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文檔簡介

成績 課程設(shè)計說明書題 目:苯-氯苯分離過程板式精餾塔設(shè)計 課程名稱: 化工原理課程設(shè)計 學(xué) 院: 化學(xué)與環(huán)境工程學(xué)院 學(xué)生姓名: 袁 海 梅 學(xué) 號: 201105010023 專業(yè)班級: 化學(xué)工程與工藝一班 指導(dǎo)教師: 路 有 昌 2013年 11月22日課 程 設(shè) 計 任 務(wù) 書設(shè)計題目苯-氯苯分離過程板式精餾塔設(shè)計學(xué)生姓名袁海梅所在學(xué)院化學(xué)與環(huán)境工程學(xué)院專業(yè)、年級、班化學(xué)工程與工藝11-1設(shè)計要求:1.處理能力;產(chǎn)純度為99.8%的氯苯4 2.設(shè)備形式:板式精餾塔 3.塔頂壓強4kPa(表壓); 4.進料熱狀況,自選; 5.回流比,自選; 6.塔釜加熱蒸汽壓力506kPa(表壓); 7.單板壓降不大于0.7kPa學(xué)生應(yīng)完成的任務(wù):通過一系列的工藝計算來確定設(shè)備主體的設(shè)計尺寸 附加詳細的計算過程 設(shè)計流程簡圖 設(shè)備大圖工作計劃:先仔細的計算出設(shè)計的各項數(shù)據(jù) 參考各項數(shù)據(jù)畫大圖任務(wù)下達日期: 2013 年 11 月 18 日任務(wù)下達日期: 年 月 日 指導(dǎo)教師(簽名): 學(xué)生(簽名): 苯-氯苯板式精餾塔工藝設(shè)計摘要:精餾是分離液體混合物最常用的一種單元操作,在化工,煉油,石油化工等工業(yè)得到廣泛應(yīng)用。精餾過程在能量計的驅(qū)動下,使氣,液兩相多次直接接觸和分離,利用液相混合物中各相分揮發(fā)度的不同,使揮發(fā)組分由液相向氣相轉(zhuǎn)移,難揮發(fā)組分由氣相向液相轉(zhuǎn)移。實現(xiàn)原料混合物中各組成分離該過程是同時進行傳質(zhì)傳熱的過程。板式精餾塔也是很早出現(xiàn)的一種板式塔,20世紀(jì)50年代起對板式精餾塔進行了大量工業(yè)規(guī)模的研究,逐步掌握了篩板塔的性能,并形成了較完善的設(shè)計方法。與泡罩塔相比,板式精餾塔具有下列優(yōu)點:生產(chǎn)能力(20%40%)塔板效率(10%50%)而且結(jié)構(gòu)簡單,塔盤造價減少40%左右,安裝,維修都較容易?;ぴ碚n程設(shè)計是培養(yǎng)學(xué)生化工設(shè)計能力的重要教學(xué)環(huán)節(jié),通過課程設(shè)計使我們初步掌握化工設(shè)計的基礎(chǔ)知識、設(shè)計原則及方法;學(xué)會各種手冊的使用方法及物理性質(zhì)、化學(xué)性質(zhì)的查找方法和技巧;掌握各種結(jié)果的校核,能畫出工藝流程、塔板結(jié)構(gòu)等圖形。在設(shè)計過程中不僅要考慮理論上的可行性,還要考慮生產(chǎn)上的安全性、經(jīng)濟合理性。關(guān)鍵字:苯、氯苯、連續(xù)精餾、板式精餾塔目錄 目 錄1.設(shè)計背景62.設(shè)計方案63.方案實施73.1.精餾塔物料衡算73.2.塔板數(shù)確定8 3.2.1理論塔板數(shù)的求取8 3.2.2實際塔板數(shù)的求取93.3精餾塔有關(guān)物性條件的計算103.3.1 操作壓力的計算103.3.2 操作溫度的計算103.3.3 平均摩爾質(zhì)量的計算113.3.4 平均密度的計算123.3.5 液相平均表面張力的計算133.3.6 液相平均粘度的計算143.4汽液負荷計算153.5塔體工藝尺寸計算153.5.1 塔徑的計算153.5.2 塔高的計算 163.6塔板主要工藝尺寸計算173.6.1溢流裝置的計算173.6.2塔板布置的計算193.7篩板的流體力學(xué)驗算 203.7.1塔板壓降的驗算203.7.2液面落差的驗算223.7.3液沫夾帶的驗算223.7.4漏液的驗算233.7.5液泛的驗算233.8塔板負荷性能圖計算 243.8.1精餾段塔板性能圖24 3.8.2提餾段塔板性能圖294 附屬設(shè)備的計算及選型32 4.1接管直徑32 4.2符號說明34 4.3篩板設(shè)計計算結(jié)果表365. 結(jié)論收獲和致謝376. 參考文獻381、設(shè)計背景化工原理課程設(shè)計是綜合運用化工原理課程和有關(guān)先修課程(物理化學(xué),化工制圖等)所學(xué)知識,完成一個單元設(shè)備設(shè)計為主的一次性實踐教學(xué),是理論聯(lián)系實際的橋梁,在整個教學(xué)中起著培養(yǎng)學(xué)生能力的重要作用。通過課程設(shè)計,要求更加熟悉工程設(shè)計的基本內(nèi)容,掌握化工單元操作設(shè)計的主要程序及方法,鍛煉和提高學(xué)生綜合運用理論知識和技能的能力,問題分析能力,思考問題能力,計算能力等。精餾是分離液體混合物(含可液化的氣體混合物)最常用的一種單元操作,在化工,煉油,石油化工等工業(yè)中得到廣泛應(yīng)用。精餾過程在能量劑驅(qū)動下(有時加質(zhì)量劑),使氣液兩相多次直接接觸和分離,利用液相混合物中各組分的揮發(fā)度的不同,使易揮發(fā)組分由液相向氣相轉(zhuǎn)移,難揮發(fā)組分由氣相向液相轉(zhuǎn)移,實現(xiàn)原料混合液中各組分的分離。根據(jù)生產(chǎn)上的不同要求,精餾操作可以是連續(xù)的或間歇的,有些特殊的物系還可采用衡沸精餾或萃取精餾等特殊方法進行分離。本設(shè)計的題目是苯-氯苯連續(xù)精餾篩板塔的設(shè)計,即需設(shè)計一個精餾塔用來分離易揮發(fā)的苯和不易揮發(fā)的氯苯,采用連續(xù)操作方式,需設(shè)計一板式塔將其分離。2、 設(shè)計方案 本設(shè)計任務(wù)為分離苯-氯苯混合物。對于二元混合物的分離,應(yīng)采用連續(xù)精餾過程。設(shè)計中采用泡點進料,將原料液通過預(yù)熱器加熱至泡點后送入精餾塔內(nèi)。塔頂上升蒸汽采用全凝器冷凝,冷凝液在泡點下一部分回流至塔內(nèi),其余部分經(jīng)產(chǎn)品冷卻器冷卻后送至儲罐。該物系屬易分離物系,最小回流比較小,故操作回流比取最小回流比的2倍。塔釜采用間接蒸汽加熱,塔底產(chǎn)品經(jīng)冷卻后送至儲罐。3全塔的物料衡算3.1(一)料液及塔頂?shù)桩a(chǎn)品含苯的摩爾分率苯和氯苯的相對摩爾質(zhì)量分別為78.11 kg/kmol和112.61kg/kmol。 (二)平均摩爾質(zhì)量kg/kmol(三)料液及塔頂?shù)桩a(chǎn)品的摩爾流率依題給條件:氯苯的產(chǎn)量是4t/h,總物料衡算: FDW氯苯物料衡算0.35F0.02D0.998WF11854.5kg/h F11854.5/87.49135.495kmol/hD7854.5kg/h D7854.5/78.5999.943kmol/hW4000kg/h W4000/112.6135.556kmol/h3.2塔板數(shù)的確定3.2.1理論塔板數(shù)的求取苯-氯苯物系屬于理想物系,可采用梯級圖解法(MT法)求取,步驟如下:=7760/1481025/2051350/2931760/4002250/5432840/7192900/760=4.41 依據(jù)已經(jīng)算出的相對揮發(fā)度,假設(shè)一系列的x值,用平衡方程算出對應(yīng)的y值,見下表x00.0190.1270.2650.4420.6770.500.701y=4.41x/1+1+3.41x00.07110.37610.61340.78490.91290.820.911可在xy坐標(biāo)圖上繪制出平衡線與對角線 氯苯混合液的xy圖在圖上,因泡點進料,查得yg=0.9313,而,。故有:最小回流比Rmin=xD-ygyg-xg=0.269考慮到精餾段操作線離平衡線較近,故取實際操作的回流比為最小回流比的2倍,即:R=2Rmin =0.538 精餾段操作線:提餾段操作線:提餾段操作線為過和兩點的直線。 圖3-2 苯-氯苯物系精餾分離理論塔板數(shù)的圖解圖解得-1=10塊(不含釜)。其中,精餾段塊,提餾段塊,第4塊為加料板位置。3.2.2實際塔板數(shù)1.全塔效率選用公式計算。該式適用于液相粘度為0.071.4mPas的烴類物系,式中的為全塔平均溫度下以進料組成表示的平均粘度。塔的平均溫度為0.5(80+131.8)=106(取塔頂?shù)椎乃阈g(shù)平均值),在此平均溫度下查化工原理附錄11得:,。2.實際塔板數(shù)(近似取兩段效率相同)精餾段:塊,取塊提餾段:塊,取塊總塔板數(shù)塊3.3塔的操作工藝條件及相關(guān)物性數(shù)據(jù)的計算(一)平均壓強取每層塔板壓降為0.7kPa計算。塔頂:kPa加料板:kPa塔底:kPa精餾段平均壓降:kPa提餾段平均壓降:kPa(二)平均溫度依據(jù)操作壓力,由泡點方程通過試差法,計算出泡點溫度,其中苯、氯苯的飽和蒸汽壓由安托尼方程計算,計算結(jié)果如下:苯: 氯苯:塔頂溫度81.8加料板94塔底精餾段平均溫度提餾段平均溫度(三)平均分子量塔頂: ,(查相平衡圖) =80.1455kg/kmol加料板:,(查相平衡圖) kg/kmol kg/kmol塔底:, kg/kmol kg/kmol 精餾段:kg/kmol kg/kmol提餾段:kg/kmol kg/kmol(四)平均密度1.液相平均密度 表4-1 組分的液相密度(kg/m3)溫度,()8090100110120130苯817805793782770757氯苯1039102810181008997985純組分在任何溫度下的密度可由下式計算苯 :氯苯 :式中的t為溫度,塔頂:kg/m3 kg/m3 kg/m3進料板:kg/m3kg/m3 kg/m3塔底:kg/m3 kg/m3kg/m3精餾段:kg/m3提餾段:kg/m32.氣相平均密度精餾段:kg/m3提餾段:kg/m3(五)液體的平均表面張力附: 表4-2 組分的表面張力(mN/m)溫度,()8085110115120131苯21.220.617.316.816.315.3氯苯26.125.722.722.221.620.4雙組分混合液體的表面張力可按下式計算:(為A、B組分的摩爾分率)計算得,塔頂:mN/m;mN/m(81.8)mN/m 進料板:mN/m;mN/m(94)mN/m塔底:mN/m ;mN/mmN/m 精餾段:mN/m提餾段:mN/m(六)液體的平均粘度溫度6080100120140苯0.3810.3080.2550.2150.184氯苯0.5150.4280.3630.3130.274塔頂:mPas,mPas(81.8)mPas 進料板:mPas,mPas (94 )mPas 塔底:mPas ,mPas(136.1)mPas 精餾段:mPas 提餾段:mPas 3.5、汽液負荷計算 精餾段汽液負荷計算汽相摩爾流率V=(R+1)D=(0.583+1)99.943=153.71kmol/h汽相體積流量V=m/s汽相體積量 液相回流摩爾流率L=RD=0.53899.943=53.77m/h液相體積流量L=0.0014887m/s液相體積流量L=0.0014887m/s=5.359m/h提餾段汽液負荷計算汽相摩爾流率V=(R+1)D=(0.583+1)99.943=153.71kmol/h汽相體積流量V=m/s汽相體積流量V=1.2009m/s=4323.299液相回流摩爾流率L=RD+F=0.53899.943+135.495=189.264kmol/h液相體積流量L=0.00571m/s液相體積流量L=0.00571m/s=20.5446m/h 3.6、 主要工藝結(jié)構(gòu)尺寸的計算精餾段:(一)塔徑1.初選塔板間距H=400mm及板上液層高度,則:H-h=0.40-0.06=0.34m2. 按Smith法求取允許的空塔氣速0.0021478m/s查Smith通用關(guān)聯(lián)圖得C=0.69負荷因子C=C0.0690.069556 泛點氣速:0.695561.1917m/s3. 取安全系數(shù)為0.7,則空塔氣速為=0.83424. 精餾段的塔徑D=1.3478m圓整取D=1400mm,此時的操作氣速u=0.0.7731m/s。5.精餾段有效高度的計算=(7-1)0.4=2.4m提餾段:1.初選塔板間距H=400mm及板上液層高度,則:H-h=0.40-0.06=0.34m2. 按Smith法求取允許的空塔氣速0.078858m/s查Smith通用關(guān)聯(lián)圖得C=0.07負荷因子C=C0.07=0.06824 泛點氣速:C0.068241.116m/s3.取安全系數(shù)為0.7,則空塔氣速為=0.781213m/s4.提餾段的塔徑D=1.39938m圓整取D=1400mm,此時的操作氣速u=0.0.7805m/s。5. 提餾段的塔高Z=(Z-1)H=(13-1)0.4=4.8m在進料板上方開一人孔,其高度為600mm(二)塔板工藝結(jié)構(gòu)尺寸的設(shè)計與計算1.溢流裝置采用單溢流型的平頂弓形溢流堰、弓形降液管、凹形受液盤,且不設(shè)進口內(nèi)堰。 (1)溢流堰長(出口堰長)L=0.6D=0.61.4=0.84m (2)出口堰高 對平直堰精餾段由及查化工原理課程設(shè)計圖5-5得.02,于是:(滿足要求)提餾段:由及查化工原理課程設(shè)計圖5-5得.08,于是:(滿足要求)(3)降液管的寬度和降液管的面積精餾段:由,查化原下P147圖11-16得,即:,。液體在降液管內(nèi)的停留時間(滿足要求)提餾段:由,查化原下P147圖11-16得,即:,。液體在降液管內(nèi)的停留時間(滿足要求)(4)降液管的底隙高度液體通過降液管底隙的流速一般為0.070.25m/s,取液體通過降液管底隙的流速,則有:精餾段(不宜小于0.020.025m,本結(jié)果滿足要求)提餾段:(不宜小于0.020.025m,本結(jié)果滿足要求)2.塔板布置 (1)邊緣區(qū)寬度與安定區(qū)寬度邊緣區(qū)寬度:一般為5075mm,D 2m時,可達100mm。安定區(qū)寬度:規(guī)定m時mm;m時mm;本設(shè)計取mm,mm。 (2)開孔區(qū)面積式中:3.開孔數(shù)和開孔率取篩孔的孔徑,正三角形排列,篩板采用碳鋼,其厚度,且取。故孔心距。每層塔板的開孔數(shù)(孔)每層塔板的開孔率(應(yīng)在515%,故滿足要求)每層塔板的開孔面積氣體通過篩孔的孔速精餾段提餾段3.7篩板的流體力學(xué)驗算1.塔板壓降 (1)由查圖5-10得=0.84精餾段:提餾段: (2)氣體通過液層的阻力由下式計算 精餾段: m/s 查表5-11,得=0.62.提餾段 m/s 查表5-11,得=0.6. (3)液體表面張力的阻力計算液體表面張力所產(chǎn)生的阻力 由下式計算精餾段:氣體通過每層塔板的液柱高度為氣體通過每層塔板的壓降為(滿足工藝要求)提餾段:氣體通過每層塔板的液柱高度為氣體通過每層塔板的壓降為(滿足工藝要求)2.液面落差對于篩板塔,液面落差很小,且本案例的塔徑和液流量均不大,故可忽略液面落差的影響。3. 液沫夾帶精餾段:式中:=2.50.06=0.15提餾段:在本設(shè)計中液沫夾帶量在允許范圍中。4. 漏液精餾段:漏液點的氣速篩板的穩(wěn)定性系數(shù)(不會產(chǎn)生過量液漏)提餾段:漏液點的氣速篩板的穩(wěn)定性系數(shù)(不會產(chǎn)生過量液漏)5.液泛為防止降液管發(fā)生液泛,應(yīng)使降液管中的清液層高度苯氯苯物系屬于一般物系,取=0.5精餾段:而板上不設(shè)進口堰,則成立,故不會產(chǎn)生液泛。提餾段:而板上不設(shè)進口堰,則成立,故不會產(chǎn)生液泛。3.8.塔板負荷性能圖精餾段:1.霧沫夾帶線(1)以氣為限,求關(guān)系如下 (7-1)式中:將已知數(shù)據(jù)代入式(7-1) (7-2)在操作范圍內(nèi),任取幾個值,依式(7-2)算出對應(yīng)的值列于下表:表7-10.000060.00150.0030.00452.49792.29492.162.0466依據(jù)表中數(shù)據(jù)作出霧沫夾帶線(1)2.液泛線(2) (7-4)在操作范圍內(nèi),任取幾個值,依式(7-4)算出對應(yīng)的值列于下表:表7-20.000060.00150.0030.00452.6132.4662.3392.2001依據(jù)表中數(shù)據(jù)作出液泛線(2)3.液相負荷上限線(3)以 (7-5)4.漏液線(氣相負荷下限線)(4)漏液點氣速 整理得: (7-6)在操作范圍內(nèi),任取幾個值,依式(7-6)算出對應(yīng)的值列于下表: 表7-30.000060.00150.0030.00450.7010.73970.76420.7841依據(jù)表中數(shù)據(jù)作出漏液線(4)5.液相負荷下限線(5)取平堰堰上液層高度m,。 圖7-1精餾段篩板負荷性能圖 在負荷性能圖上,作出操作點A,連接OA,即作出操作線。由圖可看出,該篩板的操作上線為液泛控制,下限為漏液控制。由上圖查得 操作彈性:提餾段:1.霧沫夾帶線(1)以氣為限,求關(guān)系如下 (7-1)式中:將已知數(shù)據(jù)代入式(7-1) (7-2)在操作范圍內(nèi),任取幾個值,依式(7-2)算出對應(yīng)的值列于下表:表7-10.000060.00150.0030.00452.71422.51012.37442.2606依據(jù)表中數(shù)據(jù)作出霧沫夾帶線(1)2.液泛線(2) (7-3) (7-4)在操作范圍內(nèi),任取幾個值,依式(7-4)算出對應(yīng)的值列于下表:表7-20.000060.00150.0030.00452.66082.56532.452.4433依據(jù)表中數(shù)據(jù)作出液泛線(2)3.液相負荷上限線(3)以 (7-5)4.漏液線(氣相負荷下限線)(4)漏液點氣速 整理得: (7-6)在操作范圍內(nèi),任取幾個值,依式(7-6)算出對應(yīng)的值列于下表: 表7-30.000060.00150.0030.00450.54660.57510.59340.6082依據(jù)表中數(shù)據(jù)作出漏液線(4)5.液相負荷下限線(5)取平堰堰上液層高度m,。 在負荷性能圖上,作出操作點A,連接OA,即作出操作線。由圖可看出,該篩板的操作上線為液泛控制,下限為漏液控制。由上圖查得 操作彈性:4附屬設(shè)備的計算及選型1.接管直徑 各接管直徑由流體速度及其流量,按連續(xù)性方程決定,即: 式中:VS流體體積流量,m3/ s; u流體流速,m/ s; d管子直徑,m。(1)進料管本設(shè)計中采用直管進料,則體積流量 管內(nèi)流速則管徑選用的無縫鋼管,則實際流速(2)回流管.則液體流量取管內(nèi)流速則回流管直徑選用的無縫鋼管,則回流管內(nèi)實際流速(3)塔頂蒸汽接管則蒸氣體積流量:取管內(nèi)蒸汽流速則可取回流管規(guī)格的無縫鋼管,則塔頂蒸汽接管實際流速(4)釜液排出管體積流量:取管內(nèi)流速則 可取回流管規(guī)格的無縫鋼管,則塔頂蒸汽接管實際流速 (5) 則塔釜蒸汽體積流量:取管內(nèi)流速 可取回流管規(guī)格的無縫鋼管,則塔頂蒸汽接管實際流速2、符號說明:a 填料的有效比表面積,/m3at填料的總比表面積,/m3aw填料的潤濕比表面積,/m3Aa塔板開孔區(qū)面積,m2Af降液管截面積,m2A0篩孔總面積,m2At塔截面積,m2c0流量系數(shù),無因次C計算umax時的負荷系數(shù),m/sd 填料直徑,md0篩孔直徑,mD 塔徑,mDL液體擴散系數(shù),m2/sDV氣體擴散系數(shù),m2/sev液沫夾帶量,kg(液)/kg(氣)E液流收縮系數(shù),無因次ET總板效率,無因次F氣相動能因子,kg1/2/(s.m1/2)F0篩孔氣相動能因子,g重力加速度,9.81m/s2h填料層分段高度,m HETP關(guān)聯(lián)式常數(shù)h1進口堰與降液管間的水平距離,mhc與干板壓降相當(dāng)?shù)囊褐叨龋琺液柱hd與液體流過降液管的壓降相當(dāng)?shù)囊褐叨?,mhf塔板上鼓泡層高度,mhl與板上液層阻力相當(dāng)?shù)囊褐叨?,m液柱hL板上清液層高度,mhmax允許的最大填料層高度,mh0降液管的低隙高度,mhOW堰上液層高度,mhW出口堰高度,mhW進口堰高度,mh與克服表面張力的壓降相當(dāng)?shù)囊褐叨?,m液柱H板式塔高度,m溶解系數(shù),kmol/(m3kPa)HB塔底空間高度,mHd降液管內(nèi)清液層高度,mHD塔頂空間高度,mHF進料板處塔板間距,mHOG氣相總傳質(zhì)單元高度,mHP人孔處塔板間距,mHT塔板間距,mH1封頭高度,H2裙座高度,HETP等板高度,mkG氣膜吸收系數(shù),kmol/(m2hkPa)kL液膜吸收系數(shù),m/hK穩(wěn)定系數(shù),無因次KG氣膜吸收系數(shù)kmol/(m2hkPa)lW堰長,mLh液體體積流量,m3/hLs液體體積流量,m3/hLw潤濕速率,m3/(mh)m相平衡常數(shù),無因次n篩孔數(shù)目NOG氣相總傳質(zhì)單元數(shù),NT理論板層數(shù)P操作壓力,PaP壓力降,PaPP氣體通過每層篩板的壓降,Par鼓泡區(qū)半徑,mu空塔氣速,m/suF泛點氣速,m/su0氣體通過篩孔的速度,m/su0,min漏液點氣速,m/su0液體通過降液管底隙的速度,m/sU液體噴淋密度,m3/(m2h)UL液體質(zhì)量通量,/(m2h)Umin最小液體噴淋密度,m3/(m2h)Uv氣體質(zhì)量通量,/(m2h)Vh氣體體積流量,m3/hVs氣體體積流量,m3/hwL液體質(zhì)量流量,/hwV氣體質(zhì)量流量,/hWc邊緣無效區(qū)寬度,mWd弓形降液管寬度,mx液相摩爾分?jǐn)?shù)X液相摩爾比y氣相摩爾分?jǐn)?shù)Y氣體摩爾比Z填料層高度 ,m充氣系數(shù),無因次;篩板厚度,m空隙率,無因次液體在降液管內(nèi)停留時間,s粘度,Pas密度,kg/m3表面張力,N/m開孔率或孔流系數(shù),無因次填料因子,l/m液體密度校正系數(shù),無因次下標(biāo)max最大的min最小的L液相V氣相3.綜上,所設(shè)計篩板的主要結(jié)果匯總于下表: 篩板塔設(shè)計計算結(jié)果項 目符 號單 位計 算 結(jié) 果精餾段提餾段平均壓強PmkPa107.75114.75平均溫度tm87.9115.05平均流量氣相m3/s1.18951.2009液相m3/s0.0014890.0057實際塔板數(shù)塊713板間距m0.40.4塔段的有效高度Zm3.05.4塔徑Dm1.41.4空塔氣速um/s0.77310.7805塔板液流型式單流型單流型溢流裝置溢流管型式弓形弓形堰長m0.841.84堰高m0.050.0342溢流堰寬度m0.1540.154底隙高度m0.022150.08036板上清液層高度m0.060.06孔徑mm55孔間距mm1515孔數(shù)n個55865586開孔面積A0m20.10940.1094篩孔氣速m/s10.87510.98塔

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