KR20170000392A - 원심 분리기용 디스크 패키지 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 제1 세트의 분리 디스크 및 제2 세트의 분리 디스크를 포함하는 원심 분리기용 디스크 패키지 및 상기 디스크 패키지가 구비되어 있는 원심 분리기에 관한 것이다. 제1 및 제2 세트의 분리 디스크 각각에는 방사 방향에 대하여 경사진 분리 표면이 구비된다. 제1 및 제2 세트의 분리 디스크는 각 2개의 인접 디스크 사이에 통로를 형성하도록 서로 이격되며 회전축을 공통축으로 하여 그 둘레에 배열된다. 제1 세트의 분리 디스크는 A 이하의 외경을 갖고, 제2 세트의 분리 디스크는 B 이상의 외경을 갖고, 외경 B는 외경 A보다 크다. 제2 세트의 분리 디스크 2개의 사이마다 제1 세트의 분리 디스크가 적어도 2개 배열된다.

Description

원심 분리기용 디스크 패키지{A DISC PACKAGE FOR A CENTRIFUGAL SEPARATOR}
본 발명은 복수의 분리 디스크를 포함하는 원심 분리기용 디스크 패키지에 관한 것으로서, 분리 디스크 각각에 방사 방향(radial direction)에 대하여 경사진 분리 표면이 구비되고, 분리 디스크는 각각의 2개의 인접한 분리 디스크 사이에 통로를 형성하도록 서로 이격되며 회전축을 공통축으로 하여 그 둘레에 배열된다. 본 발명은 또한 그러한 디스크 패키지를 포함하는 원심 분리기에 관한 것이다.
원심 분리기 개발 초기부터 디스크 패키지 내 각 분리 디스크에는, 디스크의 역학적 안정성을 개선시키기 위하여, 디스크의 절두원추(frustoconical)부의 방사상(radially) 외측으로 연장되는 브림(brim)이 구비된다는 것이 알려져 있다(예를 들어, SE 22981 참조).
디스크 스택의 나머지 분리 디스크에 대하여 방사상 외측으로 연장되는 브림이 구비된 하나의 분리 디스크를 갖는 디스크 스택이 또한 이미 공지되어 있다(SE 227107 참조). 이것은 디스크 스택을 경질상(light phase)의 제거가 최적화되어 있는(정제기(purifier) 동작 모드) 제1 영역과 중질상(heavy phase)의 제거가 최적화되어 있는(농축기(concentrator) 동작 모드) 제2 영역으로 분할하는 데 사용된다.
본 발명의 목적은 원심 분리기의 분리 효율을 개선하는 데 있다. 특히, 본 발명의 목적은 분리된 입자가 디스크 패키지 내의 분리 디스크들 사이의 분리 통로로 재순환되는 위험을 최소화하는 데 있다. 이에 대한 만족스러운 해결책은 전술된 문헌 어디에도 제공되어 있지 않다.
이에 따라, 본 발명은 제1 세트의 분리 디스크와 제2 세트의 분리 디스크를 포함하는 원심 분리기용 디스크 패키지에 관한 것이다. 제1 및 제2 세트의 분리 디스크 각각에는 방사 방향에 대하여 경사진 분리 표면을 갖는 분리부가 구비되어 있다. 분리 표면은 분리 디스크의 절두원추부일 수 있다. 분리 표면의 경사각은 방사 방향에 대하여 30 내지 50도 범위 내, 바람직하게는 약 40도일 수 있다.
제1 및 제2 세트의 분리 디스크는 각각의 2개의 인접한 분리 디스크 사이에 통로를 형성하도록 서로 이격되며 회전축을 공통축으로 하여 그 둘레에 배열된다. 분리 디스크는 바람직하게는 디스크 패키지 내의 분리 디스크의 경사진 분리부의 최저부(base portion)가 동일한 방향으로 향하도록 배열된다. 디스크 패키지 내 분리 디스크는 분리되는 유체가 2개의 세트 중 임의의 세트의 각각의 2개의 인접한 분리 디스크 사이의 통로에서 방사상 내측으로 흐르도록 배열될 수 있다.
제1 세트의 분리 디스크는 A 이하의 외경을 가질 수 있고, 제2 세트의 분리 디스크는 B 이상의 외경을 가질 수 있고, 외경 B는 외경 A보다 크다. 제2 세트의 분리 디스크 2개의 사이마다 제1 세트의 분리 디스크 적어도 2개가 배열된다.
이것의 효과로서, 디스크 패키지의 바로 바깥 영역의 분리 공간(separation space)에서 커런트(current)가 형성되는 위험이 최소화된다. 축방향 유동 성분(axial flow component)을 갖는 이러한 커런트는 성분들의 액체 혼합물들로부터 이미 분리되었던 입자를 가져오는 원치않는 효과를 가질 수 있다. 따라서, 분리된 입자가 디스크 패키지의 분리 통로로 재순환되는 위험이 최소화되고, 원심 분리기의 분리 효율이 증가된다. 또한, 본 디스크 패키지는 제작 및 조립이 용이하다.
제1 세트의 분리 디스크의 외경은 A 이하에 있는 한 변화될 수 있다. 대안으로서, 제1 세트의 분리 디스크들은 외경 A를 갖는다. 마찬가지로, 제2 세트의 분리 디스크의 외경은 B 이상에 있는 한 변화될 수 있다. 대안으로서, 모든 제2 세트의 분리 디스크들이 외경 B를 가질 수 있다.
외경 B는 외경 A보다 3 내지 15%, 바람직하게는 5 내지 12% 더 크거나, 또는 외경 A보다 14 내지 50 mm, 바람직하게는 20 내지 30 mm 더 클 수 있다. 따라서, 디스크 패키지의 방사상 외측으로 열린 분리 공간을 유지하면서도, 분리된 입자가 디스크 패키지의 분리 통로 내로 재순환되는 위험이 최소화된다.
제1 및 제2 세트의 분리 디스크는 공통의 내측 방사상 위치로부터 연장될 수 있다. 경사진 분리부의 방사상 범위 및 경사도는 2개의 세트의 분리 디스크에 걸쳐 그리고 전체 디스크 패키지에 걸쳐 유사할 수 있다.
제2 세트의 분리 디스크는 외경 A의 방사상 외측으로 형성되는 브림부를 가질 수 있고, 상기 브림부는 방사 방향 대하여 분리부에서의 경사도와는 상이한 경사도를 갖는다. 브림부의 방사상 범위는 외경 A의 1.5 내지 7.5%, 바람직하게는 2.5 내지 6%일 수 있거나, 또는 브림부의 방사상 범위가 7 내지 25 mm, 바람직하게는 10 내지 15 mm일 수 있다. 경사진 분리 표면의 방사상 범위는 제1 및 제2 세트의 분리 디스크에서 유사할 수 있다.
방사 방향에 대한 브림부의 각도는 45도 미만, 바람직하게는 30도 미만, 보다 바람직하게는 15도 미만, 가장 바람직하게는 0도일 수 있다. 상기 각도가 0에 가깝거나 0이면, 즉 브림부가 회전축에 수직한 평면 상에 있으면, 브림부는 분리 표면으로서 기능하지 않고 제1 세트의 분리 디스크의 방사상 외측으로의 유동 대역(flow zone)을 형성하는 기능을 한다. 이에 따라, 제2 세트의 각 분리 디스크의 경사진 분리 표면은 외경 A까지 연장될 수 있다. 브림부의 각도는 디스크 패키지 내 제2 세트의 분리 디스크에 걸쳐 동일하거나 변화될 수 있다.
브림부는 링 모양일 수 있고, 브림부의 표면은 평면이면서 분리 표면을 둘러 연속되는 재료 시트로서 형성되어, 본질적으로 임의의 홀이나 돌출부 없이 제공될 수 있다. 따라서, 브림부에 의해 유발되는 난류의 양이 최소화된다.
제2 세트의 분리 디스크 2개의 사이마다 제1 세트의 분리 디스크 2 내지 10개, 바람직하게는 3 내지 5개가 배열된다. 이러한 구성은 분리 디스크의 방사상 외측에 있는 유동 대역에서 매우 바람직한 유동 형성을 제공한다. 디스크 패키지 내 분리 디스크의 총 수에 대한 제2 세트의 분리 디스크의 총 수는 30% 미만, 바람직하게는 25% 미만 그리고 5% 초과, 바람직하게는 10% 초과일 수 있다. 보다 바람직하게는, 디스크 패키지 내 분리 디스크의 총 수에 대한 제2 세트의 분리 디스크의 총 수는 12 내지 20% 범위 내이다.
디스크 패키지의 하부에는, 분리 디스크의 분리 표면의 최저부(base) 방향(즉, 분리 디스크의 분리 표면이 축 방향으로 발산하는(axially diverging) 방향)으로의 패키지 단부에서, 제1 세트의 분리 디스크만 구비될 수 있다. 디스크 패키지의 하부는 디스크 패키지의 적어도 20%, 바람직하게는 적어도 25%, 보다 바람직하게는 적어도 30%일 수 있다. 이에 따라, 82개의 디스크를 갖는 디스크 패키지에서의 이러한 하부는 18 내지 26개의 디스크를 포함할 수 있다. 마찬가지로, 디스크 패키지의 상부에는, 분리 디스크의 분리 표면의 최상부(top) 방향(즉, 분리 디스크의 분리 표면이 축 방향으로 수렴하는(axially converging) 방향)으로의 패키지 단부에서, 제1 세트의 분리 디스크만 구비될 수 있다. 디스크 패키지의 상부는 디스크 패키지의 적어도 15%, 바람직하게는 적어도 20%, 보다 바람직하게는 적어도 25%일 수 있다. 이에 따라, 82개의 디스크를 갖는 디스크 패키지에서의 이러한 상부는 12 내지 21개의 디스크를 포함할 수 있다. 따라서, 디스크 패키지의 축상 단부 부분에서의 상기 부분들에 원하는 유동을 유지하면서도, 분리된 입자가 디스크 패키지의 분리 통로 내로 재순환되는 위험이 최소화된다.
제1 세트의 각 분리 디스크의 경사진 분리 표면은 분리 디스크의 외경까지 연장될 수 있다. 따라서, 제1 세트의 분리 디스크에는 본질적으로 임의의 브림부가 구비되지 않아, 분리 표면을 최대화할 수 있다.
각 분리 디스크에는 분리할 유체의 유동을 디스크 스택을 통해서 및 그 위에 분배하도록 배열된 컷-아웃(cut-out)이 구비될 수 있다. 제1 세트의 분리 디스크에는 분리 디스크의 반경 외측(outer radius)쪽으로 열린 슬릿 형태의 컷-아웃이 구비될 수 있다. 이는 컷-아웃 영역에서의 폐색(clogging)의 위험을 최소화하는 효과를 갖는다. 제2 세트의 분리 디스크에는 분리 디스크의 반경 외측쪽으로 닫혀진 홀 형태의 컷-아웃이 구비될 수 있다. 이는 원심력에 대처할 수 있도록 보다 큰 직경의 분리 디스크의 역학적 특성을 개선하는 효과를 갖는다. 제1 세트의 분리 디스크 상의 슬릿 형태의 컷-아웃과 제2 세트의 분리 디스크 상의 홀 형태의 컷-아웃의 조합은 또한 제2 세트의 분리 디스크 상의 컷-아웃 영역에서의 폐색의 위험을 최소화한다.
본 발명은 또한 전술된 디스크 패키지가 배열되어 있으며, 분리 공간을 에워싸는 로터를 포함하는 성분들의 액체 혼합물을 분리하는 원심 분리기에 관한 것이다. 로터는 슬러지(sludge)상의 간헐적 방출을 위한 분리 공간의 방사상 외부로부터의 배출구를 포함할 수 있다.
로터의 내벽에는 원뿔 형태일 수 있는 벽부가 제공될 수 있고, 제2 세트의 분리 디스크는 각 디스크의 외부 브림과 로터 벽부 사이에 적어도 1 mm, 바람직하게는 1.5 mm의 통로가 있도록 디스크 스택 내에 배열될 수 있다.
도 1은 디스크 패키지에서 제1 세트에 포함되는 종류의 분리 디스크의 실시 형태를 나타낸다.
도 2는 디스크 패키지에서 제2 세트에 포함되는 종류의 분리 디스크의 실시 형태를 나타낸다.
도 3은 제1 및 제2 세트의 분리 디스크를 포함하는 디스크 패키지를 갖는 원심 분리기의 일부의 단면도를 나타낸다.
도 1에, 디스크 패키지 내에서 제1 세트에 포함되는 종류의, 내부 및 외부 분리 표면을 가진 절두원추형 분리부(2)를 갖는 분리 디스크(1)가 도시되어 있다. 분리부에는 분리 디스크의 적층에 의해 형성되는 패키지 내에서 각각의 2개의 인접한 분리 디스크 사이의 통로를 형성하기 위해 간격을 제공하는 가늘고 긴 코크(enlongated caulk)(3) 형태의 복수의 이격 부재가 구비된다. 코크는 디스크의 절두원추형 분리부의 외부 표면에 고정되고, 디스크의 원주 둘레를 따라 분포된다. 분리 디스크의 외경 A는 165 mm이고, 경사진 분리 표면은 이 외경까지 연장된다. 따라서, 분리 디스크의 방사상 외측부(4)는 경사진 분리 표면의 일부이다. 디스크는 이 분리 디스크의 방사상 외측부(4)에 슬릿 형태의 복수의 컷-아웃(5)이 구비되고, 상기 슬릿은 분리 디스크의 반경 외측쪽으로 열린 형태이다. 슬릿(5)의 수는 코크의 수에 대응하고, 슬릿은 코크들 사이에 디스크의 원주 둘레를 따라 분포된다.
도 2에, 디스크 패키지 내에서 제2 세트에 포함되는 종류의, 내부 및 외부 분리 표면을 가진 절두원추형 분리부(2')를 갖는 분리 디스크(6)가 도시되어 있다. 분리부에는 분리 디스크의 적층에 의해 형성되는 패키지 내에서 각각의 2개의 인접한 분리 디스크 사이의 통로를 형성하기 위해 간격을 제공하는 가늘고 긴 코크(3') 형태의 복수의 이격 부재가 구비된다. 코크는 디스크의 절두원추형 분리부의 외부 표면에 고정되고, 디스크의 원주 둘레를 따라 분포된다. 분리 표면은 외경 A까지 연장되고, 디스크의 분리 표면의 방사상 외측에 평평하며 분리 디스크의 외경 B까지 연장되는(즉, 방사 방향으로 0도이 각도를 갖는) 브림(7)이 구비된다. 외경 B는 185 mm이므로, 브림의 방사 방향 연장은 L=(B-A)/2, 즉, 10 mm이다. 따라서, 외경 B는 외경 A보다 12% 더 크다. 디스크에는 분리부의 방사상 외측부에 홀 형태의 복수의 컷-아웃(8)이 구비되고, 상기 컷-아웃은 브림에 의해 분리 디스크의 반경 외측쪽으로 닫혀진 형태이다. 홀(8)의 수는 코크의 수에 대응하고, 홀은 디스크의 원주 둘레를 따라 제1 세트의 분리 디스크(1)의 슬릿에 대응하는 위치에 분포된다.
도 3은 회전축(x) 주위 프레임 내에서 회전할 수 있도록 배열된 스핀들(11)(일부가 도시됨)에 의해 지지되는 로터(10)를 가지며, 성분들의 액체 혼합물을 분리하기 위한 원심 분리기(9)의 일부를 도시한다. 로터는 내부에 디스크 패키지(13)가 배열되어 있는 분리 챔버(12)를 형성한다. 로터는 또한, 분배기(15) 내에 형성되며, 분리할 성분들의 액체 혼합물을 공급하기 위한 고정 주입 파이프(stationary inlet pipe)(16)가 그 내부에 연장되는 주입 챔버(14)를 포함한다. 주입 챔버는 로터 내에 형성된 통로(17)를 통해 분리 챔버와 연통한다. 디스크 패키지의 방사상 내측부는 혼합물의 가벼운 액체 성분을 위한 배출구(18)와 연통한다. 배출구(18)는 디스크 패키지(13)의 축의 상단부에 구비된 최상부 디스크(19)에 의해 범위가 정해진다. 혼합물의 고밀도 액체(denser liquid) 성분을 위한 통로의 범위는 최상부 디스크(19)와 로터(10)의 상단 벽부에 의해 정해지며, 상기 통로는 분리 공간(12)의 방사상 외측부로부터 액체 혼합물의 무거운 액체 성분을 위한 배출구(20)로 연장된다. 로터에는 또한 분리 공간(12)의 방사상 외측 주변부로부터 슬러지상을 형성하는 고밀도 입자를 포함하는 액체 혼합물의 슬러지 성분의 간헐적인 방출을 위한 배출구(21)가 구비된다. 배출구(21)의 개방은, 종래에 알려진 바와 같이, 운전 수위에 의해 작동하는 작동식 슬라이드(22)에 의해 제어된다.
디스크 패키지(13)는 도 1에 도시된 종류의 분리 디스크(1)들을 포함하는 제1 세트의 분리 디스크와, 도 2에 도시된 종류의, 브림(7)이 구비된, 분리 디스크(6)들을 포함하는 제2 세트의 분리 디스크를 포함한다. 분리 디스크는 각각의 2개의 인접한 분리 디스크 사이에 통로를 형성하도록 코크(3, 3')에 의해 서로 이격되며 회전축(x)을 공통축으로 하여 그 둘레에 배열된다. 제2 세트의 분리 디스크 2개의 사이마다 제1 세트의 분리 디스크 3개가 배열된다. 통로는 분리 디스크의 방사상 외측부로부터 분리 디스크의 방사상 내측부로 연장된다. 도면에서, 각 분리 디스크 사이의 거리는 과장되어 있으며, 디스크 패키지가 28개의 디스크를 갖도록 개략적으로 도시되어 있다. 통상의 디스크 패키지는 82 내지 120개의 디스크를 포함하고, 코크에 의해 생성되는 분리 디스크들 사이의 통상의 거리는 0.4 내지 0.75 mm이다. 따라서, 디스크 패키지 내 제2 세트의 분리 디스크들 사이의 통상의 거리(H)는 1.6 내지 4.5 mm, 바람직하게는 2 내지 4 mm이다.
제1 세트의 분리 디스크(1) 상의 슬릿 형태의 컷-아웃과 제2 세트의 분리 디스크(6) 상의 홀 형태의 컷-아웃은 액체 혼합물을 위한 분배 채널(23)을 형성하기 위해 디스크 패키지 내에 정렬된다.
디스크 패키지의 하부, 즉, D로 도시된, 분리 디스크의 분리 표면의 최저부 방향으로의 패키지 단부에는, 제1 세트의 분리 디스크만 구비된다. 이 부분은 디스크 패키지의 높이의 25%를 차지하며(도시된 28개의 분리 디스크 중 7개), 통상의 디스크 패키지에서 이 부분은 82개 중 21 내지 26개의 분리 디스크로 이루어진다. 제2 세트의 분리 디스크 중 맨 처음(가장 하단) 분리 디스크의 브림의 방사상 외측 말단과 로터의 내벽 사이에서 배출구(21)를 향하는 슬러지의 통로를 제공하기 위한 간격(C)은 적어도 1.5 mm이다. 이와 유사하게, 디스크 패키지의 상부, 즉, E로 도시된, 분리 디스크의 분리 표면의 최상부 방향으로의 패키지 단부에는, 제1 세트의 분리 디스크만 구비된다. 제2 세트의 분리 디스크 중 맨 나중(가장 상단) 분리 디스크의 브림의 방사상 외측 말단과 로터의 내벽 사이의 간격(F)은 적어도 1.5 mm이다.
디스크 패키지의 한 실시 형태는, 최저부에서 최상부까지, 제1 세트의 분리 디스크 21개로 이루어진 하부, 이어서 각각 사이에 제1 세트의 분리 디스크 3개씩을 갖는 제2 세트의 분리 디스크 12개(즉, 총 11*4+1=45개의 분리 디스크), 최상단에 있는 제1 세트의 분리 디스크 16개로 이루어진 상부를 포함한다. 따라서, 도시된 이러한 디스크 패키지에서 분리 디스크의 총 수에 대한 제2 세트의 분리 디스크의 총 수는 12/82, 즉 20% 미만 10% 초과이다.

Claims (15)

  1. 원심 분리기용 디스크 패키지(13)로서,
    제1 세트의 분리 디스크(1) 및 제2 세트의 분리 디스크(6)를 포함하고,
    제1 및 제2 세트의 분리 디스크 각각에는 방사 방향(radial direction)에 대하여 경사진 표면을 갖는 분리부(2, 2')가 구비되고,
    제1 및 제2 세트의 분리 디스크는 각각의 2개의 인접한 분리 디스크 사이에 통로를 형성하도록 서로 이격되며 회전축(X)을 공통축으로 하여 그 둘레에 배열되고,
    제1 세트의 분리 디스크는 A 이하의 외경을 갖고, 제2 세트의 분리 디스크는 B 이상의 외경을 갖고, 외경 B는 외경 A보다 크고,
    제2 세트의 분리 디스크 2개의 사이마다 제1 세트의 분리 디스크 적어도 2개가 배열되는, 원심 분리기용 디스크 패키지.
  2. 제1항에 있어서,
    외경 B는 외경 A보다 3 내지 15%, 바람직하게는 5 내지 12% 더 크거나, 또는 외경 B는 외경 A보다 14 내지 50 mm, 바람직하게는 20 내지 30 mm 더 큰, 원심 분리기용 디스크 패키지.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    제2 세트의 각 분리 디스크는 외경 A의 방사상 외측에 형성되어 있는 브림(brim)부(7)를 갖고, 상기 브림부는 방사 방향에 대하여 분리 표면의 경사도와는 상이한 경사도를 갖는, 원심 분리기용 디스크 패키지.
  4. 제3항에 있어서,
    방사 방향에 대한 브림부의 각도는 45도 미만, 바람직하게는 30도 미만, 보다 바람직하게는 15도 미만, 가장 바람직하게는 0도인, 원심 분리기용 디스크 패키지.
  5. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서,
    제2 세트의 분리 디스크 2개의 사이마다 제1 세트의 분리 디스크 3 내지 5개가 배열되는, 원심 분리기용 디스크 패키지.
  6. 제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서,
    디스크 패키지의 하부(D)에는, 분리 디스크의 분리 표면의 최저부(base) 방향으로의 패키지 단부에 제1 세트의 분리 디스크만 구비되어 있는, 원심 분리기용 디스크 패키지.
  7. 제6항에 있어서,
    디스크 패키지의 하부(D)는 디스크 패키지의 적어도 20%, 바람직하게는 적어도 25%, 보다 바람직하게는 적어도 30%인, 원심 분리기용 디스크 패키지.
  8. 제1항 내지 제7항에 있어서,
    디스크 패키지의 상부(E)에는, 분리 디스크의 분리 표면의 최상부(top) 방향으로의 패키지 단부에 제1 세트의 분리 디스크만 구비되어 있는, 원심 분리기용 디스크 패키지.
  9. 제8항에 있어서,
    디스크 패키지의 상부(E)는 디스크 패키지의 적어도 15%, 바람직하게는 적어도 20%, 보다 바람직하게는 적어도 25%인, 원심 분리기용 디스크 패키지.
  10. 제1항 내지 제9항 중 어느 한 항에 있어서,
    패키지 내 제2 세트의 분리 디스크의 수는 패키지 내 분리 디스크의 총 수의 30% 미만인, 원심 분리기용 디스크 패키지.
  11. 제1항 내지 제10항 중 어느 한 항에 있어서,
    제1 세트의 각 분리 디스크의 경사진 분리 표면은 분리 디스크의 외경(A)까지 연장되는, 원심 분리기용 디스크 패키지.
  12. 제1항 내지 제11항 중 어느 한 항에 있어서,
    각 분리 디스크에는 분리할 유체의 유동을 디스크 스택을 통해서 및 그 위에 분배하도록 배열된 컷-아웃(cut-out)(5,8)이 구비되는, 원심 분리기용 디스크 패키지.
  13. 제12항에 있어서,
    제1 세트의 분리 디스크에는 슬릿(5) 형태의 컷-아웃이 구비되는, 원심 분리기용 디스크 패키지.
  14. 제12항 또는 제13항에 있어서,
    제2 세트의 분리 디스크에는 홀(8) 형태의 컷-아웃이 구비되는, 원심 분리기용 디스크 패키지.
  15. 제1항 내지 제14항 중 어느 한 항에 따른 디스크 패키지가 배열되어 있으며 분리 공간(12)을 에워싸는 로터(10)를 포함하는 원심 분리기.
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