石油學(xué)報(石油加工)2010年2月ACTA PETROLEI SINICA (PETROLEUM PROCESSING SECTION)第26卷第1期文章編號: 1001-8719(2010)01-0067-06爐管壁面熱通量對裂解反應(yīng)影響的數(shù)值模擬張照，賈志剛(北京化工大學(xué)化學(xué)工程學(xué)院，北京100292)摘要:利用計算流體力學(xué)軟件Fluent 模擬了KTI裂解爐單根GK-V型爐管內(nèi)的流動、傳熱和化學(xué)反應(yīng)，并將計算結(jié)果與工業(yè)數(shù)據(jù)對比，驗證了模型的準(zhǔn)確性。研究發(fā)現(xiàn)，在沿裂解爐管長的軸向方向上，根據(jù)主導(dǎo)過程的不同，可以將爐管分為3段:傳熱段、一次反應(yīng)段和二次反應(yīng)段。計算結(jié)果表明，在其它模型參數(shù)不變的情況下，分別增加和減少壁面的熱通量，乙烯質(zhì)量分?jǐn)?shù)隨熱通量增加而升高，丙烯質(zhì)量分?jǐn)?shù)隨熱通量增加而降低。關(guān)鍵詞:乙烯;裂解爐;熱通最;計算流體力學(xué);數(shù)值模擬中圖分類號: TQ053文獻(xiàn)標(biāo)識碼: ANUMERICAL SIMULATION ON INFLUENCE OF HEAT FLUX THROUGH COILWALLS ON PYROLYSIS REACTIONSZHANG Zhao, JIA Zhigang(College of Chemical Engineering, Beijing University of Chemical Technology. Beijing 100029, China)Abstract: A numerical model of single coil of GK-V series in KTI ethylene cracking furnace wasdeveloped by taking account of an integrated process involving heat transfer, fluid mechanics andchemical reactions, by using a commercial computational fluid dynamics software, Fluent. Theprocess parameters calculated were in good agreement with industrial data. According to the result,the coil was divided into three parts, which were heat transfer part, alkanes reaction part, alkenesreaction part along with the coil length. By changing heat flux through coil walls, the mass fractionof ethylene rose and the mass fraction of propene fell with the heat flux increasing, withoutchanging other parameters of the model.Key words; ethylene; pyrolyzer; heat flux; computational fluid dynamics; numerical simulation乙烯裂解爐爐管內(nèi)的反應(yīng)是非常復(fù)雜的過程,達(dá)爐管壁面，再經(jīng)過壁面導(dǎo)熱來加熱裂解原料，所需要成千上萬個自由基反應(yīng)來描述”，同時，這些以爐管壁面的熱通量是影響管內(nèi)流動和反應(yīng)過程的化學(xué)反應(yīng)還受到管內(nèi)流動、傳熱過程的影響，通過主要因素，也是工業(yè)生產(chǎn)的重要參數(shù)。實驗方法很難對其預(yù)測和優(yōu)化。隨著計算機(jī)技術(shù)的沙利等[3建立的裂解爐管的二維模型中，以給發(fā)展，用數(shù)值模擬方法來研兗爐管內(nèi)的裂解過程成定的內(nèi)壁面溫度分布作為計算條件;藍(lán)興英等[]建為一種高效的手段。尤其是近年來商業(yè)的計算流體立的爐管的CFD模型中，壁面的熱邊界條件從爐力學(xué)(CFD)軟件興起，為三維爐管模型中化學(xué)反應(yīng)、管和爐膛的耦合計算中得到; Masoumia 等i6]在解流動和傳熱過程的耦合計算提供了工具2。決裂解爐的優(yōu)化問題時，涉及到了反應(yīng)管壁面溫度裂解反應(yīng)是吸熱反應(yīng)，所需的熱量由爐膛內(nèi)的分布的討論。但前人的研究注重模型的建立，未涉燃料燃燒供給。燃燒熱主要通過輻射傳熱的方式到及熱通量分布對裂解過程影響的研究。收稿日期: 2008-12-05通訊聯(lián)系人:賈志剛，Tel; 010-64412816; E mail: jazg@ mail. bucet. edu. cn石油學(xué)報(石油加工)第26卷基于上述情況，筆者建立了單根爐管的三維模模型的計算精度和復(fù)雜性介于經(jīng)驗?zāi)Ｐ秃妥杂苫葱停糜嬎懔黧w力學(xué)方法對管內(nèi)的流動、傳熱和應(yīng)模型之間，它利用經(jīng)驗數(shù)據(jù)對自由基反應(yīng)進(jìn)行了反應(yīng)過程進(jìn)行求解計算，分析了原料在不同熱通量大量的簡化，大大降低了計算量，但同時也使適用;的條件下，主要裂解產(chǎn)物的質(zhì)量分?jǐn)?shù)沿爐管軸向的分性降低，其中最具代表性的是王宗祥等[7-9])建立的布，并與工業(yè)數(shù)據(jù)對比，以驗證爐管模型的準(zhǔn)確性。反應(yīng)模型。由于計算流體力學(xué)軟件對反應(yīng)組分和反應(yīng)方程1單根爐管三維模型的建立個數(shù)的限制，筆者選用王宗祥等建立的分子反應(yīng)模1.1 幾何模型型作為裂解計算的動力學(xué)模型。.在GK-V型裂解爐中，有4組共32根爐管，.3 流體力學(xué)方程每組爐管的結(jié)構(gòu)和尺寸相同，每根爐管的結(jié)構(gòu)也相在裂解爐管內(nèi)，可以采用連續(xù)性方程、動量守同，可以選取其中1根作為研究對象，建立其物理恒方程來描述流體的流動過程;采用雷諾平均方法模型。在每組爐管的8根爐管中，只有2根爐管的的標(biāo)準(zhǔn)ke模型得到湍流的影響;采用能量守恒方各個部分長度相同。為了使計算數(shù)據(jù)具有代表性，程描述傳熱過程;當(dāng)有化學(xué)反應(yīng)存在時，加入組分.選取中等長度的爐管作為研究對象(見圖1)，參數(shù)方程來得到整個流場的組分質(zhì)量分?jǐn)?shù)分布。這些方見表1.程的微分守恒通用形式[10- 11如式(1)所示。尋(p)+ ? -(punφ) +二(uzq) +是(pusq)=E3“-Outlet pipe品(r,器)+是(r,器)+是(r,器)+s,(1)Inlet pipes-1.4 湍流與化學(xué)反應(yīng)的相互作用模型在裂解爐爐管內(nèi)，湍流與化學(xué)反應(yīng)之間有強(qiáng)烈的相互作用。一方面，反應(yīng)可以通過放(吸)熱引起~ Connection pipe密度的變化而影響湍流;另一方面，湍流可以通過質(zhì)量分?jǐn)?shù)及溫度脈動來強(qiáng)化組分的混合與傳熱，從圈1 GK-V 型裂解爐單根爐管的構(gòu)形而顯著地影響反應(yīng)速率[12]。Fig 1 lsometric view of the typical single coil inCK-V cracking furnace筆者結(jié)合王宗祥等建立的分子反應(yīng)模型的特點，采用Fluent提供的Finite rate/ Eddy-dissipation(有表1 GK-V 型裂解爐爐管的幾何尺寸限速率/渦流耗散)模型作為湍流反應(yīng)的相互作用模Table 1 Geometrical parameters of the typical single型。Finiterate是用Arrhenius方程來表征化學(xué)動coil in GK-V cracking furnace力學(xué)因素，對于一個反應(yīng)來說，其反應(yīng)速率由指前Length/mm Diameter/ mm Wall thickness/mm因子和活化能決定;用Eddy- dissipation模型來表Inlet pipe988066.0Outlet pipe1175836.5征反應(yīng)物及產(chǎn)物的湍動狀態(tài)和分子擴(kuò)散的影響。在Connection pipe93048具體計算過程中，取兩者中的較小值作為凈反應(yīng)速率來計算組分方程的源項[幻。由圖1可以看出，GK-V型裂解爐采用2-1型.2計算方法分支變徑爐管，原料由上部進(jìn)入2根細(xì)管，在底部合流，再進(jìn)入單根粗管進(jìn)- -步反應(yīng)。采用結(jié)構(gòu)網(wǎng)格與非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格相結(jié)合的方法，在1.2 反應(yīng)動力學(xué)模型Gambit軟件中將爐管的三維幾何空間離散，總網(wǎng)格裂解過程復(fù)雜的原因就在于裂解反應(yīng)的復(fù)雜性，數(shù)約70萬。為研究裂解反應(yīng)，需要建立反應(yīng)動力學(xué)模型。目前，利用Fluent商業(yè)軟件進(jìn)行求解計算。所有組分國內(nèi)外的研究者建立的反應(yīng)模型主要有經(jīng)驗?zāi)Ｐ?、的熱力學(xué)參數(shù)及傳遞系數(shù)的數(shù)據(jù)出自文獻(xiàn)[13]，用分子反應(yīng)模型和自由基反應(yīng)模型3種[0]。分子反應(yīng)可壓縮理想氣體方程簡化密度計算，進(jìn)口邊界條件第1期爐管壁面熱通量對裂解反應(yīng)影響的數(shù)值模擬69為Mass flow inlet(質(zhì)量流率進(jìn)口)，出口邊界條件采用SIMPLE算法求解速度壓力耦合項，壓為Pressure outlet(壓力出口)。力修正項為二階離散格式，可以提高可壓縮流體計在計算可壓縮流體時，由于能量方程和狀態(tài)方算的準(zhǔn)確性，其它方程均采用二階迎風(fēng)離散格式。程相關(guān)聯(lián)，適當(dāng)降低能量方程的欠松弛因子可以解3原料及計算工況決收斂性問題。本研究中采用的能量方程欠松弛因子為0.5，隨著計算的穩(wěn)定性增加，可改為0.7以加:利用上述計算模型，以石腦油作為裂解原料進(jìn)快收斂速率，組分方程的欠松弛因子可取1.0，動量行求解計算。原料的PIONA分析及性質(zhì)見表2,裂方程等其它方程的欠松弛因子可在0. 5~0.7間取值。解爐的主要操作參數(shù)見表3。表2裂解原料的PIONA分析數(shù)據(jù)及性質(zhì)Table 2 The PIONA data and properties of pyrolysis feedstockw/%Average molecularFinal boilingn-Paraffiniso-ParaffinAlkeneCyclo paraffinAromaticsmass/(g. mol-1)point/K31. 0533. 85027. 287.82108481表3 GK-V 型裂解爐的主要操作參數(shù)Table 3 Main operating data of GK-V furnaceTotal hydrocarbon flowTotal steam flowSteam dilution ratio/Tnlet temperature ofOutlet temperature ofrate/(kg.h-1)rate/(kg.h-I)(kg.kg-1)coil/K27000135008821105Inlet gauge pressure of Outlet gauge pressure of Average heat flux of inside Heat released from fuelBox eficiency/%coil/MPacoil/ MPaarea/(MJ.h-1.m-3)gas/(GJ.h-I)0.169O. 122414. 38189. 3441.09在設(shè)定爐管壁面的熱邊界條件時，采用工業(yè)生質(zhì)量分?jǐn)?shù)沿軸向的分布，分別示于圖2和圖3。產(chǎn)中的燃燒熱數(shù)據(jù);并結(jié)合KTI裂解爐設(shè)計手冊給表4裂解爐管出口處主要裂解產(chǎn)物質(zhì)分?jǐn)?shù)(w)的出的熱通量沿管長分布曲線形狀，計算出熱通量沿計算值與實測值Table4 Calculated and measured mass fraction( ) of main管長的分布。pyrolysis products at cracking tube outlet4結(jié)果與討論P(yáng)roductMeasured利用上述模型及計算條件，得到操作條件下單.Methane6.148.86根爐管的裂解過程參數(shù)。由于爐內(nèi)的流動和傳熱的Ethane2. 302. 50Ethylene18. 1718.13不均勻性，各個爐管間的參數(shù)是有差異的，但在實0, 250,29:際生產(chǎn)過程中，不可能對每根爐管的參數(shù)單獨測量。:Propane0. 170.40Propylene10. 5410.67在數(shù)值模擬時，忽略爐管間的差異，選取典型的爐iso Butane0. 160.11管結(jié)構(gòu)單元，可以代表整個裂解爐的狀態(tài)，也可以t-Butane0. 380. 40利用整個裂解爐的平均產(chǎn)物質(zhì)量分?jǐn)?shù)來驗證模型的tenes2. 193.40Butadiene_3. 083.35準(zhǔn)確性。裂解爐管出口處主要裂解產(chǎn)物質(zhì)量分?jǐn)?shù)(w)的計算值與實測值列于表4。由圖2、3可以看出，管內(nèi)的裂解過程可分為3由表4可以看出，乙烯、丙烯等主要產(chǎn)物質(zhì)量個階段。在裂解原料進(jìn)入爐管后，經(jīng)過約30%管長分?jǐn)?shù)的計算值與實測值基本吻合，證明本模型的準(zhǔn)的前端部分加熱，溫度迅速升至裂解溫度(約確性。利用本模型可以對爐管內(nèi)的流體流動、傳熱1000 K),此部分以傳熱過程占主導(dǎo)，只有少許的過程和反應(yīng)情況進(jìn)行預(yù)測。裂解產(chǎn)物生成，可以稱之為傳熱段;在30% ~80%.1 裂解爐管軸向的參數(shù)變化規(guī)律的管長部分，產(chǎn)物中烯烴(C2H、C.H。) 的質(zhì)量分利用上述模型及計算條件，同時得到了裂解爐數(shù)急劇增大，裂解反應(yīng)中的一次反應(yīng)占主導(dǎo)地位，管內(nèi)流體的溫度、速度沿軸向的分布和主要產(chǎn)物的稱之為一次反應(yīng)段，裂解反應(yīng)的進(jìn)行使?fàn)t管壁面和70石油學(xué)報(石油加工)第26卷流體的熱量達(dá)到平衡，流體溫度變化較為平緩(約型的正確性。50 K，見圖2(1)); 在爐管剩余的部分，隨著烯烴4.2熱通量條件對裂解爐管軸向參數(shù)的影響質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加，二次反應(yīng)成為主導(dǎo)過程，稱之為在石腦油的熱裂解過程中，裂解反應(yīng)所需的熱二次反應(yīng)段。由于大部分的二次反應(yīng)是放熱反應(yīng)，量由爐膛內(nèi)的燃燒提供。燃燒熱經(jīng)過爐管壁面的傳二次反應(yīng)段的流體溫度升高加速，同時，烯烴導(dǎo)來加熱原料，所以爐管壁面的熱通量大小和沿軸(C,H。、CHo)的增加減緩，這也是一次反應(yīng)和二向的分布曲線形狀對裂解過程具有決定性影響。筆次反應(yīng)相互平衡的結(jié)果。在管長的中點附近，流速者研究了在熱通量分布曲線(見圖4)形狀不變的情有突降的趨勢，這是因為2根細(xì)管合流進(jìn)入粗管部況下，熱通量大小對裂解過程的影響。在3種熱通分時，流道的截面突然增大所致，而后隨著裂解反量條件(即工業(yè)操作條件下的熱通量、在其基礎(chǔ)上分應(yīng)的進(jìn)行，單位質(zhì)量流體的體積增加，流速也迅速別增加5%和減少5%的熱通量)下計算流體溫度的增大。爐管二次反應(yīng)段C:H。的質(zhì)量分?jǐn)?shù)達(dá)到最大軸向分布以及CqH.CH。和C2H。質(zhì)量分?jǐn)?shù)的軸值后開始下降，這是由于較長碳鏈的烴類逐漸減少,向分布，結(jié)果示于圖5~圖8。而C2H。繼續(xù)裂解生成C2H,所致。.14(211001)1050t 14010002 10蘭950Af2)120司100三900-88506(800800I 6020106C80100L/%1%圖4裂解爐管內(nèi)壁面熱通量的軸向分布(L)圈2裂解爐管 內(nèi)流體溫度(T)和速度(川)的軸向分布(L)Fig.4 The distribution(L) of heat fux on inside area alongFig.2 The distributions(L) of fuid temperature (T) andaxial of cracking furnace coilvelocity (川) along the axial of ceracking furnace coil(1) Indutral data; (2) 5% increase based on industrial data;(1) T vsL; (2) UvsL(3) 5% decrease based on industrial data1120(1)1080161040車豐(3)12r (2)10000960(3)920880 -4060L1%圈3裂解爐管內(nèi)主要產(chǎn) 物質(zhì)量分?jǐn)?shù)(w)的軸向分布(L)圖5不同熱通量 條件下裂解爐管內(nèi)流體溫度(T)的Fig.3 The mass fraction( w) distribution(L) of main軸向分布(L)(計算值)products along the axial of cracking furnace coilFig5 The distributions(L) of fluid temperature (T) alog the(1) CcH; (2) CgHs: (3) C:He+ (4) C.Heaxial of anacking furnace c∞il at diferent heat flux (calculated value)(1) At industrial data of heat flux;圖3中主要裂解產(chǎn)物質(zhì)量分?jǐn)?shù)沿軸向的分布與(2) At the heat flux of 5% increase based on industrial datas藍(lán)興英等口的結(jié)果，有相似的趨勢，這也驗證了模(3) At the heat flux of 5% decrease based on industrial data第1期爐管睫面熱通量對裂解反應(yīng)影響的數(shù)值模擬71由圖5可以看出，當(dāng)熱通量增加時，一次反應(yīng)供需平衡，所以會出現(xiàn)圖5中溫度曲線的變化趨勢。段(尤其在管長45%~60%的部分)的溫度變化較平在二次反應(yīng)段(管長80%~ 100%的部分)，當(dāng)熱通緩，甚至有略微下降的趨勢(圖5(2));當(dāng)熱通量減量增加時，使二次反應(yīng)中的吸熱反應(yīng)加快，增加了少時，一次反應(yīng)段的溫度變化較陡峭(圖5(3))。在CrH,質(zhì)量分?jǐn)?shù)。在出口處(即管長100% 處)，二次反應(yīng)段，溫度隨熱通量線性變化。C2H,質(zhì)量分?jǐn)?shù)與熱通量的變化成正比。20廠.0 [16 t2.5 t3)2.01)2)↓12 t81.0).5 t20405030106(80100L/%L1%圖6不同熱通條件下裂解爐管內(nèi)C,H團(tuán)8 i 不同熱通量條件下裂解爐管內(nèi)CH,質(zhì)量分?jǐn)?shù)(w(CH ))沿軸向分布(L)(計算值)質(zhì)量分?jǐn)?shù)(w(C H ))沿軸向分布(L)(計算值)Fig6 The distribution(L) of C H mass fraction(w(CH))Fig.8 The distribution(L) of C H, mass fraction(w(CH4))along the axial of cracking furnace coll at differentalong the axial of cracking furnace coil at differentheat flux (calculated value)(1) At industrial data of heat fluxi(2) At the heat flux of 5% increase based on industrial data;(3) At the heat flux of 5% decrease bused on industrial data(3) At the heat flux of 5% decrease based on industrial data12r從圖7可以看出，在一次反應(yīng)段，當(dāng)熱通量增10 t加時，CH。與CH,的質(zhì)量分?jǐn)?shù)沿爐管軸向的變化(2趨勢相同，這也是圖5中溫度曲線較平緩的原因之(1)一。在二次反應(yīng)段，當(dāng)熱通量增加時，C.Hs質(zhì)量6分?jǐn)?shù)會出現(xiàn)最大值。這是因為增加的熱量使CHs繼續(xù)反應(yīng)生成了CH，同時也提高了出口處CH質(zhì)2量分?jǐn)?shù)(見圖6)。工業(yè)數(shù)據(jù)給出的熱通量條件正好使?fàn)t管出口處的C.H。 質(zhì)量分?jǐn)?shù)接近其最大值，對提4(60高CH。質(zhì)量分?jǐn)?shù)有利。CH和CH。質(zhì)量分?jǐn)?shù)隨圈7不同熱通量條件下裂解爐管內(nèi)CH熱通量的變化趨勢表明，可以通過增加(減少)熱通量的方式，得到所需要的CH。與C2H質(zhì)量分?jǐn)?shù)Fig7 The distribution(L) of CH。mass fraction( w(CH))比，從而平衡工廠的物料供需。從圖8可以看出，在一次反應(yīng)段，熱通量的改變heat fux (calculated value)(1) At industrial data of heat flux;對CH。質(zhì)量分?jǐn)?shù)影響不大。在二次反應(yīng)段，增加的(2) At the heat flux of 5% increase based on industril data;熱量使CH。裂解反應(yīng)加快，進(jìn)-一步提高了CH質(zhì)量分?jǐn)?shù)(見圖6)，從而使CqH。質(zhì)量分?jǐn)?shù)隨熱通量的從圖6可以看出，在一次反應(yīng)段，當(dāng)熱通量增增加而降低。加時，CrH,質(zhì)量分?jǐn)?shù)沿爐管軸向的變化較陡峭?？傮w來看，隨著熱通量的線性增加，各個反應(yīng)這是因為增加的熱量加快了裂解反應(yīng)，裂解反應(yīng)的參數(shù)都有線性變化的趨勢，這主要是由于計算模型加快也同時使吸熱增加，能量在這段管長內(nèi)達(dá)到了中沒有考慮結(jié)焦作用的影響所致。72石油學(xué)報(石油加工)第26卷5結(jié)論撒[J].石油學(xué)報(石油加工), 2003. 19(6); 64-69. (LANXingying. ZHANG Hongmei, GAO Jinsen, et al. Numerical(1)在綜合考慮幾何形狀、流動、傳熱和化學(xué)simulation of transfer and reaction processes in ethylene反應(yīng)的基礎(chǔ)上建立的單根爐管的數(shù)值模型與工業(yè)實pyrolyzer I Numerical simwlation of transfer and reaction測值吻合較好，可為整組爐管(包含8根爐管)的模processes inside tubular reactors[J]. Acta Petrolei Sinica擬計算提供參考。(Petroleum Processing Section), 2003, 19(6): 64-69. )(2)沿爐管長度，根據(jù)主導(dǎo)過程的不同，可以[5] MASOUMIA M E, SADRAMELIA s M, TOWFIGHIA J,et al. Simulation, optimization and control of a thermal分為3個階段:傳熱段(0~30%爐管長度)、- -次反cracking furnace[J]. Energy, 2006, (31); 516-527.應(yīng)段(30%~80%爐管長度)和二次反應(yīng)段(80%~[6]張紅梅，徐春明，高金森.管式裂解爐制乙烯反應(yīng)動力100%爐管長度)。學(xué)模型的研究進(jìn)展[C]//第九屆全國化學(xué)工藝學(xué)術(shù)年會(3)爐管出口處C2H,產(chǎn)率隨熱通量的增加而論文集，北京:中國石油大學(xué)，2005; 563-567. .提高，C.H。產(chǎn)率隨熱通量的增加而降低。這一結(jié)果[7]王宗樣.油田輕質(zhì)油熱裂觶制乙烯反應(yīng)動力學(xué)數(shù)學(xué)模型的初步探討[J].大慶石油學(xué)院學(xué)報,1978，(1); 3-14.為工業(yè)生產(chǎn)中平衡CH。與CH產(chǎn)率比提供了參考，(WANG Zongxiang. The primary research on the kinetics也為下一步裂解爐優(yōu)化的計算工作提供了參考。model of the naphtha thermal cracking for ethylene[J].符號說明:Journal of Daqing Petroleum Institute, 1978, (1): 3-14.)的一速度在工方向分量，m/s;[8]王宗祥，羅光意，吳會清.油田輕質(zhì)油熱裂解制乙烯反速度在y方向分量，m/s;應(yīng)動力學(xué)數(shù)學(xué)模型1[J].大慶石油學(xué)院學(xué)報，1978, .(2): 3-25. (WANG Zongxiang, LUO Guangxi, WU4一速度在 z方向分量，m/s;Huiqing. The kinetics model of the naphtha thermal出，2●工直角坐標(biāo)系中3個方向分量:cracking for ethylene I [J]. Journal of Daqingρ-流體密度，kg/m';Petroleum Institute, 1978，(2): 3-25. )φ通用因變量;[9]王宗樣，羅光熹，吳會清.油田輕質(zhì)油熱裂解制乙婼反r,一因變量 P的輸運系數(shù);應(yīng)動力學(xué)數(shù)學(xué)模型[J].大慶石油學(xué)院學(xué)報，1980，s,- -因變量中的源項。(1): 8-25. (WANG Zongxiang, LUO Guangxi, WU參考文獻(xiàn)[1] RICE F 0，HERZFELD K F. The thermaldecomposition of organic compounds from the standpointPetroleum Institute, 1980, (1): 8-25. )of free radicals VI The mechanism of some chain[10] LAN Xingying， GAO Jinsen, xU Chunming, et al.reactions[J]. 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