PT101825B - REACTOR OF SUSPENDED FLOW TYPE - Google Patents
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Abstract
Description
DESCRIÇÃODESCRIPTION
REACTOR DO TIPO DE FLUXO EM SUSPENSÃOSUSPENSION FLOW TYPE REACTOR
O presente invento diz respeito a um reactor do tipo de fluxo em suspensão e é destinado ao processamento de resíduos plásticos pelo processo de pirólise. Trata-se de um reactor que é essencialmente constituído por um corpo cilíndrico hermético, um permutador de calor tubular, uma câmara de combustão de gases, um sistema de ignição para o arranque, um sistema de insuflação para a circulação de gases, silos de armazenagem e respectivo sistema de alimentação, sistema de extracção de líquidos, compressor, sistema de limpeza de gases e remoção de cloro, sistema de controlo da operação automática do reactor e restante equipamento, e uma turbina de gás.The present invention relates to a suspended flow reactor and is intended for processing plastic waste by the pyrolysis process. It is a reactor that essentially consists of an airtight cylindrical body, a tubular heat exchanger, a gas combustion chamber, an ignition system for starting, an insufflation system for the circulation of gases, storage silos and respective feeding system, liquid extraction system, compressor, gas cleaning and chlorine removal system, control system for the automatic operation of the reactor and other equipment, and a gas turbine.
Antecedentes do inventoBackground of the invention
São já conhecidos reactores de pirólise destinados ao processamento de resíduos. Ente eles de referir o reactor da patente US 5411714, Sistema de reactores de pirólise de conversão térmica.Pyrolysis reactors for waste processing are already known. Among them, refer to the reactor of the patent US 5411714, Thermal conversion pyrolysis reactor system.
Esta patente diz respeito a um sistema de reactores de pirólise de conversão térmica (10) próprios para proporcionar uma reacção de pirólise do tipo de fluxo contínuo para a conversão de materiais de admissão carbonizáveis (MW) (12). O sistema de reactores (10) utiliza um material de difusão (MD) que é pré-aquecido e misturado çom o MD (12), a fim de facilitar a pirólise e catalisar parcialmente reacções. E proporcionada a existência de uns sub-sistemas próprios para receber descargas de fase gasosa (30), líquida (32) e sólida (32). O sistema de reactores (10) inclui ainda outros sub-sistemas de componentes para a admissão (22) de materiais de desperdício MW, admissão (26) de MD, câmara deThis patent concerns a system of thermal conversion pyrolysis reactors (10) suitable for providing a continuous flow type pyrolysis reaction for the conversion of carbonisable intake (MW) materials (12). The reactor system (10) uses a diffusion material (MD) that is preheated and mixed with the MD (12), in order to facilitate pyrolysis and partially catalyze reactions. The existence of specific subsystems is provided to receive gaseous (30), liquid (32) and solid (32) phase discharges. The reactor system (10) also includes other component subsystems for the intake (22) of MW waste materials, MD intake (26),
reacção (24) e aquecimento (28). O MD (14) é pré-aquecido ao ser transportado através da câmara de reacção (64) antes da mistura com o MW (12) e ainda pelos gases de exaustão (94) provenientes do espaço da fornalha (88) que são obrigados a passar através de um permutador de calor (126). O sistema (10) promove a reciclagem de MD (14) e é substancialmente auto-suficiente em termos energéticos em consequência da utilização de gases de hidrocarboneto combustíveis produzidos pela reacção de pirólise como combustível para queimadores (72). Os materiais de admissão são expurgados do oxigénio e no interior da câmara de reacção (66) é mantida uma pressão interna positiva, a fim de facilitar ao máximo uma pirólise isenta de oxigénio. O sistema (10) é particularmente adequado para ser utilizado com materiais de admissão constituídos por fragmentos de pneus, desperdícios médicos e desperdícios industriais formados por materiais plásticos. Os materiais MD (14) preferidos são o negro de carvão e os materiais metálicos e de liga peletizados (isto é, sob a forma de pequenas esferas).reaction (24) and heating (28). The MD (14) is preheated when transported through the reaction chamber (64) before mixing with the MW (12) and also by the exhaust gases (94) from the furnace space (88) that are required to pass through a heat exchanger (126). The system (10) promotes the recycling of MD (14) and is substantially energy self-sufficient as a result of the use of combustible hydrocarbon gases produced by the pyrolysis reaction as fuel for burners (72). The intake materials are purged of oxygen and a positive internal pressure is maintained inside the reaction chamber (66) in order to facilitate as much as possible an oxygen-free pyrolysis. The system (10) is particularly suitable for use with intake materials consisting of tire fragments, medical waste and industrial waste made of plastic materials. Preferred MD materials (14) are carbon black and pelleted metal and alloy materials (i.e., in the form of small spheres).
Entre o reactor do obecto do invento e o reactor da patente americana referida, muito embora envolvam ambos um processo de pirólise, apresentam diferenças significativas. Entre elas, é de realçar o facto do reactor objecto do pedido de patente em estudo ser do tipo de fluxo de suspensão e não do tipo de fluxo contínuo como na patente americana. Por outro lado destina-se exclusivamente à pirólise de plásticos, não incluindo portanto todos os tipos de materiais carbonizáveis.Between the reactor of the object of the invention and the reactor of the aforementioned American patent, although both involve a pyrolysis process, they show significant differences. Among them, it is worth noting the fact that the reactor object of the patent application under study is of the type of suspension flow and not of the type of continuous flow as in the American patent. On the other hand, it is intended exclusively for the pyrolysis of plastics, therefore not including all types of carbonizable materials.
São de realçar ainda as seguintes diferenças:The following differences should also be noted:
- na alimentação e no transporte de plásticos ao reactor,- feeding and transporting plastics to the reactor,
- na instalação de aquecimento do reactor de pirólise. isto porque no caso do pedido de patente o gás que é produzido durante o processo de pirólise é logo queimado numa câmara de combustão auxiliar para fornecimento de calor à- in the pyrolysis reactor heating installation. this is because in the case of the patent application the gas that is produced during the pyrolysis process is immediately burned in an auxiliary combustion chamber to supply heat to the
pirólise, não existindo sistema de pré-aquecimento como no caso da patente Americana,pyrolysis, there is no preheating system as in the case of the American patent,
- no interior do reactor, apenas existem superfícies de permuta de calor no interior das quais circulam os gases quentes provenientes da câmara combustão auxiliar,- inside the reactor, there are only heat exchange surfaces inside which the hot gases from the auxiliary combustion chamber circulate,
- no reactor de pirólise que funciona a alta pressão, e não a pressão positiva como é o caso da patente Americana,- in the high pressure pyrolysis reactor, not the positive pressure, as in the case of the American patent,
- na concepção do reactor, que no caso do pedido de patente é do tipo de fluxo em suspensão, diferente do caso da patente Americana,- in the reactor design, which in the case of the patent application is of the type of suspension flow, different from the case of the American patent,
- o sistema do pedido de patente não permite a presença de partículas sólidas como carbono ou outras,- the patent application system does not allow the presence of solid particles such as carbon or others,
- na forma como é pressurizado o reactor do pedido de patente, em que se utiliza o gás produzido pela pirólise,- the way in which the reactor in the patent application is pressurized, using the gas produced by pyrolysis,
- na forma como se faz o contacto dos plásticos com as superfícies aquecidas, processo muito diferente da patente Americana,- the way in which plastics are contacted with heated surfaces, a process very different from the American patent,
- no que respeita aos gases provenientes da pirólise, estes não são imediatamente despressurizados no caso do pedido de patente,- as regards gases from pyrolysis, they are not immediately depressurized in the case of a patent application,
- no forno que é usado na patente Americana, que é parte integrante do reactor, o que não acontece no caso do pedido de patente.- in the oven that is used in the American patent, which is an integral part of the reactor, which does not happen in the case of the patent application.
Descrição pormenorizada de uma execução preferida do inventoDetailed description of a preferred embodiment of the invention
Para mais fácil compreensão do invento apresenta-se a titulo meramente exemplifícativo uma folha de desenhos em que se representa na fígura única um esquema do referido reactor.For easier understanding of the invention, a sheet of drawings is presented as an example only, showing a diagram of the reactor in the single figure.
Confonne se pode observar o sistema global é constituído pelos seguintes componentes:Confonne can be seen the global system consists of the following components:
i) Reactor de fluxo em suspensão (1), ii) Câmara de combustão para os gases (3), iii) Permutador de calor (2), iv) Silos de armazenagem dos plásticos e respectivo sistema de alimentação (9) (8),i) Suspended flow reactor (1), ii) Combustion chamber for gases (3), iii) Heat exchanger (2), iv) Plastic storage silos and respective supply system (9) (8) ,
v) Sistema de ignição para o arranque (14), vi) Sistema de extracção dos líquidos (17), vii) Sistema de insuflação (12), viii) Compressor (13), ix) Sistema de controlo de operação automática do reactor.v) Ignition system for start-up (14), vi) Liquid extraction system (17), vii) Insufflation system (12), viii) Compressor (13), ix) Reactor automatic operation control system.
O reactor (1) é de secção transversal rectangular e o seu dimensionamento depende da capacidade pretendida. As paredes do reactor são em aço inoxidável com uma espessura de 6-8 mm. O reactor é colocado no interior de recipiente sob pressão (16), capaz de suportar pressões até 10 bar. A altura do reactor é de cerca de 2,5 m. O fundo do reactor é inclinado com um ângulo de 25° em relação ao plano horizontal, por fonna a facilitar o escoamento de líquidos à saída do reactor. O calor necessário às reacções de pirólise é fornecido através de tubos colocados no interior do reactor a uma altura do fundo de 0,5 a l,5m. O número de tubos depende da capacidade do reactor e são colocados ao longo da menor distância da secção transversal rectangular do reactor. Existem 8 filas de tubos com diâmetro externo de 15mm. Os tubos são espaçados entre eles de 125mm. Estes tubos são aquecidos pelos gases quentes que passam no seu interior, procedendo-se ao respectivo controlo de temperatura dos gases quentes, por forma a assegurar o estabelecimento e a ocorrência das reacções. Os tubos são ligados à câmara de combustão (3) numa das suas extremidades, onde parte dos gases produzidos pelas reacções de pirólise são queimados gerando calor a ser fornecido para essas mesmas reacções. A câmara de combustão (3) é isolada termicamente na sua face externa usando-se fibraThe reactor (1) has a rectangular cross section and its size depends on the desired capacity. The reactor walls are made of 6-8 mm thick stainless steel. The reactor is placed inside a pressure vessel (16), capable of withstanding pressures up to 10 bar. The height of the reactor is about 2.5 m. The bottom of the reactor is inclined at an angle of 25 ° to the horizontal plane, in order to facilitate the flow of liquids out of the reactor. The heat required for pyrolysis reactions is supplied through tubes placed inside the reactor at a bottom height of 0.5 to 1.5 m. The number of tubes depends on the reactor capacity and are placed along the shortest distance from the rectangular cross section of the reactor. There are 8 rows of tubes with an outside diameter of 15mm. The tubes are spaced 125mm apart. These tubes are heated by the hot gases that pass through them, with the respective temperature control of the hot gases being carried out, in order to ensure the establishment and the occurrence of the reactions. The tubes are connected to the combustion chamber (3) at one of its ends, where part of the gases produced by the pyrolysis reactions are burned generating heat to be supplied for those same reactions. The combustion chamber (3) is thermally insulated on its external face using fiber
cerâmica. Ο material plástico ao tocar os tubos quentes sofre rapidamente cracking térmico, levando subsequentemente à formação de produtos líquidos. O tempo de residência é curto, por forma a que não se dê qualquer quebra subsequente das ligações moleculares dos produtos líquidos que, eventualmente, levariam à produção de maior quantidade de produtos gasosos.pottery. Ο plastic material, when touching hot tubes, quickly undergoes thermal cracking, subsequently leading to the formation of liquid products. The residence time is short, so that there is no subsequent break in the molecular bonds of liquid products that would eventually lead to the production of a greater quantity of gaseous products.
O reactor (1) é colocado no interior de recipiente pressurizado (16) cujas dimensões dependem das do reactor. A espessura da parede do recipiente sob pressão é de lOmm. A pressurização do recipiente faz-se utilizando azoto gasoso na fase de início de operação e na fase final de terminus de operação. E usado um compressor (13) industrial para alimentação dos gases de pirólise ao reactor para pressurização. Os gases à saída do reactor sob pressão alimentam uma turbina a gás (11), onde são queimados para geração de electricidade. Parte desta energia é consumida no próprio sistema para as necessidades do processo de pirólise. Existe também uma porta de acesso ao reactor, através do recipiente de pressurização exterior, dimensionada com lOOOmm de altura e 500mm de largura. Esta é devidamente vedada para eliminar quaisquer fugas.The reactor (1) is placed inside a pressurized container (16) whose dimensions depend on those of the reactor. The wall thickness of the pressure vessel is 10 mm. The pressurization of the container is done using nitrogen gas in the start-up phase and in the final end-of-operation phase. An industrial compressor (13) is used to feed the pyrolysis gases to the reactor for pressurization. The gases leaving the reactor under pressure feed a gas turbine (11), where they are burned to generate electricity. Part of this energy is consumed in the system itself for the needs of the pyrolysis process. There is also an access door to the reactor, through the outer pressurization container, dimensioned 100mm high and 500mm wide. This is properly sealed to eliminate any leaks.
No interior do reactor são colocados dois termopares e é colocado outro à saída do reactor. Além disso são colocadas sondas para tomadas de pressão em vários pontos, tendo-se em vista a monitorização das variações de pressão.Two thermocouples are placed inside the reactor and another one is placed at the outlet of the reactor. In addition, probes are placed for pressure taps at various points, with a view to monitoring pressure variations.
A alimentação dos plásticos faz-se a partir de um silo (9) colocado no topo do reactor, cujas partículas sólidas caiem no seu interior por acção da gravidade. O sistema de alimentação é do tipo de válvula rotativa (8) e o silo é pressurizado a fim de compensar a atmosfera existente no interior do reactor. A conduta de alimentação (7) é arrefecida a água evitando o processo de pirólise durante a descida dos sólidos. O comprimento deste tubo depende da altura doThe plastics are fed from a silo (9) placed on top of the reactor, whose solid particles fall into it by gravity. The supply system is of the rotary valve type (8) and the silo is pressurized in order to compensate for the atmosphere inside the reactor. The supply line (7) is water-cooled, avoiding the pyrolysis process during the descent of the solids. The length of this tube depends on the height of the
reactor de pirólise, posicionando-se o seu terminal a 200mm acima dos tubos quentes colocados no interior do reactor. O tubo de alimentação (7) έ mais largo no seu terminal para proporcionar uma distribuição uniforme de matéria plástica através da sua secção transversal.pyrolysis reactor, positioning its terminal 200mm above the hot tubes placed inside the reactor. The feed tube (7) is wider at its terminal to provide a uniform distribution of plastics through its cross section.
Existe uma câmara de combustão para os gases (3), extema, a qual é ligada ao reactor de pirólise, aonde os gases produzidos durante a pirólise dos plásticos sào queimados fornecendo o calor necessário ao processo. Os gases quentes que saem da câmara de combustão passam através dos tubos do permutador de calor (2) colocados no interior do reactor de pirólise a uma altura do fundo entre 0,5 e l,5m. O número de tubos depende da capacidade do reactor e encontram-se colocados ao longo da menor distância da secção transversal de forma rectangular. Existem 8 filas de tubos com diâmetro externo de 15mm. Os tubos são espaçados uns dos outros de uma distância de 125mm. A temperatura dos gases quentes é controlada por forma a garantir que o valor requerido seja efectivamente assegurado para que as reacções ocorram. A câmara de combustão tem paredes em material refractário e é envolvida por uma coberta constituída em aço macio, cuja parede tem uma espessura de 2mm. Esta cobertura é ainda isolada termicamente no seu exterior, usando-se fibra cerâmica. Existem pontos de alimentação adicionais para admissão de ar fresco, o que é usado para controlar a temperatura no interior dos tubos que atravessam o reactor. O queimador (14) é instalado na extremidade da câmara de combustão e a sua potência depende do calor necessário fornecer ao reactor de pirólise.There is a combustion chamber for the gases (3), extreme, which is connected to the pyrolysis reactor, where the gases produced during the pyrolysis of the plastics are burned providing the heat necessary for the process. The hot gases leaving the combustion chamber pass through the tubes of the heat exchanger (2) placed inside the pyrolysis reactor at a bottom height between 0.5 and 1.5 m. The number of tubes depends on the capacity of the reactor and are placed along the shortest distance from the cross section in a rectangular shape. There are 8 rows of tubes with an outside diameter of 15mm. The tubes are spaced 125 mm apart. The temperature of the hot gases is controlled to ensure that the required value is effectively ensured for the reactions to take place. The combustion chamber has refractory walls and is surrounded by a cover made of mild steel, whose wall has a thickness of 2mm. This cover is still thermally insulated on the outside, using ceramic fiber. There are additional supply points for intake of fresh air, which is used to control the temperature inside the tubes that pass through the reactor. The burner (14) is installed at the end of the combustion chamber and its power depends on the heat required to supply the pyrolysis reactor.
O calor necessário ao estabelecimento das reacções de pirólise é fornecido através das superfícies de permuta do permutador de calor (2) que se oferecem com os tubos colocados no interior do reactor a uma altura de 0,5m a l,5m do fundo do mesmo. O número de tubos depende da capacidade do reactor e são posicionados ao longo da menor distância da secção transversal rectangular / /The heat necessary for the establishment of the pyrolysis reactions is provided through the exchange surfaces of the heat exchanger (2) offered with the tubes placed inside the reactor at a height of 0.5m to 1.5m from the bottom of the reactor. The number of tubes depends on the capacity of the reactor and are positioned along the shortest distance from the rectangular cross section / /
do reactor. Conforme se referiu existem 8 filas de tubos com um diâmetro exterior de 15mm. Os tubos são espaçados entre si de uma distância de 125mm.the reactor. As mentioned, there are 8 rows of tubes with an outer diameter of 15mm. The tubes are spaced 125 mm apart.
A alimentação dos plásticos é garantida por um silo para armazenagem (9) diária dos plásticos cuja dimensão depende da capacidade de alimentação que se requer para o reactor de pirólise. O silo é construído em aço macio de lOmm de espessura de forma a aguentar pressões da ordem dos 10 bar. E incorporado um sistema de agitação por forma a evitar a acumulação de partículas nas paredes e garantir a sua saída de forma o mais eficaz possível. As paredes do lado do fundo do silo são bastante inclinadas de forma a promover a descarga. No topo do silo existe uma abertura para alimentação, de forma circular, com um diâmetro de 250 mm. A abertura é flangeada para evitar fugas.The plastics are fed by a silo for daily storage (9) of plastics, the size of which depends on the feed capacity required for the pyrolysis reactor. The silo is constructed of 10 mm thick mild steel in order to withstand pressures of around 10 bar. A stirring system is incorporated in order to avoid the accumulation of particles on the walls and to guarantee their exit as efficiently as possible. The walls on the bottom side of the silo are very inclined in order to promote the discharge. At the top of the silo there is an opening for feeding, circular in shape, with a diameter of 250 mm. The opening is flanged to prevent leakage.
O enchimento dos silos faz-se usando um sistema com baldes, o qual alimenta a matéria plástica pelo seu topo.The filling of the silos is done using a system with buckets, which feeds the plastic material through its top.
Do lado do fundo do silo é incorporada válvula rotativa (8) para controlo da velocidade de descarga do silo para o reactor.On the bottom side of the silo, a rotary valve (8) is incorporated to control the speed of discharge from the silo to the reactor.
O arranque do reactor de pirólise é levado a cabo aquecendo o sistema de permuta de calor (2) até uma temperatura de 600°C, através do fluxo de gases quentes no interior dos tubos do permutador. A combustão no arranque é feita usando gás propano, o qual é fornecido a um queimador existente em stand-by só para o período de arranque. Assim que se atinja o valor de temperatura previamente estipulado, dá-se o corte da alimentação do propano, procedendo-se ao arranque do queimador que usa os gases produtos da pirólise. A potência térmica do queimador a propano é a mesma do queimador que usa como combustível os gases da pirólise.The start of the pyrolysis reactor is carried out by heating the heat exchange system (2) to a temperature of 600 ° C, through the flow of hot gases inside the tubes of the exchanger. Combustion at start-up is done using propane gas, which is supplied to an existing burner on stand-by only for the start-up period. As soon as the temperature value previously set is reached, the propane supply is cut off, proceeding to the start of the burner that uses the pyrolysis gases. The thermal power of the propane burner is the same as that of the burner that uses pyrolysis gases as fuel.
Os produtos líquidos formados fluem, por efeito da gravidade, para o fundo do reactor. Estes são removidos do reactor em intervalos de 2 minutos por um sistema de extracção de líquidos. No tubo de remoção dos líquidos existem duas válvulas de regulação da velocidade de escoamento (17). O espaçamento entre as duas válvulas é também utilizado para despressurização dos líquidos: Os produtos líquidos fluem a seguir para um permutador de calor (4) (6), onde são arrefecidos até à temperatura ambiente. No interior do permutador de calor é incorporado um sistema de agitação dos líquidos (5) por forma a evitar a ocorrência de sedimentação.The liquid products formed flow by gravity to the bottom of the reactor. These are removed from the reactor at 2 minute intervals by a liquid extraction system. In the liquid removal tube there are two flow rate adjustment valves (17). The spacing between the two valves is also used to depressurize liquids: The liquid products then flow into a heat exchanger (4) (6), where they are cooled to room temperature. A liquid agitation system (5) is incorporated inside the heat exchanger in order to prevent sedimentation.
E utilizado um sistema de insuflação de gases (12) para a circulação dos gases libertados durante as reacções de pirólise, parte para ser queimado e parte para ser mantido no reactor para pressurização. O sistema consiste fundamentalmente de um ventilador do tipo centrífugo resistente a temperaturas até 300°C.A gas insufflation system (12) is used to circulate the gases released during pyrolysis reactions, part to be burned and part to be kept in the reactor for pressurization. The system essentially consists of a centrifugal fan resistant to temperatures up to 300 ° C.
Para manter o gás à pressão é utilizado um compressor (13). Este equipamento é usado para pressurizar o gás à pressão para ocorrência das reacções. A pressão máxima de operação é de 10 bar.To keep the gas under pressure, a compressor (13) is used. This equipment is used to pressurize the gas under pressure for reactions to occur. The maximum operating pressure is 10 bar.
O sistema de controlo de operações permite ao reactor funcionar com controlo remoto, levando a uma operação automatizada com um mínimo de supervisão. Os parâmetros principais para controlo do processo são: a temperatura, a pressão, o caudal de alimentação dos plásticos e o tempo de residência dos produtos líquidos no reactor.The operations control system allows the reactor to operate with remote control, leading to an automated operation with a minimum of supervision. The main parameters for process control are: temperature, pressure, flow rate for plastics and the residence time of liquid products in the reactor.
O sistema de alimentação dos plásticos é motorizado com velocidade variável e as variações de velocidade do motor determinam o caudal dos plásticos, sendo permanentemente alvo do registo.The plastics feeding system is motorized with variable speed and the engine speed variations determine the flow rate of the plastics, being permanently registered.
-90 silo apoia-se numa célula de carga que determina o seu peso em qualquer momento e está equipado com um sistema de alarme que funciona quando o peso total dos plásticos dentro do silo desce abaixo do necessário para 5 horas de fornecimento ao reactor.-90 silo is supported on a load cell that determines its weight at any time and is equipped with an alarm system that works when the total weight of the plastics inside the silo drops below the necessary for 5 hours of supply to the reactor.
Todas as variáveis do processo alimentam um sistema de aquisição de dados. Este sistema, ligado a um computador, tem entradas analógicas e digitais e uma saída digital. O software é concebido de maneira a permitir que o processo seja permanentemente monitorizado através do computador.All process variables feed into a data acquisition system. This system, connected to a computer, has analog and digital inputs and a digital output. The software is designed to allow the process to be permanently monitored through the computer.
Como será evidente aos peritos da técnica são possíveis alterações de pormenor na concepção geral que se acabou de descrever. Estas alterações deverão contudo ser consideradas dentro do espírito das seguintes reivindicações.As will be apparent to those skilled in the art, changes in detail are possible in the general design just described. These changes should however be considered in the spirit of the following claims.
Lisboa, 6 de Fevereiro de 1996Lisbon, 6 February 1996
ROSÁRI.ÇfCRUZ GARCIA Agente Oíicfel da Propriedade IndustrialROSÁRI.ÇfCRUZ GARCIA Oíicfel Industrial Property Agent
RUA,.A/ICTOR CORDON, 14 /, 1200 LISBOARUA, .A / ICTOR CORDON, 14 /, 1200 LISBON
Claims (14)
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