재까지 지구온난화 방지에 대한 관심이 높아지면서 이산화탄소 및 메탄 등과 같은 지구온난화를 유발하는 기체를 제거하기 위한 연구가 활발히 진행되고 있다.
이에, 발전소와 같이 이산화탄소를 포함하고 있는 배가스를 대규모로 배출하는 시설에서는 이산화탄소를 제거하기 위해 흡수탑을 설치하여 사용하고 있다.
그러나 악취 성분 중 황화수소(H2S) 가스는 흡수액에 따라 침전물이 발생하는 경우가 있으며, 침전물이 흡수탑 내에 쌓임으로 인하여 막히거나 편류 등의 현상이 발생할 수 있다.
특히, 일반적인 흡수탑의 경우 스프레이에 의해 분무되는 액적의 크기가 커 접촉면적이 작고 기체와 흡수액의 접촉면적을 넓히기 위한 충진물을 넣기 때문에 이러한 막힘이나 편류 현상이 더욱 촉진되어 성능이 저하되는 문제점이 있다.
또한, 일반적으로 발전소 등에서 배출되는 이산화탄소를 포함한 배가스는 발생량이 많아 흡수탑의 크기를 대형화하므로 큰 설치면적을 필요로 한다.
한편, 혐기성 소화조에서 발생하는 악취성분은 일반적으로 흡수액을 사용한 흡수법, 활성탄 등을 이용한 흡착법 또는 미생물에 의한 바이오필터법 등으로 처리하고 있는 실정이다.
이중 흡수법은 악취성분이나 이산화탄소 등을 효과적으로 제거할 수 있으며, 공정이나 구조가 간단하여 운전이 쉽고, 설치비 등이 저렴하다.
또한, 상기 흡수법은 기체에 포함된 악취성분 또는 이산화탄소를 선택적으로 용해시킬 수 있는 흡수액을 악취성분 또는 이산화탄소을 포함하는 기체와 접촉시켜 제거하는 방법으로서, 악취를 포함하고 있는 기체를 흡수탑 하부에서 유입시켜 상부로 이동시키며 상부에 설치된 스프레이를 통하여 도입된 흡수액과 기체를 접촉시켜 악취성분 및/또는 이산화탄소를 흡수 제거한다.
이때, 상기 악취성분 또는 이산화탄소가 제거된 기체는 상부의 유출구를 통해 배출되며 악취성분을 흡수한 흡수액은 하부로 배출된다.
한편, 상기 흡수탑 내부에 구비되는 스프레이의 분사 액적은 수십 ㎛ 내지 수 mm 정도의 크기로 형성되어 기체와 접촉하는 액적의 접촉면적이 작다.
이에, 적은 접촉면적으로 인한 악취성분 및/또는 이산화탄소의 흡수 효율을 증가시키기 위해 흡수탑의 크기를 증가시키거나 기/액의 접촉시간을 증가시키는 방법을 사용하고 있으며, 필요에 따라 흡수탑 내에 충진물을 충진하여 접촉면적을 증가시키기도 한다.
하지만, 상기 충진물을 사용하는 경우 흡수하여 제거하고자 하는 대상기체, 예를 들면 악취성분 및/또는 이산화탄소를 포함하는 기체가 한쪽 방향으로만 편향되어 흐르는 편류 현상이 발생되는 문제점이 있다.
본 발명은 악취가스 또는 이산화탄소 등을 포함하는 기체를 용액, 예를 들면 흡수액을 이용하여 제거할 경우, 상기 기체와 액체의 접촉면적을 증가시키기 위하여 미세액적을 생성할 수 있도록 하는 미세액적 기액접촉장치를 제공한다.
본 발명은
용해성 물질을 포함하는 기체 및 흡수액이 혼합된 혼합액이 유입되는 유입구; 상기 유입된 혼합액의 이동경로를 제공하는 혼합액 유도부재; 상기 혼합액 유도부재를 통과한 혼합액이 충돌하여 미세액적을 형성하는 충돌판; 및 충돌판에 의해 형성된 미세액적을 함유한 액체가 배출되는 배출구를 포함하는 미세액적 기액접촉장치를 제공한다.
또한, 본 발명은
용해성 물질을 포함하는 기체 및 흡수액을 혼합하는 혼합액 제조단계;
상기 혼합액을 0.5 내지 5kgf/cm2의 분사압력으로 충돌판과 충돌시켜 미세액적을 포함하는 액체를 형성하는 단계;
미세액적을 포함하는 액체를 기체 및 액체로 분리하는 단계를 포함하는 미세액적 기액접촉방법을 제공한다.
또한, 본 발명은
용해성 물질을 포함하는 기체를 공급하는 기체공급부; 상기 기체에 포함된 용해성 물질이 용해되는 흡수액이 저장되어 있는 저장조; 상기 저장조와 기체공급부에 연결설치되어 기체가 통과하며 저장조의 흡수액을 기체로 혼입시키는 인젝터; 상기 인젝터의 일측에 연결설치되어 인젝터로부터 배출되는 용해성 물질을 포함하는 기체 및 흡수액이 혼합된 혼합액을 흡입하여 미세액적을 함유한 액체로 제조하는 미세액적 기액접촉장치; 상기 기액접촉장치에 연결설치되어 배출되는 미세액적을 함유한 액체를 기체와 액체로 분리하는 기액분리수단; 및 흡수액의 이동경로에 구비되어 흡수액과 용해성 물질을 포함하는 기체의 혼합비율을 조절하는 배압 조절밸브를 포함하는 기체처리 장치를 제공한다.
본 발명에 따른 미세액적 기액접촉장치는 흡수액을 미세액적화하여 기체와 접촉시킴으로써 기체에 포함된 악취가스 또는 이산화탄소 등의 용해성 물질이 흡수액으로 용이하게 용해되어 제거될 수 있도록 한다.
도 1은 본 발명에 따른 미세액적 기액접촉장치를 나타내는 단면도,
도 2는 본 발명에 따른 미세액적 기액접촉장치를 포함하는 기체처리 장치를 나타내는 구성도이다.
한 가지 관점에서, 본 발명은 용해성 물질을 포함하는 기체 및 흡수액이 혼합된 혼합액이 유입되는 유입구; 상기 유입된 혼합액의 이동경로를 제공하는 혼합액 유도부재; 상기 혼합액 유도부재를 통과한 혼합액이 충돌하여 미세액적을 형성하는 충돌판; 및 충돌판에 의해 형성된 미세액적을 함유한 액체가 배출되는 배출구를 포함하는 미세액적 기액접촉장치를 제공한다.
다른 관점에서, 본 발명은 용해성 물질을 포함하는 기체 및 흡수액을 혼합하는 혼합액 제조단계; 상기 혼합액을 0.5 내지 5kgf/cm2의 분사압력으로 충돌판과 충돌시켜 미세액적을 포함하는 액체를 형성하는 단계; 및 미세액적을 포함하는 액체를 기체 및 액체로 분리하는 단계를 포함하는 미세액적 기액접촉방법을 제공한다.
또 다른 관점에서, 본 발명은 용해성 물질을 포함하는 기체를 공급하는 기체공급부; 상기 기체에 포함된 용해성 물질이 용해되는 흡수액이 저장되어 있는 저장조; 상기 저장조와 기체공급부에 연결설치되어 기체가 통과하며 저장조의 흡수액을 기체로 혼입시키는 인젝터; 상기 인젝터의 일측에 연결설치되어 인젝터로부터 배출되는 용해성 물질을 포함하는 기체 및 흡수액이 혼합된 혼합액을 흡입하여 미세액적을 함유한 액체로 제조하는 미세액적 기액접촉장치; 상기 기액접촉장치에 연결설치되어 배출되는 미세액적을 함유한 액체를 기체와 액체로 분리하는 기액분리수단; 및 흡수액의 이동경로에 구비되어 흡수액과 용해성 물질을 포함하는 기체의 혼합비율을 조절하는 배압 조절밸브를 포함하는 기체처리 장치를 제공한다.
본 발명에 따른 용해성 물질을 포함하는 기체는 악취성분, 이산화탄소 및 이들 모두를 포함하는 기체를 의미하는 것이다.
이때, 상기 용해성 물질은 폐가스, 배기가스 또는 바이오가스 중에 포함되어 악취를 발생시키는 악취성분 및/또는 이산화탄소 등을 지칭한다.
본 발명에 따른 흡수액은 상기 용해성 물질과 접촉하여, 용해성 물질이 용해되어 제거될 수 있도록 하는 것으로서, 이러한 목적을 갖는 당업계의 통상적인 액체라면 어떠한 것을 사용하여도 무방하다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 대하여 상세히 설명하면 다음과 같다. 그러나 하기의 설명은 오로지 본 발명을 구체적으로 설명하기 위한 것으로 하기 설명에 의해 본 발명의 범위를 한정하는 것은 아니다.
도 1은 본 발명에 따른 미세액적 기액접촉장치를 나타내는 단면도, 도 2는 본 발명에 따른 미세액적 기액접촉장치를 포함하는 기체처리 장치를 나타내는 구성도로써 함께 설명한다.
도 1 및 도 2에 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 미세액적 기액접촉장치(2)는 용해성 물질을 포함하는 기체 및 흡수액이 혼합된 혼합액이 유입되는 유입구(24); 상기 유입된 혼합액의 이동경로를 제공하는 혼합액 유도부재(22); 상기 혼합액 유도부재(22)를 통과한 혼합액이 충돌하여 미세액적을 형성하는 충돌판(16); 및 충돌판(16)에 의해 형성된 미세액적을 함유한 액체가 배출되는 배출구(26)를 포함한다.
이때, 상기 미세액적 기액접촉장치(2)는 그 내부의 액체를 외부로 배출할 수 있도록 한 배수구(28) 및 장치의 조립 또는 청소를 용이하게 하기 위한 플렌지(18)를 더 포함할 수 있다.
본 발명에 따른 미세액적 기액접촉장치(2)는 용해성 물질을 포함하는 기체 및 흡수액을 서로 접촉시켜 기체에 포함된 용해성 물질을 흡수액으로 용해시켜 기체에 포함된 용해성 물질을 제거한다.
이때, 상기 미세액적 기액접촉장치(2)는 그 형태가 특별히 한정되는 것은 아니지만, 길이방향으로 확장된 원통형 형상을 갖는 것이 좋다.
본 발명에 따른 용해성 물질은 폐가스, 배기가스, 바이오가스 또는 이들 중 선택된 적어도 하나 이상의 가스 중에 포함되어 악취를 발생시키는 악취성분 및/또는 이산화탄소 등을 지칭한다.
또한, 상기 흡수액은 용해성 물질과 접촉하여, 용해성 물질이 용해되어 제거될 수 있도록 하는 것으로서, 이러한 목적을 갖는 당업계의 통상적인 액체라면 어떠한 것을 사용하여도 무방하다.
본 발명에 따른 유입구(24)는 상기 용해성 물질을 포함하는 기체 및 흡수액이 혼합된 혼합액이 유입된다.
본 발명에 따른 혼합액 유도부재(22)는 유입구(24)를 통해 유입된 혼합액의 이동경로를 제공한다.
이때, 상기 혼합액 유도부재(22)는 미세액적 기액접촉장치(2)의 길이방향을 따라 확장되도록 미세액적 기액접촉장치(2)의 내부에 구비되는 것이 좋고, 그 종단에 혼합액이 배출되는 노즐(미도시)이 연결설치되는 것이 좋다.
본 발명에 따른 충돌판(16)은 상기 혼합액 유도부재(22)와 인접하도록 설치되어 혼합액 유도부재(22)의 종단, 예를 들면 혼합액 유도부재(22)의 종단에 구비된 노즐로부터 배출되는 혼합액이 충돌하며 미세액적을 형성하도록 한다.
이때, 상기 충돌판(16)은 혼합액 유도부재(22)의 종단 직경보다 큰 면적을 갖는 판상 형태인 것이 좋다.
특정 양태로서, 상기 혼합액 유도부재(22)의 종단이 충돌판(16)의 형태와 대응되도록 그 종단 중심을 기준으로 혼합액 유도부재(22)의 길이방향에 대하여 수직으로 방사형으로 확장된 판상으로 마무리되어, 상기 충돌판(16)과 충돌한 혼합액이 혼합액 유도부재(22) 및 충돌판(16) 사이의 공간을 통해 혼합액 유도부재(22)의 길이방향을 기준으로 수직으로 배출될 수 있도록 구성할 수 있다.
상기 충돌판(16)과 충돌하는 혼합액은 상기 충돌로 인해 미세액적화되어 혼합액에 포함된 기체의 용해성 물질이 흡수액으로 용해된다.
여기서, 상기 기체와 흡수액의 용이한 접촉을 위해 상기 충돌판(16)은 혼합액과 충돌하는 부분이 볼록하게 튀어나온 형태로 형성될 수도 있다.
또한, 상기 혼합액의 충돌로 인해 형성되는 미세액적은 유속과 분사압력에 따라 크기가 변화되며, 통상적으로 1 내지 20㎛의 크기를 갖는 것이 좋다.
이때, 상기 액적의 크기가 작을수록 기체, 예를 들면 용해성 물질을 포함하는 기체와 액체, 예를 들면 흡수액의 접촉면적을 증가시킬 수 있으므로, 상기 접촉면적의 증가를 위해서는 혼합액 유도부재(22)로부터 배출되는 혼합액의 분사압력을 증가시키거나 혼합액 유도부재(22)의 직경, 예를 들면 혼합액 유도부재(22)에 설치되는 노즐의 직경을 작게 형성하는 것이 좋다.
상기 분사압력은 0.5 내지 5kgf/cm2, 추천하기로는 1 내지 3kgf/cm2인 것이 좋다.
여기서, 분사압력이 0.5kgf/cm2 보다 낮을 경우, 미세액적이 생성되기 어렵고, 5kgf/cm2 보다 높을 경우, 혼합액 분사를 위한 동력비가 증가하게 된다.
본 발명에 따른 배출구(26)는 충돌판(16)에 의해 형성된 미세액적을 함유한 액체가 배출되는 경로를 제공한다.
여기서, 상기 배출구(26)로 배출된 미세액적을 함유한 액체는 디미스터(demister), 수분분리기 등과 같은 기액분리수단(30) 등에 의해 기체와 액체가 분리될 수 있다.
또한, 본 발명에 따른 미세액적 기액접촉장치(2)는 기체에 포함된 용해성 물질이 흡수액 속으로 용이하게 용해되도록 미세액적을 함유한 혼합액의 흐름을 방해하는 방해판(20)을 혼합액 유도부재(22)의 종단, 예를 들면 유도부재(22)의 종단에 연결설치된 노즐 위치보다 낮은 위치 또는 배출구(26)의 위치보다 높은 위치 또는 이들 위치 모두에 더 설치할 수 있다.
여기서, 상기 방해판(20)은 상기 혼합액 유도부재(22)를 중심으로 하여 직경이 0.3 내지 0.7cm인 원형의 구멍을 1 내지 2cm 간격으로 설치하여 미세액적을 포함하는 액체의 흐름을 방해하도록 한다.
한편, 본 발명에 따른 미세액적 기액접촉장치(2)는 저장조(14), 인젝터(4), 배압 조절밸브(10) 및/또는 기액분리수단(30) 등을 연결설치하여 기체처리 장치를 구성할 수 있다.
여기서, 상기 기체처리 장치는 용해성 물질을 포함하는 기체를 공급하는 기체공급부(12); 상기 기체에 포함된 용해성 물질이 용해되는 흡수액이 저장되어 있는 저장조(14); 상기 저장조(14)와 기체공급부(12)에 연결설치되어 기체가 통과하며 저장조(14)의 흡수액을 기체로 혼입시키는 인젝터(4); 상기 인젝터(4)의 일측에 연결설치되어 인젝터(4)로부터 배출되는 용해성 물질을 포함하는 기체 및 흡수액이 혼합된 혼합액을 흡입하여 미세액적을 함유한 액체로 제조하는 미세액적 기액접촉장치(2); 상기 기액접촉장치(2)에 연결설치되어 배출되는 미세액적을 함유한 액체를 기체와 액체로 분리하는 기액분리수단(30) 및 흡수액의 이동경로에 구비되어 흡수액과 용해성 물질을 포함하는 기체의 혼합비율을 조절하는 배압 조절밸브(10)를 포함한다.
이때, 상기 기체처리 장치는 필요에 따라, 기체공급부(12)와 인젝터(4) 사이에 구비되어 압력을 측정하는 제 1 압력계(6) 및 미세액적 기액접촉장치(2)와 저장조(14) 사이에 구비되어 배출압력을 조절하는 제 2 압력계(8)를 더 설치할 수 있다.
한편, 상기 미세액적 기액접촉장치(2)를 이용하여 용해성 물질을 포함하는 기체를 처리하는 미세액적 기액접촉방법은 용해성 물질을 포함하는 기체 및 흡수액을 혼합하는 혼합액 제조단계; 상기 혼합액을 0.5 내지 5kgf/cm2의 분사압력으로 충돌판과 충돌시켜 미세액적을 포함하는 액체를 형성하는 단계; 및 미세액적을 포함하는 액체를 기체 및 액체로 분리하는 단계를 포함한다.
여기서, 상기 미세액적을 포함하는 액체를 기체 및 액체로 분리하는 것은 당업계의 통상적인 기액분리수단(30)을 사용하는 것이 좋다.
한편, 본 발명에 따른 미세액적 기액접촉장치(2)의 작동 원리를 보다 구체적으로 설명하면 다음과 같다.
먼저, 용해성 물질을 포함하는 기체 및 흡수액이 혼합된 혼합액은 유입구(24)를 통하여 미세액적 기액접촉장치(2)의 내부로 유입되며, 유입된 상기 혼합액은 혼합액 유도부재(22)를 통하여 미세액적 기액접촉장치(2)의 중심을 관통하면서 상단으로 유도된다.
한편, 미세액적 기액접촉장치(2)의 상단 내부 일측으로 혼합액 유도부재(22)의 종단과 소정 간격을 두고 충돌판(16)의 수평면이 혼합액 유도부재(22)와 수직으로 위치하여 상기 혼합액 유도부재(22)의 종단으로부터 배출되는 고압의 혼합액이 상기 충돌판(16)에 고속으로 충돌하면서 미세액적을 생성하게 된다.
이와 같이 방법으로 생성된 미세액적은 방해판(20)을 거쳐 미세액적 기액접촉장치(2)의 하단으로 흐르게 되는데, 상기 방해판(20)은 중력에 의해 하강하는 미세액적을 포함하는 액체의 흐름을 지연시켜 생성된 미세액적 내의 기체에 포함된 용해성 물질이 액체, 예를 들면 흡수액 내로 용이하게 용해되어 분산되도록 하며, 기체와 액체의 접촉을 촉진시키는 기능을 한다.
그 다음, 상기 방해판(20)을 거친 미세액적을 포함하는 액체는 미세액적 기액접촉장치(2)의 하단 일측에 구비된 배출구(26)를 통하여 외부로 배출된다.
그 다음, 외부로 배출된 미세액적을 포함하는 액체는 기액분리수단(30)에 의해 액체와 기체로 분리된다.
전술한 방법에 의하여 제조된 미세액적의 크기는 1 내지 20㎛m로서 기체가 액상에 장기간 체류할 수 있는 물리적 장점 및 넓은 표면적을 제공하는 장점 등이 있다.
한편, 상기 미세액적 기액접촉장치(2)는 일련의 부가적인 장치를 연결설치함으로써 기체 처리장치를 구성할 수 있는바, 상기 기체 처리장치의 작용을 설명하면 다음과 같다.
먼저, 기체공급부(12)로부터 배출되는 용해성 물질을 포함하는 기체를 인젝터(4)로 공급하게 된다.
이때, 인젝터(4)의 내부에 형성된 기체가 통과하는 경로는 그 크기가 감소하다가 증가하게 되는데, 이에 따라 인젝터(4) 내부의 기체의 압력도 함께 감소하다가 증가하게 된다.
그러므로 상기 인젝터(4)의 직경이 감소하다가 증가하는 경계점에 흡수액 저장조(14)와 연결되는 관을 설치하여 저장조(14)와 인젝터(4)의 압력차로 인해 저장조(14)에 저장되어 있는 흡수액이 인젝터(4)로 이동되도록 한다.
그 다음, 상기 이동된 흡수액은 인젝터(4)를 통과하는 용해성 물질을 포함하는 기체와 혼합하게 되며, 상기 혼합된 혼합액은 미세액적 기액접촉장치(2)로 유입되어 미세액적을 함유하게 된다.
이상에서 설명한 바와 같이, 본 발명이 속하는 기술 분야의 당업자는 본 발명이 그 기술적 사상이나 필수적 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 실시할 수 있다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 이상에서 기술한 실시 예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적인 것이 아닌 것으로서 이해해야만 한다. 본 발명의 범위는 상기 상세한 설명보다는 후술하는 특허 청구범위의 의미 및 범위 그리고 그 등가개념으로부터 도출되는 모든 변경 또는 변형된 형태가 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.
2 : 미세액적 기액접촉장치 4 : 인젝터
6 : 제 1 압력계 8 : 제 2 압력계
10 : 배압 조절밸브 12 : 기체공급부
14 : 저장조 16 : 충돌판
18 : 플렌지(Flange) 20 : 방해판
22 : 혼합액 유도부재 24 : 유입구
26 : 배출구 28 : 배수구
30 : 기액분리수단

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  4. 용해성 물질을 포함하는 기체를 공급하는 기체공급부; 상기 기체에 포함된 용해성 물질이 용해되는 흡수액이 저장되어 있는 저장조; 상기 저장조와 기체공급부에 연결설치되어 기체가 통과하며 저장조의 흡수액을 기체로 혼입시키는 인젝터; 상기 인젝터의 일측에 연결설치되어 인젝터로부터 배출되는 용해성 물질을 포함하는 기체 및 흡수액이 혼합된 혼합액을 흡입하여 미세액적을 함유한 액체로 제조하는 미세액적 기액접촉장치; 상기 기액접촉장치에 연결설치되어 배출되는 미세액적을 함유한 액체를 기체와 액체로 분리하는 기액분리수단; 및 흡수액의 이동경로에 구비되어 흡수액과 용해성 물질을 포함하는 기체의 혼합비율을 조절하는 배압 조절밸브를 포함하고,
    상기 미세액적 기액접촉장치는 용해성 물질을 포함하는 기체 및 흡수액이 혼합된 혼합액이 유입되는 유입구, 상기 유입된 혼합액의 이동경로를 제공하는 혼합액 유도부재, 상기 혼합액 유도부재를 통과한 혼합액이 충돌하여 미세액적을 형성하는 충돌판 및 충돌판에 의해 형성된 미세액적을 함유한 액체가 배출되는 배출구를 포함하는 기체처리 장치.
  5. 삭제
  6. 제4항에 있어서,
    상기 용해성 물질이 악취성분, 이산화탄소 및 이들 모두인 것을 포함하는 기체처리 장치.
  7. 제4항에 있어서,
    상기 기체에 포함된 용해성 물질이 용액 속으로 용이하게 용해되도록 미세액적을 함유한 혼합액의 흐름을 방해하는 방해판을 혼합액 유도부재의 종단 위치 보다 낮은 위치 또는 배출구의 위치보다 높은 위치 또는 이들 위치 모두에 더 설치하는 것을 포함하는 기체처리 장치.
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