大气污染控制工程设计任务书

酸洗废气净化系统课程设计书学号：0902103040 姓名：杜 豪 专业：环境工程（2）班

酸洗废气净化系统课程设计

摘要：利用吸收塔对酸洗废气进行净化处理。 关键词：酸洗废气、吸收塔、管道 前言：随着人口的剧增和城市化的加剧，煤和石油燃烧排放到大气中的二氧化硫越来越多，它在大气中与水蒸气和氧气混合，生成硫酸，形成酸雨。酸雨被人们称为“空中死神”，它对生态系统的危害已成为举世瞩目的环境问题。控制大气中二氧化硫的含量无疑是当今正在努力的一个问题。而酸洗产生的废气中含有大量酸性气体，合理处理废气中的酸性气体是控制大气污染的必要措施。

1.概述：我国的能源结构以煤为主，是世界上最大的煤炭生产国和消费国。随着经济的快速发展，我国因燃煤排放的二氧化硫急剧增加，所造成的酸雨污染已经到了十分严重的程度，必须引起密切关注。

1.1酸雨的危害:弱酸性降水，可溶解地壳中的矿物质，供植物吸收。但如果酸度过高，如pH值低于5.0，就可能对人类及自然生态系统造成危害。酸雨带来的巨大损失是难以估量的，国外把酸雨称为“空中死神”。

1.1.1酸液对人体的危害:酸雨形成硫酸雾所产生的毒性很大，因为其微粒可侵入肺的深部组织，从而引起肺气肿和肺硬化等疾病而导致死亡。当空气中含有0.8 mg/m3硫酸雾时，就会使人难受致病。 1.1.2对农作物、植被的危害:受到酸雨侵蚀的农作物，由于叶内叶绿素含量降低，影响其光合作用，引起叶子枯萎和死亡使产量下降。荷兰全国54%的森林面积遭酸雨侵害，林木衰弱枯萎。重庆地区1982年一场pH值达3.9的酸雨使上万亩水稻叶片枯黄，状如火烤，几天后死亡。

1.1.3对土壤、湖泊的危害:酸雨淋溶土壤中的钙、镁、钾等营养元素，抑制有机物的分解和氮的固定，使土壤贫瘠，影响作物生长。酸雨得不到地表物质的饱和，使得河流、湖泊酸度增高，使水生动植物减少甚至绝迹，成为“死湖”。在加拿大，酸雨毁灭了1.4万个湖泊，另有4000个也濒临“死亡”。

1.1.4对金属、建筑物的危害:酸雨的腐蚀能力很强,大大加速了金属、建筑物、皮革、油漆、纺织品、橡胶等物质的腐蚀速度。德国慕尼黑的古画廊、科隆大教堂，已被酸雨腐蚀得面目全非。柳州的柳江大桥其金属结构现在每年要维修一次，而在无酸雨的六十年代三、四年才维修一次。应该指出，酸雨和二氧化硫的影响是一个缓慢的过程。因此，目前沿尚不能定量地估算酸雨所造成的损失，有待于进行深入研究和探索。但从客观上看，酸雨对我国经济发展的威胁是十分严重的，已成为其经济发展的重要因素之一，一定要引起高度重视，并采取有效的措施，否则酸雨污染范围会进一步扩大，且危害强度也会加重。

1.2酸洗废气的处理:利用吸收塔处理废气已经是控制大气污染的有效控制方法。与传统的板式塔相比,填料塔具有生产能力大、分离效率高、压降小、操作弹性大、持液量小等优点。特别是在20世纪70年代,由于新型填料、新型塔内件的开发应用和基础理论研究的不断深入,使填料塔的放大效应取得了实质性的突破,填料塔在化工企业得到了很好的应用。 一、设计目的

通过对气态污染物净化系统的工艺设计， 使学生初步掌握气态污染物净化系统

设计的基本方法。 培养学生利用已学理论知识，综合分析问题，并解决实际问题的能力；绘图能力；以及正确使 用设计手册和相关资料的能力。 二﹑设计任务

某厂生产用金刚砂，经湿式研磨后，需加浓硫酸酸洗处理。加酸时，有大量蒸汽、酸雾及有害 气体生成，对车间环境及工人身体健康造成严重危害。为此，需要对酸洗产生的废气进行治理， 以改善车间的环境及工人的操作条件。要求设计的净化系统，净化效果好；操作方便；投资省； 且达到排放标准。 三﹑设计资料

1．工艺特点：间段加酸，加酸后槽内温度可达 100℃以上。 2．废气特点 废气成分：近似空气，酸雾含量为 3210mg/m3N; 废气温度：60℃ 3．气象资料 气温：冬季 -6℃ 夏季 31℃ 大气压力：冬季 734mmHg 夏季 718mmHg 4．酸洗车间工艺布置图（参见图 4-1-1） 。 说明：酸洗时，工人将预先装入金刚砂的ф700mm 圆筒形料槽，沿酸洗槽前方的轨道，推入酸 洗槽位置后，向料槽中加入浓硫酸，并不断搅拌。酸洗完后，将料槽推出卸料；重新推入一筒 新料进行酸洗。故酸洗系间断操作。 四﹑课程设计内容

1．绘制设计图 设计图纸包括：

（1） 净化系统平面布置图（参见图 4-1-1）（2）净化系统剖面图；（参见图4-1-2）（3）净化系统的系统图；2．编写设计计算书 设计计算书内容包括：（1）净化方案的确定；（2）净化设备的选择及计算；（3）确定排气罩的形式，并计算罩子的排气量及压力损失；（4）设备与管道布置简图；（5）系统阻力及管网阻力平衡计算；（6）风机及配用电机的选择与确定； （7）需要说明的其他问题。㎡

五﹑设计要求 1．设计计算书设计计算书的内容应按上述要求编写，即包括与设计有关的阐述、说明及计算。要求内容完整，叙述简明，层次清楚，计算过程详细、准确，书写工整，装订成册。设计计算书应包括目录， 前言，正文及参考文献等。2．设计图纸 图纸幅面、图线等均应符合国家标准；图面布置均匀；并应符合制图规范要求。

六﹑设计程序

1．认真阅读设计任务书，明确设计任务与要求，研究并分析设计资料。 2．确定净化方案，此次课程设计要求采用液体吸收法进行净化。即采用 5% N a OH 溶液在填料 塔中吸收净化硫酸烟雾。 操作情况下，气相传质系数 k Ga = 144 Kmol/m3hatm 液相传质系数kLa= 0.7l/h推荐液气比为L/G=2.5～4 l/m3N; 3．确定排气罩的结构形式，尺寸大小，排风量及压力损失。选择排气罩时，应考虑污染源的特 征，即要控制住污染物，又要有较小的排风量，而且又不妨碍工人的操作。4．对净化设备——填料塔进行计算。包括选定所用填料；计算塔径及填料层高度。选定液体喷 淋装置、除雾装置、进出气管的形式，确定塔的总高度，并计算填料塔的阻力。5．进行净化系统设备及管道布置，并绘制出布置简图。管道布置应力求简单、紧凑、缩短管线 ，减少占地和空间，节省投资，方便安装、调节和维修。 6．进行净化系统管道计算：确定管径与附属管件，计算管道系统的压力损失，并进行管网损失 平衡计算。7．计算系统的总阻力，并选择系统所用风机及电动机。8．设计绘图，并编制主要设备材料表。设计图纸包括净化系统平面布置图、剖面图及系统图。 图纸数量为三张以上 2 号图。 9．编写设计说明书。设计说明书内容应完整，应包括目录、前言、正文及参考文献等。设计说 明书要求 20 页左右（约 8000～10000 字 ） 。 1．净化方案的选取

一般的局部排气净化系统的基本组成为：集气罩、风管、净化设备、引风机、烟囱。

1) 集气罩：集气罩是用以捕集污染气流的。其性能对净化系统的技术经

济指标有直接影响。由于污染源设备结构和生产操作工艺的不同，集气罩的形式是多种多样的。 2) 风管：在净化系统中用以输送气流的管道称为风管，通过风管使系统

的设备和部件连成一个整体。 3) 净化设备：为了让防止大气污染，当排气中污染物含量超过排放标准

时，需再次用净化设备进行处理，达到排放标准后，才能排入大气。即为该系统中的填料吸收塔。 4) 通风机：通风机是系统中气体流动的动力设备。为了防止通风机的磨

损和复试，通常把风机设在净化设备之后。 5) 烟囱：烟囱是净化系统的排气装置。其与净化后延期中仍含有一定量

的污染物，这些污染物在大气中扩散、稀释、悬浮或沉降到地面。为了保证污染物的地面浓度不超过环境空气质量标准，烟囱必须具有一定高度。

由设计资料可知，产生的废气主要包括蒸汽、酸雾及有害气体。采用液体吸收法进行净化。可采用可采用5％NaOH溶液在填料塔中吸收硫酸烟雾。

操作条件下，气相分传质系数kGa＝144 kmol/(m3·h·atm) 液相分传质系数kLa＝0.7 h－1 推荐标准状态下液气比L/G＝2.5～4 L/m3。 该排气净化系统如图1所示，包括酸洗废气集气罩、风管、填料塔、引风机、烟囱。

集 酸洗废气 气罩填料塔 （NaOH） 引风机 烟囱排放

图1 酸洗废气处理工艺流程

依据的标准：

《工业企业卫生设计标准》 TJ 36—1979 《大气污染物排放标准》 GB 16297-1996 《烟囱设计规范》 GB50051-2002 《钢结构设计规范》 GB50017-2003 2．集气罩设计

2.1集气罩选择

空气污染物在车间的扩散机理是污染物依附与气流运动而扩散的。对与生产过程散发大车间空气中的污染物，只要采用合理的同期方式，抗旨住室内二次气流的运动，就可以空盒子污染物的扩散和飞扬，从而达到改善车间内外空气环境质量的目的。局部排气通风方式，就是在局部污染源设置集气罩，将污染气流捕集起来并经净化装置净化后排至室外。这是控制车间污染最常用、最有效的方法。

按罩口气流流动方式可将集气罩分为两大类：吸气式集气罩和吹吸式集气罩。利用吸气气流不及污染空气的集气罩成为吸气式集气罩，而吹吸式集气罩则是利用吹吸气流来控制污染物扩散的装置。按集气罩与污染源的相对位置及合适

范围，还可将吸气式集气罩分为密闭罩、排气罩、外部集气罩、接受式集气罩等。根据资料中生产工艺可知宜采用外部集气罩中的上部集气罩。

2.2集气罩排风量确定

本设计中采用控制速度法的方法来计算集气罩的排风量。控制速度法：从污染源散发出的污染物具有一定的扩散速度，该速度随污染物扩散而逐渐减少。所谓控制速度系指在罩口前污染物扩散方向的任一点上均能使污染物随吸入气流集气罩内捕集的最小吸气速度。吸气气流有效作用范围内的最远可成为控制点。控制点距罩口的距离成为控制距离。

根据工艺设备及操作要求，由于为φ700mm的圆筒形，确定集气罩形状为φ800mm的圆形，根据控制要求安排罩口几何中心与控制点的距离为500mm。初步设定控制速度为0.7m/s。具体计算如下：

Q=AV=π0.8^2×0.7／4=0.352 m3/s 故设计单个集气罩的流量为0.352m3/s，总设计流量为4×0.352=1.408m3/s。 3．净化设备——填料塔设计算

填料塔为连续接触式气、液传质设备。在圆形塔体的下部，设置一层支承板，板上充填一定高度的填料。液体由入口进入经分布器喷淋至填料上，在填料的空隙中流过，并润湿填料表面形成流动的液膜。液体流经填料后由排出管排出。液体在填料层中有倾向于塔底的流动，故填料层较高时，常将其分段，两段之间设置液体再分布器，以利液体的重新分布，气体在支承板下方入口管进入塔内，在压强差的推动下通过填料间的空隙由塔的顶部排出管排出。填料层内气、液两相呈逆流流动，相际间的传质通常是在填料表面的液体与气相的界面上进行，两相的组成沿塔高连续变化。

填料塔和板式塔相比，不仅结构简单，而且具有生产能力大（通量达）、分离效率高、持液量小、操作弹性大、压强低等特点。通过填料材质的选择，可处理腐蚀性的物料。尤其对于压强降较低的真空精馏操作，填料塔更是显示出其优越性。但是，填料塔的造价通常高于板式塔，对于含有悬浮物的料液、易聚合的物系则不能适用，而且对于有侧线出料的场合也不大适宜。

近年来，国内外对填料的研究与开发进展很迅速，新型高效填料的不断出现，是填料塔的应用更加广泛 ，直径达几米甚至十几米的大型填料塔在工业上已罕见。

3.1计算塔径

有资料可知：

操作条件下，气相分传质系数kGa＝144 kmol/(m3·h·atm) 液相分传质系数kLa＝0.7 h－1 推荐标准状态下液气比L/G＝2.5～4 L/m3

填料塔常用的规整填料，由于分离效率高，空隙率大，持液量小因而操作压降小等方面的特点，应用越来越广泛，而好的填料如果没有一个好的液体分布器，也达不到很好的汽液分布效果。

选择填料：塑料鲍尔环 散装填料类型：A：00942 其参数特性如表1所示。

表1 塑料鲍尔环散装填料的相关特性

填料工程外径×高×比表面空隙个数

堆积密度 干填料?/( m2/m类型 直径 厚 率n/m

DN /mm

鲍尔环

25

d×h×?/mm

3)

?/%

3

?P/( kg/m

3) 85

因子?/ m-1 285

25×25×0.5 213 90.7

48300

5%NaOH溶液密度为?v=1.05g/m3, 混合气体的平均密度：?L=1.060kg/m3,

取L/G＝4 L/m3

33?2Du?Qv?2.036m?7329.6msh4

Ql=Qv×4/1000=7329.6×4/1000=29.32m3／h Wv?Qv??v?7329.6?1.060?7769.376kgh

Wl=Ql× ρl=29.32×1050=30786㎏／h

Wl/Wv{ρv/ρl}^0.5=30786/7769.376×{1.06/1050}^0.5=0.129

u查表得：

umax?2max0.2???v?L?0.095g?L

0.095g?L0.2???v?L?0.095?9.81?1050?1.84ms10000.2285??1.060?1.01050

s

取

u?0.7umax?0.7?1.84?1.29mD?4Qv4?2.036??1.418m?u3.14?1.29 取整得：D?1400mm 则 4Qv4?2.036??1.32m22s?D3.14?1.4

uumax?1.32?100%?71.7%1.84

u?乏点率：

Umin3m??LW?min??0.08?213?17.04?m?h?

2U=Ql/π/4D^2=29.32/π/4×1.4^2=19.04 m3／﹙㎡.h﹚ 为提升喷淋密度，取D?1200mm，则

u?4Qv4?2.036??1.80m22s?D3.14?1.2

u乏点率为：

umax?1.80?100%?97.8%1.84

则U=Ql/π/4×D^2=29.32/π4×1.2^2=25.95m3／﹙㎡／h﹚故选D?1200mm合理。

3.2填料层高度

有资料可知：

标准状态下酸雾含量为3210mg/m3

操作条件下，气相分传质系数kGa＝144 kmol/(m3·h·atm) 液相分传质系数kLa＝0.7 h－1

V268.26HoG???1.763.14kGaP?144??1.224

33210?1098Y1??7.34?10?41000?)Y1?0.Y2122.4 Y2?(1?

NoG??Y1dYdY??lnY1?lnY2?lnY1?ln?0.2Y1??ln?7.34?10?4??ln?0.2?7.34?10?4??1.62??Y2Y?YY2?YY12.85?3.65m，取整得则Z?HoG?NoG?1.76?1.62?2.85m，取Z,?1.25Z?1.25?Z,?4m,由鲍尔环可知h/D=5~10,取 h/D=510则h=10×1.2=12m>4m,则不用分段。

3.3 填料塔压降计算

W???由上面计算可得：L?v?Wv??L?20.5?0.110

0.2???v?L纵坐标计算得：u?0.9782?0.110?0.105

g?L查表得：?P?155?9.81Pam?1520.55Pam

则该填料塔得压降为： 4×1520.55=6082Pa

3.4液体分布器的选型

高效液体分布器的设计要求： 在设计填料塔时，通常假设气相和液相沿塔截面是均匀分布的，但大量试验表明，液体在填料层内不是呈均匀的柱塞流状态，而是由壁流、沟流等横向流动，这种不均匀的分布会降低塔的分离性能。造成液体不均匀分布的因素很多，除了填料本身固有的对液体的分散特性外，液体分布器则是影响液体分布的关键因素之一。

液体在塔截面上的分布点不可能是无限的。对于小孔式分布点，常希望孔数越多越好。这样可提高均匀分布程度，但对于一定的液体流量，孔数越多，则孔径越小。孔径过小必然对固体杂质敏感，孔易被堵塞，孔数多反而造成分布不均

匀，孔径的下限应视物料中固体颗粒情况而定。

填料塔的操作弹性往往不是由填料性能决定，而是由液体分布器的操作弹性决定。连续操作的填料塔，液体回流量或喷淋量比较稳定。通用型液体分布器的操作弹性一般为30%-100%，完全可以满足操作塔的要求。对于分批精馏塔，在1个操作周期中回流比有大幅变动。多用途塔的被分离物系经常变换，回流比或喷淋量变化也很大。这种场合下液体分布器的操作弹性很高，需要进行特殊设计，否则塔的性能会时好时坏。

对于大多数物系，填料塔的效率除与填料本身的特性有关外，与液体均匀程度也有很大关系。除采用高效填料外，还必须有结构合理的塔内件，特别是性能良好的液体分布器。良好的液体分布器应具备下列特点：液体分布均匀，气相通过的自由截面大，阻力小，操作弹性大，不易堵塞，不易造成雾沫夹带和泡沫，制造容易，安装方面。就液体分布的推动力来讲，液体分布可分为压力型和重力型2大类。

液体分布器的选型：

该吸收塔气相负荷大，液相负荷小，可选用槽式液体分布器。 槽式液体分布器是一种新型高效液体分布器，其质量高低对填料塔的操作影响很大，设计时应该按实际结论及理论公式进行详细分析，充分发挥其布液均匀，操作弹性大的优点，以改善填料塔的操作性能。

安分布点集合均匀和流量均匀的严责，进行布点设计。

结果为二级槽设计5道，在槽侧面开孔，槽宽度为100mm，槽高100mm，中心距200mm，给分布嗲采用三角形排列，实际设计不点数为n=50点，每根液槽上的不夜店个数依次为3和4、5和6、7和7、6和5、4和3/，同一侧两布液点间的距离为150mm。

4.管道压降计算

管道内气体流动的压力损失由两种，一种是由于气体本身粘滞性及其与管壁的摩擦而产生的压力损失，称为摩擦压力损失；另一种是气体流经管道系统中某些局部构件时，由于流速大小和方向改变形成涡流而产生的压力损失，称为局部压力损失。摩擦压力损失和局部压力损失之和即为管道系统压力损失，称为局部压力损失。

4.1逐管段压损计算

如附图中所示，在各个管道上标注标号及长度。

管段1：根据Q1=2444.4m3/h,v=13.9m/s,查《环保设备设计手册》中的圆形风管单位长度摩擦距离线算图（以后简称查图）可得Rm=9Pa/m,

则摩擦压力损失为?PL1?lRm?3.6?9?32.4Pa 各管件局部压损系数（查手册）为：

集气罩1：??0.11；90°弯头（R/D=1.5）, ??0.18；120°弯头（R/D=1.5）,

??0.20；30°直流三通，??0.25。

???0.11+0.18+0.2+0.25=0.74

则局部压损：

?Pm1????v22?0.74?116.?0P8a5.9

1??PL1??Pm1?32.4?85.9?118.3Pa 则该管段总压损为：?P管段2：根据Q2=2444.4m3/h,v=17.9m/s,查图可得Rm=17Pa/m, 则摩擦压力损失为?PL2?lRm?1.3?17?22.1Pa 各管件局部压损系数（查手册）为：

??0.11；??0.12集气罩2：90°弯头（R/D=1.5）, ??0.18； 30°直流三通，（对应直通管动压的局部压损系数）。

???0.11+0.18+0.12=0.41

则局部压损：

?Pm2????v22?0.74?116.?0P8a5.9

2??PL2??Pm2?22.1?85.9?101.4Pa 则该管段总压损为：?P管段3：根据Q3=2444.4m3/h,v=15.1m/s,查图可得Rm=12Pa/m, 则摩擦压力损失为?PL3?lRm?3.9?12?46.8Pa 各管件局部压损系数（查手册）为：

集气罩3：??0.11；90°弯头（R/D=1.5）, ??0.18；120°弯头（R/D=1.5）,

??0.20；30°直流三通，??0.25。

???0.11+0.18+0.2+0.25=0.74

则局部压损：

?Pm3????v22?0.74?136.?61P0a1.1

3??PL3??Pm3?46.8?101.1?147.9Pa 则该管段总压损为：?P管段4：Q4=Q1+Q2=4888.8 m3/h,v=14.2m/s,查图可得Rm=7Pa/m, 则摩擦压力损失为?PL4?lRm?0.5?7?3.5Pa 各管件局部压损系数（查手册）为：

30°直流三通，?1?0.11；30°直流三通，?2?0.12。

???0.11+0.12=0.23

则局部压损：

?Pm1????v22?0.23?120.?8P2a7.8

4??PL4??Pm4?3.5?27.8?31.3Pa 则该管段总压损为：?P

管段5：Q5=Q4+Q3=7329.6 m3/h,v=16.3m/s,查图可得Rm=7Pa/m, 则摩擦压力损失为?PL5?lRm?5.3?7?37.1Pa 各管件局部压损系数（查手册）为：

90°弯头（R/D=1.5）4个, ??0.18；30°直流三通，??0.11；进入填料塔，

??1（估算）；填料塔压降为6082Pa。

???0.18?4+0.11+1=1.83

1.83?159.?2m5?则局部压损： ?P60?82P6a3 73.35??PL5??Pm5?37.1?6373.3?6410.4Pa 则该管段总压损为：?P管道6：Q6=Q5=7329.6 m3/h,v=16.3m/s,查图可得Rm=7Pa/m, 则摩擦压力损失为?PL6?lRm?6?7?42Pa 各管件局部压损系数（查手册）为：

90°弯头（R/D=1.53个, ??0.18；进入风机，??0.1（估算）。

???0.18?3+0.1=0.64

?2则局部压损： ?Pm6?0.64?159.1P0a 1.96??PL6??Pm6?42?101.9?143.9Pa 则该管段总压损为：?P管道7：Q7=Q6=7329.6 m3/h,v=16.3m/s,查图可得Rm=7Pa/m, 则摩擦压力损失为?PL6?lRm?15?7?105Pa 各管件局部压损系数（查手册）为：

??0.1??13.。???0.1+1.3=1.4 风机出口，（估算），伞形风帽（h/D=1.5），1.4?159.?2m7?则局部压损： ?P2P2a2. 97??PL7??Pm7?105?222.2?327.9Pa 则该管段总压损为：?P4.2并连管路压力平衡计算

节点一：

?P1??PL1??Pm1?32.4?85.9?118.3Pa ?P2??PL2??Pm2?22.1?85.9?101.4Pa

?P118.3?101.41??P2??14.3%?15%?P118.31

故该节点压力平衡。 节点二：

?P1?118.3?31.3?149.6Pa ?P2?147.9Pa

?P149.6?147.91??P2??1.14%?15%?P149.61

故该节点压力平衡。

4.3净化系统总压力损失

?P??P1??P4??P5??P6??P7?118.3?31.3?6410.4?143.9?327.9?7031.8Pa 把上述解锁填入表2管道计算表中。

表2 管道计算表

流量

比摩阻

摩擦压损

局部压损系数

管段压损累计

管流速动压

管Q管v/长/?v2段径

D/m?s?1编3?1l/2/

m?hmm 号

m Pa

2444.3.

250 13.9

4 6 2444.1.

220 17.9

4 3 2444.3.

240 15.1

4 9 4888.0.

350 14.2

8 5 7329.5.

400 16.3

6 3 7329.

6 400 16.3 6 7329.

15 400 16.3 6

5.选择风机和电机

Rm/

局部压损

Pa?m?1 9 17 12 7 7 7 7

?PL/Pa 32.4 22.1 46.8 3.5 37.1 42 105

?Pm/

Pa

?? 0.74 0.41 0.74 0.23 1.83 0.64

管段总压损?P/Pa

??P/Pa

1 2 3 4 5 6 7

116.0 193.5 136.6 120.8 159.2 159.2 159.2

118.3 101.

79.3

4 147.

101.1

9 85.9 27.8

31.3

7031.8

6373.64103 .4

143.

101.9

9 327.

1.4 222.9

9

选择风机的计算风量：Q0?Q(1?K1)?7329.6?1.1?8062.6

0??P(1?K2)?7031.8?1.15?8086.6 选择风机的计算风压：?P参考文献：

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