KR20020048327A - 압력순환흡착을 이용한 산소농축방법 및 장치 - Google Patents

압력순환흡착을 이용한 산소농축방법 및 장치 Download PDF

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Abstract

개시된 내용은 두 흡착탑의 하방에서 균등화가 이루어져 압축에너지를 절감하고, 배출소음이 적어지며, 유량 대비 산소순도를 높인 산소를 얻을 수 있는 산소농축방법 및 장치에 관한 것이다.
그 방법은 가압과 감압을 교번으로 작동하는 복탑방식의 흡착탑에서 가압과 감압의 압력차가 최대가 되었을 때 두개의 흡착탑 하부를 연통시켜 흡착탑 내부 압력을 균등화하도록 한 것이고,
그 장치는, 압축기(50)와, 흡착함(60-1)(60-2)과, 솔레노이드 밸브(40-1)(40-2)와, 오리피스(90)와, 체크밸브(90-1)(90-2)와, 저장탱크(100)와, 압력조절기(70)와, 유량계(80)와,제어부(110)와, 소음기(20)로 이루어진다.

Description

압력순환흡착을 이용한 산소농축방법 및 장치{Gas concentrating Method and apparatus for use of Pressure Swing Adsorption}
본 발명은 압력순환흡착(Pressure Swing Adsorption, 이하 PSA라 약함)을 이용한 산소농축방법 및 장치에 관한 것으로 특히, 두개의 흡착베드(이하 흡착탑이라고 함) 서로 교대로 반복하여 약흡착질의 농축과 강흡착질의 세정을 반복하는 방식(두개의 흡착탑방식을 말하며, 이하에서는 복탑방식이라고도 함)에서 고압산소농축이 끝난 뒤 두개의 흡착탑을 하부에서 솔레노이드밸브를 통하여 일시연통시킴으로써 일측의 고압원료산소가 저압의 타측 흡착함으로 이동하여 두개의 흡착함이 일시 압력균등화되면서 세정 및 배출이 이루어지게 한 산소농축방법 및 장치에 관한 것이다.
압력순환흡착(PSA)이라함은 압력에 따라 흡착제에 흡착되는 산소들의 흡착량의 차이를 이용하여 산소를 분리,농축하는 공정이다. 압축공기와 흡착제만을 이용하기 때문에 공해물질의 배출이 없고 사용이 쉬워 오래 전부터 의료용 산소농축기 등에 널리 사용되어 왔다.
농축원리는 흡착제가 채워져 있는 흡착탑(Sieve Bed)에 압축공기를 유입시켜 가압함으로써 강흡착질은 흡착되고 약흡착질은 농축되면서 산소가 남게 되고 이 산소를 제품가스로 별도 저장하게 되고, 제품가스를 얻은 후에 흡착제에 흡착된 강흡착질은 내부산소로서 탈착시켜 외부로 배출하여 감압하는 것이다.
산소분리원리는 위와 같은 공정을 2개의 흡착탑이 교번으로 수행하는 4단계공정으로 이루어지며, 흡착제인 제올라이트(Zeolite)가 포함된 흡착탑내에서 강흡착질인 다량의 질소중에서 약흡착질인 산소를 분리함으로써 이루어진다.
대기중 약 80%인 질소는 산소보다 제올라이트에 잘 흡착되므로 공기를 흡착제가 충진된 흡착탑에 유입시키게 되면 질소성분은 흡착되고, 질소성분이 줄어든 산소는 흡착탑 상단 출구측으로 상승하게 되고 이것의 주성분은 약흡착질인 농축산소이다.
이와같은 산소를 분리하기 위한 수단으로는 상술한 두개의 복탑방식 산소분리장치가 사용된다. 즉, 공기로부터 질소와 산소산소를 분리하는 흡착부와, 공기압축, 저장, 유출에 관련하는 작동부와, 밸브를 개폐하기 위한 제어부 및, 이들을 결합하기 위한 후레임부로 구성되어 있다.
이 장치의 산소분리방식은 흡착제가 충진된 흡착조에 압축공기를 공급하여 산소를 흡착하는 공정과, 이 흡착제에 흡착된 산소를 흡착제로부터 탈착하는 공정을 반복하여 필요산소를 일정한 농도로 얻게 되는 데, 이때 흡착조에서 얻은 필요 산소중 일부를 탈착공정을 위해 흡착조로 환류시켜 사용하고 있다.
위의 흡착과정은 가압공기를 소정의 흡착제에 통과시킴으로써 강흡착질인 질소를 흡착시켜 공기중의 산소를 분리시키는 과정으로 한번의 흡착이 이루어지면 반드시 흡착제인 제올라이트에 흡착된 질소를 분리(탈착)시켜 원래의 성능을 회복시켜 주어야 된다. 이 과정이 세정과정으로 흡착제에 흡착된 산소중 일부를 저압상태에서 재순환시켜 탈착함으로써 흡착능을 회복시키며, 이와같은 산소농축과 질소의 세정을 반복하면서 소정순도의 농축산소를 얻게 된다.
복탑방식의 흡착탑을 통하여 농축되는 산소분리장치로는 첨부 도면 도 1에서 도시하는 바와 같은 산소농축장치가 본 출원인에 의하여 선출원되어 있다.
이 장치는 공기압축을 위한 콤프레셔(50)와, 압축공기의 공급을 제어하기 위한 솔레노이드밸브(40)와, 이 밸브를 거쳐 공급된 압축공기로부터 질소와 산소를 분리하는 흡착탑(60-1)(60-2)과, 두 대의 흡착탑 상부의 사이에 연결된 오리피스(90)와, 두대의 흡착탑사이에 각각 설치되어 고압,고순도 산소를 흡착탑 상방에서 타측 흡착탑 상방으로 흘려 보내어 평형을 이루기 위한 EQ밸브(평형밸브,120)와, 역류방지용 체크밸브(90-1)(90-2)와, 저장탱크(100)와, 압력조절기(70)와, 니들밸브(80)로 이루어진다.
이와같은 산소농축장치는 제 1흡착탑(60-1)내부가 가압되면서 공기중 질소를 흡착시키고 나머지 농축산소를 배출시키면서 작동하나, 동시에 반대측 제 2흡착탑(60-2)에서는 질소가 흡착되어 있는 흡착제를 세정해야 하므로 농축산소중 일부를 오리피스(90)를 통해 타측 제 2흡착탑(60-2)상부로 이송시켜 내부를 세정하게 되고 이어서 짧은 시간동안 고압,고순도의 산소를 보내어 평형시키면서 세정후 기체를 배출하게 된다. 이때 흡착탑(60-2)내부는 상당한 내압을 갖는다.
따라서 이와같은 산소농축방식에서는 제 1흡착탑을 통한 압축기작동이 고압으로 계속작동되면서 가압농축된 고압의 산소산소가 평형밸브를 통하여 저압상태인 제 2흡착탑내부에 공급되므로,
첫째, 제 2흡착탑의 세정작동을 고순도의 농축산소로 세정하므로 압축기 가압에 따른 기계적 에너지의 손실이 크고,
둘째, 가압이 끝난 저압상태의 제 2흡착탑내부에 제 1흡착탑 상부로 부터 고압의 농축산소를 공급함에 따라 제 2흡착탑이 고압을 유지하면서 배기되므로 배기소음이 과다해지는 단점도 있다.
이러한 과정을 첨부 도면 도 2에서 도시하는 바에 따라 살펴보면 제 1흡착탑의 압력곡선을 통하여 살펴볼 때, 제 1흡착탑의 농축산소가 배출되기 직전까지 압력이 상승되고나면 평형밸브(120)를 통하여 고압산소 일부를 제 2흡착탑측으로 약 2초동안에 압력 2.5에서 1로 낮아지게 하는 과정이 진행된다(①과 ②사이의 압력차).이때 양 흡착탑사이에는 압력의 균등화가 이루어짐과 동시에 제 2흡착탑에서는 부분가압이 이루어진다.
이후 각 흡착탑의 압력곡선이 만나는 꼭지점(압력이 1.5인 부분③)과, 제 1흡착탑의 최대 압력상승점사이의 시간이 약100(sec)에서 127(sec)로 27초 정도로 길어져 제 2흡착탑으로 압축공기를 공급함에 따른 압축기작동의 기계적 에너지가 증가한 것이다.
또한, 제 2흡착탑으로의 압력균등화시의 압력이 2.5이므로 배출시 소음발생의 원인으로 작용하는 것이다.
즉, 종래 복탑방식의 PSA공정은 효율을 높이기 위하여 흡착탑의 상부를 통해 균등화과정을 수행하였는데 이는 고압측 흡착탑의 상부로 부터 저압측 흡착탑으로 고압원료산소를 세정용,압력균등화용으로 사용함으로써 제 1흡착탑상부에 형성된 고압,고순도의 원료산소가 세정용 산소로 보내어지게 되어 이 산소를 압축하는 과정에 소요된 압축기 작동에너지가 낭비되는 것이다.
일반적으로 산소 발생기에 이용되는 에너지는 대부분 공기 압축기의 압축기 작동에너지이다. 즉, 공기의 가압에 이용된 기계적 에너지가 흡착탑 내부에서 산소를 공기로부터 분리하는데 사용되지만, 일부는 세정단계에서 대기를 통해 버려지게 된다.
그러나 흡착탑 상부가 아닌 하부를 연통시켜 원료산소를 이동시키는 경우 고압측 흡착탑의 하부에 위치하는 압축산소이므로 고순도의 농축산소가 아닌 가압산소로서 저압측 흡착탑의 가압에 이용할 수 있으므로 기계적 에너지를 상당히 회수할 수 있다.
본 발명은 종래 산소농축기의 산소농축 및 세정방법의 단점을 개선하여 제품가스를 얻은 후에 압력 균등화 과정에서 하부에 잔류하는 고압산소로서 저압측 흡착탑의 가압 및 세정,배출하는 방법을 제공하는 데에 주된 목적이 있다.
본 발명은 이러한 산소농축 및 세정방법에서 두 개의 흡착탑사이에 압력 균등화 시간을 짧게 갖도록 하여 압축기 작동에 따른 에너지의 감소효과를 거두고자 하며, 아울러 보다 낮은 압력에서 세정,배출이 이루어지도록 함으로써 저압측 배출가스의 배출소음을 줄인 산소농축방법을 제공하는 데에도 있다.
본 발명은 종래 산소농축장치에서 흡착탑 상부사이에 설치되어 압력균등화를 수행하던 EQ밸브를 제거하고 그 대신 각각의 흡착탑하부에 압력균등화를 수행하기 위한 솔레노이드밸브를 설치함으로써 각 솔레노이드밸브제어로서 흡착탑 하부의 저순도 고압산소를 이용한 압력순환흡착방식의 산소농축장치를 제공하는 데에도 그목적이 있다.
또한, 이렇게 함으로써 기존에 복잡하게 흡착탑 상부를 연결하던 밸브들을 제거하여 구조가 간단해진다.
도 1은 종래 산소농축방법을 실시하기 위한 장치예를 나타내는 전체구성도,
도 2는 종래 산소농축방법의 압력변동과정을 나타내는 그래프,
도 3은 본 발명 산소농축방법을 실시하기 위한 장치예를 나타내는 전체 구성도,
도 4는 본 발명 산소농축방법의 압력변동과정을 나타내는 그래프,
도 5a, 도 5b,도 5c는 본 발명 산소농축방법의 압력변동 과정을 단계별로 나타내는 작용설명의 개략도,
도 6은 본 발명 산소농축방법이 구현된 단탑식 산소농축장치의 전체 구성도.
※ 도면의 주요부분에 대한 부호설명
10 : 흡기 필터 20 : 흡기 소음기
30 : 배기 소음기 40-1, 40-2: 3/2 솔레노이드 밸브
50 : 공기 압축기 60-1, 60-2, 260-1, 260-2 : 흡착탑
70 : 압력 조절기 80 : 니들밸브
90 : 오리피스 95 : 체크 밸브
100 : 저장 탱크 110 : 제어수단
이와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 산소농축방법은 가압과 감압을 교번으로 작동하는 복탑방식의 흡착탑에서 가압과 감압의 압력차가 최대가 되었을 때 두개의 흡착탑 하부를 통하여 압력의 균등화가 이루어지게 한 특징을 갖는다. 이러한 하부를 통한 압력균등화로서 제 1흡착탑에서의 고압산소를 고순도로 가압함에 따른 가압시간을 단축시켜 가압에너지를 줄일 수 있고, 제 2흡착탑은 보다 저압으로 세정산소를 배출시킬 수 있는 특징을 갖는다.
이러한 본 발명 압력순환흡착을 이용한 산소농축장치는 대기중의 공기를 여과하기 위한 흡기필터와, 압축기와, 흡착질소를 흡착하기 위한 두대의 흡착탑과, 흡착탑의 세정을 돕고, 고순도의 산소를 얻기 위한 오리피스와, 산소의 역류를 방지하는 체크밸브와,산소의 순도를 일정하게 하고, 토출되는 유량의 변화를 줄여주기 위한 저장탱크와,토출되는 산소의 압력을 저압으로 유지시켜주는 압력조절기와, 일정량의 산소를 공급하기 위한 유량계와,제어부와, 세정후 산소의 배출시 소음을 방지하기 위한 소음기와, 배출 공기를 이용한 압력 균등화 및 기계적 에너지를 회수하기 위하여 상기 흡착탑들 하부에 설치한 3/2 솔레노이드 밸브로 이루어진다.
상기 본 발명 압력순환흡착을 이용한 산소농축장치는 제 1, 제 2솔레노이드 밸브는 각각 3포트 2웨이 솔레노이드밸브로 함이 바람직하다.
상기한 본 발명 산소농축방법은 두개의 흡착탑을 이용하여 제 1흡착탑이 농축되면 제 2흡착탑은 세정,배출시키고 다시 농축과 세정을 바꾸어 반복되는 복탑방식의 산소농축방법에 있어서 질소세정과 배출을 위하여 고농도 산소를 사용하지 아니하고 일측 흡착탑의 가압말기 저농도산소를 이용하는 특징이 있다.
이하 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부 도면에 의하여 상세히 설명한다.
첨부 도면중 도 3은 본 발명의 산소농축장치의 공정을설명하기 위한 도면이고, 도 4는 본 발명 산소농축장치의 저압공기를 이용한 압력 균등상태의 변동 그래프이다.
먼저 본 발명 제어방법을 설명하기에 앞서 상기 도면에 따르는 본 발명 산소농축장치의 제어 방법을 구현하기 위한 산소농축장치를 설명한다.
즉, 대기중의 공기가 흡입되는 입구측에 설치되어 흡입공기를 여과하기 위한 흡기필터(10)와, 흡입시의 소음을 방지하는 소음기(20)와, 흡입된 공기를 소정압력으로 압축하는 압축기(50)와, 상기 압축기(50)에서 압축된 공기를 교호로 분배하기 위하여 두개의 분기라인으로 연결되고 내부에 소정의 질소흡착수단을 내설하여 질소를 흡착하기 위한 두대의 흡착탑(60-1)(60-2)과, 토출되는 산소의 압력을 저압으로 유지시켜주는 압력조절기(레귤레이터,70)와, 일정량의 농축산소를 공급하기 위한 유량계(니들밸브,80)배출 공기를 이용한 압력 균등화 및 기계적 에너지를 회수하기 위하여 상기 흡착탑(60-1)(60-2)하부에 설치한 3/2 솔레노이드 밸브(40-1)(40-2),상기한 솔레노이드밸브들과 압축기등의 개폐작동을 제어하기 위한 제어수단(110)으로 이루어진다.
상기 장치에 따른 본 발명 산소농축과정을 첨부 도면 도 3 내지 도 5에 의거 공정별로 설명하면 다음과 같다.
＜제 1공정＞
도 5a에서 도시하는 바와같이 제 1흡착탑(60-1)에 흡기필터(10),흡기소음기(20),압축기(50)를 통해 외부공기가 가압공급된다.
흡기 필터(10)와 흡기 소음기(20),압축기(50)를 통해 가압된 공기는 제 1솔레노이드 밸브(40-1)를 거쳐 제 1흡착탑(60-1)에서 가압, 흡착이 진행된다.
이때 제 2흡착탑(60-2)은 도 4에서 도시하는 바와같이 일부 고압산소를 오리피스를 통하여 공급하여 흡착제를 고압산소로 세정하면서 솔레노이드밸브(40-2)를 열어 흡착산소를 소음기(30)를 통하여 배출하게 된다.
＜제 2공정＞
첨부 도면 도 5b에서 도시하는 바와같이 제 1흡착탑(60-1)이 농축(가압)이 일정시간 진행되어 제품가스를 추출한 뒤 제 1,제 2흡착탑(60-1)(60-2)은 제 1, 제 2솔레노이드밸브(40-1)(40-2)를 동시에 열어 하부를 연통시킨다.
솔레노이드밸브(40-1)(40-2)가 열려 흡착탑(60-1)(60-2)들 하단부에서 연통되면 제 1흡착탑(60-1)의 고압산소가 흡착탑(60-2)으로 순간적으로 역류되어 양쪽 흡착탑의 압력은 순간적으로 같아진다. 이 상태가 도 4에서 도시하는 압력균등점③(압력1.5)이다.
이어서 약 7초후 저압상태의 제 2흡착탑(60-2)은 압축기 작동으로 가압되면서 압축산소의 농축이 진행되고, 제 1흡착탑(60-1)은 동시에 세정과 배출이 수행된다.
따라서 가압시간 개시점③과 제 1흡착탑의 압력곡선 마지막과의 시간은 불과 약7초 정도가 걸려 압축기의 작동이 곧바로 제 2흡착탑의 가압작동으로 이어지나, 종래에는 흡착탑(60-1)의 가압곡선말기로 부터 균등화점③까지의 사이에 상당한 압축기의 작동시간(약27초동안)을 가진 뒤 제 2흡착탑의 가압작동(1.5에서 시작)이 시작되는 것이므로 압축기가 불필요하게 작동하는 문제점이 있었다.
또한, 제 2흡착탑의 균등화압력이 2.0을 유지하여 종래 2.5때 보다 0.5저감되어 배출시 소음의 발생도 감소하게 된다.
＜제 3공정＞
도 5c에서 도시하는 바와같이 제 2흡착탑(60-2)에 흡기필터(10),흡기소음기(20),압축기(50)를 통해 외부공기가 가압공급된다.
흡기 필터(10)와 흡기 소음기(20),압축기(50)를 통해 가압된 공기는 제 2솔레노이드 밸브(40-2)를 거쳐 제 2흡착탑(60-2)에서 가압, 흡착이 진행된다.
이때 제 1흡착탑(60-1)은 도 4에서 도시하는 바와같이 일부 고압산소를 오리피스를 통하여 공급하여 흡착제를 고압산소로 세정하면서 솔레노이드밸브(40-1)를 열어 흡착산소를 소음기(30)를 통하여 배출하게 된다.
이후 상기한 제 2공정이 진행되고 연속하여 각 공정들이 교번으로 수행되는 것이다.
본 발명은 기계적 에너지의 손실을 줄일 수 있으므로 보다 저전력의 산소농축기의 개발이 가능해진다. 예를들면 흔히 사용되는 5LPM의 90%의 순도를 획득하기위한 전력량도 기존의 6단계 방식에서는 460W 정도가 소비되는 반면, 본 발명을 이용한 공정으로는 380W의 전력으로도 생산이 가능하게 되는 것이다.
한편 본 발명은 IRS(Independent rinse and storage)타입(저장탱크,체크밸브,오리피스를 흡착케이스내에 포함한 타입)의 독립식 농축장치에서도 같은 방법을 적용한다.
첨부 도면 도 6에 따른 산소농축장치의 작동을 설명한다.
즉, 흡기필터(10),흡기 소음기(20),압축기(50)를 통해 외부공기를 가압하여 제 1솔레노이드밸브(40-1)를 거쳐 제 1흡착부(260-1)에 공급한다.
흡기 필터와 흡기 소음기,압축기를 통해 가압된 공기는 제 1솔레노이드 밸브(40-1)를 거쳐 제 1흡착탑(260-1)에서 가압, 흡착이 진행된다.
이때 제 2흡착부(260-2)는 고압농축산소로서 세정이 이루어지며, 배출이 이루어진다.
＜제 2공정＞
제 1흡착탑(260-1)에서 농축(가압)이 일정시간 진행된 후 생산산소를 얻고 나면 제 1, 제 2솔레노이드밸브(40-1)(40-2)를 동시에 열어 흡착탑(260-1)(260-2)하부를 연통시킨다. 솔레노이드밸브(40-1)(40-2)가 열려 흡착탑(60-1)(60-2)들 하단부에서 연통되면 제 1흡착탑(60-1)의 높은 압력의 가압산소가 흡착탑(60-2)으로 순간적으로 역류되어 양쪽 흡착탑의 압력은 순간적으로 같아진다. 이어서 제 2흡착탑은 압축기로 부터 압축공기를 공급받아 새로운 가압작동이 개시된다.
상술한 바와같이 본 발명은 오리피스, 체크밸브 및 산소저장탱크를 내부에구성한 3웨이 2포트의 솔레노이드 밸브에도 유용하게 적용되어 압축에너지를 줄이며 소음의 발생을 줄이게 되었다.
이와같이 본 발명 PSA고정을 이용한 산소농축방법은 복탑방식의 산소농축방법에 사용될 경우 두가지 효과를 얻을 수 있는데, 이는 고압 흡착탑과 저압 흡착탑 각각의 측면에서 볼 수 있다.
첫째, 세정후 저압상태가 된 흡착탑은 다시 흡착이 가능한 압력까지 가압하기 전에 고압의 흡착탑으로 부터 균등화점까지 유입되는 시간을 크게 단축하여 압축기를 작동시킴으로써 기존PSA 공정에 비해 에너지가 절감되는 효과를 갖는다.
둘째, 고압작동의 흡착탑이 원료산소를 농축하는 동안 저압의 흡착탑은 빠르게 세정과 배출로 이어지면서 보다 낮은 압력으로 배출이 되어 배출소음이 적어지는 효과도 있다.
또한, 흡착탑의 상층부는 항상 고농도산소만이 배출되도록 하는 것이어서 종래 이 흡착탑 상부에서 일부산소를 역류시켜 균등화를 이룸으로써 생산산소의 일부 손실이 발생되었으나, 본 발명은 지속적인 원료산소의 생산이 흡착탑 상부를 통하여 이루어짐에 따라 압축기를 통한 압축시의 기계적 작동에 따른 압축에너지를 보다 적은 전력으로 작동하게 되어도 종래와 같은 유량 대비 산소 순도를 높인 산소를 얻을 수 있다.

Claims (4)

  1. 흡기필터,흡기소음기,공기압축기를 통해 외부공기를 가압공급하고, 이 가압된 공기를 순환흡착시켜 산소를 농축하는 압력순환흡착을 이용한 산소농축방법에 있어서,
    가압과 감압을 교번으로 작동하는 복탑방식의 흡착탑에서 가압과 감압의 압력차가 최대가 되었을 때 두개의 흡착탑 하부를 연통시켜 흡착탑 내부 압력을 균등화하도록 한 것을 특징으로 하는 압력순환흡착을 이용한 산소농축방법.
  2. 압력순환흡착을 이용한 복탑방식의 산소농축장치에 있어서,
    대기중의 공기를 여과하기 위한 흡기필터(10)와, 압축기(50)와, 흡착질소를 흡착하기 위한 흡착탑(60-1)(60-2)과, 흡착탑의 세정을 돕고, 고순도의 산소를 얻기 위한 오리피스(90)와, 산소의 역류를 방지하는 체크밸브(90-1)(90-2)와,산소의 순도를 일정하게 하고, 토출되는 유량의 변화를 줄여주기 위한 저장탱크(100)와,토출되는 산소의 압력을 저압으로 유지시켜주는 압력조절기(70)와,일정량의 산소를 공급하기 위한 유량계(80)와,제어부(110)와, 세정후 산소의 배출시 소음을 방지하기 위한 소음기(20)와, 배출 공기를 이용한 압력 균등화 및 기계적 에너지를 회수하기 위하여 상기 흡착탑(60-1)(60-2)하부에 설치한 3/2 솔레노이드 밸브(40-1)(40-2)로 이루어진 압력순환흡착을 이용한 산소농축장치.
  3. 제 2항에 있어서,
    제 1, 제 2솔레노이드밸브는 각각 3포트 2웨이 솔레노이드밸브 인 것을 특징으로 압력순환흡착을 이용한 산소농축장치.
  4. 제 1항에 있어서,
    제 1, 제 2솔레노이드밸브는 5포트 3웨이 솔레노이드밸브 1개인 것을 특징으로 하는 압력순환흡착을 이용한 산소농축장치.
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