WO2022254049A1 - Procedimiento de llenado de depósitos de gas - Google Patents
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Definitions
- the object of the invention falls within the field of filling containers with high pressure gases.
- the object of the invention is a procedure for sequential filling of gas tanks, with high-pressure gas, which makes it possible to use fewer groups of original containers than if it were a single filling and/or filling of several tanks simultaneously.
- Gas tanks are safe containers for flammable gases, forming part of a multitude of industrial and private systems.
- gases can currently be housed at high pressure, such as hydrogen, nitrogen, propane, etc.
- Hydrogen is a type of gas that has recently acquired the category of alternative fuel to the currently known conventional fossil fuels and emitters of greenhouse gases.
- the standard tank is 700 bar pressure.
- gases under pressure such as nitrogen or oxygen are usually stored in steel cylinders or bullets, however, these types of containers are not practical for most hydrogen applications because they are very heavy.
- These groups of containers are usually contained in structures similar to shipping containers with large amounts of containers, 30 containers, 50, or even 100 containers, presenting various alternative types or another number of containers.
- the filling of the tanks is based on applying the law of behavior of gases:
- the filling tanks have a gas pressure lower than the gas pressure contained in the source containers and the filling occurs by balancing the pressures between the source containers and the aforementioned tank.
- One of the problems that arise in conventional installations is the use of a large number of original containers to fill a tank with high-pressure gas, so that the costs are high by including a large number of individual elements such as valves or pressure gauges. in said original containers. Additionally, using a large number of original containers, by balancing pressures, it is possible to fill a high-pressure gas tank, however, once said tank has been filled, a second tank cannot be filled. with the same original containers, since the equilibrium pressures will be lower and therefore the capacity of a tank similar to the one previously filled would not be reached.
- the procedure object of the invention tries to solve the previously exposed problems, through the use of an installation with original containers or groups of original containers called “racks", at least one filling tank, a filling manifold connected to the original containers and to the filling tank through the use of piping and a master valve, incorporated in the manifold, which controls the flow of gas from the manifold to the filling tank.
- each of the source containers comprise first valves that control the passage of the gas flow to the collector, circulating said gas through some gas outlets, connected to the source containers and the collector; said source containers being able to include a second manometer intended to register the pressure of the gas that is inside the source containers.
- the tank incorporates a second valve that regulates the passage of gas flow to said tank and a second individual manometer to control the pressure of the mentioned gas inside the tank.
- an additional temperature gauge can be installed in each source vessel in order to record the temperature variation of the high-pressure gas found within each source vessel.
- the incorporation of the first individual manometers in the source containers can be omitted and the pressure reading of the gas coming from said containers can be carried out with a main manometer incorporated into the filling manifold.
- the procedure object of the invention corresponding to the sequential filling of a tank with high pressure gas, comprises the following stages:
- Said procedure is part of a sequence, in which the opening of another valve of the next source container or rack of source containers is subsequently carried out after the partial filling of the gas tank, repeating the steps of the procedure reflected above, until achieving the desired result. desired filling of the gas tank.
- the filling of the tank is carried out by balancing the pressures between the original containers and the tank that are part of the sequential filling installation used in the process.
- the closure of one of the source containers and the opening of the next can be done without the pressures between the source containers and the tank being exactly the same, having a certain margin of error between pressures, reducing the time of the operations. filling of various tanks.
- the sequential filling installation incorporates a loading conduit connected to the manifold, after the master valve and, additionally, said charging conduit is intended to be connected to a charging station to supply the original containers when said containers are empty after carrying out the process.
- the objective procedure achieves the use of a smaller number of source containers, through the sequential opening of said source containers or rack of source containers to fill a tank.
- the object procedure can be implemented in new facilities, allowing to reduce the number of original containers for a single deposit, reducing the costs derived from using a smaller number of control elements and the size of said installation, or it can be implement the procedure in conventional facilities, which allows several high-pressure gas tanks to be filled with the same number of original containers capacity during the same filling process, increasing the efficiency of the installation.
- Figure 1 - Shows a diagram of the installation for sequential filling of gas tanks.
- Figure 2.1 - Shows a table that reflects the number of source containers from 1 to 20 used in the filling procedure, opening a single source container sequentially.
- Figure 2.2 Shows a continuation of the table in Figure 2.1 that reflects the number of source containers from 21 to 46.
- Figure 3 - Shows a table reflecting the number of source container racks used in the sequential filling procedure, opening source container racks sequentially.
- Figure 1 shows a diagram of the sequential filling installation of a gas tank (6) comprising at least one source container (1) with a gas outlet (11) connected to said source container (1) and a first valve. (7) that allows the circulation of high-pressure gas from the source container (1), through the gas outlet (11), to a collector (3) that receives the aforementioned gas outlet (11).
- Attached to the manifold (3) is a master valve (4) and a main pressure gauge (5).
- the master valve (4) allows the circulation of the gas through the manifold (3) and its opening is carried out when the pressure in the manifold (3) is equal to the pressure existing in the original containers (1).
- the main manometer (5) is used to measure the mentioned pressure and check if it is the same pressure existing in said containers (1).
- Said tank (6) comprises a second valve (8) that opens when the filling procedure begins, allowing gas to enter the tank (6) and an individual manometer (9) intended to measure the pressure of the tank (6).
- the source containers (1) are linked together in groups called racks (2). The steps of the procedure described will be repeated once a source container (1) has been closed and the next source container (1) has been opened until the tank (6) is completely filled with gas.
- the sequential filling facility incorporates a charging conduit (12) located after the master valve (4) in the manifold (3).
- Said charging conduit (12) is additionally connected to a charging station and is intended to supply the source containers (1) with gas when said containers (1) are empty, after the gas tank (6) filling procedure.
- An example of calculating the filling of a tank of a conventional installation of the state of the art with single filling is shown below, and then an example of a sequential filling procedure according to the invention is shown.
- the utilization coefficient of the source container as the amount of mass transferred over the total mass of the source container, for this case we will obtain:
- the lower final pressure causes a higher mass transfer from the source container to the reservoir.
- source containers are associated in groups called racks, performing the same procedure that has been reflected in the preferred embodiment.
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Abstract
Procedimiento de llenado de depósitos de gas en el que un depósito es llenado mediante la apertura de un recipiente origen o grupos de recipientes origen, denominados racks, de forma secuencial de manera que tras la apertura de un recipiente origen y llenado parcial del depósito, se procede al cierre de dicho recipiente origen y se procede a la apertura del siguiente recipiente hasta conseguir el llenado completo del depósito.
Description
PROCEDIMIENTO DE LLENADO DE DEPÓSITOS DE GAS
DESCRIPCIÓN
OBJETO DE LA INVENCIÓN
El objeto de la invención se encuadra en el sector de llenado de recipientes con gases a alta presión.
Concretamente, el objeto de la invención es un procedimiento de llenado secuencial de depósitos de gas, con gas a alta presión, que permite emplear menos grupos de recipientes origen que si se tratase de llenado único y/o llenado de varios depósitos de forma simultánea.
ANTECEDENTES DE LA INVENCIÓN
Los depósitos de gas son contenedores seguros para gases inflamables, formando parte de multitud de sistemas industriales y particulares.
En ellos, se puede albergar actualmente una gran variedad de gases a alta presión, como por ejemplo hidrógeno, nitrógeno, propano, etc.
El hidrógeno es un tipo de gas que recientemente ha adquirido la categoría de combustible alternativo a los combustibles fósiles convencionales conocidos en la actualidad y emisores de gases de efecto invernadero.
Durante mucho tiempo, la disponibilidad de un sistema adecuado para el almacenamiento de hidrógeno fue uno de los mayores obstáculos para el uso a gran escala, sobre todo en el sector del transporte.
Los problemas para confinar el hidrógeno se derivan de sus características químico- físicas, ya que presenta una baja capacidad energética por unidad de masa y una baja densidad, por lo que su almacenamiento siempre requiere grandes volúmenes y está asociado con altas presiones, muy bajas temperaturas y/o en combinación con otros materiales.
Con su auge, la manera más habitual para almacenar hidrógeno es en depósitos de alta presión, siendo estas capacidades de almacenamiento de presiones de 300, 500 e incluso 1000 bar de presión para compensar la baja capacidad energética por unidad de masa que se ha mencionado anteriormente.
Por ejemplo, en la industria de la automoción, el depósito estándar es de 700 bar de presión. En laboratorios, los gases a presión como el nitrógeno o el oxígeno acostumbran a almacenarse en balas o bombonas de acero, sin embargo, este tipo de recipientes no es práctico para la mayor parte de las aplicaciones del hidrógeno debido a que son muy pesados.
Estas presiones tan altas exigen que, para volúmenes grandes, se tenga que recurrir a grupos de recipientes de alta presión con un volumen mucho menor debido a las características estructurales de dichos recipientes.
Actualmente, se han desarrollado tanques ligeros a base de materiales compuestos, con varias capas, pudiendo ser una capa de polímero plástico a base de nylon combinada con otra capa de resina epoxy con fibra de carbono y una coraza externa de fibra de vidrio para proteger el recipiente de posibles abrasiones.
Estos grupos de recipientes suelen estar contenidos en estructuras similares a contenedores de transporte con cantidades de recipientes altas, de 30 recipientes, 50, o incluso 100 recipientes, presentando diversas tipologías alternativas u otro número de recipientes.
Estos grupos, e incluso varias estructuras de este tipo, se conectan mediante colectores a las líneas de presión para transvasar mediante diferencia de presión el gas de los recipientes, donde se encuentra en primer lugar almacenado el hidrógeno, respecto al depósito que está destinado a ser rellenado hasta alcanzar un equilibrio de presión.
El llenado de los depósitos se basa en aplicar la ley de comportamiento de gases:
P . V = Z . n . R . T
En donde “P” es la presión del gas, en este caso hidrógeno, dentro de un recipiente origen, “V” es el volumen de gas existente en dicho recipiente, “Z” es el factor de compresibilidad de ese gas, “n” es el número de moles, “R” es la constante de gases ideales y “T” es la temperatura del gas.
De forma que los términos R y T serán los mismos tanto para los recipientes origen como para el depósito de llenado, resultando dicha igualdad de términos en la ley de equilibrio de masas entre el recipiente origen y el depósito de llenado.
Una vez se alcanza ese equilibrio de presión, se continúa con el transvase de gas mediante equipos de compresión que aspiren de los recipientes de origen y eleven la presión para cargar el depósito de destino.
Cabe destacar, que los depósitos de llenado tienen una presión de gas inferior a la presión de gas contenido en los recipientes origen y el llenado se produce por equilibrio de presiones entre los recipientes origen y el depósito mencionado.
Uno de los problemas que surgen en instalaciones convencionales es el empleo de un número elevado de recipientes origen para el llenado de un depósito con gas a alta presión, de forma que los costes son elevados al incluir un número elevado de elementos individuales como válvulas o manómetros en dichos recipientes origen. Adicionalmente, empleado un número elevado de recipientes origen, por equilibrio de presiones, se consigue rellenar un depósito de gas a alta presión, sin embargo, una vez se ha producido el llenado de dicho depósito, no se puede realizar el llenado de un segundo depósito con los mismos recipientes origen, ya que las presiones de equilibrio serán menores y por tanto no se alcanzaría la capacidad de un depósito semejante al llenado anteriormente.
Otra problemática surgida es que, empleando los recipientes de origen, se consigue el llenado de un único depósito, derivando en un aumento de tiempo de llenado si la instalación o el proceso tienen como objetivo el llenado de varios depósitos durante un periodo determinado.
DESCRIPCIÓN DE LA INVENCIÓN
El procedimiento objeto de la invención trata de resolver los problemas anteriormente expuestos, mediante la utilización de una instalación con unos recipientes origen o grupos de recipientes origen denominados “racks”, al menos un depósito de llenado, un colector de llenado conectado a los recipientes origen y al depósito de llenado mediante el empleo de tubería y una válvula maestra, incorporada en el colector, que controla el paso de flujo de gas desde el colector hasta el depósito de llenado.
Adicionalmente, cada uno de los recipientes origen comprenden unas primeras válvulas que controlan el paso del flujo de gas hasta el colector circulando dicho gas a través de unas salidas de gas, conectadas a los recipientes origen y al colector; pudiendo incluir dichos recipientes origen un segundo manómetro destinado a registrar la presión del gas que se encuentre dentro de los recipientes origen.
Asimismo, el depósito incorpora una segunda válvula que regula el paso de flujo de gas a dicho depósito y un segundo manómetro individual para controlar la presión del gas mencionado en el interior del depósito.
Por un lado, puede instalarse un medidor de temperatura adicional en cada recipiente origen con el fin de registrar la variación de temperatura del gas a alta presión que se encuentra dentro de cada recipiente origen.
Por otro lado, puede suprimirse la incorporación de los primeros manómetros individuales en los recipientes origen y la lectura de presión del gas procedente de dichos recipientes realizarse con un manómetro principal incorporado al colector de llenado.
Concretamente, el procedimiento objeto de la invención, correspondiente al llenado secuencial de gas de alta presión de un depósito, comprende las siguientes etapas:
- apertura de la válvula del depósito,
- apertura de una única válvula de uno de los recipientes origen o rack para presurizar el colector de llenado, teniendo dichos recipientes origen una presión superior al depósito,
- llenado del colector hasta alcanzar la presión de los recipientes origen,
- apertura de la válvula maestra para el llenado del depósito, y
- cierre de la válvula del recipiente origen o rack.
Dicho procedimiento forma parte de una secuencia, en la que posteriormente se lleva a cabo la apertura de otra válvula del siguiente recipiente origen o rack de recipientes origen tras el llenado parcial del depósito de gas, repitiendo las etapas del procedimiento reflejado anteriormente, hasta conseguir el llenado deseado del depósito de gas.
El llenado del depósito se realiza mediante equilibrio de presiones entre los recipientes origen y el depósito que forman parte del de la instalación de llenado secuencial empleada en el proceso.
Sin embargo, el cierre de uno de los recipientes origen y la apertura del siguiente se puede realizar sin que las presiones entre los recipientes origen y el depósito sean exactamente las mismas, teniendo un margen de error determinado entre presiones, reduciendo el tiempo de las operaciones de llenado de varios depósitos.
Adicionalmente, la instalación de llenado secuencial incorpora un conducto de carga conectado al colector, tras la válvula maestra y adicionalmente dicho conducto de carga está destinado a conectarse a una estación de carga para abastecer los recipientes origen cuando dichos recipientes se encuentran vacíos tras realizar el proceso de llenado del depósito de gas
Por un lado, el procedimiento objetivo logra el empleo de un menor número de recipientes origen, mediante la apertura secuencial de dichos recipientes origen o rack de recipientes origen para el llenado de un depósito.
Por otro lado, el procedimiento objeto se puede implementar en nuevas instalaciones, permitiendo reducir el número de recipientes origen para un único depósito, reduciendo los costes derivados de emplear un menor número de elementos de control y el tamaño de dicha instalación o bien, se puede implementar el procedimiento en instalaciones convencionales, lo que permite que con el mismo número de recipientes origen se rellenen varios depósitos de gas a alta presión de la misma
capacidad durante un mismo proceso de llenado, aumentando la eficiencia de la instalación.
DESCRIPCIÓN DE LOS DIBUJOS
Para complementar la descripción que se está realizando y con objeto de ayudar a una mejor comprensión de las características de la invención, de acuerdo con un ejemplo preferente de realización práctica de la misma, se acompaña como parte integrante de dicha descripción, un juego de dibujos en donde con carácter ilustrativo y no limitativo, se ha representado lo siguiente:
Figura 1 - Muestra un esquema de la instalación de llenado secuencial de depósitos de gas.
Figura 2.1 - Muestra una tabla que refleja el número de recipientes origen del 1 al 20 que se emplea en el procedimiento del llenado, abriendo un único recipiente origen secuencialmente.
Figura 2.2 - Muestra una continuación de la tabla de la Figura 2.1 que refleja el número de recipientes origen del 21 al 46.
Figura 3 - Muestra una tabla que refleja el número de racks de recipientes origen que se emplea en el procedimiento de llenado secuencial, abriendo racks de recipiente origen secuencialmente.
REALIZACIÓN PREFERENTE DE LA INVENCIÓN
A la vista de la Figura 1 se describe la instalación de la que hace uso el procedimiento de llenado secuencial de depósitos de gas que constituye el objeto de la invención.
La Figura 1 muestra un esquema de la instalación de llenado secuencial de un depósito (6) de gas que comprende al menos un recipiente origen (1 ) con una salida de gas (11 ) conectada a dicho recipiente origen (1 ) y una primera válvula (7) que permite la circulación del gas a alta presión desde el recipiente origen (1), a través de la salida de gas (11 ), hasta un colector (3) que recibe la salida de gas (11) mencionada.
Acoplada en el colector (3) se localiza una válvula maestra (4) y un manómetro principal (5). La válvula maestra (4) permite la circulación del gas a través del colector (3) y su apertura se realiza cuando la presión en el colector (3) es igual a la presión
existente en los recipientes origen (1). El manómetro principal (5) es empleado para medir la presión mencionada y comprobar si es la misma presión existente en dichos recipientes (1). Una vez se produce la apertura de la válvula maestra (4) el gas es conducido por el interior del colector (3) hasta el depósito (6) para efectuar su llenado.
Dicho depósito (6) comprende una segunda válvula (8) que se abre al iniciar el procedimiento de llenado permitiendo la entrada de gas al depósito (6) y un manómetro individual (9) destinado a medir la presión del depósito (6).
Asimismo, en una posible realización, los recipientes origen (1) están vinculados entre sí en grupos denominados racks (2). Las etapas del procedimiento descrito se repetirán una vez se ha cerrado un recipiente origen (1) y se ha procedido a abrir el siguiente recipiente origen (1) hasta el llenado total del depósito (6) de gas.
Adicionalmente, la instalación de llenado secuencial incorpora en el colector (3) un conducto de carga (12) localizado posteriormente a la válvula maestra (4). Dicho conducto de carga (12) está conectado adicionalmente a una estación de carga y está destinado a abastecer a los recipientes origen (1) de gas cuando dichos recipientes (1) estén vacíos, tras el procedimiento de llenado del depósito (6) de gas. A continuación, se muestra un ejemplo de cálculo de llenado de un depósito de una instalación convencional del estado de la técnica con llenado único, y seguidamente, se muestra un ejemplo de procedimiento de llenado secuencial según la invención
Es conocida la capacidad másica del depósito (mdepósito=40kg) así como la densidad del gas (ρ=0.0899kg/l) y las condiciones de almacenaje (Pdepósito=350bar, Zdepósito=1 .236) la temperatura se considerará 273 grados Kelvin.
Aplicando la ley de comportamiento de gases, el volumen del depósito será:
De manera que se observan todas las variables para establecer cuantos recipientes origen (1) de 50 litros de volumen a 500 bar de presión son necesarios para llenar el depósito. Asimismo, la presión en el depósito es inferior que la presión existente en los recipientes origen, suponiendo una presión de 10bar (P2).
Y despejando de dicha igualdad la variable V1 , referida al volumen total necesario en los recipientes origen para el llenado de un depósito de gas a alta presión completo.
Puesto que el volumen de cada recipiente origen es de 50 litros (0.05m3), el resultado obtenido indica que es necesario un total de 101 recipientes origen para conseguir el llenado del depósito.
Se procede a calcular la masa inicial de gas en los recipientes origen y cuál es la masa final.
Utilizando la misma expresión que se ha empleado para determinar el volumen del depósito, donde ahora la incógnita es la masa contenida en el recipiente bajo la condición inicial. (PrecipienteOrigen=500bar, ZrecipienteOrigen=1 .358) y la condición final (PrecipienteOrigen=350bar, ZrecipienteOrigen=1 .236) despejaremos la masa del recipiente origen
Si ahora se define el coeficiente de utilización del recipiente origen como la cantidad de masa transferida sobre el total de la masa del recipiente origen, para este caso obtendremos:
También se observa que el coeficiente de utilización del recipiente origen depende de los estados iniciales y finales del recipiente origen.
Por lo tanto, cuanto menor es la presión final del recipiente origen, mayor es el coeficiente de gasto y más masa de gas se transferirá del recipiente origen al depósito. Posteriormente, con ayuda de la Tabla 1 , que refleja los resultados de cálculo de número de recipientes origen, se muestra un ejemplo de llenado de un depósito de gas de manera secuencial abriendo un único recipiente origen:
Donde ahora la incógnita es la presión final P3 y su correspondiente factor de compresibilidad Z3 relacionado con la presión.
Solucionando de forma iterativa, en este caso se obtiene una presión final de P3=21 26bar de depósito con el empleo de un recipiente origen.
Al obtener el coeficiente de utilización anteriormente definido para este caso: Masa final en el recipiente origen:
Como se puede observar, la menor presión final ocasiona una mayor transferencia de masa del recipiente origen al depósito.
A continuación, se describe de acuerdo con el procedimiento objeto de esta invención, un ejemplo de realización en el que se realiza el llenado del depósito de gas de forma secuencial abriendo un recipiente origen o grupos de recipientes origen en primer lugar y, una vez se ha llenado parcialmente el depósito de gas, se procede al cierre de dicho recipiente o grupos de recipientes y apertura del siguiente recipiente o grupos de recipientes, y así sucesivamente con el resto de recipientes o grupos de recipientes de forma secuencial hasta el llenado completo.
A la vista de los resultados reflejados en la Figura 2, se concluye que sería necesario emplear 46 recipientes origen para el llenado completo de un depósito de gas mediante llenado secuencial, a diferencia de los procedimientos en instalaciones convencionales.
Adicionalmente, los recipientes origen se asocian en grupos denominados racks, realizando el mismo procedimiento que se ha reflejado en la realización preferente.
A modo de ejemplo y sin que sirva de precedente, con ayuda de la Figura 3, se exponen los resultados obtenidos agrupando los recipientes origen en racks de 10 recipientes origen cada uno de ellos, obteniendo como resultado el empleo de 52
recipientes origen y un total de 6 racks, provocando una disminución del espacio de la instalación en la que se instaure el procedimiento y una disminución del tiempo de llenado.
Claims
REIVINDICACIONES
1 Procedimiento de llenado de depósitos de gas que hace uso de una instalación que comprende:
- unos recipientes origen (1), que contienen gas a una presión determinada, con unas primeras válvulas (7) destinadas a abrir los recipientes de origen (1) que permiten que dicho gas circule por unas salidas de gas (11) conectadas a los recipientes origen (1),
- un colector (3) que recibe a las salidas de gas (11) de los recipientes origen (2) y por el que circula el gas conectado a los recipientes origen (1),
- una válvula maestra (4) acoplada en el colector (3), que está destinada a permitir la circulación del gas a través del colector (3),
- un manómetro principal (5) acoplado en el colector (3), que está destinado a medir la presión del gas que circula a través del colector (3), y
- un depósito (6) con una segunda válvula (8) que recibe al colector (3) y es llenado por el gas que circula por dicho colector (3) caracterizado porque el procedimiento es un procedimiento de llenado secuencial que comprende las etapas de: a) apertura de la segunda válvula (8) del depósito (6), b) apertura de una de las primeras válvulas (7) de un recipiente origen (1) cuya presión es superior a la del depósito (6), c) llenado del colector (3) hasta alcanzar la presión del recipiente origen (1), medida dicha presión por el manómetro principal (5), d) apertura de la válvula maestra (4) una vez el colector (3) tiene la presión igual a los recipientes origen (1) para el llenado del depósito (6), e) cierre de una de las primeras válvulas (7) de uno de los recipientes origen (1 ), y f) apertura de otra de las primeras válvulas (7) del siguiente recipiente origen (1) y repetición de las etapas c), d), e) con los demás recipientes origen (1) hasta llenado completo del depósito (6).
2.- Procedimiento de llenado de depósitos de gas según la reivindicación 1 en el que los recipientes origen (1) se agrupan en grupos denominados racks (2).
3.- Procedimiento de llenado de depósitos de gas según la reivindicación 1 o 2 en el que los recipientes origen (1) comprenden un segundo manómetro individual (10)
4.- Procedimiento de llenado secuencial de depósitos de gas según la reivindicación 1 en el que el depósito (6) comprende un primer manómetro individual (9) que está destinado a medir la presión de dicho depósito (6).
5.- Procedimiento de llenado secuencial de depósitos de gas según la reivindicación 1 en el que el gas que circula por la instalación es hidrógeno.
6.- Procedimiento de llenado secuencial de depósitos de gas según la reivindicación 1 donde un conducto de carga (12) está conectado al colector (3) tras la válvula maestra
(4) y está destinado a conectarse adicionalmente a una estación de carga y a abastecer de gas a los recipientes origen (1) cuando dichos recipientes origen (1) están vacíos tras realizar el procedimiento de llenado del depósito (6).
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