TWI447101B - Method for the production of bisphenol A - Google Patents
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Description
本發明係有關具有異構化反應步驟之雙酚A〔2,2-雙(4-羥苯基)丙烷〕之製造方法,更詳細者係有關可延長異構化反應觸媒之壽命,有效製造雙酚A之方法。
雙酚A係做為環氧樹脂或聚碳酸酯樹脂原料之重要的化合物,近年來其用途及需求增大。
雙酚A通常使過剩量之苯酚與丙酮於酸性觸媒之存在下經由縮合反應取得,使反應混合物之濃縮液藉由冷卻後,使雙酚A與苯酚之加成物進行晶析後,該加成物與母液分離後,使該加成物(Adduct)經由分解所製造之。
使該雙酚A與苯酚之加成物進行晶析時取得之母液中,除雙酚A之外,含始於2-(2-羥苯基)-2-(4-羥苯基)丙烷(以下稱o,p’-體)之多數往p,p’-體可異構化之成份,因此,為提高製品雙酚A取得率中,使此等可異構化之成份經往p,p’-體進行異構化後進行回收者極為重要。此異構化處理時,一般使用磺酸型陽離子交換樹脂為觸媒,惟此觸媒之劣化速度大導致觸媒交換頻率變多,降低雙酚A製造裝置之運作率。
針對苯酚與丙酮縮合反應混合物之雙酚A與苯酚之加成物經晶析分離後之母液異構化處理如將磺酸型陽離子交換樹脂以苯酚類等洗淨後進行使用之方法(專利文獻1)、於反應初期使水共存之方法(專利文獻2),使部份該母液進行異構化處理後,於縮合反應步驟、濃縮步驟等進行再循環之方法(專利文獻3)、使該母液總量經異構化處理後,使一部份異構化處理液進行縮合反應步驟,於濃縮步驟、晶析.固液分離步驟中進行循環後,由異構化處理液回收雙酚A、苯酚之方法(專利文獻4)等公知者。
惟,目前當未針對可延長做為觸媒使用之磺酸型陽離子交換樹脂之壽命進行發表文獻。
專利文獻1:特開昭62-201833號公報專利文獻2:特開平5-339187號公報專利文獻3:特開平8-333290號公報專利文獻4:特開2004-359594號公報
本發明目的係為提供一種如上述狀況下,於具有異構化反應步驟之雙酚A製造方法中可延長異構化反應觸媒之壽命,有效製造雙酚A之方法。
本發明者為解決上述課題,進行精密之研討後結果發現,藉由控制含有接觸於異構化反應觸媒之雙(羥苯基)丙烷類之液體的水份濃度後,可延長異構化反應觸媒之壽命,商業生產裝置中可連續運轉2年至3年,可有效製造取得聯苯酚,進而完成本發明。
亦即,本發明為提供以下之雙酚A製造方法。
1.於使含有雙(羥基苯基)丙烷類之液體與強酸性陽離子交換樹脂接觸後,使雙酚A〔2,2-雙(4-羥基苯基)丙烷〕以外之雙(羥基苯基)丙烷類於異構化成雙酚A時,其特徵係使該含有雙(羥基苯基)丙烷類液體之水份濃度為0.2~0.9質量%之雙酚A的製造方法。
2.具有(A)使過剩量之苯酚與丙酮於酸性觸媒之存在下,進行縮合反應之縮合反應步驟、(B)使於縮合反應步驟取得之反應混合物進行濃縮之濃縮步驟、(C)使於濃縮步驟取得之濃縮液經由冷卻後,使雙酚A與苯酚之加成物進行晶析,該加成物與母液分離之晶析.固液分離步驟、(D)使於晶析.固液分離步驟取得之母液總量與強酸性陽離子交換樹脂接觸後,使雙酚A以外之雙(羥基苯基)丙烷類於異構化成雙酚A之異構化步驟、(E)使部份異構化處理液於(A)縮合反應步驟、(B)濃縮步驟及(C)晶析.固液分離步驟之至少任一步驟中再循環,同時由部份異構化處理液回收雙酚A與苯酚回收之異構化處理液的回收步驟、(F)由雙酚A與苯酚之加成物去除苯酚,回收雙酚A之加成分解步驟及(G)使於加成分解步驟取得之雙酚A進行造粒化之造粒步驟,該(D)異構化步驟中使母液之水份濃度為0.2~0.9質量%之上述1之雙酚A的製造方法。
3.(C)晶析.固液分離步驟中,藉由添加水之真空蒸發晶析進行冷卻之上述2之雙酚A製造方法。
本發明雙酚A之製造方法中,使來自苯酚與丙酮之縮合反應混合物之雙酚A與苯酚之加成物經由晶析分離後,藉由控制供應於異構化反應觸媒之母液的水份濃度後,可延長異構化反應觸媒之壽命,可於商業生產裝置中連續運轉2年至3年,可有效製造聯苯酚。又,藉由此,可削減被廢棄之觸媒處理量,可使觸媒安全廢棄故具有可削減所產生大量苯酚廢水之理想環境。
本發明之雙酚A製造方法之特徵係使含有雙(羥基苯基)丙烷類之液體與強酸性陽離子交換樹脂接觸後,使雙酚A以外之雙(羥基苯基)丙烷類於雙酚A進行異構化時,使該含雙(羥基苯基)丙烷類液體之水份濃度為0.2~0.9質量%。具體而言,係經由以下之(A)縮合反應步驟、(B)濃縮步驟、(C)晶析.固液分離步驟、(D)異構化步驟、(E)異構化處理液之回收步驟、(F)加成分解步驟及(G)造粒步驟後製造雙酚A。接著針對各步驟進行詳細說明。
縮合反應步驟係於酸性觸媒之存在下,使苯酚與丙酮進行縮合反應之步驟。原料之苯酚與丙酮係於化學量論以過剩之苯酚進行反應。苯酚/丙酮之莫耳比一般由3~30、較佳者為5~20。反應溫度一般為50~100℃、反應壓力為常壓~1.5MPa、較佳者為常壓~0.6MPa。做為觸媒者,一般使用磺酸型等之強酸性陽離子交換樹脂。更可使用使部份強酸性陽離子交換樹脂觸媒藉由氫硫基烷胺等之助觸媒所中和之觸媒。如於2-氫硫基乙胺、3-氫硫基丙胺、N,N-二甲基-3-氫硫基丙胺、N,N-二-n-丁基-4-氫硫基丁胺、2,2-二甲基噻唑烷等下使磺酸基之5~30莫耳%被中和之例。苯酚與丙酮之縮合反應係以連續方式,且擠壓流動方式之固定床流通方式、或懸浮床間歇式下進行之。固定床流通方式時,於反應器所供應之原料液的液空間速度為0.2~50hr-1
。又,於懸浮床間歇式進行時,依反應溫度、反應壓力而異,一般對於該原料液而言,為20~100質量%之樹脂觸媒量,處理時間為0.5~5小時。
濃縮步驟係使縮合反應步驟取得之反應混合物進行濃縮之步驟。由縮合反應步驟之反應混合物一般以2階段之步驟下進行濃縮。第1濃縮步驟中,藉由減壓蒸餾等方法去除未反應丙酮、反應生成水等。減壓蒸餾通常於30~180℃之溫度、13~67kPa之壓力下進行之。接著於第2濃縮步驟中,餾去苯酚,調整雙酚A之濃縮。此時雙酚A之濃度為20~60質量%者宜。當雙酚A之濃度為20質量%以上則收率提昇,反之,60質量%以下則降低固化溫度而易於輸送。因此,通常於第1濃縮步驟中預先使反應混合液濃縮後,調整呈上述濃度。此第2濃縮步驟通常於壓力4~40kPa、溫度70~l40℃之條件下進行者宜。
晶析.固液分離步驟係藉由冷卻其濃縮步驟取得之濃縮液後,使雙酚A與苯酚之加成物進行晶析,該加成物與母液分離之步驟。來自濃縮步驟之濃縮液通常由70~140℃冷卻至35~60℃,使雙酚A與苯酚之加成物(adduct)進行晶析後,呈漿料狀。此冷卻係藉由於外部熱交換器、晶析器中加水之蒸發後之除熱的真空蒸發晶析後進行之。
接著,漿料狀的液體被固液分離。於此晶析.固液分離步驟所得之母液因含有反應生成水,一般導入脫水塔。惟,此部份含水母液亦可於晶析器進行循環。脫水後之母液組成多半含有苯酚:65~85質量%、雙酚A:10~20質量%、2,4’-異構體等副產物:5~15質量%、2,4’-異構體等雜質。此母液於本發明中以異構化處理步驟被處理之。
經由固液分離所回收之加成物送入(F)加成分解步驟,去除苯酚後,取得高純度之雙酚A。
因此,於固液分離器表面過濾後所堆積之加成物為主成份之固體成份係藉由洗淨液進行洗淨。做為洗淨液者除使用蒸發回收之苯酚、原料苯酚、水、水-苯酚混合液之外,亦使用與雙酚A之飽和苯酚溶液相同者。所使用洗淨液之量較多者,由洗淨效果面觀之為較理想。而,由其結晶再溶解流失、洗淨液之循環、回收,再使用之觀點視之,有其上限量,一般以質量基準計,其結晶量之0.1~10倍為效率最佳。
另外,於晶析.固液分離後使結晶再行溶解後,重覆進行再度晶析與固液分離亦可。使此晶析與分離以多階段重覆進行後,滲入加成結晶內之雜質將漸次減少。
此時,以再溶解之溶解液及固液分離取得之加成物做為主成份之固體成份洗淨液者除使用蒸發回收之苯酚、原料苯酚、水、水-苯酚混合液之外,與雙酚A之飽和苯酚溶液相同者可於各階段使用。又,再度晶析與固液分離取得之母液亦可於前段之晶析步驟中進行再循環。
做為固液分離中所使用之固液分離器者只要一般常被使用者即可,並未特別限定,如使用帶式濾器、圓筒濾器、塔濾器、離心分離器等。
異構化步驟係使於晶析.固液分離步驟所得之母液與強酸性陽離子交換樹脂接觸後,將雙酚A以外之雙(羥基苯基)丙烷類異構化成雙酚A之步驟。
又,做為異構化處理方法者如:(D1)專利文獻4所載使晶析.固液分離步驟所得之母液總量以異構化步驟進行處理後,使部份異構化處理液於(A)縮合反應步驟、(B)濃縮步驟及(C)晶析.固液分離步驟之至少任一步驟中再循環,同時使由來自殘留異構化處理液之雙酚A、苯酚之回收方法、與(D2)專利文獻3所載之使晶析.固液分離步驟所得之部份母液於異構化步驟進行處理後,於(A)縮合反應步驟、(C)晶析.固液分離步驟中進行再循環,由殘留母液之苯酚進行回收之方法。本發明中可任意使用(D1)、(D2)之方法,而,(D1)之方法,使母液總量於異構化步驟進行處理時可有效進行異構化、回收多量的雙酚A,因此(D1)之方法為較佳。
做為含於晶析.固液分離步驟取得之母液中之雙酚A以外之雙(羥基苯基)丙烷類者如:雙(羥基苯基)丙烷之o,p’-體之外,2-(2-羥基苯基)-2-(3-羥基苯基)丙烷(o,m’-體);2-(2-羥基苯基)-2-(2-羥基苯基)丙烷(o,o’-體);2-(3-羥基苯基)-2-(3-羥基苯基)丙烷(m,m’-體);2-(3-羥基苯基)-2-(4-羥基苯基)丙烷(m,p’-體);三苯酚類等例。
本發明中,做為與強酸性陽離子交換樹脂接觸之雙(羥基苯基)丙烷類之母液者可直接使用使由苯酚與丙酮縮合取得之反應混合物之雙酚A與苯酚之加成物進行晶析分離之母液,而亦可使用將洗淨晶析分離之加成物取得之苯酚洗淨液加入該母液者,另外,亦可使用加入苯酚於該母液、餾去苯酚後濃度經調整之母液。
針對本發明異構化反應中所使用之磺酸型陽離子交換樹脂,只要具有磺酸基之強酸性陽離子交換樹脂即可,未特別限定,一般如:磺化苯乙烯、二乙烯苯共聚物、磺化交聯苯乙烯聚合物、苯酚甲醛-磺酸樹脂,苯甲醛-磺酸樹脂等例。此等可單獨使用,亦可組合2種併用之。
做為異構化反應觸媒者更可使用使部份強酸性陽離子交換樹脂觸媒藉由氫硫烷胺等之助觸媒所中和之觸媒。如:2-氫硫基乙胺、3-氫硫基丙胺、N,N-二甲基-3-氫硫基丙胺、N,N-二-n-丁基-4-氫硫基丁胺、2,2-二甲基噻唑烷等使磺酸基之5~30莫耳%被中和者之例。
如前述之濃縮步驟取得濃縮液之冷卻係藉由於外部熱交換器、晶析器中加水蒸發後除熱之真空蒸發晶析進行之,而蒸發熱可有效利用,因此適用於加水之真空蒸發晶析。
藉由加水之真空冷卻晶析法進行晶析操作時,母液中殘留水為3~8質量%。因此,一般進行母液中水的脫水處理。
做為調整母液中水濃度之理想的脫水方法者如:減壓下之蒸發器或填充物所填充之蒸餾塔(以下稱脫水塔)之例。
脫水塔時,於塔頂餾出水與苯酚,於塔底取出調整水濃度之母液。以再沸器熱媒調整塔底溫度後,進行調整塔底母液中之水濃度。
另外,複數次進行晶析.固液分離操作時,第2次以後之母液中所殘留2,4-異構體等雜質變少,因此第2次以後之母液未供應於異構化反應器,於(A)縮合反應步驟,(B)濃縮步驟及(C)前段之晶析步驟(第1次之晶析槽等)之至少任一步驟中進行再循環者宜。縮合反應步驟中進行再循環時之母液中水濃度考量其縮合觸媒之活性,以0.01~0.1質量%為宜。此晶析操作以真空蒸發晶析法進行時,以相同於上述之脫水方法,達成此水濃度。
由晶析.分離步驟送入脫水步驟之母液亦可以預熱器進行預熱後,供應於脫水塔。又,由複數次加水真空蒸發晶析步驟所送入之母液以於不同之脫水塔,相同減壓條件下進行處理者宜。只要相同減壓條件下,使脫水塔之塔底溫度於個別之再沸器熱媒體進行調整,同時由分別脫水塔於塔頂流出之苯酚與水可於一個凝縮器進行凝縮,因凝縮水可做為真空蒸發晶析之添加水再行利用。
異構化步驟以於填充強酸性陽離子交換樹脂之固定床反應器(異構化反應器)中使母液藉由供應於順流後進行者宜。做為強酸性陽離子交換樹脂者如上述可使用磺酸型陽離子交換樹脂,異構化反應溫度以60~100℃者宜,更佳者為70~80℃。60℃以上則可避免母液中雙酚A之固化,100℃以下則可回避由磺酸觸媒之脫離,經由雙酚A酸分解後導致製品品質惡化之問題。
固定床異構化反應器時液空間速度(LHSV)一般為0.1~10hr-1
者宜、更佳者為0.2~1.0hr-1
。將LHSV做成0.1hr-1
以上則副產物量變少,反之10hr-1
以下則可取得高度轉化率。
本發明之供應於上述異構化反應器之母液中水濃度以0.2~0.9質量%者宜,較佳者為0.3~0.5質量%。若0.9質量%以下則可維持異構化觸媒之高活性。又,使水濃度做成0.2質量%以上則觸媒之離子交換樹脂於水中膨脹而使樹脂中細孔變大,不易因重質雜質而阻塞,降低觸媒劣化速度延長觸媒壽命,使觸媒交換頻率減少。
商業裝置中,異構化反應器之觸媒劣化開始後,雜質被濃縮,製品品質惡化。因此,為維持製品品質,降低運作率後,持續運轉、或停止裝置進行觸媒交換。亦即,異構化反應器觸媒之高壽命化具有不降低運作率,可穩定持續運轉之效果,可使觸媒交換時期與製造裝置之停止.總點檢時期一致之優點。又,所廢棄之觸媒(商業裝置中通常30~100m3
)之處理量被削減為達成安全廢棄觸媒之目的以大量水洗淨附著於觸媒之苯酚時,可減少所產生苯酚廢水(通常300~1000m3
)具有保護環境之效果。
此異構化反應器之觸媒劣化可藉由下示之2,4-異構體轉化率評定。於商業裝置中做為經濟面指標者於此2,4-異構體轉化率為30%時進行觸媒交換者宜。
又,2,4-異構體轉化率係指以{(反應器入口之2,4-異構體濃度)-(反應器出口之2,4-異構體濃度)}÷(反應器入口之2,4-異構體濃度)所計算之值。
供應於異構化反應器之母液中水濃度係可於脫水塔之運轉溫度進行調整,亦可藉由加水進行調整。
異構化處理液係於(A)縮合反應步驟、(B)濃縮步驟、(C)晶析.固液分離步驟之任一步驟中進行循環後,回收苯酚A。
前述(D1)之流動時,以異構化步驟處理於晶析.固液分離步驟所得母液之總量後,使部份異構化處理液於(A)縮合反應步驟、(B)濃縮步驟及(C)晶析.固液分離步驟之至少任一步驟中再循環後,殘留的異構化處理液為防止雜質的蓄積而進行流動,由該異構化處理液使雙酚A、苯酚進行回收。
由異構化步驟送入之流動液中含有15~20質量%之雙酚A、5~10質量%之2,4-異構體等雜質,殘留物為苯酚。
此流動液濃縮後藉由冷卻使雙酚A與苯酚之加成物(Adduct)進行晶析.固液分離後,該加成物熔融後,於濃縮步驟及/或晶析.固液分離步驟中進行再循環。固液分離後之母液使苯酚回收後,做成焦油處理之。
被吹煉之異構化處理液之濃縮一般於3~10kPa之壓力下,90~130℃之溫度經由蒸餾後進行之,其苯酚被回收。
取得濃縮液經冷卻後,使雙酚A與苯酚之加成物(Adduct)進行晶析.固液分離後,於濃縮步驟等進行再循環。幾乎相同之蒸餾進行回收由固液分離後之母液中之苯酚,所回收之苯酚做為固液分離步驟之潤濕液、縮合反應之原料再行利用。
加成物分解步驟係由雙酚A與苯酚之加成物去除苯酚,使雙酚A回收之步驟。藉由固液分離所回收之加成物係於加成物分解步驟中去除苯酚後,取得高純度之雙酚A。
亦即,使該加成物(Adduct)於100~160℃下藉由加熱熔融後,使雙酚A與苯酚進行分解,由此熔解液經由蒸發罐等去除大部分之苯酚,更藉由蒸氣剝離法去除殘留的苯酚,取得雙酚A之熔解物。
造粒步驟係使於加成物分解步驟取得之熔解雙酚A進行造粒後使製品雙酚A進行分離之步驟。噴霧造粒時,加成物分解取得之雙酚A熔解物通常往造粒塔之塔頂進行送液,由設定於塔頂所設置之噴嘴板之多數孔進行噴霧。被噴霧的熔解液由造粒塔之塔底經由上昇之循環氣體被冷卻,由塔底取出被稱為金屬小球之粒子狀固體,做成製品雙酚A金屬小球。
又,做為另一造粒方法者,供應於冷卻熔融雙酚A之旋轉滾筒,取得碎片狀之製品雙酚A之方法。
以下,藉由實施例進行本發明方法之具體說明,惟本發明並未受限於以下實施例。
又,以下實施例中,2,4-異構體之轉化率為{(反應器入口之2,4-異構體濃度)-(反應器出口之2,4-異構體濃度)}÷(反應器入口之2,4-異構體濃度)所算出之值。
又,異構化觸媒之交換時期其2,4-異構化之轉化率為30%時,對於於接觸異構化觸媒之母液中幾乎未含水份時之比較例1之異構化觸媒之交換時期(觸媒壽命)之比率為觸媒壽命比。
將陽離子交換樹脂〔三菱化學(股份)製、「diaion SK104H」〕之磺酸基於以2-氫硫基乙胺填充20莫耳%部份中和之固定床反應塔中使莫耳比10:1之苯酚與丙酮連續以LHSV 3hr-1
進行通液,於75℃下進行縮合反應。
由取得之反應混合液以塔底溫度170℃、壓力67kPa之條件下藉由減壓蒸餾去除丙酮、水等,更於溫度130℃、壓力14kPa之條件下進行減壓蒸餾,餾去苯酚,其雙酚A濃度濃縮至呈40質量%為止,取得苯酚.雙酚A溶液。
接著,於此雙酚A濃度為40質量%之苯酚.雙酚A溶液中加入水,減壓下於50℃保持冷卻後,使雙酚A.苯酚之加成物(Adduct)進行晶析後取得漿料溶液。
利用填充預先以苯酚膨潤之磺酸型陽離子交換樹脂(三菱化學(股份)製diaion SK-104H)之固定床(直徑1.3cm、高度64cm)做為異構化反應器,又,利用由做為原料液之經由上述取得漿料溶液所晶析之雙酚A.苯酚加成物(Adduct)經過濾取得之母液,進行異構化反應。
該母液於30kPa減壓下進行蒸餾調整水份。此母液之組成為雙酚A:11.0質量%、2,4-異構體:4.0質量%、其他雜質:3.0質量%、水份:0.40質量%、殘留者為苯酚。此母液於常壓下、75℃、LHSV=1hr-1
之條件下於異構化反應器進行通液,使生成物以經時性進行分析。
各反應時間之2,4-異構體轉化率之測定結果如第1表所示,反應時間為8,000小時,2,4-異構體轉化率為30%、觸媒壽命比為2.29。由此做成LHSV=0.3hr-1
之商業裝置中,其2,4-異構體轉化率呈30%之時間為24000小時,證明可連續運轉3年。
除調整實施例1之雙酚A.苯酚加成物(Adduct)經過濾取得母液之水份為0.80質量%之外,與實施例1同法操作。各反應時間之2,4-異構體轉化率之測定結果如第1表所示。反應時間為8,000小時,2,4-異構體轉化率為30%、觸媒壽命比為2.29。由此做為LHSV=0.3hr-1
之商業裝置中,2,4-異構體轉化率呈30%之時間為24000小時,證明可連續運轉3年。
除使實施例1之雙酚A.苯酚加成物(Adduct)經過濾取得母液之水份調整為0.03質量%之外,與實施例1同法操作。各500小時之2,4-異構體轉化率之測定結果如第1表所示。反應時間3500小時之2,4-異構體轉化率為30%、呈異構化觸媒之交換時期(觸媒壽命)。由此做為LHSV=0.3hr-1
之商業裝置中,2,4-異構體轉化率呈30%之時間為9000小時,證明不可能連續運轉2年以上。
使實施例1之雙酚A.苯酚加成物(Adduct)經過濾取得母液之水份調整為1.50質量%之外,與實施例1同法操作。各反應時間之2,4-異構體轉化率測定結果如第1表所示。反應時間200小時之2,4-異構體轉化率為30%,呈異構化觸媒之交換時期(觸媒壽命)。由此做為LHSV=0.3hr-1
之商業裝置中,2,4-異構體轉化率呈30%之時間為500小時,判定商業裝置之運作條件中為無法使用之性能。
本發明雙酚A之製造方法中,由苯酚與丙酮之縮合反應混合物使雙酚A與苯酚之加成物進行晶析分離後,藉由控制供應於異構化反應觸媒母液之水份濃度,可延長異構化反應觸媒之壽命,可有效製造聯苯酚。且減少所廢棄觸媒之處理量。
Claims (2)
- 一種雙酚A的製造方法,其特徵係具有(A)使過剩量之苯酚與丙酮於酸性觸媒之存在下,進行縮合反應之縮合反應步驟、(B)使於縮合反應步驟取得之反應混合物進行濃縮之濃縮步驟、(C)使於濃縮步驟取得之濃縮液經由冷卻後,使雙酚A與苯酚之加成物進行晶析,分離該加成物與母液之晶析‧固液分離步驟、(D)使於晶析‧固液分離步驟取得之母液總量與強酸性陽離子交換樹脂接觸後,使雙酚A以外之雙(羥基苯基)丙烷類異構化成雙酚A之異構化步驟、(E)使部份異構化處理液於(A)縮合反應步驟、(B)濃縮步驟及(C)晶析‧固液分離步驟之至少任一步驟中再循環,同時使由部份異構化處理液回收雙酚A與苯酚之異構化處理液的回收步驟、(F)由雙酚A與苯酚之加成物去除苯酚,回收雙酚A之加成分解步驟及(G)使於加成分解步驟取得之雙酚A進行造粒化之造粒步驟,且該(D)異構化步驟中使母液之水份濃度為0.2~0.9質量%。
- 如申請專利範圍第1項之雙酚A的製造方法,其(C)晶析‧固液分離步驟中,藉由添加水之真空蒸發晶析進行冷卻。
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