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JP2009541708A - 真空断熱パネルを有する極低温蒸留装置 - Google Patents

真空断熱パネルを有する極低温蒸留装置 Download PDF

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JP2009541708A
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Abstract

極低温装置ユニットは、断熱の対象となる装備の少なくとも1つの部材(2、6A〜6H、15)、上記装備の少なくとも1つの部材を収容する構造体(1)、この構造体に収容される主断熱材(3)、および、この主断熱材と関連する主断熱材より低い熱伝導率の副断熱材(5)を有し、この副断熱材(5)は、真空断熱パネルから成る。
【選択図】図2

Description

極低温の適用のため、現時点で最も妥協した断熱技術は、しばしば、1985年の”Tieftemperaturtechnik[Cryogenics]”の490−495ページに説明されているコールドボックスである。
コールドボックスは、断熱の対象となる装備が収容されて、一般に粉末状の断熱材(極低温分野において最も使用頻度の高い断熱材の1つはパーライトである)で満たされる構造体である。この断熱材は、一般に、上記装備の複数の部材間の全ての空間、および上記装備と上記構造体との間の全ての空間を満たす。
上記構造体の主機能は、
・断熱材を保持すること、および
・上記装備を部分的に保持することである。
また、上記断熱材の主機能は、
・上記装備の複数の部材と上記構造体の外側との間の熱損失を制限すること、および
・上記装備の複数の部材間における熱交換を制限することである。
コールドボックスを設計するとき、選択される断熱技術は、以下のいくつかの制約の間の歩み寄りである。すなわち、
・安全性(断熱される製品などに対する断熱材の適合性)および環境問題(断熱材の毒性、使用済の断熱材の再利用など)、
・上記装備の疲労を加速し、または安全の問題を阻害する霜着きが無いこと、或いは霜着きが僅かであること、
・上記装備への近付き易さ、
・投資コスト、および
・以下のように分けられるエネルギー損失、
-コールドボックス外側への熱損失
-コールドボックス内の装備の種々の部材間における熱交換である。
コールドボックスの効果の1つは、上記装備の複数の部材を1つずつ断熱しなければならない代りに、装備一式(この発明に関連して、“装備”という言葉は、配管などを含む断熱の対象となる全ての部材を含む)を全体的に断熱することであり、これにより、投資コストに関連して時間と労力を実質的に節約できる。
コールドボックスの複数の欠点の中で、以下の欠点が注目される。つまり、
・断熱材を保持して収容するための外殻構造を組み立てる必要があること。この外殻構造は、特に嵩張ってそして高価であり、そのコストは、確かな評価として、その体積に比例する。ここで言う体積とは、特に、
-上記装備のサイズ、
-上記装備の据え付けに要する空間の大きさ、および
-断熱材に必要とされる厚さ、に依存し、
・装置の動作中に上記装備への近付き易さが制限されること(特に、粉末状の断熱材を使用したとき)。このことは、つまり、上記装備の個々の部材に近付くため、しばしば、多量の断熱材を排出する必要がある。
この発明の目的は、上記コールドボックスの原理を維持しつついくつかの断熱技術を組み合わせることにより、上記装備の断熱を最適化することにある。
この発明の目的は、装備の1つまたは同様の部材、或いは1つのまたは同様の装備の組み合わせに対し、いくつかの断熱技術を用いることによって、装備の断熱、特に極低温装備の断熱を最適化することにある。
従って、この発明は、
・ボックスの外側に関し、または装備の他の部材に関し、断熱される装備の部材と、
・上記装備の部材およびその断熱材を収容し、上記断熱材を保持するとともに上記装備の部材を部分的に保持するよう機能する構造体と、
・主断熱材と、および
・この主断熱材に関連した副断熱材と、
を含むコールドボックスから成る。
これら副断熱材は、設計上の制約を満たして局所的に作用することにより、その効果を維持しつつコールドボックスの欠点を減少させることができる。
従って、上記主断熱材より低い熱伝導率の副断熱材を局所的に使用することで、
・上記装備の配置に必要とされる空間を減らし、
・断熱材の厚さを減らし、そして、
・同じ熱損失で上記構造体のサイズを小さくでき、これにより、投資コストを低減できる。
この副断熱材は、一般的な断熱材の設計上の制約に適合しなければならない。
従って、移動が容易な副断熱材の局所的な使用は、例えば定期的なメンテナンスが必要なボックス内にある上記装備の部材への容易且つ素早いアクセスを許容することになる。
1つの実施例によると、この発明の主題は、
・断熱される装備のうちの少なくとも1つの部材と、
・上記装備の少なくとも1つの部材を収容するための構造体と、
・上記構造体に収容される固体の主断熱材と、
・上記主断熱材と関連した、該主断熱材より低い熱伝導率の副断熱材と、を有し、
上記副断熱材は、少なくとも1つの真空断熱パネルを含むことを特徴とする極低温蒸留装置である。
上記真空断熱パネルは、水や空気を通さないケース内に断熱の材料を入れて形成されている。このケースを閉じる前に、上記断熱の材料は、ケース内に真空状態を生じせしめるため、減圧下に置かれる。
使用される上記断熱の材料は、グラスファイバー、パーライト、ポリスチレンなどを含む。
上記閉じられたケースは、平らな或いは曲がった板状に形成される。
他の追加の実施例によると、
・上記副断熱材の熱伝導率は、上記主断熱材の熱伝導率の少なくとも2倍も低く、
・断熱される装備の少なくとも1つの部材には、装置の動作中、極低温の少なくとも1つの流体が流れ、
・上記主断熱材は、粉末状の、例えばパーライト粉末であり、
・上記副断熱材は、上記外側ケースの開口部を覆う位置から外され、
・上記副断熱材は、上記断熱される装備に取り付けられ、
・上記副断熱材は、上記構造体の外側ケースおよび/或いは内側ケースに取り付けられ、
・上記構造体は、コールドボックスであり、
・上記副断熱材は、特に接着或いは貼り合せによって、上記構造体の外側ケース或いは内側ケースに組み込まれ、および/或いは上記装備に組み込まれ、
・上記副断熱材は、上記断熱される装備と上記構造体の上記外側ケースとの間にあり、
・上記断熱される装備は、上記構造体に最も近い第1の部位を構成する部位から距離xの位置にあり、上記構造体の第2の部位は、断熱される最も近い装備から距離nxで離れており、nは5より、或いは10よりも大きく、上記第2の部位と上記装備との間の空間は、真空断熱パネルを有しておらず、
・上記副断熱材は、上記構造体の上記外側ケースの外面にあり、
・上記副断熱材は、例えば、筋違、梁、角部など、上記コールドボックスの上記構造体の少なくとも1つの突出部分に配置され、
・上記副断熱材は、好ましくは、所定のしきい値を下回る距離で上記構造体から離れた位置にある上記装備の少なくとも1つの部位、および/或いは、所定のしきい値を下回る距離で上記装備から離れた位置にある上記構造体の少なくとも1つの部位に、ちょうど取り付けられ、
・上記副断熱材は、所定のしきい値を下回る距離で上記構造体から離れた位置にある上記装備の上記全ての部位、および/或いは、所定のしきい値を下回る距離で上記装備から離れた位置にある上記構造体の上記部位全体、に取り付けられ、
・所定のしきい値を下回る距離で上記構造体の最も近い部位から離れた位置にある上記全ての装備の部位全体、および/或いは、所定のしきい値を下回る距離で上記装備の最も近い部位から離れた位置にある上記構造体の全ての部位は、副断熱材の手段によって断熱され、
・上記装備は、貯蔵タンク、位相分離器、カラム、熱交換器、配管、ポンプ、バルブ、或いはタービンであり、
・上記装備は、上記構造体の内側の領域に配置され、この領域の一側は少なくとも1つの真空断熱パネルによって閉じられ、上記領域は上記構造体の内側に置かれたバリアによって隔離され、
・上記装備が配置された上記領域は、断熱材を収容した少なくとも1つのバッグを自由に動ける状態で収容し、
・上記構造体は、極低温蒸留ユニット、好ましくは空気蒸留ユニットを収容し、
・上記副断熱材は、動作状態における平均温度が所定のしきい値より低く或いは所定のしきい値より高い構造体、および/或いは、上記構造体の他の部位を上回り或いは下回る程度に日光に晒される構造体の少なくとも1つの部位に取り付けられ、
・上記副断熱材の厚さは、動作状態における平均温度が所定のしきい値より低く或いは所定のしきい値より高い構造体、および/或いは、上記構造体の他の部位を上回り或いは下回る程度に日光に晒される構造体の少なくとも1つの部位で厚くされ、
・上記副断熱材は、全体的或いは部分的に、不燃性材料から成る。
この発明は、複数の図面を参照してより詳細に説明される。図1は、従来技術を示し、図2〜図4は、この発明の装置を上方から見た概略断面図であり、図5〜図9は、この発明の装置の一部を横から見た概略断面図である。
従来技術によると、“コールドボックス”装置は、空気分離ユニットの最も低い温度で動作する装備の複数の部材を収容し、特に、1つ或いはそれ以上のカラム、配管、サブクーラーとして機能する熱交換器を含む1つ或いはそれ以上の熱交換器、可能であれば少なくとも1つのタービン、および、可能であれば少なくとも1つのポンプを収容している。図1は、カラム2、例えば空気分離ダブルカラム、および種々の配管部材6A〜6Jを収容している立方形の構造体1の四角い部分を示す。この構造体1は、円形の断面であっても良い。カラムおよび配管は、例えばパーライトなどの断熱材3によって包囲されている。
図2に示すように、本発明によると、所定のしきい値を下回る距離で配置された部分をその表面に有する装備の少なくともいくつかの部材は、上記構造体1の内部空間を満たす主断熱材3より低い熱伝導率を有する副断熱材5によって少なくともその表面のこの部分をカバーされる。特に、カラム2の表面の部分、および配管6A、6B、6Eの表面の部分が真空断熱パネルの形の副断熱材5によってカバーされることに注目すべきである。
費用の理由から、或いは、装備の部材の熱容量が低い場合、或いは、装備の部材をたまにしか使わない場合、上記しきい値を下回る距離に配置された表面をカバーしないことも可能である。装備6Gの部材は、水平方向(カラムから離れる方向)に指向する第1の直角折り曲げ部、および垂直方向に延びるための第2の直角折り曲げ部を有する垂直パイプである。
代りに、図3に示すように、カバーは、上記構造体1の内側ケースに取り付けても良い。この場合、内側ケースの表面の上述した複数の部分は、構造体1内に収容された装備の部材からしきい値を下回る距離で配置されている。従って、装備2、6A、6C、6Eの部材に対面し且つこれら部材からしきい値を下回る距離で離間した上記内側ケースの複数の表面部分が、上記構造体1の内部空間を満たす主断熱材3より低い熱伝導率を有する真空断熱パネルの形の副断熱材5のシートでカバーされる。
費用の理由から、或いは、装備の部材の熱容量が低い場合、或いは、装備の部材をたまにしか使わない場合、上記しきい値を下回る距離に配置された表面をカバーしないことも可能である。
より低い熱伝導率の副断熱材をコールドボックス内で局所的(図2に示す位置)に配置することの特別な利益は、例えば、極低温液体貯蔵タンクに対向させたとき、極低温流体と外部との間の断熱厚さがより一定になることであることに注目すべきである。
このことは、つまり(図1の場合)、コールドボックス内において、極低温流体と外部との間の断熱厚さが大きく変わるためである。このように、装備の他の部材が、構造体および極低温流体、すなわちこの流体を収容した冷たい部材、により近いのに対し、装備の特定の部材は、断熱材の大きな厚さによって、上記構造体から離されている。
分離ユニットでは、構造体の他の部位において、最も近い構成要素が、構造体から1.5mの距離にあるのに対し、上記構造体から30cmの距離に極低温で複数の構成要素があっても良い。従って、構造体のある部位から上記最も近い構成要素までの距離の、構造体の別の部位から上記最も近い構成要素までの距離に対する割合は、1/2から1/10の範囲にあっても良い。
極低温流体を貯蔵する場合、断熱は一般に所定温度の断熱材や流体で満たされた2重壁ジャケットによって与えられ、断熱材の略一定厚さによって外部から断熱される。図4において、装置の構造体1は、四角い外面構造のボックスである。このボックス内には、断熱の対象となる直径Dの円筒形状の装備2の主たる部材がある。上記装備のこの部材は、例えば空気蒸留カラムなどのカラム、或いは、極低温液貯蔵タンクのような貯蔵タンクである。最小断熱距離emin1は、構造体1のサイズを決める。上記装備と構造体との間の空間は、例えばパーライトなどの主断熱材3で満たされる。しきい値e(α)を下回る距離にある構造体1の外側表面は、真空断熱パネルの形の副断熱材5によってカバーされる。したがって、しきい値を超えて離れた4つ目の表面がカバーされないのに対し、全表面のうちの3つは、断熱材5で部分的にカバーされる。
断熱対称となる装備の少なくとも1つの部材、および/或いは、上記構造体1の内面、および/或いは、上記構造体1の外面を、真空断熱パネルの形の副断熱材5でカバーすることによって、図2、3、4に示す3つのタイプの断熱材を組み合わせることは明らかに可能である。また、上記副断熱材5を断熱対象となる装備の部材と上記構造体との間に配置し、上記副断熱材が上記主断熱材3によって包囲されるようにすることも考えられる。
図4では、上記構造体の表面を平らなものとして図示してある。実際、上記構造体は、一般に、垂直な複数本の柱、水平は複数本の梁、および斜めに取り付けられた複数本の筋違によって補強された複数枚のシート状の金属プレートによって形成されている。これら補強部材は、上記構造体の内面側および/或いは外面側に配置可能である。
図5は、ケース11の外側に突出部分を形成する矩形断面の水平な梁7を設けた内側ケース11を有する構造体1を有する装置を図示している。真空断熱パネルの形の上記副断熱材5は、その表面の一部が所定のしきい値を下回って上記梁7から離間した位置に配置された垂直な配管6の円筒プレート内に配置されても良い。パーライト3もまた、装備6とケース11との間の空間を埋める。
図6において、水平な梁7は、上記構造体の内側に配置され、上記梁7と装備6との間に介在された真空断熱パネルの形のシート状の副断熱材5およびパーライト3によって断熱される。
図7において、真空断熱パネルの形のシート状の副断熱材5はケース11の内側に配置され、水平な梁7は上記構造体の外側に配置されている。パーライト3およびシート状の副断熱材5は、上記梁7と装備6との間に介在されている。
図8において、梁7は、上記構造体の内側に配置され、上記梁7と装備6との間の(図面に付与できる)パーライト3によって断熱されている。しかしながら、上記梁も、上記装備6の表面から所定のしきい値を下回る距離で配置されたその表面の一部が、真空断熱パネルの形の副断熱材5によってカバーされている。
副断熱材5を上記構造体1の外壁面に真空断熱パネルの形で取り付けることによって、emin1を減少させることができ、その結果、上記構造体1の断面積を減少させることができる。
シート状に形成された副断熱材5の長さをLとする。この副断熱材5は、上記ボックスから外部への熱損失を一定に保持するために取り付けられる。
Lは、以下の方法で評価される。
・装備の主たる部材2と上記構造体1の最も近い部位との間の最短距離をemin1とし、
・(外部への熱損失などの)制約を与えて、主断熱材を使った場合における、装備の主たる部材2と上記構造体1の最も近い部位との間の計算によって与えられる断熱の最小距離をemin1(主断熱材)とし、
・(外部への熱損失などの)制約を与えて、副断熱材を使った場合における、装備の主たる部材2と上記構造体1の最も近い部位との間の計算によって与えられる断熱の最小距離をemin1(副断熱材)とし、
・上記装備2の直径をDとし、
・図4で示す角度をαとし、この所定角度αにおける装備の主たる部材2と上記構造体1との間の距離をe(α)とし、
・e(α)=emin1(主断熱材)のとき、emin1=emin1(副断熱材)である場合、L=Dsinαである。
下記の表は、主断熱材より2〜5倍より効果的な副断熱材を用いた場合に達成されるボックス体積の減少率を示している。
Figure 2009541708
長さ2メートルを超える副断熱材5を取り付けることによって、構造体1の体積の20から30%の減少率が達成される。
この計算結果は、熱損失の場合における確かな形の事実を考慮に入れないため近似値であるが、上記副断熱材の使用が非常に効果的であることを示している。
好ましくは、副断熱材5は、1つ或いはそれ以上のシートの形をとる。断熱の目的とされる表面をカバーするため、スタンダードサイズのいくつかのシートを並べて配置しても良い。
上記副断熱材5は、真空断熱パネルによって形成される。特に、この断熱材は、US−A−4726974、US−A−5445857、US−A−3894372、またはUS−A−6335074に開示された真空断熱パネルであっても良い。代りに、上記副断熱材5は、カラム、パイプ、貯蔵タンク、或いは円筒構造の構成要素(柱、梁、または筋違)のような装備の円筒部材の一部を巻くように、円筒の一部を形作っても良い。また、代りに、上記副断熱材5は、四角い或いは矩形の断面を有する梁、柱、或いは筋違に取り付けられるU形であっても良い。
日光に晒される状況に従って上記副断熱材5を位置決めすることも考えられ、(北半球における)南側の表面が副断熱材(或いは装置の他の表面より比較的大きい副断熱材)によってカバーされる。逆に、霜着きを防止するため、ほどほどに日光に晒される表面、或いは冷たい部位における上記副断熱材5の厚さが増大されても良い。
高温で動作して上記装置へ熱を伝えるであろう複数のユニットが装置に近接して配置されることを考慮に入れることも有効である。これらユニットに近い上記構造体1の表面は、当該装置を他のユニットに近づけて配置することを許容するため、断熱材5でカバーされても良い。
上記カラム2は、シングル空気分離カラム、アルゴンカラム、混合カラム、或いは空気からガスを分離するための他のいかなるカラムであっても良い。同様に、上記構造体1は、複数のカラムのシステム、および/或いは、いくつかの熱交換器、および/或いは、いくつかの配管システムを収容しても良い。
図9において、バルブ15が、ケース11の壁の近くに配置されている。このケース11は、上記バルブ15への時たまのアクセスを許容する開口部を有する。通常使用において、この開口部は、ケース11に取り付けられた真空断熱パネル5によって閉じられてシールされている。
上記バルブの周りの空間は、例えば、ガラスウール、ロックウール、或いはパーライトなどを包装した断熱材13によって満たされても良い。この詰め物は、密集させる必要はないが、熱架橋および着氷の形成を避けることが望ましい。複数のバッグ13の間の空間は、パージガスによって満たされても良く、上記主断熱材3(例えばパーライト)は、バリア17によって支持される。このバリア17は、好ましくは上記パージガスを染み通さないものであり、上記主断熱材(特に、粉末状である場合)とともに使用されても良い。複数の穿孔は、乾いたパージガスによってバルブ15の周りの空間を換気することを許容する。また、この構造は、コールドボックス全体にわたってバルブのレベルまで主断熱材(特に、固体の粉末状である場合)を除去することなく、バルブへの急なアクセスを許容する。
上記複数の真空断熱パネル5は、好ましくは、非常に低い熱膨張率を有する金属、例えばNi−36で形成される。このときの熱膨張率は、5×10−5m/Kを超えるべきではない。
この発明は、空気蒸留ユニットについて説明されたが、特に、水素や一酸化炭素の蒸留のために使用されるユニットのように低温で動作する他の蒸留動作や方法に明白に適用できる。

Claims (21)

  1. 断熱される装備(2、6A〜6J、15)のうちの少なくとも1つの部材と、
    上記装備の少なくとも1つの部材を収容するための構造体(1)と、
    上記構造体に収容される固体の主断熱材(3、13)と、
    上記主断熱材と関連した、該主断熱材より低い熱伝導率の副断熱材(5)と、を有し、
    上記副断熱材は、少なくとも1つの真空断熱パネルを含むことを特徴とする極低温蒸留装置。
  2. 上記副断熱材(5)の熱伝導率は、上記主断熱材(3)の熱伝導率の少なくとも2倍も低い請求項1に記載の装置。
  3. 断熱される装備(2、6A〜6J、15)のうちの少なくとも1つには、装置の動作中、極低温の少なくとも1つの流体が流れる請求項1または請求項2に記載の装置。
  4. 上記主断熱材(3)は、粉末状であり、例えばパーライト粉末である請求項1乃至請求項3のいずれか1項に記載の装置。
  5. 上記副断熱材(5)は、上記構造体(1)の開口部を覆う位置から外される請求項1乃至請求項4のいずれか1項に記載の装置。
  6. 上記副断熱材(5)は、上記断熱される装備(2、6A〜6J、15)に取り付けられる請求項1乃至請求項5のいずれか1項に記載の装置。
  7. 上記副断熱材(5)は、上記構造体(1)の外側ケースおよび/或いは内側ケースに取り付けられる請求項1乃至請求項6のいずれか1項に記載の装置。
  8. 上記副断熱材(5)は、(コールドボックスの)構造体(1)の外側ケース或いは内側ケースに組み込まれ、および/或いは上記装備(2、6A〜6J、15)に組み込まれる請求項5、請求項6、および請求項7のいずれか1項に記載の装置。
  9. 上記副断熱材(5)は、上記断熱される装備(2、6A〜6J、15)と(上記コールドボックスの)上記構造体(1)の上記外側ケースとの間にある請求項1乃至請求項8のいずれか1項に記載の装置。
  10. 上記断熱される装備(2、6A〜6J、15)は、上記構造体(1)に最も近い第1の部位を構成する部位から距離xの位置にあり、上記構造体の第2の部位は、断熱される最も近い装備から距離nxで離れており、nは2よりも大きく、上記第2の部位と上記装備との間の空間は、真空断熱パネルを有していない請求項9に記載の装置。
  11. 上記副断熱材(5)は、上記コールドボックス(1)の上記構造体の上記外側ケースの外面にある請求項1乃至請求項10のいずれか1項に記載の装置。
  12. 上記副断熱材(5)は、例えば、筋違、梁、角部など、上記コールドボックス(1)の上記構造体の少なくとも1つの突出部分に配置される請求項1乃至請求項11のいずれか1項に記載の装置。
  13. 上記副断熱材(5)は、好ましくは、所定のしきい値を下回る距離で上記構造体から離れた位置にある上記装備(2、6A〜6J、15)の少なくとも1つの部位、および/或いは、所定のしきい値を下回る距離で上記装備から離れた位置にある上記構造体の少なくとも1つの部位に、ちょうど取り付けられている請求項1乃至請求項12のいずれか1項に記載の装置。
  14. 上記副断熱材(5)は、所定のしきい値を下回る距離で上記構造体から離れた位置にある上記装備(2、6A〜6J、15)の上記全ての部位、および/或いは、所定のしきい値を下回る距離で上記装備から離れた位置にある上記構造体の上記部位全体、に取り付けられている請求項13に記載の装置。
  15. 所定のしきい値を下回る距離で上記構造体の最も近い部位から離れた位置にある上記全ての装備(2、6A〜6J、15)の部位全体、および/或いは、所定のしきい値を下回る距離で上記装備の最も近い部位から離れた位置にある上記構造体の全ての部位は、副断熱材(5)の手段によって断熱されている請求項14に記載の装置。
  16. 上記装備(2、6A〜6J、15)は、貯蔵タンク、位相分離器、カラム(2)、熱交換器、配管(2、6A〜6J)、ポンプ、バルブ(15)、或いはタービンである請求項1乃至請求項15のいずれか1項に記載の装置。
  17. 上記装備は、上記構造体の内側の領域に配置され、この領域の一側は少なくとも1つの真空断熱パネルによって閉じられ、上記領域は上記構造体の内側に置かれたバリアによって隔離されている請求項16に記載の装置。
  18. 上記装備が配置された上記領域は、断熱材を収容した少なくとも1つのバッグを自由に動ける状態で収容している請求項17に記載の装置。
  19. 上記構造体(1)は、極低温空気蒸留ユニットを収容している請求項1乃至請求項18のいずれか1項に記載の装置。
  20. 上記副断熱材(5)は、動作状態における平均温度が所定のしきい値より低く或いは所定のしきい値より高い構造体、および/或いは、上記構造体の他の部位を上回り或いは下回る程度に日光に晒される構造体の少なくとも1つの部位に取り付けられている請求項1乃至請求項19のいずれか1項に記載の装置。
  21. 上記副断熱材(5)の厚さは、動作状態における平均温度が所定のしきい値より低く或いは所定のしきい値より高い構造体、および/或いは、上記構造体の他の部位を上回り或いは下回る程度に日光に晒される構造体の少なくとも1つの部位で厚くされている請求項19に記載の装置。
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