Ciclones y fluidización

Ciclones y fluidización 1

CICLONES Y FLUIDIZACIÓN EQUIPOS, CARACTERÍSTICAS Y OPERACIÓN

1Dayanna Fajardo 2Daniela Londoño 3Carol Medina

[email protected], [email protected],

[email protected]

DOCENTE: I.Q. Iván Ramírez Marín

Departamento de Ingeniería Química, Universidad de América Sede Los Cerros

Introducción: Los ciclones son dispositivos utilizados para separar partículas sólidas que

se encuentran en un gas, por medio de la sedimentación generada por una fuerza centrífuga.

El ciclón es uno de los dispositivos de separación que opera mejor a toda carga que con

carga parcial, además se utilizan ampliamente para separar sólidos de líquidos,

especialmente con fines de clarificación. La fluidización se conoce como la suspensión de

sólidos en un fluido (líquido o gaseoso) donde tales partículas tienden a tomar un

comportamiento similar al del fluido, es común el uso de ciclones internos en lechos

fluidizados turbulentos aunque también se emplean grandes ciclones fuera de los lechos

fluidizados de fase dispersa. A través de este artículo se hace un resumen de los principales

aspectos teóricos de los equipos de separación ciclónicos, así como del proceso de

fluidización que ocurre entre los sólidos suspendidos en un fluido tanto líquido como

gaseoso, explicando algunas ventajas y desventajas de las diferentes situaciones.

Resumen: Por medio de este trabajo se realizó una recopilación de información teórica a

cerca de los ciclones y la fluidización, haciendo referencia a los ciclones como equipos de

sedimentación utilizados para la separación de sólidos en un gas, y la fluidización como la

suspensión de sólidos en un líquido o gas. Se explica su funcionamiento, tipos, factores de

diseño, usos, ventajas, desventajas, entre otras características principales. Adicionalmente

se realizó un video, donde se agrega contenido audio visual con respecto a los ciclones y

fluidización, donde puede observarse de manera más práctica el funcionamiento y

desarrollo de estos.

Palabras claves: Ciclones, fluidización, separación sólidos

Abstract: By means of this work a collection of theoretical information about cyclones and

fluidization was made, referring to the cyclones as sedimentation equipment used for the

separation of solids in a gas, and fluidization as the suspension of solids in a Liquid or gas.

It explains its operation, types, design factors, uses, advantages, disadvantages, among

other main features. In addition, a video was created, where audio visual content is added to

the cyclones and fluidization, where the operation and development of these can be

observed in a more practical way.

Keywords: Cyclones, fluidization, solid separation

mailto:[email protected]




CICLONES

Los ciclones son dispositivos de

sedimentación en los que actúa una fuerza

centrífuga en lugar de la gravedad para

aumentar la velocidad de sedimentación

de una partícula sólida en un gas.

Consiste en un cilindro vertical con un

fondo cónico, una entrada tangencial

cerca a la parte superior por donde entra

el gas con partículas sólidas, también

llamadas polvo, una salida para las

partículas sólidas situada en el fondo del

cono y una salida para el gas en la parte

superior. (MCCABE)

Figura 1. Ciclón Tomada de (Sanchez,

2017)

Funcionamiento

El aire cargado con las partículas ingresa

tangencialmente al separador ciclónico a

través de un ducto de altura AlDu, y

ancho AnDu, como se puede apreciar en

la Figura2.

Una vez dentro del separador, gracias a la

velocidad tangencial y la curvatura del

cilindro, la fuerza centrífuga desarrollada

en el vértice tiende a desplazar

radialmente una fracción de las partículas

hacia la pared, de forma que aquellas que

alcanzan la pared, chocan, pierden

energía cinética, se deslizan hacia abajo

dentro del cono y se recogen. La fracción

restante que no alcanza a llegar hasta la

pared no se separa del aire y sale por la

parte superior del ciclón. Los factores que

influyen en qué fracción de partículas

chocarán con la pared es la aceleración

centrífuga que adquieren las partículas, la

distancia desde el centro de la órbita hasta

la pared del separador, la masa de

partículas y el tiempo medio de residencia

de ellas en el separador. (PERRY, 1986.)

Figura 2. Funcionamiento de un ciclón

Tomada de (ALLEY, 2001)

En la siguiente imagen se puede observar

el movimiento de las partículas mayores

hacía las paredes del ciclón debido a la

fuerza centrífuga.


Figura 3. Mecanismo de colección de

partículas de un ciclón Tomada de

(ECHEVERRY, 2006)

El factor de separación se define como el

cociente de la fuerza centrífuga (Fc) con

respecto a la fuerza de la gravedad (Fg),

además depende de factores como el radio

(r), la masa de la partícula (m), la

velocidad tangencial (utan) y la gravedad

(g), se puede calcular por medio de la

siguiente fórmula:

Un ciclón de gran diámetro tiene un

factor de separación mucho menor para la

misma velocidad que un ciclón de menor

diámetro. Adicionalmente no se puede

utilizar a velocidad superiores a 15-20m/s

debido a que se genera una alta caída de

presión y un aumento de la abrasión. Por

lo tanto, para tratar grandes flujos de gas

es recomendable acoplar varios ciclones

de diámetro pequeño en una sola cámara

de conducciones comunes para

alimentación y las salidas. Se define un

diámetro de corte (cut diameter) como

aquel diámetro para el que el 50% de las

partículas precipitan, y el 50% restante es

retenido por el aire que sale por la parte

superior del separador.

Las partículas sólidas o de polvo que

entran en el ciclón son aceleradas

radialmente, pero la fuerza que actúa

sobre una partícula no es constante

debido a la variación del radio (r) y

también a que la velocidad tangencial en

el vórtice varía con (r) y con la distancia

por debajo de la entrada. Por esta razón el

cálculo de las trayectorias de las

partículas es difícil por lo que la eficacia

de un ciclón se predice ordinariamente a

partir de correlaciones empíricas.

A continuación, se muestra una imagen

con los efectos del tamaño de las

partículas y del diámetro del ciclón sobre

la eficiencia. Los tres ciclones que

aparecen allí son de proporciones

similares, con diámetros alrededor de 14,

31 y 70 pulgadas. Además, es importante

mencionar que la menor eficiencia de los

ciclones más grandes es principalmente

consecuencia de la disminución de la

fuerza centrífuga, así como para

determinada velocidad de flujo de aire y

velocidad de entrada, pequeños aumentos

en el diámetro del ciclón mejoran la

eficiencia de separación, debido a que el

aumento de superficie compensa la

disminución de la fuerza centrífuga.

También es importante que la eficiencia

global es función de la distribución de

tamaños de partículas y no se puede

predecir a partir del tamaño medio.


Figura 4. Eficacia de separación de

ciclones típicos. Tomada de (MCCABE)

La eficiencia de separación de un ciclón

aumenta con la densidad de las partículas

y disminuye al aumentar la temperatura

del gas debido al aumento de la

viscosidad del gas.

Los ciclones son un dispositivo de control

de material particulado bastante

estudiado, el diseño de un ciclón se basa

normalmente en familias de ciclones que

tienen proporciones definidas.

Las principales familias de ciclones de

entrada tangencial son: ciclones de alta

eficiencia, ciclones convencionales y

ciclones de alta capacidad.

Los márgenes de la eficiencia de

remoción para los ciclones están con

frecuencia basados en las tres familias de

ciclones, es decir, convencional, alta

eficiencia y alta capacidad. La tabla 1

presenta el intervalo de eficiencia de

remoción para las diferentes familias de

ciclones.

Tabla 1. Intervalo de eficiencia de

remoción para las diferentes familias de

ciclones. Tomada de (MCCABE)

En la tabla 1 puede observarse los

diferentes porcentajes de eficiencia de las

tres familias de ciclones, encontrándose

que todos los ciclones tienen mayor

eficiencia en PST, y los ciclones de alta

eficiencia y alta capacidad tienen un

mayor porcentaje de remoción que los

ciclones convencionales

Los ciclones de alta eficiencia están

diseñados para alcanzar mayor remoción

de las partículas pequeñas que los

ciclones convencionales. Los ciclones de

alta eficiencia pueden remover partículas

de 5 µm con eficiencias hasta del 90%,

pudiendo alcanzar mayores eficiencias

con partículas más grandes. Los ciclones

de alta eficiencia tienen mayores caídas

de presión, lo cual requiere de mayores

costos de energía para mover el gas sucio

a través del ciclón. Por lo general, el

diseño del ciclón está determinado por

una limitación especificada de caída de

presión, en lugar de cumplir con alguna

eficiencia de control especificada

La eficiencia total se calcula realizando la

sumatoria del producto de las eficiencias

fraccionales por la masa fraccional, como

se indica a continuación:


Donde:

nT: Eficiencia total

ni: Eficiencia fraccional

mi: Porcentaje másico %

Tipos de Ciclones

Los ciclones se pueden dividir por

familias como anteriormente se había

mencionado, en las tablas 2,3,4 se

presentan un resumen de las

características de las principales familias

de ciclones de entrada tangencial, así

como las dimensiones indicadas en la

tabla 4.

Tabla 2. Características de los ciclones

de alta eficiencia. Tomada de

(ECHEVERRY, 2006)

En la Tabla 2 se puede observar que

existen tres tipos de ciclones de alta

eficiencia (Stairmand, Swift y Echeverri),

con sus respectivas dimensiones dadas

principalmente en diámetros y alturas.


convencionales. Tomada de

(ECHEVERRY, 2006)


existen cuatro tipos de ciclones

convencionales (Lappe, Swift, Peterson-

Whiby, y Zen) con sus respectivas

dimensiones.


de alta capacidad. Tomada de

(ECHEVERRY, 2006)


existen dos tipos de ciclones de alta

capacidad (Stairmand y Swift) con sus

respectivas dimensiones.

Aplicaciones

Son utilizados por las empresas cuyo

proceso de producción genera polvo de

cualquier tipo, pero con tamaño de grano

grueso y de alta concentración, tales

como el trabajo de la madera (para la

purificación del aire del polvo y del

serrín), de los metales, de la goma, del

plástico, mezclado, pesaje y embalaje de

materiales polvorientos, chorreado de

arena, esmerilado, cortes de diversos

tipos, fusión de materiales metálicos y la

combustión de materiales sólidos,

operaciones mecánicas, refinerías,

cementeras, entre otros.


Los separadores centrífugos de polvo

también se utilizan en circuito con los

molinos de finos, haciendo circular por el

molino una corriente de aire que extrae el

polvo, cuya presencia disminuye los

rendimientos de la molienda. El aire

cargado se pasa por el separador, el cual

da una fracción gruesa, que vuelve al

molino, y una fracción fina que se

aprovecha directamente. (PlastoQuímica,

2017)

Ventajas

Alta eficiencia en partículas gruesas,

reducción incluso de partículas finas,

aunque con baja eficiencia.

Simplicidad en la recuperación del

polvo.

Necesidad de espacios limitados para

la implementación del sistema.

Bajos costos de implementación y

uso.

Posibilidad de trabajar a cualquier

temperatura.

Posibilidad de trabajar con humos

húmedos.

Buena flexibilidad operativa

Bajos costos de capital.

Falta de partes móviles, por lo tanto,

pocos requerimientos de

mantenimiento y bajos costos de

operación.

Caída de presión relativamente baja,

comparada con la cantidad de

partículas removidas.

Las limitaciones de temperatura y

presión dependen únicamente de los

materiales de construcción.

Colección y disposición en seco.

Requisitos espaciales relativamente

pequeños. eficientes y costosos.

(ECHEVERRY, 2006)

Desventajas

Su principal problema es la rigidez de

su diseño y el hecho de que la

eficiencia es función de las

condiciones de operación.

Para una eficiencia alta se requiere un

tamaño grande, o una caída de presión

muy alta.

La baja eficiencia para granometrías

finas es una desventaja importante,

que rebaja este dispositivo como pre-

tratamiento de sistemas de separación.

Eficiencias de recolección de

partículas suspendidas totales

relativamente bajas, particularmente

para partículas menores de 10 µm.

No pueden manejar materiales

pegajosos o aglomerantes.

Las unidades de alta eficiencia pueden

tener altas caídas de presión.

FLUIDIZACIÓN

La fluidización es un proceso en el cual

un fluido en estado gaseoso o líquido

transforma sólidos finos en un estado

similar al del fluido. A partir de este

proceso es posible obtener excelentes

resultados de contacto entre partícula-

fluido.


Figura 5. Clases de contacto partícula-

fluido en un lecho. Tomada de (Theodore,

2014)

La anterior figura hace referencia a los

diferentes tipos de contacto producidos al

incrementarse la velocidad superficial del

gas que inicia desde el lecho

empaquetado con una velocidad reducida

y termina con transporte neumático el

cual tiene una velocidad elevada. A

medida que va aumentando la velocidad

del gas en el lecho empaquetado (en

movimiento) la velocidad se intensifica

hasta cierto punto en donde las fuerzas

de arrastre que son ejercidas sobre las

partículas igualan el peso de las partículas

del lecho de tal forma que se termina

fluidizando el lecho. Cuando se fluídiza el

lecho las partículas están suspendidas en

el gas y la masa fluidizada posee gran

variedad de propiedades de un líquido.

Cuando el fluido presenta un movimiento

ascendente con una la velocidad mínima

puede atravesar un lecho de partículas

finas filtrándose a través de los espacios

generados entre estas que tienen un

estado estacionario; este fenómeno es

conocido como lecho “hundido”

generalmente se trata de un lecho fijo de

altura Lm; al incrementarse esta velocidad

se da inicio al proceso fluidización donde

la velocidad superficial del fluido se

denomina velocidad mínima de

fluidificación vmf, y la altura del lecho es

Lmf. Si la velocidad del fluido es mayor

que vmf, el lecho se expande y el vacío del

lecho aumenta. Cuando se presentan

velocidades bajas de fluidización

(velocidad del fluido > vmf) la operación

se conoce como densa aumentando el

vacío del lecho (Theodore, 2014).

Grafico 1. Curva de pérdida de presión

de un lecho fluidizado. Tomada de

http://www.madrimasd.org/blogs/energias

alternativas/2016/12/02/133311

Es posible fluidizar partículas tan

pequeñas de aproximadamente 1µm y tan

grandes que se acercan a los 4 cm, el

intervalo de tamaño promedio de

partículas sólidas que son comúnmente

fluidizadas es de 30µm o más de 2 cm. El

tamaño de partícula perjudica gravemente

el funcionamiento de un lecho fluidizado

a diferencia de la densidad de partícula o

la forma de esta. Las partículas grandes

(150µm) y de mayor diámetro producen

burbujas más grandes cuando se

fluidizan., dichas burbujas dan lugar a un

lecho fluidizado menos homogéneo que

puede manifestarse en grandes

fluctuaciones de presión. Las partículas

pequeñas (menores de 30 mm de

diámetro) tienen grandes fuerzas

intermoleculares (generalmente fuerzas

de Van Der Waals) produciendo que las

partículas se adhieran o se aglomeren

como lo hacen las partículas de harina

(PERRY, 1986.)


Grafico 1. Curva de pérdida de presión

de un lecho fluidizado. Tomada de

http://www.madrimasd.org/blogs/energias

alternativas/2016/12/02/133311

Regímenes de fluidización

El flujo de un fluido en un medio poroso

se clasifica como laminar, transitorio o de

transición y turbulento. El número de

Reynolds (Repm) registra los siguientes

rangos:

Laminar (Repm < 10 )

Transición (10 < Repm < 1000 )

Turbulento( Repm > 1000)

Dp = Diámetro de partícula

ρ= Densidad

ϵ = Porosidad

µ= Viscosidad

v = Velocidad

Las fluctuaciones que presenta la

porosidad (así mismo la altura del lecho)

con la velocidad superficial pueden ser

calculadas por medio de la ecuación de

Kozeny-Carman, considerando un flujo

laminar y ρf << ρs:

Para las condiciones de flujo laminar

(Repm < 10), la ecuación de Blake-Kozeny

permite conocer la pérdida de carga h'f en

términos de la velocidad superficial del

gas a la fluidificación mínima vmf y otras

propiedades del líquido y del lecho:

También se puede expresar de la siguiente

manera

La ecuación de Burke-Plummer se aplica

para expresar la pérdida de carga h'f para

un régimen turbulento (Repm> 1000)

Se puede obtener una ecuación general

que combina los diferentes tipos de

regímenes para partículas de diversas

formas. Siempre y cuando se asuma que

los efectos laminares y turbulentos son

aditivos. Este resultado se conoce como la

ecuación de Ergun:

Existen dos tipos de fluidización:

Fluidización lisa o particulada

Es propia de sistemas líquido-sólido y se

presenta cuando las partículas son de

tamaño reducido o la diferencia entre las

densidades de fluidos y sólidos es

prácticamente despreciable; lo que

significa que la velocidad del flujo es

mínima y por lo tanto el lecho se fluidiza

uniformemente, de manera que cada

partícula se moviliza individualmente a

través del lecho.

Fluidización agregada o por burbujeo


Es propia de sistemas gas-sólido, y se

produce cuando las partículas son de gran

tamaño o las densidades entre fluidos y

sólidos difieren de forma considerable de

tal manera que la velocidad del flujo

tendera a ser relativamente alta. En este

caso, la fluidización se da de manera

inestable y el fluido pasa a través del

lecho en forma de grandes burbujas. - Estas burbujas estallan en la superficie,

rociando las partículas sólidas sobre el lecho.

Este lecho tiene características de un líquido,

en la fase fluida actúa como un gas que

burbujea a través de él. (Theodore, 2014, p.

89)

Es posible estimar la transición de

burbujeo a fluidización lisa a través del

número adimensional de Froude teniendo

en cuenta una fluidización mínima. El

número de Froude se expresa como:

vmf = velocidad mínima de fluidificación

dp = el diámetro de partícula aceleración

g = aceleración por gravedad

Aplicaciones

Su campo de aplicación se encuentra en

diversidad de procesos industriales fluido

– sólido y pueden ser de naturaleza tanto

química como física.

Aplicaciones a procesos físicos

Abarca todos los procesos en donde tanto

el sólido como el fluido no experimenten

transformaciones químicas. De tal manera

que solo se produzca una transferencia de

masa y/o calor entre ambas fases o entre

el lecho y el ambiente. Entre estos

procesos se encuentran:

-Transporte de polvos

Las características que presenta el lecho

fluidizado facilita el transporte del

material sólido pulverizado. Este sistema

es ideal debido a que tiene un bajo

consumo energético, no contiene partes

móviles y se adapta para el transporte

horizontal de partículas finas y secas,

taeles como ceniza de soda, cemento,

harinas, resinas, etc.

-Mezcla de polvos

Usando técnicas convencionales se

dificulta mezclar de manera manual

diferentes tipos de materiales sólidos

finamente fraccionados o divididos. No

obstante, la fluidización de los sólidos

permite la correcta recirculación de estos

en el recipiente que los contiene dando

lugar a una buena mezcla. El grado de

mezcla y el tiempo necesario para

uniformar el lecho depende del flujo de

gas y del tipo de placa distribuidora.

-Intercambio de calor

Los lechos fluidizados son ampliamente

utilizados en este proceso gracias a su

eficaz capacidad para transportar calor y

de mantener una temperatura uniforme en

el lecho.

-Secado

Al producirse simultáneamente una gran

velocidad de transferencia de calor y

masa en el lecho fluidizado, se da de

manera factible el secado de grandes

cantidades de sólidos granulares con

tiempos de contacto relativamente

pequeños; generando un producto de alta

calidad y con un menor consumo

energético a comparación de los

secadores convencionales.


Aplicaciones a procesos químicos

Las aplicaciones químicas pueden

asociarse u aglomerarse de la siguiente

manera:

-Procesos en los cuales interesa la

conversión del fluido: El sólido se

comporta como un catalizador o como

fuente de calor.

- Procesos en los cuales interesa la

conversión del solido: Reacciones de

interés metalúrgico; reducciones,

tostaciones calcinaciones, etc.

Procesos de conversión del fluido

En este tipo de procesos el uso de un

lecho fluidizado es ideal, ya que permite

controlar rigurosamente la temperatura en

la zona de reacción. Algunas de las

reacciones catalíticas más importantes a

nivel industrial son:

-Reacciones de síntesis:

-Oxidación controlada de olefinas y

aromáticos: Producción de óxidos de

propileno y etileno, oxidación parcial del

naftaleno para la producción de anhídrido

ftálico, acrilonitrilo, etc.

-Halogenación de olefinas: producción de

halogenuros de alquilo, materia prima

básica para la alquilación de aromáticos.

-Síntesis de hidrocarburos por la reacción

de Fischer Tropsch: Producción de

hidrocarburos a partir de H2 y CO a

reducidas presiones.

-Reacciones de cracking y

reforzamiento catalítico de

hidrocarburos:

Se producen reacciones endotérmicas y

se originan depósitos de carbón sobre las

superficies sólidas con el rompimiento de

hidrocarburos en moléculas de menor

peso molecular (reacciones de cracking) o

su síntesis en moléculas de mayor peso

molecular (reforzamiento catalítico).

Generalmente se aplica en la industria de

la refinación del petróleo.

Procesos que interesan el sólido

En este tipo de proceso es necesario una

gran velocidad de transferencia de calor y

masa entre el fluido y el sólido. En la

industria metalúrgica se encuentra en

diversidad de aplicaciones, algunas de

estas son:

-Tostación de sulfuros:

Esta operación es altamente exotérmica y

usualmente se da en reactores de una

etapa por lo cual no requiere de calor

externo, este está provisto de un sistema

de refrigeración.

Se destaca en la tostación de piritas y de

concentrados de minerales sulfurados

como Cu, Zn y Mo.

-Reducción de óxidos metálicos:

El lecho fluidizado se aplica

principalmente en la reducción de óxidos

de fierro. (Solar, 5 de julio de 2017)

Ventajas

El comportamiento de fluido

permite operaciones continuas,

controladas de manera automática

y con gran facilidad de manejo.

Al mezclar de manera rápida el

sólido produce que las

condiciones de operación se den

con gradientes de temperatura casi

nulos dentro del lecho, de tal

manera que la operación puede ser

controlada de forma sencilla.

El tráfico de sólidos entre dos

lechos fluidizados facilita el


trasporte de grandes cantidad de

calor.

Aplicable a operaciones en gran

escala.

Al comparar con otros métodos de

contacto es posible observar que

las velocidades de transferencia de

masa y calor entre el fluido-

partícula son considerablemente

grandes.

Se considera que la velocidad de

transferencia de calor entre un

lecho fluidizado y un objeto

sumergido en él, así como con las

paredes del lecho, es elevada

Desventajas

Al requerirse una alta conversión

de fluido se considera ineficaz la

gran desviación del fluido al

escurrimiento del pistón, así como

el paso del sólido por las burbujas

representando un sistema poco

provechoso en el contacto fluido-

sólido.

Se presenta una distribución

tiempos de residencia no uniforme

debido a la rápida mezcla de

sólidos en el lecho. Para una

operación de forma continua las

partículas presentan diferentes

grados de conversión con

eficiencia global baja (trabajando

con equipos de una sola etapa).

Los sólidos que se desintegran

con facilidad son destruidos

rápidamente y finalmente

arrastrados por el fluido fuera del

lecho.

La abrasión producida por las

partículas en las cañerías,

accesorios y equipos puede ser

llegar a ser crítica.

En operaciones donde se trabaje a

altas temperaturas y no sean de

tipo catalítico, la aglomeración y

la sinterización de las partículas

finas demanda reducir la

temperatura de operación,

disminuyendo así la velocidad de

reacción (Solar, 5 de julio de

2017)

Bibliografía

ALLEY, R. &. (2001). Manual de control

de la calidad del aire. México.:

Mc Graw-Hill.

ECHEVERRY, C. A. (2006). Diseño

Óptimo de Ciclones. Universidad

de Medellín.Vol.5 no.9. .

MCCABE, W. (s.f.). Operaciones

Unitarias en Ingeniería Química.

Mc Graw Hill.

PERRY, R. &. (1986.). Manual del

Ingeniero Químico. vol. 5, .

México, D. F.: McGraw-Hill.

PlastoQuímica. (5 de Julio de 2017).

PlastoQuímica. Obtenido de

http://www.plastoquimica.com/pr

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Sanchez, D. (5 de Julio de 2017).

Bioseparaciones. Obtenido de

http://bioprocbsep.blogspot.com.c

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Solar, M. (5 de julio de 2017).

Remetallica. Obtenido de

http://metalurgia.usach.cl/sites/me

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Theodore, L. (2014). Chemical

Engineering: The Essential

Reference.

Ciclones y fluidización

Engineering

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