張穎杰 王 哲 錢(qián)利明 沈冬偉
(中國(guó)石化上海石油化工股份有限公司烯烴部,200540)
GK-VI型裂解爐爐管堵塞原因分析及對(duì)策
張穎杰 王 哲 錢(qián)利明 沈冬偉
(中國(guó)石化上海石油化工股份有限公司烯烴部,200540)
結(jié)合裝置實(shí)際生產(chǎn)情況,對(duì)GK-VI型裂解爐的爐管結(jié)焦堵塞的原因進(jìn)行分析,采取了優(yōu)化原料品質(zhì)、裂解爐運(yùn)行模式、儀表控制,調(diào)整工藝等措施,解決了GK-VI型裂解爐爐管易堵塞的問(wèn)題,達(dá)到了提高GK-VI型裂解爐運(yùn)行周期、增加企業(yè)經(jīng)濟(jì)效益的目的。
裂解爐 爐管堵塞 運(yùn)行周期 措施
裂解爐運(yùn)行過(guò)程中,烴類(lèi)進(jìn)行裂解反應(yīng),同時(shí)也伴有烴類(lèi)聚合,導(dǎo)致焦質(zhì)產(chǎn)生,使?fàn)t管的傳熱系數(shù)隨著內(nèi)壁焦層的增厚而降低,管壁間的傳熱系數(shù)也隨之降低,且焦層使?fàn)t管內(nèi)的流通面積減小,導(dǎo)致裂解爐進(jìn)料負(fù)荷降低,嚴(yán)重時(shí)會(huì)發(fā)生堵塞現(xiàn)象。近年來(lái),中國(guó)石化上海石油化工股份有限公司(以下簡(jiǎn)稱(chēng)上海石化)2#烯烴裝置裂解爐爐管結(jié)焦堵塞導(dǎo)致被迫停爐檢修的情況時(shí)有發(fā)生,其中以GK-VI型裂解爐最為嚴(yán)重。裂解爐結(jié)焦堵塞頻繁會(huì)降低裂解爐運(yùn)行周期,減少產(chǎn)品收率,增加能耗及檢修費(fèi)用并縮短爐管使用壽命;而裂解爐頻繁停爐檢修又導(dǎo)致在實(shí)際運(yùn)行中乙烯裝置無(wú)法充分發(fā)揮生產(chǎn)能力,嚴(yán)重影響乙烯裝置整體經(jīng)濟(jì)效益。
針對(duì)GK-VI型裂解爐爐管容易結(jié)焦堵塞的問(wèn)題,分析其原因并探討解決方法,進(jìn)一步表明在裂解爐運(yùn)行中對(duì)原料、操作模式、管理、技術(shù)等進(jìn)行優(yōu)化的重要性。
表1統(tǒng)計(jì)了2013年1月至2014年7月期間GK-VI型裂解爐爐管堵塞情況。從表1可以發(fā)現(xiàn):2013年以來(lái)GK-VI型裂解爐因爐管結(jié)焦堵塞而引起的停車(chē)檢修次數(shù)居高不下,平均運(yùn)行周期遠(yuǎn)低于設(shè)計(jì)運(yùn)行周期。這不僅縮短了爐管的使用壽命、增加了裝置的檢修費(fèi)用,還減少了產(chǎn)品的收率,影響乙烯裝置乃至整個(gè)上海石化的經(jīng)濟(jì)效益。因此,如何減少GK-VI型爐爐管結(jié)焦堵塞、提高裂解爐運(yùn)行周期,成為裝置穩(wěn)定生產(chǎn)、提高經(jīng)濟(jì)效益的重要途徑。
表1 GK-VI型裂解爐爐管堵塞情況統(tǒng)計(jì)
2.1 原料品質(zhì)
2.1.1 加氫尾油
眾所周知,GK-VI裂解爐以加氫尾油爐為設(shè)計(jì)模板,所以采用了二次注汽技術(shù)。設(shè)計(jì)加氫尾油的終餾點(diǎn)為495~515 ℃、關(guān)聯(lián)指數(shù)(BMCI)必須小于13,而上游裝置供給本裝置的加氫尾油品質(zhì)波動(dòng)較大—終餾點(diǎn)一度達(dá)到570 ℃、BMCI最高達(dá)到22.9,具體見(jiàn)圖1(加氫尾油終餾點(diǎn)趨勢(shì))、圖2(加氫尾油BMCI趨勢(shì))所示。這樣的工況與設(shè)計(jì)工況偏差較大,造成了加氫尾油要在接近橫跨段甚至一部分需要在輻射段才能完全氣化,不僅改變了反應(yīng)停留時(shí)間、影響了反應(yīng)深度的控制,而且原料終餾點(diǎn)過(guò)高又能加劇爐管內(nèi)物料縮聚反應(yīng)的速度[1],加快了爐管結(jié)焦;分液相混合導(dǎo)致原料在文丘里管內(nèi)分配不均勻,進(jìn)一步加速爐管堵塞。而B(niǎo)MCI愈大,表示原料脂肪性愈弱、芳香性愈強(qiáng)、乙烯收率愈低,并且爐管和廢熱鍋爐中的結(jié)焦也愈嚴(yán)重。
圖1 加氫尾油終餾點(diǎn)趨勢(shì)
圖2 加氫尾油BMCI趨勢(shì)
2.1.2 石腦油
石腦油(NAP)組分構(gòu)成情況見(jiàn)表2。從表2中可以發(fā)現(xiàn):NAP中芳烴質(zhì)量分?jǐn)?shù)屢次出現(xiàn)偏高的情況,有時(shí)甚至超過(guò)30%,而設(shè)計(jì)指標(biāo)為不大于12%。在500~850 ℃裂解條件下,爐管內(nèi)的結(jié)焦主要通過(guò)芳烴途徑即芳烴化合物脫氫縮合成多環(huán)芳烴,再進(jìn)一步縮合為稠環(huán)芳烴,之后進(jìn)一步脫氫為固體瀝青質(zhì)、碳?xì)滟|(zhì),最終成為碳。又有研究表明:液體原料中的芳烴化合物在熱裂解時(shí),苯在300 ℃以上就會(huì)生成聯(lián)苯,400 ℃以上會(huì)脫氫縮合為1,4-聚亞苯基,在較高溫度下脫氫聚合為焦;另外,萘、蒽、菲以及含碳五環(huán)的茚、苊、苊烯等多環(huán)芳烴更易縮合[2]。所以原料中芳烴質(zhì)量分?jǐn)?shù)越高,結(jié)焦速率越快。輕烴裂解時(shí)的結(jié)焦母體主要是二次反應(yīng)的生成物;而重質(zhì)原料裂解時(shí),原料中的芳烴是主要的結(jié)焦母體,特別是帶側(cè)鏈的芳烴[3]。
表2 NAP組分分析 %(質(zhì)量分?jǐn)?shù))
2.2 運(yùn)行模式變化
2.2.1 原料頻繁切換
由于乙烯原料價(jià)格波動(dòng)較大,從企業(yè)整體經(jīng)濟(jì)效益考慮,裂解爐原料會(huì)進(jìn)行較為頻繁的切換,頻繁的切換原料對(duì)運(yùn)行周期的影響在于裂解爐爐管或者廢鍋(TLE)結(jié)焦。GK-VI裂解爐一般首先投用NAP,因?yàn)镹AP組分較輕,結(jié)焦一般開(kāi)始于裂解爐爐管,TLE結(jié)焦較慢,但是在目前運(yùn)行狀況下投用NAP一段時(shí)間后由于原料分配等問(wèn)題需要裂解爐改投加氫尾油。由于加氫尾油的裂解產(chǎn)物中乙烯焦油含量大大增加,除了在爐管內(nèi)結(jié)焦,更會(huì)粘附在TLE列管表面形成焦油油膜。同時(shí),由于原料截止閥采用手動(dòng)切換,在改換原料過(guò)程中雖然會(huì)降低燃料氣的量,但是爐出口溫度(COT)一般會(huì)出現(xiàn)超過(guò)100 K的快速上升,造成裂解爐運(yùn)行不穩(wěn)定。為了避免此類(lèi)情況的出現(xiàn),工藝在操作時(shí)一般會(huì)將COT下降至720 ℃左右,防止溫升過(guò)高。但是COT下降時(shí),裂解氣由于裂解深度不夠,組分變重,焦油含量增加,裂解氣的露點(diǎn)變低,造成大量焦油粘附在TLE管壁無(wú)法汽化。原料在線切換結(jié)束后,溫度逐漸恢復(fù)至設(shè)定COT,在溫度上升的情況下,這層焦油膜迅速轉(zhuǎn)化為焦層,影響TLE的換熱效果[4]。但是若出現(xiàn)再次將加氫尾油改料為NAP時(shí),由于TLE焦層已經(jīng)形成,TLE出口溫度將繼續(xù)升高,并且改料過(guò)程中再次出現(xiàn)一個(gè)大幅度的溫度變化,結(jié)焦程度加劇,不利于裂解爐的穩(wěn)定運(yùn)行。
2.2.2 投用輕石腦油
受限于物料平衡,GK-VI有時(shí)需要投用輕石腦油。GK-VI裂解爐設(shè)計(jì)期間是以重油爐為設(shè)計(jì)模板,而輕石腦油(LNAP)在原料性質(zhì)方面更接近于液化氣(LPG),而非NAP。由于GK-VI裂解無(wú)LNAP的設(shè)計(jì)工況,裂解LNAP時(shí)裂解深度只能參考NAP。所以無(wú)法準(zhǔn)確控制裂解深度,也就無(wú)法準(zhǔn)確地控制二次反應(yīng)的進(jìn)行,存在結(jié)焦的風(fēng)險(xiǎn)。表3為GK-VI型裂解爐在投用LNAP時(shí)的爐管堵塞情況,表4為L(zhǎng)NAP與NAP的組分分析對(duì)比。
表3 GK-VI型裂解爐投用LNAP的爐管堵塞情況
表4 LNAP與NAP組分分析對(duì)比
2.3 儀表控制
每臺(tái)GK-VI型裂解爐爐管分為6組,共48根,但只配備了24支爐出口熱電偶,導(dǎo)致無(wú)法對(duì)所有爐管內(nèi)的溫度進(jìn)行全面監(jiān)控。隨著爐管使用周期的延長(zhǎng),爐管彎曲日趨嚴(yán)重,各根爐管的受熱分布不均勻,再加上無(wú)法對(duì)所有爐管進(jìn)行溫度監(jiān)控,容易使部分爐管內(nèi)過(guò)熱而引起二次反應(yīng)過(guò)度導(dǎo)致結(jié)焦。
自動(dòng)控制方面,GK-VI型裂解爐每組的控制溫度取的是4支熱電偶測(cè)試值的第二高值。若其中1支熱電偶對(duì)應(yīng)的爐管溫度由于結(jié)焦而升高至4支熱電偶測(cè)試值的最高值,那么此時(shí)就無(wú)法通過(guò)自動(dòng)控制來(lái)抑制這根爐管溫度繼續(xù)升高了,這樣就容易導(dǎo)致這根爐管因溫度過(guò)高而最終結(jié)焦堵塞。
2.4 工藝調(diào)整
按照設(shè)計(jì)值,GK-VI裂解爐投NAP時(shí)滿負(fù)荷為30.5 t/h,兩股稀釋蒸汽量分別為510 kg/h和2 500 kg/h,汽烴比為0.6;投加氫尾油時(shí)滿負(fù)荷為26 t/h,兩股稀釋蒸汽量分別為850 kg/h和2 800 kg/h,汽烴比為0.85。目前實(shí)際情況是,投NAP和加氫尾油時(shí)投料量只能保證在24 t/h左右,達(dá)不到設(shè)計(jì)滿負(fù)荷,而傳統(tǒng)的操作思維是以保證汽烴比為前提,即相應(yīng)減少稀釋蒸汽量。所以投送NAP時(shí)兩股稀釋蒸汽量分別為500 kg/h和2 200 kg/h,投送加氫尾油時(shí)兩股稀釋蒸汽量分別為800 kg/h和2 500 kg/h,均低于設(shè)計(jì)值。但根據(jù)最新資料顯示:當(dāng)原料負(fù)荷低于90%時(shí)反而要進(jìn)一步提高稀釋蒸汽量,與原有的操作思路相反。經(jīng)過(guò)反復(fù)分析討論,最終發(fā)現(xiàn)裂解爐低負(fù)荷運(yùn)行時(shí)降低稀釋蒸汽量會(huì)帶來(lái)兩大危害。
(1)稀釋蒸汽量偏低直接造成文丘里入口壓力偏低,文丘里進(jìn)出口壓差也偏低。對(duì)于所有裂解爐,為了確保各組第一程爐管流量分配均勻,在輻射段爐入口管里設(shè)計(jì)一個(gè)文丘里流量分配器,在操作彈性范圍內(nèi)能夠保證輻射段爐管入口壓力(即文丘里管出口壓力)從裂解爐運(yùn)行初期到裂解爐運(yùn)行末期的過(guò)程中文丘里管喉頸出的流速始終要處于臨界狀態(tài)[5]。如果不在臨界狀態(tài),正常操作時(shí)將導(dǎo)致各輻射段爐管進(jìn)料量分配不均,裂解反應(yīng)的選擇性、裂解爐深度和結(jié)焦速率不一致,最終的表現(xiàn)是裂解爐運(yùn)行周期縮短;清焦操作時(shí)空氣分配不均,將使清焦不徹底以及空氣量高的爐管過(guò)熱,最終導(dǎo)致運(yùn)行周期縮短和損壞爐管。按照計(jì)算,文丘里進(jìn)出口壓差與文丘里進(jìn)口絕對(duì)壓力比大于0.1,則流速處于臨界狀態(tài);文丘里進(jìn)出口壓差中文丘里進(jìn)口絕對(duì)壓力比大于0.15文丘里才能起到流量分配均勻的效果。以BA-106為例:當(dāng)投用NAP時(shí),橫跨段壓力(即文丘里進(jìn)口壓力)為0.26 MPa(表壓),由于目前文丘里分配器出口沒(méi)有配備壓力表,所以出口壓力只能通過(guò)倒推算的方法:裂解氣大閥前的壓力即TLE出口壓力為0.11 MPa,TLE的進(jìn)出口壓差為0.02 MPa,即TLE進(jìn)口壓力為0.13 MPa,而輻射段爐管壓差至少為0.1 MPa,所以輻射段進(jìn)口(即文丘里出口)壓力在0.23 MPa左右,則文丘里進(jìn)出口壓差為0.03 MPa,文丘里進(jìn)出口壓差與文丘里進(jìn)口絕對(duì)壓力比為0.03/(0.26+0.1)=0.083<0.1<0.15,可見(jiàn)文丘里遠(yuǎn)沒(méi)有起到均勻流量分配的作用,這勢(shì)必會(huì)造成爐管偏流,引起爐管結(jié)焦。
(2)根據(jù)伯努利方程,文丘里進(jìn)出口壓差越小,文丘里出口流速(即爐管內(nèi)流速)越小,這會(huì)導(dǎo)致原料在爐管內(nèi)停留時(shí)間比設(shè)計(jì)值長(zhǎng)。停留時(shí)間長(zhǎng)增加一次反應(yīng)的深度,但是二次反應(yīng)也充分進(jìn)行,這樣使一次反應(yīng)生成的產(chǎn)品通過(guò)二次反應(yīng)聚合,使乙丙烯收率下降,同時(shí)增加了結(jié)焦的趨勢(shì)。
3.1 優(yōu)化原料
原料中芳烴含量愈多,結(jié)焦速率也就愈快。GK-VI型裂解爐裂解石腦油時(shí)的COT為810~845 ℃,結(jié)焦主要是通過(guò)芳烴途徑。優(yōu)化石腦油,降低石腦油中的芳烴含量,可以有效延長(zhǎng)裂解爐運(yùn)行周期。通過(guò)與上游供料裝置協(xié)商,要求上游裝置解決原料品質(zhì)問(wèn)題并重新對(duì)石腦油及加氫尾油的互供料指標(biāo)進(jìn)行修訂,嚴(yán)格規(guī)定石腦油中芳烴含量不得高于15%、加氫尾油的終餾點(diǎn)不得高于520 ℃[6]、BMCI不得高于13。經(jīng)過(guò)上游供料裝置的技術(shù)整改,石腦油和加氫尾油的品質(zhì)恢復(fù)正常。
3.2 運(yùn)行模式優(yōu)化
頻繁的切換原料會(huì)在過(guò)程中引起裂解溫度的大幅度波動(dòng),加劇爐管內(nèi)的結(jié)焦,不利于裂解爐的穩(wěn)定運(yùn)行。對(duì)于運(yùn)行至末期的GK-VI裂解爐,原則上不進(jìn)行改料操作。同時(shí)根據(jù)原料庫(kù)存合理地進(jìn)行原料的切換,避免在裂解爐投用過(guò)程中頻繁地進(jìn)行改換料。
通過(guò)與生產(chǎn)部門(mén)協(xié)商后決定,GK-VI型裂解爐運(yùn)行40天以后禁止進(jìn)行切換原料操作,減少因溫度大幅度波動(dòng)引起結(jié)焦堵塞爐管;并且由于GK-VI型設(shè)計(jì)單位無(wú)法提供準(zhǔn)確投用輕石腦油的工況,所以禁止再對(duì)GK-VI型爐投用輕石腦油,原料平衡問(wèn)題根據(jù)具體情況靈活調(diào)整。
3.3 儀表控制優(yōu)化
由于GK-VI型爐輻射段共有48根爐管,但只有24根爐管配備了熱電偶,導(dǎo)致其余24根爐管的溫度無(wú)法得到有效監(jiān)控。為了解決這個(gè)問(wèn)題,決定將GK-VI型裂解爐未配備熱電偶的全部補(bǔ)齊。這樣能更加仔細(xì)更加全面地對(duì)裂解爐爐管溫度進(jìn)行監(jiān)控,為判斷爐管結(jié)焦情況提供幫助,以便提前采取措施防止?fàn)t管堵塞,有利于裂解爐穩(wěn)定長(zhǎng)周期運(yùn)行。
GK-VI裂解爐的單組爐管溫控采用4支熱電偶的第二高作為控制值。但是在實(shí)際投用狀態(tài)下,由于系統(tǒng)投用先進(jìn)應(yīng)用控制(APC)溫度高級(jí)控制,原料的增減完全依靠單組爐管的COT。當(dāng)控制溫度出現(xiàn)異常狀況時(shí),原料也隨之出現(xiàn)不正常的波動(dòng)。為此在系統(tǒng)中對(duì)裂解爐的每支爐管內(nèi)COT設(shè)置了溫度高低報(bào)警。同時(shí)在巡檢時(shí)若發(fā)現(xiàn)單組4支熱電偶指示偏差增大,則采取手動(dòng)設(shè)定最低COT指示值到最高值,讓真實(shí)值最高的溫度值成為第二高值。這樣就可以使每組平均COT取到真實(shí)值最高的熱電偶測(cè)試值,在投用APC高級(jí)控制后,就能自動(dòng)對(duì)每組溫度最高的爐管進(jìn)行監(jiān)控調(diào)整,避免了溫度最高的爐管沒(méi)有得到及時(shí)調(diào)整而導(dǎo)致結(jié)焦的情況。
3.4 工藝調(diào)整
橫跨段文丘里進(jìn)出口壓差過(guò)小導(dǎo)致原料分配不均勻,造成原料偏流,進(jìn)一步引起爐管結(jié)焦。為了解決這個(gè)問(wèn)題,首先利用停爐檢修的機(jī)會(huì)在橫跨段文丘里出口增加現(xiàn)場(chǎng)壓力表,方便監(jiān)控文丘里出口壓力。同時(shí)提高GK-VI型爐投料后的稀釋蒸汽量。當(dāng)投用石腦油時(shí),第一股稀釋蒸汽量每組設(shè)置在550 kg/h,第二股稀釋蒸汽量每組提高至2 500 kg/h;當(dāng)投用加氫尾油時(shí),第一股稀釋蒸汽量每組設(shè)置在850 kg/h、第二股稀釋蒸汽量每組提高至2 800 kg/h。以BA-106為例,稀釋蒸汽量提高后文丘里分配器入口壓力平均提高至0.32 MPa,出口壓力平均為0.24 MPa,所以文丘里分配器進(jìn)出口壓差為0.08 MPa。根據(jù)文丘里進(jìn)出口壓差與文丘里進(jìn)口絕對(duì)壓力比大于0.15才能起到流量分配均勻效果的原則來(lái)計(jì)算,0.08/(0.32+0.1)=0.19>0.15,達(dá)到了文丘里流量分配均勻的最低要求。
3.5 調(diào)整結(jié)果
表5為2014年9月至2015年6月GK-VI型裂解爐爐管運(yùn)行情況統(tǒng)計(jì)。從表5中可以看出:通過(guò)對(duì)汽烴比的優(yōu)化調(diào)整,同時(shí)結(jié)合GK-VI裂解爐的切料模式進(jìn)行詳細(xì)的規(guī)范,以及一系列的裂解爐特護(hù)維護(hù)工作,GK-VI裂解爐的運(yùn)行情況得到了較大的改善:在保證運(yùn)行周期的前提下,將爐管堵塞故障率降低到了零,確保了裝置的長(zhǎng)周期運(yùn)行。
表5 GK-VI型裂解爐爐管運(yùn)行情況計(jì)
通過(guò)對(duì)GK-VI裂解爐產(chǎn)生爐管堵塞的原因排查,技術(shù)人員對(duì)工藝參數(shù)進(jìn)行試驗(yàn)調(diào)整,確定了可行的操作方法,同時(shí)從原料、儀表控制等方面進(jìn)行補(bǔ)充優(yōu)化,使得GK-VI裂解爐的運(yùn)行質(zhì)量得到了大大的提升,爐管堵塞故障率降低為零。
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住友化學(xué)NOC永久關(guān)閉千葉PO/SM生產(chǎn)裝置
住友化學(xué)全資子公司日本環(huán)氧乙烷公司(NOC)于2015年5月9日永久性關(guān)閉了其位于日本千葉的180 kt/a環(huán)氧丙烷(PO)和425 kt/a苯乙烯(SM)生產(chǎn)裝置,并決定于6月停止PO的出口,7月份向先前預(yù)定的國(guó)內(nèi)消費(fèi)商供應(yīng)PO。所有SM的銷(xiāo)售定于5月份結(jié)束。
據(jù)悉,2013年住友化學(xué)從LyondellBasell手中收購(gòu)了NOC的所有股份。近幾年,由于國(guó)內(nèi)需求持續(xù)下滑,而中國(guó)和中東地區(qū)裝置的新建和產(chǎn)能擴(kuò)張日益改變供需結(jié)構(gòu),導(dǎo)致日本石化行業(yè)愈發(fā)舉步維艱。住友化學(xué)為了強(qiáng)化其石化業(yè)務(wù)運(yùn)營(yíng),優(yōu)化生產(chǎn)結(jié)構(gòu),包括對(duì)一些化學(xué)衍生物裝置的關(guān)停,上述生產(chǎn)裝置屬于關(guān)停之列。
(李雅麗摘自ICIS,2015-05-18~24)
埃及Echem完成丙烯/生物乙醇項(xiàng)目的可行性研究
埃及石油化工控股公司(Echem)正在對(duì)在埃及亞歷山大港投資15億美元投建丙烯和生物基乙醇項(xiàng)目進(jìn)行可行性研究,其中丙烯項(xiàng)目的可行性研究擬于2015年底完成,該項(xiàng)目的投資額約為20億美元。此外,該公司也在進(jìn)行50 kt/a稻草轉(zhuǎn)化成乙醇項(xiàng)目的可行性研究,其投資額為2億~3億美元,并就該項(xiàng)目正與埃及農(nóng)業(yè)部協(xié)商原料供應(yīng)事宜。
(李雅麗摘自PCN ,2015-06-01)
Analysison Causes of Blockage of GK-VI Cracking Furnace Tube and the Countermeasures
Zhan Yingjie,WangZhe,Qian Liming,Shen Dongwei
(OlefinDivision,SINOPECShanghaiPetrochemicalCo.,Ltd.200540)
Inassociation withthe practical situation of plant,the causes for coking and blockage of GK-VI cracking furnace tube were analyzed.The problem of blockage of GK-VI cracking furnace tube was solved with the measures of optimizing material quality,operating mode of cracking tube and instrument control,and adjusting process,which achieved the aim of lengthening operation cycle of GK-VI cracking furnace and increase the economic benefits of enterprises.
cracking furnace,blocking the tubes,operation cycle,measures
2015-06-12。
張穎杰,男,1986年出生,2011年畢業(yè)于南京工業(yè)大學(xué)化學(xué)工業(yè)催化專(zhuān)業(yè),碩士,從事烯烴工藝管理工作。
1674-1099 (2015)04-0043-05
TQ221.21+1
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