輕烴回收不同制冷工藝的技術(shù)分析

張東華，湯 穎，郭亞冰，范 崢

（西安石油大學(xué)石油煉化工程技術(shù)研究中心，陜西西安 710065）

利用輕烴回收將天然氣中相對(duì)甲烷或乙烷更重的組分以液態(tài)形式回收，既滿足了外輸天然氣烴露點(diǎn)要求，又回收了高價(jià)值的液態(tài)烴作為燃料和化工原料，保障了安全生產(chǎn)且提高了裝置經(jīng)濟(jì)效益。輕烴收率高、工藝簡(jiǎn)單、運(yùn)行成本低的低溫分離工藝在輕烴回收生產(chǎn)中廣泛應(yīng)用。制冷工藝是低溫分離法的核心單元，直接影響裝置的投資、能耗、收率等經(jīng)濟(jì)技術(shù)指標(biāo)，科學(xué)、經(jīng)濟(jì)的制冷工藝的選擇、應(yīng)用、運(yùn)行，對(duì)維持安全穩(wěn)定生產(chǎn)、降低生產(chǎn)能耗、提高裝置效益意義重大[1]。

通過(guò)介紹膨脹制冷法（節(jié)流膨脹法、透平膨脹法等）、冷劑制冷法（單一冷劑制冷、混合冷劑制冷、階式制冷等）等簡(jiǎn)單制冷、復(fù)合制冷法的工藝特點(diǎn)，分析天然氣組成、壓力、溫度、產(chǎn)量等條件對(duì)制冷工藝設(shè)計(jì)、操作的影響，以減少因天然氣組成、壓力波動(dòng)對(duì)制冷過(guò)程長(zhǎng)周期穩(wěn)定運(yùn)行的消極作用，延長(zhǎng)裝置安全高效生產(chǎn)周期。

1 簡(jiǎn)單制冷

1.1 膨脹制冷

膨脹制冷法即自制冷法，直接利用高壓天然氣經(jīng)節(jié)流閥、透平膨脹機(jī)等設(shè)備實(shí)現(xiàn)絕熱膨脹、降溫使天然氣部分冷凝，滿足氣液分離要求。該循環(huán)流程簡(jiǎn)單、設(shè)備緊湊、投資少、調(diào)節(jié)靈活、工作可靠。制冷能力取決于氣體壓力、組成、膨脹比及膨脹設(shè)備的熱力學(xué)效率等。

1.1.1 節(jié)流閥制冷 對(duì)于有較大可利用壓力能且不需要很低制冷溫度時(shí)，直接采用節(jié)流閥制冷是一種比較簡(jiǎn)單的制冷方法[2]。實(shí)際流體的焓是溫度、壓力的函數(shù)，節(jié)流前后溫度發(fā)生變化的現(xiàn)象稱為節(jié)流效應(yīng)。節(jié)流過(guò)程J-T 系數(shù)的正、負(fù)值賦予了流體節(jié)流后的制冷、制熱現(xiàn)象，任何流體均存在μh=0 即節(jié)流等溫現(xiàn)象。流體的節(jié)流效應(yīng)隨流體狀態(tài)的變化而不同，流體在不同壓力下的轉(zhuǎn)化點(diǎn)各異。同一壓力下的氣相轉(zhuǎn)化點(diǎn)和液相轉(zhuǎn)化點(diǎn)對(duì)應(yīng)于氣相轉(zhuǎn)化溫度及液相轉(zhuǎn)化溫度。流體在低于氣相轉(zhuǎn)化溫度并高于液相轉(zhuǎn)化溫度之間發(fā)生節(jié)流膨脹時(shí)制冷效應(yīng)，在高于氣相轉(zhuǎn)化溫度或低于液相轉(zhuǎn)化溫度下發(fā)生節(jié)流膨脹制熱效應(yīng)。實(shí)際流體節(jié)流效應(yīng)曲線（見(jiàn)圖1），曲線以外節(jié)流膨脹過(guò)程升溫，曲線以內(nèi)節(jié)流膨脹過(guò)程降溫。實(shí)際流體節(jié)流前后溫度變化情況取決于流體的組成和狀態(tài)，依流體組成調(diào)節(jié)合適的節(jié)流前溫度和壓力，可達(dá)到要求的節(jié)流效應(yīng)。調(diào)整節(jié)流前富甲烷氣體的溫度和壓力，采用節(jié)流閥制冷可實(shí)現(xiàn)氣體降壓、降溫，冷凝分離的目的。

圖1 實(shí)際流體節(jié)流效應(yīng)曲線

節(jié)流前溫度、壓力的調(diào)整應(yīng)根據(jù)流體組成的不同而變化，從而達(dá)到最優(yōu)節(jié)流制冷效果。由于天然氣中甲烷等小分子的PV-P 曲線斜率隨壓力、溫度的不同而不同，甲烷在節(jié)流時(shí)隨甲烷壓力的增加，μh由正、零轉(zhuǎn)變?yōu)樨?fù)，導(dǎo)致天然氣的J-T 系數(shù)隨組成、壓力的變化而變化，可出現(xiàn)制熱、制冷作用且溫度變化效果不同的節(jié)流效應(yīng)，作用效果隨甲烷含量的增加而加劇。蘇欣等[3]通過(guò)對(duì)不同組成天然氣節(jié)流制冷流程的模擬計(jì)算亦驗(yàn)證了理論分析的合理性，天然氣降壓、降溫對(duì)冷凝量的影響與甲烷含量密切關(guān)聯(lián)，甲烷含量的變化導(dǎo)致溫度、壓力對(duì)冷凝量的作用不同：（1）甲烷含量較大（≥80ψ%），天然氣的節(jié)流效應(yīng)主要受甲烷PV-P 變化的影響，節(jié)流后壓力和溫度變化對(duì)冷凝量的影響不同。壓降較小即壓力降低幅度小時(shí)氣化作用的趨勢(shì)弱，節(jié)流降溫效果明顯，溫度降低是影響冷凝量的主要因素，冷凝量隨節(jié)流溫度的降低而增加；壓降增大即壓力降低幅度大，低于某值時(shí),節(jié)流降溫效果減弱，壓力降低發(fā)生氣化的趨勢(shì)較溫度降低發(fā)生冷凝的趨勢(shì)強(qiáng)，高壓降下的壓力降低是影響冷凝量的主要因素，冷凝量隨溫度的降低不增反降；（2）當(dāng)天然氣較富，甲烷含量低（＜80ψ%）時(shí)，甲烷對(duì)混合氣的影響減弱，天然氣中乙烷、丙烷等氣體對(duì)混合氣體節(jié)流效應(yīng)的影響作用增強(qiáng)，而乙烷、丙烷等烴類的J-T 系數(shù)遠(yuǎn)小于甲烷的J-T 系數(shù)，即富氣的節(jié)流制冷效果遠(yuǎn)低于甲烷的節(jié)流制冷效果，降壓導(dǎo)致的氣化作用遠(yuǎn)大于降溫引起的冷凝作用，節(jié)流降溫后冷凝量減小。

隨富氣中甲烷含量的降低，節(jié)流降溫后冷凝量減小的現(xiàn)象愈發(fā)明顯，限制了節(jié)流制冷在提高富氣輕烴收率中的應(yīng)用，只有進(jìn)一步降溫才可在更低溫位下實(shí)現(xiàn)乙烷的冷凝[4]。

1.1.2 透平膨脹機(jī)制冷 具有一定靜壓能的氣體經(jīng)透平膨脹機(jī)的制冷過(guò)程對(duì)外做功其比熵不變（即等熵膨脹），膨脹后氣體溫度降低并產(chǎn)生冷量。此過(guò)程中氣體本身的內(nèi)能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能且回收了膨脹功，用于壓縮氣體或驅(qū)動(dòng)電機(jī)，同時(shí)膨脹獲得的更低溫位的能量滿足了增加輕烴收率的要求，有效提高了制冷循環(huán)的經(jīng)濟(jì)效益。

透平膨脹機(jī)的制冷量全部通過(guò)膨脹機(jī)獲得，膨脹機(jī)制冷量的大小是影響收率最關(guān)鍵的因素[5]。低損失、低能耗下獲得盡可能高的制冷能力以滿足低溫冷凝分離需求是透平膨脹機(jī)的發(fā)展目標(biāo)。為適應(yīng)原料氣氣量、壓力、溫度及組成變化的工況，應(yīng)適時(shí)調(diào)節(jié)膨脹機(jī)的制冷能力以維持裝置的冷量平衡，制冷能力的調(diào)節(jié)包括制冷量、制冷溫位的調(diào)節(jié)。膨脹過(guò)程中轉(zhuǎn)化為外功的焓降即制冷量Q 受通過(guò)膨脹機(jī)的流體質(zhì)量流率G、等熵焓降Δh 及等熵效率η 影響（Q=GΔhη）。調(diào)節(jié)G的大小可以改變制冷量，但會(huì)引起裝置能耗增加，經(jīng)濟(jì)效益差，不推薦采用。而借助調(diào)整噴嘴葉片角度、噴嘴高度等措施降低了噴嘴流道喉部截面面積，單位流通截面積的氣體質(zhì)量流率提高，制冷量提高，此方法不改變膨脹機(jī)進(jìn)出口的狀態(tài)參數(shù)，在實(shí)際生產(chǎn)中廣泛應(yīng)用[6]，但制冷量的增加有限。流體經(jīng)透平膨脹后的溫降決定于膨脹前后流體壓力差，即可利用的壓力能越多，流體的更多內(nèi)能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能，溫降愈明顯[7]。提高膨脹比即增加入口壓力、降低出口壓力可產(chǎn)生更低溫位的冷量。但過(guò)高的膨脹比會(huì)增加裝置的能耗，影響經(jīng)濟(jì)效益，同時(shí)轉(zhuǎn)速過(guò)高的工作輪影響機(jī)器運(yùn)行的穩(wěn)定性，流道損失加劇，甚至出現(xiàn)卡機(jī)事故。隨井口氣壓力的不斷降低，通過(guò)降低出口壓力來(lái)提高膨脹比的方式受外輸壓力的限制。透平膨脹前增壓、膨脹后增壓投資有所增加。

等熵效率η 即實(shí)際焓降與等熵焓降之比是衡量透平膨脹機(jī)性能好壞最重要的參數(shù)，等熵效率越高，所獲得的實(shí)際制冷量越大。透平膨脹機(jī)在變工況時(shí)的等熵效率η 取決于膨脹機(jī)的轉(zhuǎn)速u(mài)1與之商，并非單調(diào)關(guān)系，隨比值的變化存在最大值。調(diào)節(jié)膨脹機(jī)進(jìn)氣量、流道截面積和透平膨脹機(jī)的進(jìn)出口參數(shù)可以改變轉(zhuǎn)速u(mài)1和實(shí)際焓降的大小，應(yīng)參照效率特性曲線選擇調(diào)節(jié)，保證透平膨脹機(jī)在最大效率下工作，實(shí)現(xiàn)既降低裝置能耗又提高的收率的目的。隨著天然氣進(jìn)入透平膨脹機(jī)中膨脹制冷，天然氣中較重的烴類率先冷凝產(chǎn)生液滴，液滴對(duì)氣流的阻滯作用、冷凝激波及自身的潛熱效果等會(huì)造成一系列的不可逆損失。天然氣中重?zé)N含量越多，膨脹過(guò)程中的產(chǎn)液速度越快，帶液引起的損失就越大，膨脹機(jī)的等熵效率降低。同時(shí)液體的存在對(duì)膨脹機(jī)內(nèi)構(gòu)件存在一定的腐蝕作用，威脅裝置的安全穩(wěn)定生產(chǎn)[8]。天然氣中含的重?zé)N組分越多，冷凝、帶液對(duì)膨脹機(jī)效率影響越顯著，透平膨脹機(jī)制冷效率降低，能耗增加。若膨脹機(jī)入口的天然氣溫度過(guò)高，膨脹制冷后的溫位達(dá)不到深冷分離的要求，而提高膨脹比的能耗較高、經(jīng)濟(jì)效益差，可采用提前預(yù)冷的方法[9]；當(dāng)天然氣的壓力較低時(shí)，應(yīng)選擇性的對(duì)原料氣進(jìn)行增壓，保證膨脹機(jī)在最佳工況下運(yùn)行。

透平膨脹機(jī)制冷法適應(yīng)原料氣較貧且處理量很大的工況，具有制冷效果好，制冷系統(tǒng)設(shè)備數(shù)少，操作方便，裝置能耗低，且制冷過(guò)程的最低溫位易調(diào)節(jié)等優(yōu)點(diǎn)。但隨著氣田開(kāi)發(fā)的延續(xù)，天然氣壓力逐年降低，供膨脹制冷利用的壓力能減少，輕烴收率大幅降低，穩(wěn)定生產(chǎn)受到威脅。

1.2 冷劑制冷

利用沸點(diǎn)低于環(huán)境溫度的工藝流體通過(guò)壓縮、冷凝、膨脹及蒸發(fā)組成的壓縮制冷循環(huán)可實(shí)現(xiàn)制冷的目的。借助外界機(jī)械能，通過(guò)選擇不同冷劑、壓縮制冷循環(huán)方式可不斷降低溫度直至深冷。冷劑制冷法由獨(dú)立設(shè)置的冷劑壓縮制冷循環(huán)向天然氣提供冷量。制冷能力與原料氣的溫度、壓力及組成無(wú)關(guān)，通過(guò)調(diào)節(jié)制冷循環(huán)的工作壓力來(lái)控制制冷溫度以滿足生產(chǎn)的需求，調(diào)節(jié)操作過(guò)程安全穩(wěn)定。

冷劑制冷的最低制冷溫度受工質(zhì)蒸發(fā)溫度的限制，最低為冷劑在蒸發(fā)壓力下的蒸發(fā)溫度。單一冷劑制冷中常用冷劑有氨、丙烷等，丙烷的蒸發(fā)溫度較低（-42 ℃）與氨相當(dāng)（-33 ℃），可利用環(huán)境介質(zhì)進(jìn)行壓縮后的冷凝，蒸發(fā)相變焓雖然低于氨的蒸發(fā)相變焓，但由于易得，毒性小，安全且與被冷卻流體同類，在制冷工藝中廣泛應(yīng)用。受冷劑制冷溫度的限制，輕烴收率難以繼續(xù)提高。提高天然氣分離壓力使氣液兩相相分離溫度升高，可在一定程度上提高天然氣凝液的收率，但增壓提高收率的作用有限。-30 ℃下不同原料氣丙烷收率與分離壓力的模擬結(jié)果（見(jiàn)圖2），低壓時(shí)丙烷收率隨著分離壓力的提高而快速增加，但增加的幅度不斷降低。分離壓力的進(jìn)一步增加對(duì)提高凝液收率的作用減弱，壓力的增加導(dǎo)致能耗變大，同時(shí)工藝設(shè)備的壓力等級(jí)要求和造價(jià)也會(huì)大大提高，提高收率的經(jīng)濟(jì)性變差。天然氣中甲烷含量愈高，加壓提高凝液收率的作用愈弱，最優(yōu)分離壓力愈高。不同組成天然氣的最優(yōu)分離壓力各異，可通過(guò)模擬計(jì)算得出以指導(dǎo)生產(chǎn)。

圖2 甲烷含量不同與丙烷收率、分離壓力的關(guān)系

改變單一制冷工藝中冷劑的組成，添加更輕且蒸發(fā)溫度更低的組分，通過(guò)降低混合冷劑的蒸發(fā)溫度，仍借助環(huán)境介質(zhì)進(jìn)行壓縮后介質(zhì)的冷凝，利用原有壓縮制冷循環(huán)的混合冷劑制冷可在一定程度上獲得較單一冷劑更低的制冷溫度[10]。通過(guò)選擇蒸發(fā)溫度更低的單一冷劑如乙烷、甲烷進(jìn)行制冷循環(huán)可實(shí)現(xiàn)更低的制冷溫度，但受冷劑臨界溫度（32.1 ℃、-82.6 ℃）的限制，環(huán)境介質(zhì)已遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿足要求，必須采用階式制冷循環(huán)才能得到更低溫位（-88.6 ℃、-161 ℃）的冷量，達(dá)到提高輕烴收率的目的[11]。

1.3 簡(jiǎn)單制冷方法工藝分析比較

不同制冷工藝的特點(diǎn)各異，根據(jù)原料氣的壓力、組成、液烴收率等因素選擇、調(diào)整操作是保障裝置安全、平穩(wěn)運(yùn)行的基礎(chǔ)。

節(jié)流閥制冷適合較低的原料氣量，能夠適應(yīng)大的氣量波動(dòng)且操作簡(jiǎn)單，在節(jié)流閥出口允許有很大的帶液量，當(dāng)氣體有可供利用的壓力能，而且不需要很低的制冷溫度時(shí)，采用等焓膨脹特性的節(jié)流閥制冷是一種簡(jiǎn)單有效的制冷方法。與透平膨脹機(jī)制冷相比，節(jié)流閥的制冷量要小的多，難以滿足在較低溫度下高輕烴收率的要求。在同樣的初始狀態(tài)和膨脹比條件下，氣體透平膨脹對(duì)外做功引起溫降，冷量損失較少，所以無(wú)論從制冷溫位還是從制冷量上來(lái)講，具有等熵膨脹特性的透平膨脹的效率更高，二者的差值與溫度、壓力有關(guān)。當(dāng)壓力較低而溫度較高時(shí)，差值較大，隨著壓力的增加，二者的差值逐漸減小，最終接近于零，當(dāng)原料氣的壓力很高時(shí)，簡(jiǎn)單節(jié)流閥制冷更具優(yōu)勢(shì)。

原料氣較富時(shí)制冷量的需求過(guò)大，若采用透平膨脹機(jī)對(duì)其進(jìn)行制冷則原料氣的壓縮功會(huì)太大，能耗較高，并由于較高的原料氣壓力使操作穩(wěn)定性降低，同時(shí)透平膨脹機(jī)允許的帶液量有一定限度，而節(jié)流閥出口允許有很大的帶液量，故較富的原料氣不適合采用透平膨脹機(jī)制冷。

冷劑制冷的制冷量與原料氣的貧富程度及壓力無(wú)關(guān)，加壓、降溫均能實(shí)現(xiàn)氣相混合物冷凝，對(duì)于含C4、C5及更輕的烴類混合物，降溫冷凝的功耗低于加壓冷凝的功耗，降溫成為提高輕烴收率的首選技術(shù)。利用混合冷劑在一定壓力下蒸發(fā)，可產(chǎn)生較單一冷劑更低且為一定溫度范圍的低溫冷量，通過(guò)改變冷劑的組成還可以方便調(diào)節(jié)蒸發(fā)溫度以適應(yīng)不同組成天然氣的冷凝分離要求?；旌侠鋭┲评涔に嚺c單一制冷工藝的流程完全相同，不需要增加設(shè)備投資。但是混合冷劑中呈氣態(tài)、氣液平衡態(tài)、液態(tài)的物質(zhì)組成不斷變化，對(duì)冷凝器、蒸發(fā)器、壓縮機(jī)的設(shè)計(jì)尤其是操作、管理帶來(lái)很大的難題，工程實(shí)際應(yīng)用價(jià)值受限[12]。通過(guò)選擇蒸發(fā)溫度更低的單一冷劑也可實(shí)現(xiàn)較低的制冷溫度，比如采用乙烷可獲得最低為-88.6 ℃的低溫冷量，但是受乙烷臨界溫度（32.1 ℃）的限制，不能利用環(huán)境作為冷凝介質(zhì)，必須采用階式制冷循環(huán)。階式制冷循環(huán)中天然氣與冷劑梯級(jí)降溫，冷熱流體的溫差小，制冷效率高，能耗較低，但流程復(fù)雜，難以平穩(wěn)操作，投資較大，輕烴回收裝置中也極少采用。

處理量小、原料氣組成較富、其壓力與外輸氣壓力之間沒(méi)有足夠壓差可供利用時(shí)，采用冷劑制冷法比較經(jīng)濟(jì)，通常選用丙烷作為冷劑；當(dāng)處理量較小、原料氣組成較貧、原料氣壓力較大且隨開(kāi)采過(guò)程壓力逐漸遞減又不要求高的乙烷收率時(shí)，采用節(jié)流閥制冷既能夠經(jīng)濟(jì)地達(dá)到收率要求，又節(jié)省了裝置的投資及能耗；當(dāng)處理量較大、原料氣組成較貧、且需要回收較多乙烷時(shí)，可采用透平膨脹制冷。無(wú)論哪種簡(jiǎn)單制冷方式都有一定的局限性，難以同時(shí)滿足天然氣組成、溫度、壓力以及較低制冷溫度的要求。因此應(yīng)依據(jù)實(shí)際情況，從原料氣組成、裝置建設(shè)目的、產(chǎn)品收率要求、生產(chǎn)成本和工程投資等方面進(jìn)行綜合分析、合理的選擇。作為初選輕烴回收制冷工藝的依據(jù)[13]（見(jiàn)圖3，圖4）。

圖3 小型輕烴回收裝置工藝方法的選擇

圖4 丙烷收率為90 %的工藝方法選擇

2 復(fù)合制冷

高收率與低能耗是輕烴回收的發(fā)展方向，針對(duì)我國(guó)天然氣井口壓力較低、天然氣大多較貧且組成變化較大的現(xiàn)狀，輕烴回收需要的溫度持續(xù)降低，單一的制冷方法很難達(dá)到要求。雖然增壓-膨脹機(jī)制冷可以達(dá)到溫度要求，但膨脹機(jī)的帶液?jiǎn)栴}會(huì)帶來(lái)一系列的附加損失，使膨脹機(jī)的效率降低、能耗過(guò)大，對(duì)富含重?zé)N的天然氣（富氣）仍不適宜。輕烴回收工藝上應(yīng)用最多的是以膨脹制冷作為主要冷源，冷劑制冷作為輔助冷源的復(fù)合制冷法，采用逐級(jí)制冷和逐級(jí)分離冷凝液的措施來(lái)降低冷量消耗和提高制冷深度，以達(dá)到較高冷凝率，最大限度地回收天然氣中的輕烴[14]。

復(fù)合制冷法的冷源有兩個(gè)或兩個(gè)以上，裝置運(yùn)轉(zhuǎn)受外界條件變化影響小，適應(yīng)性強(qiáng)，保障了裝置的安全、平穩(wěn)、高收率運(yùn)行；復(fù)合制冷法中外加制冷系統(tǒng)比冷劑制冷法要簡(jiǎn)單、容量小，外加制冷系統(tǒng)僅僅須解決高沸點(diǎn)烴類即重?zé)N的冷凝問(wèn)題。復(fù)合制冷與單一的冷劑制冷、膨脹制冷相比，既克服了冷劑制冷裝置流程復(fù)雜以及制冷溫度受限的缺點(diǎn)，也克服了透平膨脹機(jī)制冷穩(wěn)定性差、對(duì)原料氣適應(yīng)能力差的缺點(diǎn)[15]。復(fù)合制冷工藝由于外加冷源的存在，可使重?zé)N提前冷凝分離，大幅度減少了透平膨脹機(jī)的帶液，而且又能夠補(bǔ)充節(jié)流閥制冷所缺乏的冷量，裝置整體能耗大幅較低，丙烷收率特別是乙烷收率大幅提高，是當(dāng)前先進(jìn)、合理、有效的輕烴回收制冷方式，可實(shí)現(xiàn)高收率，低能耗的目標(biāo)。

3 結(jié)語(yǔ)

輕烴回收制冷工藝的選擇、操作條件受原料氣組成、溫度、壓力和處理量等條件的影響，保障裝置的安全穩(wěn)定生產(chǎn)，改善適應(yīng)不同條件下運(yùn)行的靈活性，提高輕烴收率對(duì)于清潔生產(chǎn)意義重大。降低制冷溫度、改善制冷效率、提高能量利用率是制冷工藝設(shè)計(jì)、運(yùn)行的核心。

混合冷劑制冷利用大氣環(huán)境作為冷凝介質(zhì)，通過(guò)冷劑組成、壓力的調(diào)節(jié)可產(chǎn)生較單一冷劑更低且為一定溫度范圍的低溫冷量以適應(yīng)不同組成天然氣的冷凝分離要求，工藝流程簡(jiǎn)單，能耗低。解決混合冷劑的相平衡、壓縮、換熱等瓶頸，優(yōu)化混合冷劑制冷設(shè)計(jì)和自控水平，降低操作、管理的難度是混合冷劑制冷工程化的關(guān)鍵。隨天然氣壓力的降低、天然氣組成的變化，以混合冷劑主導(dǎo)的復(fù)合制冷工藝由于安全性好、適應(yīng)面廣、靈活性大、能耗低、輕烴收率高，在輕烴回收中的應(yīng)用將不斷擴(kuò)展。

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