verificación de las temperaturas de corte en la destilación

VII CAIQ 2013 y 2das JASP
VERIFICACIÓN DE LAS TEMPERATURAS DE CORTE EN LA
DESTILACIÓN ATMOSFÉRICA DEL PETRÓLEO MEDIANTE
HYSYS
J. Martínez*1, J.M. Vega2, L. E. Ale Ruiz3, E. Erdmann4 & E. E. Tarifa5
1
INIQUI - Facultad de Ingeniería - CIUNSa.
(Universidad Nacional de Salta - CONICET)
Avda Bolivia 5150 - 4400 Salta - Argentina
E-mail: [email protected]
2
INIQUI.
(Universidad Nacional de Salta - CONICET)
E-mail: [email protected]
3
Consejo de Investigaciones - CIUNSa, Facultad de Ingeniería
(Universidad Nacional de Salta)
E-mail: [email protected]
4
ITBA - INIQUI
(Universidad Nacional de Salta - CONICET)
E-mail: [email protected]
5
Facultad de Ingeniería.
(Universidad Nacional de Jujuy - CONICET).
Gorriti 237 - 4600 San Salvador de Jujuy - Argentina.
E-mail: [email protected]
Resumen. En este trabajo se describe la simulación estacionaria para
topping con la finalidad de verificar las temperaturas de corte calculadas
manualmente con las correspondientes a las de las extracciones obtenidas a
partir de la simulación. Las etapas involucradas en este trabajo son: análisis
del proceso, identificación de parámetros, determinación de las propiedades
fisicoquímicas de los cortes, procesamiento de datos, simulación
*
A quien debe enviarse toda la correspondencia
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estacionaria y elaboración de resultados. El topping es llevado a cabo en una
columna atmosférica, cuya misión es fraccionar el crudo en sus productos:
nafta, kerosene, gasoil, etc. La columna a simular está compuesta por una
columna de rectificación con tres extracciones laterales. Compañías como
Petrobras, Esso, Refinor, etc. operan este tipo de columnas en Neuquén,
Mendoza y Salta. En primer lugar, se caracterizó el petróleo: para modelar
la físico-química del petróleo en HYSYS se requiere definir los
componentes hipotéticos mediante la curva TBP y las propiedades globales,
mientras que con el calculo manual para determinar la físico-química del
crudo es necesario recurrir a tablas y gráficos. Resuelta la físico-química, se
calcula y simula la columna.
Palabras clave: Destilación Atmosférica, Petróleo, Simulación, Temperatura de
corte.
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1. Introducción
La operación de la destilación inicial del petróleo consiste en fraccionar el crudo en
una serie de cortes o fracciones elementales: gas, nafta liviana, nafta pesada, kerosén
(JP1), gas oil liviano, gas oil pesado y residuo atmosférico. Generalmente, se suele
realizar la separación en una columna única, que funciona bajo una presión ligeramente
superior a la atmosférica y que posee extracciones laterales, a esta torre se la conoce
como Torre Tipo I.
Hoy en día la unidad de destilación de petróleo es, en hecho, una colección de
unidades de destilación que posibilita que un eficiente grado de fraccionamiento sea
alcanzado, en contraste con las primeras unidades de fraccionamiento.
La alimentación a la torre de destilación es calentada en un horno hasta una
temperatura predeterminada, a la que una porción de la alimentación es vaporizada. En
la torre los vapores son fraccionados en gas oil, kerosén y nafta mientras que los
productos no volátiles y el líquido de la alimentación descienden hacia la parte inferior
de la torre y es bombeado como producto de fondo. Para precalentar la carga al horno se
usan intercambiadores de calor, los cuales usan productos calientes de la torre de
destilación, al mismo tiempo estos productos son enfriados. En la parte inferior de la
torre se inyecta vapor de agua no solo para proveer calor sino también para inducir la
vaporización a menores temperaturas.
La sección de despojamiento es la parte de la torre bajo el punto en el cual se
introduce la alimentación, en esta zona los componentes más volátiles son despojados
de la columna descendente de líquido. Por encima de la alimentación está la sección de
rectificación, en donde la concentración de los componentes menos volátiles en el vapor
es reducida. La torre es dividida en un número de secciones horizontales por bandejas
metálicas o platos, cada uno de ellos es equivalente a una unidad de destilación. La
alimentación a una torre típica entra a una zona de vaporización o flash, sin platos. La
mayoría de los platos son localizados por encima de este punto.
La temperatura de los platos progresivamente más fría desde el fondo hacia la zona
superior. El plato inferior es calentado por la alimentación que ingresa caliente, aunque
algunas veces se usa el vapor de agua para suministrar calor adicional. Como los
vapores calientes van hacia arriba de la torre, la condensación ocurre sobre los platos
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hasta que el reflujo (la evaporación simultanea del líquido y condensación del vapor)
ocurre en los platos. Los vapores ascienden a través de la torre, mientras que el líquido
en un plato particular se derrama sobre el plato inferior, y así hasta que el calor en un
punto particular es demasiado intenso para que el material permanezca en estado
líquido. Entonces se convierte en vapor y se junta con los vapores que van subiendo a
través de la torre. La torre completa simula una colección de muchos destiladores, con
la composición del líquido en cualquier punto o en cualquier plato permanece casi
constante. Esto permite que parte del líquido del reflujo sea recogido en varios puntos
como productos laterales.
Este tipo de columna se caracteriza por los siguientes hechos: La complejidad
química de la carga, la existencia de múltiples extracciones laterales de producto cuyo
tenor de hidrocarburos livianos es ajustada en torres despojadoras (strippers) y todo el
calor necesario para vaporizar los productos se entrega con la alimentación a través del
horno de carga y de intercambio con productos de la torre.
En el presente trabajo se analizara una Torre Tipo I: donde todo el calor se extrae en
el condensador de tope, por lo que no está disponible a un nivel térmico adecuado para
lograr una buena recuperación de calor. Debido a que el reflujo se genera en el tope, las
cargas internas de líquido y vapor en la torre se ven incrementadas apreciablemente
desde el fondo hacia el tope.
El diseño de una columna de fraccionamiento Topping involucra el diseño del
proceso y el dimensionamiento del equipo. El diseño del proceso comprende calcular
todas las condiciones de operación: presión en la cabeza, en el fondo y en la
alimentación; temperatura de extracciones laterales, flujos de alimentación y de
productos. Se debe plantear el equilibrio y hacer un balance de materia y de energía. En
función de estas variables podemos hacer el cálculo de número de platos. La columna
está compuesta por un absorbedor de reflujo con tres separadores laterales.
Para modelar un proceso que involucre petróleo, es necesario conocer o al menos
estimar las propiedades del mismo. La determinación exacta de la composición de un
crudo no es posible debido a la gran cantidad de componentes que integran la mezcla.
Se caracteriza entonces el petróleo por una curva de destilación realizada de acuerdo a
procedimientos estandarizados. Luego se emplean correlaciones existentes para estimar
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las propiedades físicas del petróleo a partir de temperaturas que conforman la curva de
destilación. Así, el crudo puede ser modelado como un grupo de componentes
hipotéticos cuyas propiedades dan forma a la curva de destilación. Mediciones
experimentales como peso molecular, densidad o viscosidad, generan nuevas curvas que
permiten refinar las estimaciones para el crudo. También se miden el peso molecular y
la densidad para el volumen total de la muestra.
En este trabajo se parte de los datos de laboratorio, de la curva de destilación TBP, y
se definen las propiedades globales del crudo para modelar la físico-química del
petróleo. Resuelta la físico-química, se construye el modelo de la columna,
determinándose las temperaturas de corte de los productos que se pretende fraccionar.
El objetivo de este trabajo es desarrollar una simulación estacionaria de un topping, para
torre Tipo I mediante el simulador Aspen HYSYS, verificando las temperaturas de corte
calculadas.
2. Caracterización del Petróleo
La destilación de petróleo en laboratorio es de gran utilidad en el refinamiento y
formulación de combustibles. Tres de los ensayos más importantes desarrollados por
Wuithier (1971) Speight (1998) y Cohen (2003) son: ASTM, la TBP y la EFV.
2.1 Ensayo ASTM.
Para este ensayo se utiliza el balón Engler con dimensiones estándar con una carga de
100 cm3 de muestra. Se le debe suministrar calor a una velocidad tal que pueda
recogerse 5 cm3 por minuto de destilado. Durante el experimento, se registra para la
curva la temperatura a la cual se obtiene la primera gota de destilado; lo mismo se hace
cada vez que se recoge 10% de destilado.
2.2 Ensayo TBP.
La destilación TBP no está estandarizada. El destilado se obtiene de la división de la
muestra en las fracciones que la componen. Se emplea el equipo Geters con una carga
que puede variar de 1000 a 5000 cm3 de muestra. La columna de fraccionamiento está
rodeada por un calentador que compensa las pérdidas de calor, de esta forma se
pretende emular una columna adiabática. En el tope de la columna se instala un
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condensador que condensa el vapor que llega a él. El condensado desciende y entra en
contacto con el vapor que asciende, allí se produce la separación. Nuevamente, la curva
se obtiene registrando la temperatura en el momento en que se produce la primera gota
de destilado, y cada vez que se recoge 10% de destilado.
2.3 Ensayo EFV.
Esta curva grafica la temperatura de equilibrio líquido-vapor vs. el porcentaje de
volumen de líquido destilado. Se carga la muestra en un recipiente, se descarga
totalmente en un serpentín que se encuentra en un recinto caliente. Los vapores que se
generan no se separan del líquido y permanecen en contacto con el mismo alcanzándose
el equilibrio. El líquido es recogido y el vapor es condensado. Se efectúan diferentes
operaciones con la misma cantidad de muestra y la misma cantidad de tiempo pero a
diferentes temperaturas y se obtienen distintas cantidades de destilado.
3. Procedimiento Convencional (Ojeda(1989), Watkins (1981))
3.1 Caracterización y análisis del crudo de petróleo
En primer lugar, se caracterizó el petróleo mediante la realización de análisis de
laboratorio. A partir de estos análisis, se construyó la curva TBP a 760 mmHg, Figura 1.
Fig. 1. Curva de destilación TBP
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Para el diseño de una torre de destilación atmosférica, mediante cálculo
convencional, es necesario transformar la curva de destilación TBP a EFV. Tarifa et al.
(2009) presentan un nuevo método para estimar la curva de destilación EFV a partir de
procedimientos de ensayos analíticos de laboratorio estándar.
El caudal de crudo a procesar es de 500 m3/hr. Los productos comerciales son nafta
(N), kerosene (JP1), gas oil liviano (GOL) y gas oil pesado (GOP), cuyas
especificaciones de temperatura de corte ASTM se muestran en la Tabla 1.
Tabla 1. Temperatura ASTM de los cortes
CORTE
Temperatura ASTM
Nafta
hasta 170°C / 338°F
JP1
hasta 245°C / 473°F
GOL
hasta 300°C / 572°F
GOP
hasta 345°C / 653°F
Con los datos anteriores se calcula el punto de Corte TBP de los productos, que
determina sobre la curva TBP del crudo, mediante el método de Watkins (1981, 1969),
los rendimientos volumétricos de cada uno, para ello se adopta el número de platos y el
Gap (brecha entre las temperaturas ASTM de corte de los productos). Se realizan los
siguientes pasos:
•
Se obtienen las curvas TBP de los productos.
•
Se verifican las especificaciones de los productos
•
Se determinan las propiedades de los productos.
•
Se realiza el balance de materia: conociendo las fracciones en volumen de
cada fracción y el caudal de crudo a tratar se puede obtener el flujo
volumétrico correspondiente a cada fracción. Con la densidad se puede
obtener el flujo másico y con el peso molecular de cada fracción se puede
obtener el flujo en mol/hr.
En el presente trabajo se presenta el procedimiento de cálculo hasta verificar las
temperaturas de cortes de los productos de extracciones laterales.
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Secuencia de cálculo:
1. Se parte de la especificación de la temperatura 100% ASTM de los productos
que se desea fraccionar y del Gap de separación de los cortes adyacentes, los
cuales se muestran en las Tablas 1 y 2 respectivamente.
Tabla 2. Gap adoptados para los productos
Separación
Gap (ºF)
N-JP1
25
JP1-GOL
10
GOL-GOP
5
GOP-CR
3
2. Se utiliza el método de Watkins (1981), obteniendo los resultados que se
muestran en la Tabla 3 para los diferentes cortes (C): Nafta (N), JP1 (JP), GOL
(GL), GOP (GP) y Residuo (R).
Tabla 3. Datos para obtener las temperaturas de corte TBP
C
N
ASTM
(ºF)
338
TBP
100%
359
ASTM
95%
331.6
ASTM
5%
TBP
0%
JP
473
497.1
463.6
356.6
323.3
473.1
GL
572
605.2
562.7
473.6
449.1
577.75
GP
653
698
644
567.7
550.3
666.75
647
635.5
R
Tcorte
341.15
Una vez obtenidas las temperaturas de corte de los productos se debe calcular el
rendimiento de los mismos. Esto se logra ingresando a la curva TBP del crudo con las
temperaturas de corte antes calculadas (Figura 2), así se obtienen los rendimientos sobre
el crudo de cada producto, ver Tabla 4.
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Tabla 4. Rendimiento de los productos
GOL GOP Res
Productos
N
JP1
Rend. s/crudo (%)
22
19
20
15
24
Rend. Acum.
22
41
61
76
100
Fig. 2. Obtención de los rendimientos de cada corte
3.2 Caracterización de los productos
Para realizar la caracterización de cada producto se extiende los cortes al 100%,
calculando para cada tanto por ciento volumétrico sobre el crudo el porcentaje
volumétrico acumulativo correspondiente. Se confecciona una tabla para cada producto,
haciendo coincidir el 0% del corte adyacente con el 100% del corte anterior,
obteniéndose así las curvas extendidas ideales de cada corte, ver Figuras 3, 4, 5 y 6.
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400
350
T (ºF)
300
250
200
150
TBP-nafta
100
0
20
40
% vap
60
80
100
Fig. 3. Curva TBP ideal extendida para la Nafta
500
T (ºF)
450
400
350
TBP-JP1
300
0
20
40
%Vap
60
80
Fig. 4. Curva TBP ideal extendida para JP1 (kerosene)
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100
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600
T (ºF)
550
500
TBP-GOL
450
0
20
40
%Vap 60
80
100
Fig. 5. Curva TBP ideal extendida para el Gasoil liviano (GOL)
700
T (ºF)
650
600
TBP-GOP
550
0
20
40
%Vap
60
80
100
Fig. 6. Curva TBP ideal extendida para el Gasoil pesado (GOP)
A continuación se verificaron los Gap adoptados, nos interesa comprobar que las
temperaturas de corte ASTM especificadas se cumplan.
Se realizan las curvas TBP reales de cada uno de los productos, para ello se
reemplazan en las curvas ideales los valores de temperatura 0% y 100% TBP, indicadas
en la Tabla 3.
Una vez obtenidas las curvas TBP reales extendidas por producto, utilizando el
método de Edmister para transformación de curvas, se transforman estas curvas TBP a
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ASTM, con el objetivo de realizar la comprobación de las temperaturas 100% ASTM,
resultados que se observan en las Tablas 5, 6, 7 y 8.
Tabla 5. Curva TBP y ASTM real de la Nafta
%V
TBP
ASTM
0
125
176
10
150
187
20
182
30
204
40
224
50
243
60
262
70
281
80
301
90
322
298
100
359
336
217
241
267
Tabla 6. Curva TBP y ASTM real del JP1
%V
TBP
ASTM
0
323
375
10
360
393
20
380
30
402
40
423
50
438
60
447
70
455
80
462
90
469
450
100
497
485
409
426
440
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Tabla 7. Curva TBP y ASTM real del GOL
%V
TBP
ASTM
0
449
453
10
485
478
20
494
30
503
40
513
50
524
60
535
70
545
80
555
90
565
540
100
605
568
488
503
520
Tabla 8. Curva TBP y ASTM real del GOP
%V
TBP
ASTM
0
550
549
10
584
568
20
592
30
600
40
608
50
615
60
624
70
632
80
644
90
659
608
100
698
644
574
582
591
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Luego de verificar que los Gap fueron propuestos correctamente, se transformaron
las curvas TBP reales de cada producto en curvas EFV (Equilibrium Flash
Vaporization) con el fin de confrontar las temperaturas de las extracciones obtenidas
con las que brinda el simulador.
Las curvas EFV de cada producto se obtuvieron a partir de las TBP utilizando el
método de Maxwell, las mismas pueden observarse en las Figuras 7, 8, 9 y 10.
400
350
300
T (ºF)
250
200
150
100
EFV-nafta
TBP-nafta
50
0
0
20
40
% vap 60
80
100
Fig. 7. Curvas TBP y EFV de la Nafta
500
T (ºF)
450
400
350
TBP-JP1
EFV-JP1
300
0
20
40 %Vap 60
80
Fig. 8. Curvas TBP y EFV del JP1
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100
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600
T (ºF)
550
500
TBP-GOL
EFV-GOL
450
0
20
40
%Vap 60
80
100
T (ºF)
Fig. 9. Curvas TBP y EFV del GOL
680
670
660
650
640
630
620
610
600
590
580
570
TBP-GOP
EFV-GOP
0
20
40 %Vap 60
80
100
Fig. 10. Curvas TBP y EFV del GOP
Las temperaturas de extracción lateral de los productos son las temperaturas de
burbuja de los mismos, la que es igual a la temperatura 0% de la curva EFV del corte,
para la Nafta la temperatura es la de rocío que corresponde a la del 100% EFV.
En este trabajo se realiza la comparación de estas temperaturas con las temperaturas
de extracción obtenidas al realizar la simulación.
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4. Simulación Estacionaria
Para realizar la simulación se utilizó el simulador comercial Aspen HYSYS (2011),
versión 7.3, cuya licencia posee la Facultad de Ingeniería de la Universidad Nacional de
Salta. Con la curva TBP del crudo de petróleo y las propiedades globales del mismo, se
definieron los componentes hipotéticos que requiere HYSYS para modelar la físicofísico
química del petróleo. La Figura 11 muestra el diagrama de flujo
flu del modelo
implementado en el simulador de procesos HYSYS. Para el cual se emplea el paquete
de propiedades Peng Robinson que es el más adecuado para la industria del gas y
petróleo.
Se simula el Proceso de Topping correspondiente a una Torre de Tipo I. El modelo
está conformado por una columna PreFlash en la cual ingresa la corriente del Crudo, en
este equipo se produce la separación Flash y se originan dos corrientes, la corriente
líquida es enviada al horno donde se calienta a una temperatura menor a los 343 ºC (650
ºF), para evitar el craqueo del crudo. Luego se mezclan estas corrientes ingresando a la
columna de destilación.
Fig 11. Diagrama de Flujo del Topping.
Fig.
5. Resultados y Discusiones
Los resultados obtenidos son mostrados en la Figura 12,
12, donde se observa la
variación de los flujos molares líquido y vapor (kgmol/h) y el perfil de la temperatura
(ºC) con respecto al número de platos.
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Se simuló el proceso adoptando una torre de 29 platos calculados gracias al Gap
adoptado, y realizando las extracciones laterales de GOP, GOL y JP1 en los platos 7, 14
y 20 respectivamente.
N
Ref
K
D
GO
A
Res
Fig. 12. Variación de Flujo y Temperatura con respecto al número de platos. Torre de
Tipo I.
Se compararon las temperaturas 0% EFV con las temperaturas de los platos de
extracción obtenidas en la simulación, de manera de determinar si la ubicación de los
platos de extracción es la correcta, en el caso de la Nafta se tomo la 100% EFV. Los
resultados se muestran en la Tabla 9.
Tabla 9. Temperaturas de los platos de extracción y temperaturas calculadas
29
T (ºF)
calculada
262.62
T (ºF)
HYSYS
296.4
∆T
(ºF)
33.78
JP1
20
397.40
420.9
23.5
GOL
14
509.46
514.8
5.33
GOP
7
606.49
588.5
17.99
Producto
PEI
Nafta
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De manera de minimizar las diferencias de temperaturas (∆T) se procedió a reubicar
los platos de extracción lateral. Este procedimiento se realizó íntegramente con el
simulador, utilizando le herramienta Data Recorder. Esta herramienta graba los estados
de la simulación que se quieren resguardar, para luego poder llevarlos a Excel y
analizarlos.
Al variar el plato de extracción para el JP1 no sólo cambia la temperatura de
extracción de JP1 sino también la temperatura de la Nafta. Los cambios representativos
que se hicieron se observan en las Tablas 10, 11 y 12.
Tabla 10. Variación del plato de extracción para el JP1
Plato de extracción
T (ºF) calculada
T (ºF) HYSYS
∆T (ºF)
20
397.40
420.9
23.5
21
397.40
400.40
3.0
19
397.40
443.7
46.3
Tabla 11. Variación del plato de extracción para el GOL
Plato de extracción
T (ºF) calculada
T (ºF) HYSYS
∆T (ºF)
14
509.46
514.8
5.33
13
509.46
536.8
27.33
15
509.46
496.9
12.57
Tabla 12. Variación del plato de extracción para el GOP
Plato de extracción
T (ºF) calculada
T (ºF) HYSYS
∆T (ºF)
7
606.49
588.5
17.99
8
606.49
579.2
27.29
6
606.49
601.7
4.79
5
606.49
610.1
3.61
4
606.49
617.4
10.91
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6. Conclusiones
Se observa en Tabla 13 los platos de extracción inicial (PEI) y los platos de
extracción apropiados (PEA) para los distintos cortes del crudo marcando las
diferencias de temperaturas entre las calculadas mediante Excel y las obtenidas con el
simulador HYSYS.
Se observa que en las extracciones laterales las diferencias de temperatura son
menores que 6 ºF, lo cual es un error totalmente aceptable.
En el corte nafta la diferencia de temperatura es mayor esto se debe a que como este
corte sale por la cabeza de la torre no podemos cambiar su lugar de extracción, lo que se
debería hacer es cambiar el número de platos de la torre lo que afectaría todo el diseño
del proceso.
De todas maneras este es una diferencia de temperatura aceptable
Tabla 13. Ubicación final de los platos de extracción
C
PEI
PEA
29
T (ºF)
calculada
262.62
T (ºF)
HYSYS
280.6
∆T
(ºF)
17.98
N
29
J
20
21
397.40
440.4
3.00
GL
14
14
509.46
514.8
5.33
GP
7
5
606.49
610.1
3.61
El trabajar con el simulador HYSYS permite, sin mayores esfuerzos, realizar
cambios muy usuales en la industria como por ejemplo el cambio de las
especificaciones de los productos. Esta metodología es muy usada en las refinerías de
petróleo, en las cuales, la mayoría, utilizan diariamente el simulador HYSYS, no solo
cuando cambian las especificaciones de los productos sino también cuando cambia la
composición de los crudos de petróleo que se alimentan a la destilería.
AAIQ, Asociación Argentina de Ingenieros Químicos - CSPQ
VII CAIQ 2013 y 2das JASP
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