DE4428343A1 - Prepn. of ethane and/or ethylene@ - Google Patents
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Abstract
Description
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Kopplung von Methan zu Ethan und/oder Ethylen. Solche Verfahren sind interessant, da sie einen billigen Rohstoff, der im Über schuß vorliegt (Methan CH₄), in ein wertvolles Produkt (Ethan C₂H₆ und/oder Ethylen C₂H₄) konvertieren.The invention relates to a method for the coupling of methane to ethane and / or Ethylene. Such methods are interesting because they are a cheap commodity that is in the over shot is present (methane CH₄), in a valuable product (ethane C₂H₆ and / or ethylene C₂H₄) convert.
Die bekannten Verfahren arbeiten mit Metalloxidkatalysatoren (z. B. Sm₂O₃/CaO/Ag oder Li/MgO) unter Zugabe einer weit unterstöchiometrischen Menge O₂. Letzteres ist notwendig, um eine Totaloxidation von Edukt (Methan, C₁) und insbesondere der Pro dukte (Ethylen, Ethan: C₂) zu verhindern. Gleichzeitig führt diese Maßnahme aber zu sehr geringen Umsätzen pro Reaktor-Durchgang. Typische Prozeßtemperaturen liegen im Bereich von ca. 700 bis 900°C.The known methods work with metal oxide catalysts (eg., Sm₂O₃ / CaO / Ag or Li / MgO) with the addition of a much less than stoichiometric amount of O₂. The latter is necessary to a total oxidation of reactant (methane, C₁) and in particular the Pro products (ethylene, ethane: C₂) to prevent. At the same time this measure leads to very low conversions per reactor passage. Typical process temperatures are in the range of approx. 700 to 900 ° C.
In einem konventionellen katalytischen Festbettreaktor werden daher nur sehr geringe Methan-Konversionen und C₂-Ausbeuten erzielt. Eine Erhöhung der Konversion (über die Einstellung des Methan/Sauerstoffverhältnisses im Feed) hat automatisch eine Ver ringerung der C₂-Selektivität zur Folge. Beispielsweise wurde eine hohe C₂-Selektivität von ca. 96% nur bei einem Methanumsatz von ca. 3% (ca. 2,9% Ausbeute) erzielt. Umgekehrt erreichte man ca. 16% Methanumsatz nur unter Rückgang der C₂-Selek tivität auf 70%, entsprechend einer Ausbeute von ca. 11%. Der Grund für dieses Ver halten liegt in der Tatsache, daß die C₂-Produkte leichter weiteroxidiert werden können als das Edukt. Daher muß der O₂-Partialdruck gering gehalten werden, was aber au tomatisch den Umsatz senkt.In a conventional catalytic fixed bed reactor, therefore, only very small Methane conversions and C₂ yields achieved. An increase in conversion (over the setting of the methane / oxygen ratio in the feed) automatically has a Ver reduction of C₂-selectivity result. For example, a high C₂ selectivity of about 96% only at a methane conversion of about 3% (about 2.9% yield) achieved. Conversely, one reached about 16% methane conversion only with a decrease in the C₂-Selek productivity to 70%, corresponding to a yield of approx. 11%. The reason for this Ver is due to the fact that the C₂ products can be easily further oxidized as the educt. Therefore, the O₂ partial pressure must be kept low, but what au automatically reduces sales.
In den LiteraturstellenIn the literature
- - Y. Jiang, I. V. Yentekakis, C. G. Vayenas, "Methane to Ethylene with 85 Percent Yield in a Gas Recycle Electrocatalytic Reactor-Separator", Science 264, 10 June 1994, 1563-1566 (im weiteren D1) undY. Jiang, I.V. Yentekakis, C.G. Vayenas, Methanes to Ethylene with 85 Percent Yield in a Gas Recycle Electrocatalytic Reactor Separator ", Science 264, 10 June 1994, 1563-1566 (hereinafter D1) and
- - A. L. Tonkovich, R. W. Carr, R. Aris, "Enhanced C₂ Yields from Methane Oxidative Coupling by Means of a Separative Chemical Reactor", Science 262, 8 October 1993, 221-223 (im weiteren D2)A.L. Tonkovich, R.W. Carr, R. Aris, "Enhanced C₂ Yields from Methane Oxidative Coupling by Means of a Separative Chemical Reactor ", Science 262, 8 October 1993, 221-223 (hereinafter D2)
wird dieses Problem dadurch gelöst, daß die gewünschten Edukte (Ethan und Ethylen) rasch von den Reaktanden (Sauerstoff und Methan) abgetrennt werden. In D1 ge schieht dies in einer Kombination aus elektrokatalytischem Reaktor und nachgeschalte tem Molekularsieb-Adsorber für Ethylen, wohingegen in D2 ein "simulated countercur rent moving bed chromatographic reactor" (SCMCR) zum Einsatz kommt. In diesem werden die Reaktionsprodukte jeweils nach einer Reaktionsstufe gaschromatogra phisch vom Reaktionsgemisch getrennt.this problem is solved by the desired educts (ethane and ethylene) be separated quickly from the reactants (oxygen and methane). In D1 ge this happens in a combination of electro-catalytic reactor and downstream molecular sieve adsorber for ethylene, whereas in D2 a simulated countercur Rent moving bed chromatographic reactor "(SCMCR) is used the reaction products are each gaschromatogra after a reaction step phically separated from the reaction mixture.
Beide Lösungsansätze liefern hohe Ausbeuten bei hohen Selektivitäten (z. B. D1: 88% C₂-Selektivität bei 97% Methanumsatz = 85% Ausbeute). Beiden Konzepten ist der Nachteil gemeinsam, daß der jeweilige Abtrennschritt der C2-Produkte bei wesentlich niedrigeren Temperaturen erfolgen muß, als der Reaktionsschritt. Dies, zusammen mit der Tatsache, daß große Überschüsse an Inertgas (z. B. N₂) mit durch das System gefahren werden müssen, verhindert eine Umsetzung in ein wirtschaftliches industriel les Verfahren, da große Gasmengen wiederholt aufgeheizt und abgekühlt werden müs sen (in D1: Reaktionstemperatur = 835°C, Absorbertemperatur = 30°C, Desorption des C₂H₄ vom Absorber-Molsieb bei 400°C).Both solutions yield high yields with high selectivities (eg D1: 88% C₂ selectivity at 97% methane conversion = 85% yield). Both concepts is the Disadvantage in common that the respective separation step of the C2 products at essential lower temperatures than the reaction step. This, together with the fact that large excesses of inert gas (eg N₂) with through the system must be driven, prevents implementation in an economic industriel les procedure, since large amounts of gas must be repeatedly heated and cooled (in D1: reaction temperature = 835 ° C, absorber temperature = 30 ° C, desorption of C₂H₄ from the absorber molecular sieve at 400 ° C).
Beide Lösungsansätze erfordern eine sehr aufwendige Ablaufsteuerung, die eine wirt schaftliche Übertragung in den technischen Maßstab erschweren. Durch die Anwesen heit von Sauerstoff ist die Bildung von CO₂ selbst bei optimaler Prozeßführung nicht zu vermeiden. Kohlendioxid senkt aber die C₂-Bildungsrate, wahrscheinlich über eine par tielle Vergiftung des Katalysators. Die relativ hohen Temperaturen verstärken die Nei gung zur Verkokung von Katalysator und Apparat.Both approaches require a very elaborate process control, one wirt difficult to transfer to technical scale. By the estate oxygen is the formation of CO₂ not even with optimal process control avoid. Carbon dioxide, however, lowers the C₂ formation rate, probably over a par tielle poisoning of the catalyst. The relatively high temperatures increase the Nei for coking of catalyst and apparatus.
Aufgabe der Erfindung ist es, die aufgeführten Nachteile zu vermeiden, um zu einem wirtschaftlichen technischen Prozeß zu gelangen.The object of the invention is to avoid the disadvantages listed in order to one economic technical process.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die Methylradikale (CH₃) radiolytisch erzeugt werden und dann thermisch weiterreagieren. Das Verfahren wird erfindungsgemäß so geführt, daß die Methylradikale nach ihrer Bildung das Strahlungs feld verlassen, so daß anschließend die Folgereaktionen thermisch ablaufen können, und zwar bei Bedingungen (Druck, Temperatur), die eine maximale Ausbeute an C₂- Produkten garantieren. Da die Produkte in einem Bereich gebildet werden, der der ionisierenden Strahlung nicht ausgesetzt ist, sind sie der Radiolyse entzogen.This object is achieved in that the methyl radicals (CH₃) Radiolytic be generated and then continue to react thermally. The procedure will According to the invention conducted so that the methyl radicals after their formation, the radiation leave field, so that subsequently the subsequent reactions can take place thermally, and under conditions (pressure, temperature), the maximum yield of C₂- Guarantee products. Since the products are made in an area that the ionizing radiation is not exposed, they are deprived of radiolysis.
Als Strahlungsquelle eignet sich bevorzugt Elektronenstrahlung aus einem Elektronen beschleuniger. Das Verfahren funktioniert jedoch auch mit Gammastrahlung, Betastrah lung, (harter) Röntgenstrahlung oder Mikrowellenstrahlung. Die thermische Weiterreak tion erfolgt bei Temperaturen zwischen 300 und 800°C, bevorzugt bei 600°C. Ausfüh rungen der Erfindung und Vorrichtungen zur Durchführung der Erfindung sind Gegen stände von Unteransprüchen.The radiation source is preferably electron radiation from an electron accelerator. However, the method also works with gamma radiation, beta frame (hard) X-rays or microwave radiation. The thermal Weiterreak tion takes place at temperatures between 300 and 800 ° C, preferably at 600 ° C. exporting ments of the invention and devices for carrying out the invention are counter states of subclaims.
Die Erfindung hat folgende Vorteile:The invention has the following advantages:
- - Es wird eine sehr hohe C₂-Selektivität bei hohen Methanumsätzen erzielt.- It is achieved a very high C₂ selectivity at high methane conversions.
- - Das System ist einfach: der Reaktor enthält nur Kohlenwasserstoff-Spezies. Heteroatome wie z. B. Sauerstoff und die damit verbundenen Nebenreaktionen entfallen.- The system is simple: the reactor contains only hydrocarbon species. Heteroatoms such. As oxygen and associated side reactions omitted.
-
- Bildungskinetik und Produktverteilung können in weiten Grenzen durch Variation
der Prozeßparameter eingestellt werden. Diese Parameter sind insbesondere:
Anfangskonzentration des Methans, Druck, Temperatur, Dosisleistung der Strah lungsquelle, Strahlgeometrie und Strahlungsenergie.- Education kinetics and product distribution can be set within wide limits by varying the process parameters. These parameters are in particular:
Initial concentration of methane, pressure, temperature, dose rate of the radiation source, beam geometry and radiant energy. - - Es wird kein Katalysator benötigt.- No catalyst is needed.
- - Im Vergleich zur oxidativen Kopplung wird bei relativ niedrigen Temperaturen ge arbeitet, was die Gefahr der Verkokung vermindert.- Compared to the oxidative coupling ge at relatively low temperatures works, which reduces the risk of coking.
- - Das System ist technisch sehr einfach und bedarf keiner aufwendigen Steuerung wie etwa das SCMCR-System.- The system is technically very simple and requires no complex control such as the SCMCR system.
- - Die Kinetik des Umsatzes wird praktisch ausschließlich von homogenen Gaspha senreaktionen bestimmt. Damit wird der Prozeß gut berechenbar. Unsicherheiten in der rechnerischen Auslegung, wie z. B. variierende Katalysatoraktivitäten, entfal len.- The kinetics of sales is almost exclusively of homogeneous gas phase senreaktionen determined. This makes the process easy to calculate. uncertainties in the arithmetical interpretation, such. B. varying catalyst activities, entfal len.
Die Erfindung wird anhand zweier Figuren näher erläutert.The invention will be explained in more detail with reference to two figures.
Die Fig. 1 zeigt oben schematisch einen erfindungsgemäßen Rohrreaktor zur Durch führung des Verfahrens und unten die Konzentrationen von Edukt und Produkt über die Länge des Rohrreaktors. Fig. 1 shows schematically above a tubular reactor according to the invention for the implementation of the method and below the concentrations of starting material and product over the length of the tubular reactor.
Fig. 2 zeigt die Konzentrationen verschiedener Stoffe über die Reaktionszeit. Fig. 2 shows the concentrations of various substances over the reaction time.
Die Fig. 1 zeigt oben einen Rohrreaktor R, der von links mit Methan bei Drücken von wenigen millibar bis einigen 10 bar (bevorzugt 1 bar) angeströmt wird. Dabei kann es sich um reines Methan oder auch um Methan in Inertgas (z. B. Argon oder Stickstoff) handeln, wobei die Konzentration in einem weiten Bereich variiert werden kann (typisch 0,1-100%, vorzugsweise 100%). Das Methan tritt dann in ein Strahlungsfeld S ein, welches durch Fenster im Rohrreaktor R von außenliegenden Quellen stammt. Es kommt jede ionisierende Strahlung in Frage, z. B. Gammastrahlung, Betastrahlung, harte Röntgenstrahlung oder - bevorzugt - Elektronenstrahlung aus einem industriellen Elektronenbeschleuniger. Ebenso ist der Einsatz von Mikrowellenstrahlung möglich. Das Ausführungsbeispiel zeigt in der Figur zwei gegenüberliegende Elektronenbe schleuniger E, die ein starkes Strahlungsfeld S mit geringer räumlicher Ausdehnung in Richtung der Reaktorlängsachse erzeugen. Dies deshalb, damit die Stoffe nur kurz im Strahlungsregime sind. Wären sie zu lange dort, würden die C-C-Bindungen der Pro duktstoffe wieder aufbrechen. Es ist deshalb die Bestrahlungszeit immer sehr kurz im Verhältnis zur Zeit der Weiterreaktion einzustellen. Als Elektronenbeschleuniger E eig nen sich z. B. 800 bis 1000 keV Linearkathodenbeschleuniger. Die Anordnung und die Betriebsparameter (Strahlstrom, Elektronenenergie) werden so gewählt, daß möglichst große G-Werte (d. h. Anzahl der einleitenden C-H-Bindungsbrüche pro 100 eV absor bierter Energie) erzielt werden. Fig. 1 shows the top of a tubular reactor R, which is from the left with methane at pressures of a few millibar to a few 10 bar (preferably 1 bar) is flown. This may be pure methane or else methane in inert gas (eg argon or nitrogen), it being possible for the concentration to be varied within a wide range (typically 0.1-100%, preferably 100%). The methane then enters a radiation field S, which originates from windows in the tubular reactor R from external sources. There is any ionizing radiation in question, z. As gamma radiation, beta radiation, hard X-rays or - preferably - electron radiation from an industrial electron accelerator. Likewise, the use of microwave radiation is possible. The embodiment shows in the figure, two opposite Elektronenbe accelerator E, which produce a strong radiation field S with low spatial extension in the direction of the reactor axis. This is so that the substances are only briefly in the radiation regime. If they were there too long, the C-C bonds of the product substances would start again. It is therefore always very short to adjust the irradiation time in relation to the time of further reaction. As electron accelerator E eig nen z. B. 800 to 1000 keV linear cathode accelerator. The arrangement and the operating parameters (beam current, electron energy) are chosen so that the largest possible G values (ie number of initiating C-H bond fractions per 100 eV of absorbed energy) are achieved.
Bevorzugte Werte für eine großtechnische Anlage sind z. B.:Preferred values for a large-scale plant are z. B .:
Die Bildung der Methylradikale aus Methan in der Strahlungszone S erfolgt über Reak tionen der primär gebildeten Radikalkationen oder - bevorzugt - über die Fragmentie rung der "superexcited states", die aus der Wechselwirkung der Strahlung mit den Methanmolekülen entstehen. Diese Primärprozesse laufen auf einer Zeitskala im ty pisch Piko- bis Nanosekundenbereich (10-12 bis 10-9 s) ab.The formation of methyl radicals from methane in the radiation zone S takes place via reac tions of the primary radical cation or - preferably - on the fragmentation tion of the "superexcited states", which arise from the interaction of the radiation with the methane molecules. These primary processes take place on a time scale in the typical picosecond to nanosecond range (10 -12 to 10 -9 s).
Beim Verlassen des Strahlungsfeldes S gelangen die CH₃-Radikale in die thermische Reaktionszone T, die auf Temperaturen von 300 bis 800°C, bevorzugt 600°C, gehalten wird. Hier finden die radikalischen Folgereaktionen statt, die im nachfolgenden Re chenbeispiel erläutert werden. Unter geeigneten Bedingungen wie Strömungsge schwindigkeit, Druck und Temperatur, erhält man überwiegend Ethan als direktes Re kombinationsprodukt der Methylradikale. Fig. 1 zeigt unten schematisch die Abnahme der Methankonzentration und die Zunahme der Ethankonzentration über die Länge des Rohrreaktors R. Die Zeitskala für die Rekombination kann mittels Methankonzentration, Strahlstrom der Elektronenbeschleuniger E und Rektionstemperatur in weiten Grenzen eingestellt werden.When leaving the radiation field S get the CH₃ radicals in the thermal reaction zone T, which is maintained at temperatures of 300 to 800 ° C, preferably 600 ° C. Here the radical follow-up reactions take place, which will be explained in the following example. Under suitable conditions, such as flow rate, pressure and temperature, predominantly ethane is obtained as a direct recombination product of the methyl radicals. Fig. 1 shows schematically below the decrease of the methane concentration and the increase of the ethane concentration over the length of the tubular reactor R. The time scale for the recombination can be adjusted within wide limits by means of methane concentration, jet current of the electron accelerator E and the reaction temperature.
Fig. 2 zeigt die Ergebnisse eines Rechenbeispiels. In beiden Teilfiguren sind die zeitli chen Konzentrationsverläufe verschiedener Stoffe angegeben. Das Rechenbeispiel beginnt mit reinem Methan bei einem Druck Pges = PEthan = 1 Atm mit C₀ (Methan) = 1,4 × 10-5 mol/cm³ als Feed und einer Reaktortemperatur von 600°C. Fig. 2 shows the results of a calculation example. Both partial figures show the temporal concentration gradients of different substances. The calculation starts with pure methane at a pressure P ges = P ethane = 1 atm with C₀ (methane) = 1.4 × 10 -5 mol / cm³ as feed and a reactor temperature of 600 ° C.
Die wichtigsten Reaktionen dieses Systems lassen sich wie folgt formulieren:The most important reactions of this system can be formulated as follows:
Reaktion (1) findet erfindungsgemäß strahlungsinduziert statt, während die Schritte (2) bis (10) weitgehend thermisch stromabwärts vom Strahlungsfeld S verlaufen. Da die kinetische Parameter für diese Elementarreaktionen mit vernünftigen Toleranzen be kannt sind, lassen sich die Produktbildungsraten und die Produktausbeuten für ver schiedene Drücke, Temperaturen und Eduktkonzentrationen berechnen.Reaction (1) takes place according to the invention in a radiation-induced manner, while steps (2) to (10) extend substantially thermally downstream of the radiation field S. Because the kinetic parameters for these elementary reactions with reasonable tolerances be can be, the product formation rates and the product yields for ver calculate different pressures, temperatures and educt concentrations.
Die Elementarreaktionen (1)-(12) ergeben ein System gewöhnlicher Differentialglei chungen 1. Ordnung, das für verschiedene technisch interessante Anfangswerte gelöst werden kann. Das Ergebnis der Berechnung wird in Fig. 2 gezeigt. Die dort dargestell ten Konzentrationszeitprofile (die Zeitachse kann direkt in eine Längenachse im Strö mungssystem übersetzt werden) zeigen eine rasche Abnahme der Methankonzentrati on noch im Strahlungsregime, begleitet von einer Ethanbildung bis fast zur Initialkon zentration an Methan (hier: 1,4 × 10-5 mol pro cm³). Ethylen entsteht unter diesen Be dingungen nur zum weitaus geringeren Teil. Allerdings lassen sich Produktverteilung und Zeitskala der Produktbildung durch Einstellung von Temperatur, Druck, Initialkon zentration an Methylradikalen (Strahlstrom des Elektronenbeschleunigers) sowie Methan-Anfangskonzentration in weiten Grenzen variieren. Die Verweilzeit im Strah lungsfeld liegt im Rechenbeispiel bei 1 Mikrosekunde. Der Zeitbereich zwischen 10 Nanosekunden bis 100 µsec. ist für die strahlungsinduzierte Reaktion ausreichend, andererseits aber kurz genug, die entstehenden C₂-Produkte nicht durch strahlungs induzierte Bindungsbrüche wieder zu zerstören. Als Gesamtreaktionszeit kann in Fig. 2 z. B. der Zeitraum 1 × 10-4 Sekunden genommen werden. Wie Fig. 2 oben zeigt, ist nach dieser Zeit praktisch die gesamte eingesetzte Methanmenge in Ethan umgewan delt worden. Nach dieser Zeit sind - wie Fig. 2 unten zeigt - die Methylradikale ebenfalls praktisch abgebaut.The elementary reactions (1) - (12) result in a system of ordinary differential equations of the first order, which can be solved for various technically interesting initial values. The result of the calculation is shown in FIG . The concentration time profiles shown there (the time axis can be translated directly into a length axis in the flow system) show a rapid decrease of the methane concentration even in the radiation regime, accompanied by an ethane formation almost to the initial concentration of methane (here: 1.4 × 10 - 5 moles per cc). Ethylene is produced under these conditions only to a much smaller extent. However, product distribution and time scale of product formation can be varied within wide limits by adjusting the temperature, pressure, initial concentration of methyl radicals (electron accelerator flow) and initial methane concentration. The residence time in the radiation field is in the calculation example at 1 microsecond. The time range between 10 nanoseconds to 100 microseconds. is sufficient for the radiation-induced reaction, but on the other hand short enough not to destroy the resulting C₂ products by radiation-induced bond breaks again. As a total reaction time can in Fig. 2 z. B. the period 1 × 10 -4 seconds are taken. As shown in FIG. 2 above, after this time virtually all of the methane used has been converted into ethane. After this time, as shown in FIG. 2 below, the methyl radicals are also practically degraded.
Wichtig ist in jedem Falle die Feststellung, daß die im einleitenden Bindungsbruch ent stehenden Wasserstoffatome nicht störend in den Reaktionsverlauf eingreifen. Viel mehr fördern sie z. B. durch die Abstraktionsreaktion (2) eher die Bildung der ge wünschten C₂-Produkte.In any case, the statement that the ent standing hydrogen atoms do not interfere with the reaction process. much more promote z. B. by the abstraction reaction (2) rather the formation of ge Wanted C₂ products.
Statt der Verwendung eines Strömungssystems mit schmalem Strahlungsfeld, wie in der Fig. 1 gezeigt, ist auch die Anwendung einer Pulsradiolyse in einem batch-Reak tor möglich.Instead of using a flow system with a narrow radiation field, as shown in FIG. 1, the application of a pulse radiolysis in a batch reactor is possible.
Hierbei wird das Gas (Methan rein oder verdünnt) bei einer Temperatur in der Größen ordnung von 600°C und z. B. einem Druck von 1 atm in einem geschlossenen Behälter einem Strahlungspuls ausgesetzt. Dieser kann z. B. wieder von einer Elektronenstrah lungskanone kommen und typisch die Dauer von ca. 1 bis 100 Mikrosekunden haben. Anschließend kann das Produkt abgezogen werden, da die Weiterreaktion nach Milli sekunden beendet ist. Für den großtechnischen Betrieb empfiehlt sich aber ein Strö mungsreaktor wie in Fig. 1 gezeigt, wegen des kontinuierlichen Betriebes.Here, the gas (pure or diluted methane) at a temperature in the order of 600 ° C and z. B. a pressure of 1 atm in a closed container exposed to a radiation pulse. This can z. B. again come from a Elektronenstrah development cannon and typically have the duration of about 1 to 100 microseconds. Subsequently, the product can be withdrawn, since the further reaction is completed after milliseconds. For large-scale operation but recommends a Strö determination reactor as shown in Fig. 1, because of the continuous operation.
Claims (5)
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Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
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DE19944428343 DE4428343A1 (en) | 1994-08-10 | 1994-08-10 | Prepn. of ethane and/or ethylene@ |
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Publications (1)
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DE (1) | DE4428343A1 (en) |
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