CN112121811A - 一种制备甲基丙烯腈用催化剂及制备甲基丙烯腈的方法 - Google Patents
一种制备甲基丙烯腈用催化剂及制备甲基丙烯腈的方法 Download PDFInfo
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Abstract
本发明提供一种制备甲基丙烯腈用催化剂及制备甲基丙烯腈的方法,所述催化剂为负载型催化剂,其包括载体和负载在载体上的活性组分,其中,所述活性组分的化学式如下所示:MgaNibFecKdMoeBifXgYhOz;所述催化剂和同类制备甲基丙烯腈用催化剂相比,具有组成简单、异丁烯的转化率、甲基丙烯腈的选择性高等特点;同时,所述催化剂应用于异丁烯氨氧化制备甲基丙烯腈的过程中,副产物甲腈的选择性低,且连续反应约一周的时间,转化率和选择性均未出现明显的下降。所述采用上述的催化剂制备甲基丙烯腈的方法具有异丁烯的转化率高,甲基丙烯腈的选择性高,副产物甲腈的选择性低等优点,特别适合于工业化生产。
Description
技术领域
本发明属于甲基丙烯腈技术领域,具体涉及一种制备甲基丙烯腈用催化剂及采用该催化剂制备甲基丙烯腈的方法。
背景技术
Mo系催化剂在氨氧化反应中的应用已经较为成熟,尤其以丙烯氨氧化制备丙烯腈为典型代表。经过多年的研发,Mo系催化剂的元素组成已经十分丰富,包括碱金属、碱土金属、过渡金属元素、稀土元素等等,其目的是提高原料转化率、提高主产物选择性或者改变某种副产物的选择性。例如现有技术曾报道过在Mo基催化剂的基础上,通过添加卤素阴离子来降低副产物CO、CO2的量,丙烯腈的选择性高达83.5%。还例如现有技术也报道了通过Mg、Fe、Ni等元素之间的协同作用,减缓催化剂的结构畸变,不饱和腈的选择性高于80%。
在丙烯氨氧化的基础上,将异丁烯氨氧化制备甲基丙烯腈,是开发C4化工领域下游产品的一条十分有潜力的途径。甲基丙烯腈是一种重要的化工原料,主要用于生产聚甲基丙烯酰亚胺和甲基丙烯酸甲酯等产品。目前,已有部分关于异丁烯氨氧化制备甲基丙烯腈的Mo基催化剂的相关报道,然而这些Mo基催化剂普遍存在异丁烯转化率低和甲基丙烯腈选择性低的问题。此外,还有部分专利报道过一种异丁烯的转化率高达96.6%,甲基丙烯腈的选择性也高达80%的Mo基催化剂,但是其催化剂组成中含有Cr元素,由于环保要求日益严格,Cr元素在催化剂中的应用正在逐渐被其他元素所取代。
综上,现有已知的Mo基催化剂存在组成复杂、对目标产物的选择性不高、同时伴随大量副产物等缺陷。
发明内容
为了改善现有技术的不足,本发明的一个目的是提供一种制备甲基丙烯腈用催化剂及其制备方法,所述催化剂和同类制备甲基丙烯腈用催化剂(如氨氧化催化剂)相比,具有组成简单、异丁烯的转化率高、甲基丙烯腈的选择性高、副产物的选择性低等特点;同时,所述催化剂应用于异丁烯氨氧化制备甲基丙烯腈的过程中,副产物甲腈的选择性低,且连续反应至少一周,转化率和选择性均未出现明显的下降。本发明的另一个目的是提供一种采用上述的催化剂制备甲基丙烯腈的方法,该方法具有异丁烯的转化率高、甲基丙烯腈的选择性高、副产物甲腈的选择性低等优点,特别适合于工业化生产。
本发明目的是通过如下技术方案实现的:
一种用于异丁烯氨氧化制备甲基丙烯腈的催化剂,所述催化剂为负载型催化剂,其包括载体和负载在载体上的活性组分,其中,所述活性组分的化学式如式(1)所示:
MgaNibFecKdMoeBifXgYhOz 式(1)
其中,X为锌、钙、钡和钴中的至少一个元素,Y为铜、铈、钐和铌中的至少一个元素,a=1-10,b=1-8,c=1-5,d=0.05-0.5,e=3-15,f=0.1-1,g=0-6,h=0-8,z为满足其他元素化合价所需的氧原子总数。
根据本发明,所述载体选自二氧化硅、三氧化二铝等载体。
根据本发明,所述二氧化硅的前驱体为硅溶胶。本发明中,对所述硅溶胶中的杂质含量没有特别的限定。
根据本发明,所述三氧化二铝例如为氧化铝粉末。
根据本发明,所述载体的加入量为所述催化剂总质量的15-70wt%,具体为20-60wt%,例如为15wt%、20wt%、25wt%、30wt%、35wt%、40wt%、45wt%、50wt%、55wt%、60wt%、65wt%或70wt%。
根据本发明,a=1-10,进一步a=1-8,例如a=2、4、6、8。
根据本发明,b=1-8,进一步b=1.5-7,例如b=2、4、5、6、7。
根据本发明,c=1-5,进一步c=1.5-4.5,例如c=1.5、2.5、3.5、4.5。
根据本发明,d=0.05-0.5,进一步d=0.05-0.45,例如d=0.05、0.1、0.2、0.3、0.4。
根据本发明,e=3-15,进一步e=4-14,例如e=4、6、8、9、10、12。
根据本发明,f=0.1-1,进一步,f=0.2-0.9,例如f=0.25、0.35、0.45、0.55、0.7、0.8。
根据本发明,g=0-6,进一步,g=0-5,例如g=0、1、3、5。
根据本发明,h=0-8,进一步,h=0-7,例如h=0、1、3、5、7。
示例性地,所述催化剂的活性组分的化学式为:
Mg2Ni4Fe2.5K0.1Mo12Bi0.25ZnCu3Oz、Mg4Ni5Fe1.5K0.05Mo9Bi0.35Co3Sm5Oz、Mg6Ni6Fe3.5K0.3Mo10Bi0.55Ba5CeOz、Mg6Ni5.1Fe3.3K0.25Mo12Bi0.55Cu2Oz、Mg2.5Ni5.1Fe4K0.45Mo12Bi0.45CeOz、Mg7.5Ni6.5Fe2K0.25Mo14Bi0.65Zn3Nb2Oz、Mg8Ni2Fe4.5K0.2Mo6Bi0.75Ba3Oz、Mg3Ni2Fe1.8K0.2Mo9Bi0.45Zn1Oz、Mg3.5Ni3Fe4K0.4Mo12Bi0.55ZnCu3Oz,其中z为满足其他元素化合价所需的氧原子总数。
本发明还提供上述用于异丁烯氨氧化制备甲基丙烯腈的催化剂的制备方法,所述方法包括如下步骤:
将钼的可溶盐与氨水混合后加入载体前驱体得到钼的可溶盐溶液,调节该溶液pH值为7-9之间;再分别将满足上述式(1)所示的组分含量的其余金属的可溶盐配成水溶液,并加入柠檬酸;将上述的可溶盐配成的水溶液加入到上述钼的可溶盐溶液中,随后进行搅拌、老化、干燥和焙烧,制备得到所述催化剂。
示例性地,将一定量的钼的可溶盐与适量氨水混合后加入载体前驱体(如硅溶胶等)得到钼的可溶盐溶液,调节该溶液pH值为7-9之间;再分别将满足上述式(1)所示的组分含量的其余的可溶盐配成水溶液,并加入适量柠檬酸;在机械搅拌的条件下将上述的可溶盐配成的水溶液加入到上述钼的可溶盐溶液中,随后进行搅拌、老化、干燥和焙烧,制备得到所述催化剂。
本发明中,所述的金属的可溶盐是指金属的可溶于水的盐。
根据本发明,所述金属的可溶盐例如可以是金属的硝酸盐、金属的氯盐、金属的硫酸盐、金属的磷酸盐、金属的氯酸盐、金属的有机酸盐等等,本申请对此并没有特别的限定,能实现其溶解并配成水溶液,且制备得到所述催化剂即可,优选硝酸盐。
根据本发明,所述钼的可溶盐例如可以是常见的钼酸盐类,例如可以是七钼酸铵。
根据本发明,所述老化的温度为50-80℃;所述焙烧的温度为200-800℃;所述焙烧的时间为6-12h,例如为9h。示例性地,所述焙烧也可以是分段焙烧,即例如升温至250-300℃焙烧3h,随后继续升温至400-450℃焙烧3h,再随后继续升温至500-800℃焙烧3h。所述焙烧也可以是在400-800℃焙烧6-12h。
根据本发明,将焙烧后的产物进行压片、破碎、筛选得到所需粒径的催化剂。
本发明还提供一种异丁烯氨氧化制备甲基丙烯腈的方法,所述方法包括如下步骤:
将异丁烯、氨和氧化剂混合,与上述用于异丁烯氨氧化制备甲基丙烯腈的催化剂接触、反应,制备得到甲基丙烯腈。
根据本发明,所述氧化剂选自氧气、空气等中的一种。
根据本发明,所述反应的温度为400-450℃,所述反应的压力为常压。
根据本发明,所述异丁烯:氨气:氧化剂的体积比为1:1-2:8-12。
根据本发明,将异丁烯、氨和氧化剂混合时还可以引入一定量的水,所述水的流量为0.01-1mL/min。水的加入有利于提高反应速度。
根据本发明,所述异丁烯:氨气:氧化剂:水的体积比为1:1-2:8-12:0.002-1。
根据本发明,所述反应在固定床反应器或流化床反应器中均可进行。
本发明的有益效果:
本发明提供一种制备甲基丙烯腈用催化剂及制备甲基丙烯腈的方法,所述催化剂和同类制备甲基丙烯腈用催化剂(如氨氧化催化剂)相比,具有组成简单、异丁烯的转化率、甲基丙烯腈的选择性高等特点;同时,所述催化剂应用于异丁烯氨氧化制备甲基丙烯腈的过程中,副产物甲腈的选择性低,且连续反应约一周的时间,转化率和选择性均未出现明显的下降。所述采用上述的催化剂制备甲基丙烯腈的方法具有异丁烯的转化率高,甲基丙烯腈的选择性高,副产物甲腈的选择性低等优点,特别适合于工业化生产。
附图说明
图1为实施例4的催化剂运行7天的异丁烯的转化率。
具体实施方式
下文将结合具体实施例对本发明的制备方法做更进一步的详细说明。应当理解,下列实施例仅为示例性地说明和解释本发明,而不应被解释为对本发明保护范围的限制。凡基于本发明上述内容所实现的技术均涵盖在本发明旨在保护的范围内。
下述实施例中所使用的实验方法如无特殊说明,均为常规方法;下述实施例中所用的试剂、材料等,如无特殊说明,均可从商业途径得到。
下述实施例中,所述的异丁烯的转化率定义如下:
上式中,conv.(%)表示转化率,Cbutene表示异丁烯在反应结束后的浓度,C0 butene表示异丁烯的初始浓度。
下述实施例中,所述的甲基丙烯腈及其他产物的选择性定义如下:
上式中,selec.(Ci,%)表示产物i的选择性,式中分子表示反应结束后产物i的浓度,式中分母表示所有产物的浓度之和。
实施例1
将31.8g七钼酸铵加入到60mL去离子水中,再加入20mL氨水,此时溶液澄清,在机械搅拌下加入18.16g 30wt%硅溶胶,将上述混合液放入80℃水浴锅中。将1.51g质量分数为10%的硝酸钾溶液、17.44g六水合硝酸镍、7.7g六水合硝酸镁、15.17g九水合硝酸铁、1.82g五水合硝酸铋、4.47g六水合硝酸锌、10.88g三水合硝酸铜溶于30g去离子水中再加入1g柠檬酸,搅拌溶解,将其缓慢加入到七钼酸铵溶液中。之后继续搅拌2小时,将混合物转入110℃烘箱过夜干燥。将干燥后的催化剂研磨,放入马弗炉中,在空气气氛中,以2℃/min的升温速率,升温至610℃焙烧9h。焙烧后的催化剂经过研磨、压片,筛分得到20-40目粒径的催化剂。
制备得到的催化剂的组成为80%Mg2Ni4Fe2.5K0.1Mo12Bi0.25ZnCu3Oz+20%SiO2。
实施例2-10和对比例1-6
催化的制备过程同实施例1,区别仅在于加入的各组分的含量和配比不同,具体如表1所示。
测试例1
将上述实施例1-10和对比例1-6所得催化剂装入内径为15mm的反应管中进行评价,反应条件为410-430℃,常压,原料气的组成比例为异丁烯:氨气:空气:水=5:6:47:0.01,单位为mL/min,异丁烯的质量空速为0.07h-1。催化剂活性的评价时间为12小时。
反应管的尾部设置尾气吸收装置,所示尾气吸收装置包括有机相、水相和硫酸溶液,其中有机相为甲苯,主要吸收甲基丙烯腈、乙腈、丙烯腈等,水相吸收甲腈,硫酸溶液用于中和未反应的氨气。其余未反应的气相产物直接进入气相色谱进行在线分析,计算异丁烯的转化率。液相产物在反应结束后,加入0.6g正丁醇作为内标物,通过气相色谱和标样对比,进行定性分析,通过标准曲线进行定量计算,得到不同主副产物的选择性。
表1实施例1-6和对比例1-6所得催化剂的组成
催化剂组成 | |
实施例1 | Mg<sub>2</sub>Ni<sub>4</sub>Fe<sub>2.5</sub>K<sub>0.1</sub>Mo<sub>12</sub>Bi<sub>0.25</sub>ZnCu<sub>3</sub>O<sub>z</sub>+20%SiO<sub>2</sub> |
实施例2 | Mg<sub>3</sub>Ni<sub>2</sub>Fe<sub>1.8</sub>K<sub>0.2</sub>Mo<sub>9</sub>Bi<sub>0.45</sub>Zn<sub>1</sub>O<sub>z</sub>+20%SiO<sub>2</sub> |
实施例3 | Mg<sub>6</sub>Ni<sub>5.1</sub>Fe<sub>3.3</sub>K<sub>0.25</sub>Mo<sub>12</sub>Bi<sub>0.55</sub>Cu<sub>2</sub>O<sub>z</sub>+20%SiO<sub>2</sub> |
实施例4 | Mg<sub>4</sub>Ni<sub>5</sub>Fe<sub>1.5</sub>K<sub>0.05</sub>Mo<sub>9</sub>Bi<sub>0.35</sub>Co<sub>3</sub>Sm<sub>5</sub>O<sub>z</sub>+20%SiO<sub>2</sub> |
实施例5 | Mg<sub>6</sub>Ni<sub>6</sub>Fe<sub>3.5</sub>K<sub>0.3</sub>Mo<sub>10</sub>Bi<sub>0.55</sub>Ba<sub>5</sub>CeO<sub>z</sub>+20%SiO<sub>2</sub> |
实施例6 | Mg<sub>7.5</sub>Ni<sub>6.5</sub>Fe<sub>2</sub>K<sub>0.25</sub>Mo<sub>14</sub>Bi<sub>0.65</sub>Zn<sub>3</sub>Nb<sub>2</sub>O<sub>z</sub>+20%SiO<sub>2</sub> |
实施例7 | Mg<sub>8</sub>Ni<sub>2</sub>Fe<sub>4.5</sub>K<sub>0.2</sub>Mo<sub>6</sub>Bi<sub>0.75</sub>Ba<sub>3</sub>O<sub>z</sub>+20%SiO<sub>2</sub> |
实施例8 | Mg<sub>3.5</sub>Ni<sub>3</sub>Fe<sub>4</sub>K<sub>0.4</sub>Mo<sub>12</sub>Bi<sub>0.55</sub>ZnCu<sub>3</sub>O<sub>z</sub>+20%SiO<sub>2</sub> |
实施例9 | Mg<sub>3.5</sub>Ni<sub>3</sub>Fe<sub>4</sub>K<sub>0.4</sub>Mo<sub>12</sub>Bi<sub>0.55</sub>ZnCu<sub>3</sub>O<sub>z</sub>+40%SiO<sub>2</sub> |
实施例10 | Mg<sub>3.5</sub>Ni<sub>3</sub>Fe<sub>4</sub>K<sub>0.4</sub>Mo<sub>12</sub>Bi<sub>0.55</sub>ZnCu<sub>3</sub>O<sub>z</sub>+60%SiO<sub>2</sub> |
对比例1 | Mg<sub>2</sub>Fe<sub>2.5</sub>Mo<sub>12</sub>Bi<sub>0.25</sub>O<sub>z</sub>+20%SiO<sub>2</sub> |
对比例2 | Ni<sub>5.1</sub>Fe<sub>3.3</sub>Mo<sub>12</sub>Bi<sub>0.55</sub>O<sub>z</sub>+20%SiO<sub>2</sub> |
对比例3 | Zn<sub>2</sub>Fe<sub>2.5</sub>Mo<sub>12</sub>Bi<sub>0.25</sub>O<sub>z</sub>+20%SiO<sub>2</sub> |
对比例4 | Ni<sub>2</sub>Fe<sub>1.8</sub>K<sub>0.2</sub>Mo<sub>6</sub>Bi<sub>0.45</sub>Zn<sub>1</sub>O<sub>z</sub>+20%SiO<sub>2</sub> |
对比例5 | Fe<sub>1.8</sub>K<sub>0.2</sub>Mo<sub>2</sub>Bi<sub>0.45</sub>Cu<sub>2</sub>Zn<sub>1</sub>O<sub>z</sub>+20%SiO<sub>2</sub> |
对比例6 | Mg<sub>3</sub>Ni<sub>2</sub>Fe<sub>1.8</sub>K<sub>0.04</sub>Mo<sub>9</sub>Bi<sub>0.15</sub>Cu<sub>2</sub>O<sub>z</sub>+20%SiO<sub>2</sub> |
表2实施例1-10和对比例1-6所得催化剂的性能评价结果(评价温度410℃)
测试例2
将上述实施例3所得催化剂装入内径为15mm的反应管中进行评价,反应条件为410-430℃,常压,原料气的组成比例为异丁烯:氨气:空气:水=5:6:47:0.01,单位为mL/min。催化剂活性的评价时间为7天。测试结果如表3所示。
表3实施例3所得催化剂的性能评价结果
从表2可以看出,实施例1-10的不同组成的催化剂在制备甲基丙烯腈时,具有优异的催化活性,特别地,
在实施例1-8中,在不同组成的催化剂上,异丁烯的单程转化率均维持在88-95%之间,最优转化率达到94.4%,甲基丙烯腈的选择性均在80%以上,最优的选择性可以达到85-86%。副产物甲腈的选择性均在1%以下,CO和CO2的总选择性不高于11%,这样有利于降低副产物处理的难度和减少原料的浪费。
在实施例9-10中,硅溶胶载体的含量从20%增加到40%和60%,异丁烯的单程转化率从91.3%分别下降至84.0%和82.1%,甲基丙烯腈大的选择性没有明显下降,仍维持在80%以上,因此仍符合工业使用的预期,同时硅溶胶含量的增加可以大幅降低催化剂的成本,进而降低工业过程的成本。
将实施例3的催化剂进行连续一周的活性评价,结果如表3和图1所示。异丁烯的单程转化率仍维持在89-93%之间,甲基丙烯腈的选择性稳定在82%以上,没有明显下降趋势,初步体现了该催化剂的良好的稳定性。副产物中,甲腈的选择性维持在1%以下,CO和CO2的总选择性不高于7%。
以上,对本发明的实施方式进行了说明。但是,本发明不限定于上述实施方式。凡在本发明的精神和原则之内,所做的任何修改、等同替换、改进等,均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种用于异丁烯氨氧化制备甲基丙烯腈的催化剂,其中,所述催化剂为负载型催化剂,其包括载体和负载在载体上的活性组分,其中,所述活性组分的化学式如式(1)所示:
MgaNibFecKdMoeBifXgYhOz 式(1)
其中,X为锌、钙、钡和钴中的至少一个元素,Y为铜、铈、钐和铌中的至少一个元素,a=1-10,b=1-8,c=1-5,d=0.05-0.5,e=3-15,f=0.1-1,g=0-6,h=0-8,z为满足其他元素化合价所需的氧原子总数。
2.根据权利要求1所述的催化剂,其中,所述载体选自二氧化硅、三氧化二铝等载体。
优选地,所述二氧化硅的前驱体为硅溶胶。
优选地,所述三氧化二铝例如为氧化铝粉末。
3.根据权利要求1或2所述的催化剂,其中,所述载体的加入量为所述催化剂总质量的15-70wt%,具体为20-60wt%。
4.根据权利要求1-3任一项所述的催化剂,其中,a=1-10,进一步a=1-8,例如a=2、4、6、8。
优选地,b=1-8,进一步b=1.5-7,例如b=2、4、5、6、7。
优选地,c=1-5,进一步c=1.5-4.5,例如c=1.5、2.5、3.5、4.5。
优选地,d=0.05-0.5,进一步d=0.05-0.45,例如d=0.05、0.1、0.2、0.3、0.4。
优选地,e=3-15,进一步e=4-14,例如e=4、6、8、9、10、12。
优选地,f=0.1-1,进一步,f=0.2-0.9,例如f=0.25、0.35、0.45、0.55、0.7、0.8。
优选地,g=0-6,进一步,g=0-5,例如g=0、1、3、5。
优选地,h=0-8,进一步,h=0-7,例如h=0、1、3、5、7。
5.根据权利要求1-4任一项所述的催化剂,其中,所述催化剂的活性组分的化学式为Mg2Ni4Fe2.5K0.1Mo12Bi0.25ZnCu3Oz、Mg4Ni5Fe1.5K0.05Mo9Bi0.35Co3Sm5Oz、Mg6Ni6Fe3.5K0.3Mo10Bi0.55Ba5CeOz、Mg6Ni5.1Fe3.3K0.25Mo12Bi0.55Cu2Oz、Mg2.5Ni5.1Fe4K0.45Mo12Bi0.45CeOz、Mg7.5Ni6.5Fe2K0.25Mo14Bi0.65Zn3Nb2Oz、Mg8Ni2Fe4.5K0.2Mo6Bi0.75Ba3Oz、Mg3Ni2Fe1.8K0.2Mo9Bi0.45Zn1Oz、Mg3.5Ni3Fe4K0.4Mo12Bi0.55ZnCu3Oz,其中z为满足其他元素化合价所需的氧原子总数。
6.权利要求1-5任一项所述的用于异丁烯氨氧化制备甲基丙烯腈的催化剂的制备方法,所述方法包括如下步骤:
将钼的可溶盐与氨水混合后加入载体前驱体得到钼的可溶盐溶液,调节该溶液pH值为7-9之间;再分别将满足上述式(1)所示的组分含量的其余金属的可溶盐配成水溶液,并加入柠檬酸;将上述的可溶盐配成的水溶液加入到上述钼的可溶盐溶液中,随后进行搅拌、老化、干燥和焙烧,制备得到所述催化剂。
7.根据权利要求6所述的制备方法,其中,所述方法具体包括如下步骤:
将一定量的钼的可溶盐与适量氨水混合后加入载体前驱体(如硅溶胶等)得到钼的可溶盐溶液,调节该溶液pH值为7-9之间;再分别将满足上述式(1)所示的组分含量的其余的可溶盐配成水溶液,并加入适量柠檬酸;在机械搅拌的条件下将上述的可溶盐配成的水溶液加入到上述钼的可溶盐溶液中,随后进行搅拌、老化、干燥和焙烧,制备得到所述催化剂。
8.根据权利要求6或7所述的制备方法,其中,所述老化的温度为50-80℃;所述焙烧的温度为200-800℃;所述焙烧的时间为6-12h。示例性地,所述焙烧也可以是分段焙烧,即例如升温至250-300℃焙烧3h,随后继续升温至400-450℃焙烧3h,再随后继续升温至500-800℃焙烧3h。所述焙烧也可以是在400-800℃焙烧6-12h。
9.一种异丁烯氨氧化制备甲基丙烯腈的方法,其中,所述方法包括如下步骤:
将异丁烯、氨和氧化剂混合,与权利要求1-5任一项所述的用于异丁烯氨氧化制备甲基丙烯腈的催化剂接触、反应,制备得到甲基丙烯腈。
10.根据权利要求9所述的方法,其中,所述氧化剂选自氧气、空气等中的一种。
优选地,所述反应的温度为400-450℃,所述反应的压力为常压。
优选地,所述异丁烯:氨气:氧化剂的体积比为1:1-2:8-12。
优选地,将异丁烯、氨和氧化剂混合时还可以引入一定量的水,所述水的流量为0.01-1mL/min。
优选地,所述异丁烯:氨气:氧化剂:水的体积比为1:1-2:8-12:0.002-1。
优选地,所述反应在固定床反应器或流化床反应器中均可进行。
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