Manual separador hidrociclónico

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COLOMBIA: Promoción de Oportunidades de Mercado para Energías Limpias y Eficiencia Energética

Cooperación Técnica No Reembolsable ATN/ME-11056-CO

MANUAL DE CONSTRUCCIÓN Y USO

Separador hidrociclónico de la suspensión de almidón de achira asistido por bombeo fotovoltaico

Universidad de Los Andes

Departamento de Ingeniería Mecánica

Bogotá, abril de 2012

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Tabla de Contenido

1 Declaración de responsabilidad ..................................................................... 5

2 Introducción ................................................................................................... 7

3 Descripción general ....................................................................................... 9

4 Materiales y herramientas ........................................................................... 11

5 Proceso de manufactura y ensamble .......................................................... 13

5.1 Manufactura de partes ............................................................................... 13

5.2 Ensamble ................................................................................................... 16

6 Instrucciones de uso y mantenimiento ........................................................ 23

7 Planos .......................................................................................................... 25

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1 Declaración de responsabilidad

En la preparación de este manual se han tomado todas las precauciones razonables. Sin embargo, ni el autor ni la Universidad de Los Andes asumirán responsabilidades por errores u omisiones en la información contenida aquí o por daños o perjuicios que resulten de su uso. Se cree que la información presentada es precisa pero no hay garantía total al respecto. Use esta información bajo su riesgo y responsabilidad.

Sus comentarios o inquietudes sobre este manual son de nuestro interés. Por favor comuníquelos a:

Prof. Orlando Porras [email protected] Departamento de Ingeniería Mecánica Universidad de los Andes Cra. 1 este No. 19A-40 Of. ML-441 Bogotá, Colombia

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2 Introducción

La Cámara de Comercio de Bogotá -CCB suscribió el convenio ATN/ME-11056 con el Banco Interamericano de Desarrollo en su calidad de Administrador del Fondo Multilateral de Inversiones (BID-FOMIN), el cual tiene por objeto la Promoción de Oportunidades de Mercado en Energías Limpias y Eficiencia Energética, denominado OPEN.

La CCB designó a la Dirección de su filial Corporación Ambiental Empresarial-CAEM como Coordinadora Institucional del Proyecto para supervisar la ejecución de las actividades.

Como parte del componente de apoyo a iniciativas concretas, se contempla el desarrollo de soluciones tecnológicas en energías limpias. Esta iniciativa establece el desarrollo de un proyecto demostrativo en una PyME.

Como resultado del proyecto denominado Mejoramiento Tecnológico con Asistencia Solar en la Extracción del Almidón de Sagú, el Departamento de Ingeniería Mecánica de la Universidad de Los Andes desarrolló un modelo de separador hidrociclónico asistido por bombeo fotovoltaico. El sistema fue puesto en funcionamiento en la vereda Gúchipas del municipio de Pasca en el departamento de Cundinamarca. Este documento es un manual para su construcción y uso.

Aunque este equipo fue diseñado especialmente para la separación de la suspensión de almidón de sagú, podría usarse para separar otros almidones como el de yuca con algunas variantes y ajustes del punto de operación. Consulte con los autores de este manual.

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3 Descripción general

El separador hidrociclónico con asistencia de bombeo fotovoltaico es un equipo para mejorar el proceso de blanqueado-lavado de la lechada sin usar más energía que la radiación solar, disponible en todos los lugares del planeta (Figura 1).

Figura 1 Separador hidrociclónico con asistencia de bombeo fotovoltaico

Este separador tiene un diseño sencillo, un fácil uso y, sobre todo, una alta efectividad.

El funcionamiento es simple: la suspensión de almidón de achira (lechada) se coloca en un tanque desde donde es bombeada a través de un hidrociclón mediante una bomba eléctrica movida por energía solar. El hidrociclón es un recipiente con una forma especial cilíndrica y cónica que permite separar los

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sólidos –de mayor densidad frente al agua como es el caso del almidón de achira– del líquido (Figura 2). Por la salida inferior del hidrociclón se obtiene una suspensión concentrada de almidón mientras que por la salida superior, una muy diluida. La concentración típica del almidón en la suspensión original puede ser del 1.5% en volumen y por la salida inferior del hidrociclón se obtiene una concentración cercana al 60%. Esta separación ocurre en segundos y representa, entonces, una reducción importante en los tiempos de decantación tradicional en bateas que puede tomar horas. Esto significa para el productor un aumento de capacidad en la operación de lavado-blanqueado y un ahorro de tiempo de labor que puede usarse en otras actividades productivas de la finca.

Figura 2 Hidrociclón para separar la suspensión de achira.

Las menores áreas de contacto de la suspensión con el aire ambiental y los menores tiempos de exposición a ambiente reducen la aparición de la mancha.

Este manual ilustra, paso a paso, la construcción y uso del separador hidrociclónico asistido por bombeo solar con capacidad de procesamiento de 12 m3 de lechada al día –equivalentes al procesamiento de alrededor de 25 bultos de rizoma– en una operación de dos a tres horas.

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4 Materiales y herramientas

Los materiales necesarios para construir el separador hidrociclónico se presentan en la Tabla 1. Estos materiales se encuentran en gran parte en las ferreterías y almacenes agrícolas en cualquier sitio de Colombia. Los componentes del sistema fotovoltaico deben conseguirse a través de un proveedor especializado. El costo estimado de esta lista de materiales y equipos a marzo de 2012 es de $16,000,00 donde el sistema fotovoltaico (paneles, controlador, motobomba, torre, insumos eléctricos e instalación) está en el orden de los $15,000,000.

Tabla 1 Lista de materiales

Cantidad Descripción Medida 1 Tubo PVC 1 ½” 3 m 1 Tubo PVC 1 ” 3 m 1 Válvula de bola PVC para roscar ½” 2 Válvulas de bola PVC para soldar 1” 2 Uniones universales PVC para soldar 1” 1 Tee PVC soldar 1” 1 Codo 90° PVC para soldar 1” 2 Salidas de tanque PVC 1” 2 Adaptadores macho PVC para soldar-‐roscar 1” 2 Uniones universales PVC para soldar 1 ½” 2 Codos 45° en PVC para soldar 1 ½” 1 Válvula de globo en bronce para roscar 1 ½” 3 Adaptadores macho PVC para soldar-‐roscar 1 ½” 1 Unión PVC para soldar 1 ½” 1 Buje PVC para roscar-‐soldar 1 ½” x ½” 1 Adaptadores macho PVC para soldar-‐roscar 2” 1 Buje PVC para soldar-‐soldar 2” x 1” 1 Collarín de PVC salida roscada 1 ½ “ x ½” 1 Tarro de limpiador para PVC ¼ gal 1 Tarro de soldadura de PVC ¼ gal 1 Manómetro tipo Bourdon para roscar (0-‐30 psi) ¼” 2 Adaptadores bronce roscar-‐roscar ½” x ¼” 1 Adaptador manguera de rosca externa ½” x ¼” 1 Tramo de manguera de ¼” 3 m 1 Tramo de manguera de 1” 3 m 1 Abrazadera 1”

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1 Abrazadera ¼” 1 Rollo de cinta de teflón ¼” 1 Conector rápido para manguera roscado ¼” 2 Tanques de plástico para exteriores con salida inferior 250 l 1 Lámina de acero inoxidable AISI 308L calibre 18 50 cm x 50 cm 1 Alambre de aporte de acero inoxidable AISI 308L 1/8” 2 Paneles fotovoltaicos de 30 V 235 Wp 1 Motobomba eléctrica centrífuga de superficie solar 600 W 1 Controlador de alimentación de la motobomba solar -‐ 4 Baterías de 12 V y 150 Ah para sistema fotovoltaicos -‐ 1 Control de nivel inferior -‐ 1 Control de nivel superior de flotador -‐ 1 Poste metálico para soportar los paneles fotovoltaicos 3 m 2 Bultos de cemento 1 Tubo rectangular 1 ½” x ½” de acero 1.5 m 1 Tarro de pintura anticorrosiva ¼ gal 1 Varilla de acero de 1/8” 6 m

La siguiente es la lista de herramientas y equipos necesarios para realizar la manufactura del hidrociclón. Estas herramientas y equipos son básicos y fáciles de conseguir en cualquier lugar de Colombia.

1. Soldadora eléctrica TIG de argón 2. Soldadora eléctrica convencional 3. Prensa de banco 4. Cizalla eléctrica o manual 5. Martillo 6. Pulidora manual 7. Cortadora manual 8. Escuadra metálica 9. Nivel 10. Segueta 11. Taladro y brocas 12. Pala y palustre 13. Juego llaves fijas

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5 Proceso de manufactura y ensamble

5.1 Manufactura de partes

La manufactura del separador hidrociclónico ha sido pensada para minimizar el trabajo y el desperdicio de materiales. Aquí están los pasos a seguir para preparar los elementos necesarios para el posterior ensamble:

1. Dibujar los desarrollos del cuerpo externo del hidrociclón, el ducto interno, las transición de la entrada en una cartulina de acuerdo con el plano de la sección 0. Se recortan estas formas obteniendo así las plantillas para dibujar sobre la lámina de acero inoxidable. Esto lo puede hacer un dibujante técnico. Este paso puede tomar un par de horas

2. Se transfiere el desarrollo a la lámina de acero inoxidable mediante las plantillas. Esto lo hace un técnico mecánico en 30 minutos.

3. Se cortan las formas dibujadas mediante la cizalla (Figura 3, izq.). Esto lo hace un técnico mecánico en unos 45 minutos.

4. Se da la forma al cono del hidrociclón doblando la lámina con ayuda de la prensa de banco y el martillo usando un pedazo de tubo como guía (Figura 3, der.). Esto lo hace un técnico mecánico en unos 60 minutos.

5. Se cierra el cuerpo del cono mediante soldadura eléctrica TIG de argón con material de aporte de acero inoxidable AISI 308L (Figura 4, izq). Esto lo hace un técnico soldador en unos 15 minutos.

6. Se une el cono con el cilindro del ciclón mediante soldadura eléctrica TIG de argón con material de aporte de acero inoxidable AISI 308L (Figura 4, der.). Esto lo hace un técnico soldador en unos 30 minutos.

7. Se pulen las rebabas de las soldaduras realizadas precedentemente mediante una pulidora manual y lija (Figura 5, izq.). Esto lo hace un técnico soldador en unos 15 minutos.

8. Se unen la tapa superior de la parte cilíndrica y el ducto de salida del ciclón mediante soldadura eléctrica TIG de argón con material de aporte de acero inoxidable AISI 308L (Figura 5, der.). Esto lo hace un técnico soldador en unos 45 minutos.

9. Haga una abertura rectangular de las dimensiones indicadas en los planos del ciclón en la parte cilíndrica con la ayuda de una cortadora manual. Allí se unirá la transición de la entrada del ciclón. Esto lo hace un técnico soldador en unos 15 minutos.

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Figura 3 Corte con cizalla (izq.) y doblado de la lámina (der.).

Figura 4 Soldaduras TIG del cierre del cuerpo del cono (izq.) y de la unión entre el cono y el cilindro del ciclón (der.).

10. Se une la transición de entrada a la abertura realizada en el paso anterior mediante soldadura eléctrica TIG de argón con material de aporte de acero inoxidable AISI 308L (Figura 6, izq.). Esto lo hace un técnico soldador en unos 25 minutos.

Foto Operación Herramienta Descripcion Observacion Accion Utillaje Tiempo (min)

Desarrollo de modelos N/ALos modelos del cono y

del cilindro son desarrollados

Las dimensiones de las piezas deben ser

rectificadas.Ingeniero N/A 45

Corte de lámina según modelos

Cizalla manual y eléctrica. Corte con Plasma.

Con los modelos impresos en las

láminas, se proceden a cortar.

N/A Operario N/A 45

Doblar ConoPrensa, Martillo

Se da la forma del cono golpeando la lámina hasta generar la forma

requerida

Para la realizacion del trabajo de doblado es

importante que la pieza se encuentre fijado de una manera correcta y estable

Operario N/A 60

Union de lámina del conoSoldadura de

Argón

Para completar y dar la forma precisa al cono se van soldando los extremos de las soldaduras.

Para la realizacion del trabajo de soldadura es

importante que la pieza se encuentre fijado de una manera correcta y estable, asegurar que el

material de aporte se disponga de manera

correcta

OperarioAporte

acero Inox 308L

15

Soldadura conjunto, cono-‐cilindro.

Soldadura de Argón

Se soldan los componentes del

hidrociclón



OperarioAporte

acero Inox 308L

60

Pulir interior y exterior del hidrociclón

Pulidora

Para retirar excesos de soldadura y dar un mejor acabado a la

pieza

N/A Operario Lija 15

Soldadura conjunto, tapa-‐cilindro-‐tubo salida

superior

Soldadura de Argón


hidrociclón



OperarioAporte

acero Inox 308L

25

Soldadura Transición entrada hidrociclón,

Cortadora

Soldadura de Argón

Para la entrada del hidrociclón, se solda la transición, generando una apertura en la parte cilindrica del

hidrociclón

Al hacer el corte en el hidrociclón, tener

precaución de guardar las medidas

respectivas generadas en los

modelos

OperarioAporte

acero Inox 308L

35

Acabado al hidrociclón Pulidora

Para dar una apariencia continua y sin costuras, se pule la pieza y se

brilla


Hoja de Proceso










N/A Operario N/A 45



requerida



Operario N/A 60


Argón





correcta

OperarioAporte

acero Inox 308L

15


Soldadura de Argón


hidrociclón



OperarioAporte

acero Inox 308L

60


Pulidora


pieza



superior

Soldadura de Argón


hidrociclón



OperarioAporte

acero Inox 308L

25


Cortadora

Soldadura de Argón


hidrociclón




modelos

OperarioAporte

acero Inox 308L

35



brilla


Hoja de Proceso










N/A Operario N/A 45



requerida



Operario N/A 60


Argón





correcta

OperarioAporte

acero Inox 308L

15


Soldadura de Argón


hidrociclón



OperarioAporte

acero Inox 308L

60


Pulidora


pieza



superior

Soldadura de Argón


hidrociclón



OperarioAporte

acero Inox 308L

25


Cortadora

Soldadura de Argón


hidrociclón




modelos

OperarioAporte

acero Inox 308L

35



brilla


Hoja de Proceso










N/A Operario N/A 45



requerida



Operario N/A 60


Argón





correcta

OperarioAporte

acero Inox 308L

15


Soldadura de Argón


hidrociclón



OperarioAporte

acero Inox 308L

60


Pulidora


pieza



superior

Soldadura de Argón


hidrociclón



OperarioAporte

acero Inox 308L

25


Cortadora

Soldadura de Argón


hidrociclón




modelos

OperarioAporte

acero Inox 308L

35



brilla


Hoja de Proceso

15

11. Se pulen las rebabas de las soldaduras realizadas precedentemente

mediante una pulidora manual y lija (Figura 6, der.). Esto lo hace un técnico soldador en unos 20 minutos.

Figura 5 Pulida de rebabas de la soldadura (izq.) y soldadura del ducto superior (der.).

Figura 6 Unión con soldadura de la transición de entrada (izq.) y pulido final de las rebabas de la soldadura (der.).

12. El sistema fotovoltaico deber ser preparado por el proveedor especializado. En especial debe construirse previamente la torre para soportar los paneles, el tablero para el controlador y las cajas eléctrica, las cajas










N/A Operario N/A 45



requerida



Operario N/A 60


Argón





correcta

OperarioAporte

acero Inox 308L

15


Soldadura de Argón


hidrociclón



OperarioAporte

acero Inox 308L

60


Pulidora


pieza



superior

Soldadura de Argón


hidrociclón



OperarioAporte

acero Inox 308L

25


Cortadora

Soldadura de Argón


hidrociclón




modelos

OperarioAporte

acero Inox 308L

35



brilla


Hoja de Proceso










N/A Operario N/A 45



requerida



Operario N/A 60


Argón





correcta

OperarioAporte

acero Inox 308L

15


Soldadura de Argón


hidrociclón



OperarioAporte

acero Inox 308L

60


Pulidora


pieza



superior

Soldadura de Argón


hidrociclón



OperarioAporte

acero Inox 308L

25


Cortadora

Soldadura de Argón


hidrociclón




modelos

OperarioAporte

acero Inox 308L

35



brilla


Hoja de Proceso










N/A Operario N/A 45



requerida



Operario N/A 60


Argón





correcta

OperarioAporte

acero Inox 308L

15


Soldadura de Argón


hidrociclón



OperarioAporte

acero Inox 308L

60


Pulidora


pieza



superior

Soldadura de Argón


hidrociclón



OperarioAporte

acero Inox 308L

25


Cortadora

Soldadura de Argón


hidrociclón




modelos

OperarioAporte

acero Inox 308L

35



brilla


Hoja de Proceso










N/A Operario N/A 45



requerida



Operario N/A 60


Argón





correcta

OperarioAporte

acero Inox 308L

15


Soldadura de Argón


hidrociclón



OperarioAporte

acero Inox 308L

60


Pulidora


pieza



superior

Soldadura de Argón


hidrociclón



OperarioAporte

acero Inox 308L

25


Cortadora

Soldadura de Argón


hidrociclón




modelos

OperarioAporte

acero Inox 308L

35



brilla


Hoja de Proceso

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metálicas para proteger las baterías, los anclajes de la torre y el soporte de la motobomba eléctrica.

5.2 Ensamble

Para ensamblar el secador se requiere de por lo menos dos personas que deben ejecutar los siguientes pasos en el orden indicado:

1. Disponer de un terreno de por los menos 4 m x 4 m despejado y nivelado, No debe haber obstáculos naturales, construcciones, etc. por encima de los 3 m de altura naturales, construcciones, etc. que puedan hacer sombra sobre los paneles solares.

2. Se determina la posición de los tanques de 250 l. Se recomienda una disposición cercana a la zona de trabajo al lado de una de las bateas. En esa misma zona debe instalarse la torre con los paneles fotovoltaicos y la motobomba eléctrica.

3. Se instala la torre de los paneles fotovoltaicos y en ella el tablero para el controlador y los interruptores. Es mejor que esto lo hagan los técnicos de los proveedores especializados. En el caso que se ilustra aquí se instalaron dos paneles ERDM 235TP/6 de 30 V y 235 Wp cada uno (Figura 7).

4. Se instala la motobomba eléctrica cerca de la torre. Es mejor que esto lo hagan los técnicos de los proveedores especializados. En el caso que se ilustra aquí se usó de 600 W (Figura 8). Esta bomba tiene una cabeza hidráulica total máxima de 12 m de agua y un caudal máximo de 15 m3/h.

5. Se instala el polo a tierra para el sistema fotovoltaico. Es mejor que esto lo hagan los técnicos de los proveedores especializados.

6. Se funden dos placas en concreto reforzado con unas cuantas varillas de acero como soporte para los tanques. Las dimensiones deben superar ligeramente la base de los tanques. Se recomiendan placas de 70 cm x 70 cm por 10 cm de altura. Las superficies superiores de las placas deben quedar al mismo nivel aunque variaciones de hasta 10 cm no deberían representar problemas (Figura 10).

7. Se instalan las salidas de los tanques en PVC de 1” en el agujero inferior de cada uno de los dos tanques (Figura 11).

8. En cada tanque se conectan a su salida el adaptador macho, la válvula de bola y la conexión universal, todas de 1” mediante soldadura para PVC después de limpiar las superficies de pegue con limpiador. Esto accesorios permiten cerrar el flujo y desconectar cada tanque del resto para facilitar la limpieza y/o el uso del tanque en otras aplicaciones (Figura 12, izq.).

9. Los dos tanque se conectan a la entrada de la motobomba mediante tubería en PVC de 1” y los correspondientes accesorios: una tee, un codo de 90º, un buje de 2” x 1” y un adaptador macho de 2” (Figura 12, der.).

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Figura 7 Instalación de la torre y los paneles fotovoltaicos.

Figura 8 Instalación de la motobomba Lorentz PS600 CS-15-1 de superficie.

Figura 9 Instalación competa de la torre.

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Figura 10 Soporte en concreto para los tanques de 250 l.

Figura 11 Instalación de las salidas del tanque en PVC: exterior (izq.) e interior (der.).

Figura 12 Instalación de adaptadores macho, válvula de bola y junta universal (izq.) y la conexión de los tanques a la motobomba (der.).

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10. A la salida de la motobomba se deben conectar tubería de PVC de 1 ½” con

los siguientes accesorios en el orden indicado: adaptador macho, unión universal, codos de 45º, adaptador macho, válvula globo de bronce, adaptador macho, unión universal, unión, buje 1 ½” x ½” e hidrociclón (Figura 13). Este montaje debe sostenerse en un apoyo metálico realizado con el tubo rectangular de acero (Figura 15).

11. Sobre el ducto de PVC horizontal se hace una perforación con broca de ¼” en el lomo y luego se instala el collarín.

12. Sobre el collarín se monta el manómetro tipo Bourdon con la ayuda del adaptador de bronce ½” x ¼” (Figura 14). No olvide poner cinta de teflón en todas las uniones roscadas.

Figura 13 Instalación de la tubería superior del sistema.

13. En la salida superior del hidrociclón se coloca el tramo de manguera de 1” con ayuda de una abrazadera. En la parte inferior se coloca un corto tramo de manguera (5 cm) mediante una abrazadera. Esta manguera se une a la válvula de bola en PVC de ½” mediante un conector rápido y un adaptador de bronce de ½” x ¼”. Del otro lado de la válvula se conecta el tramo de 3 m de manguera plástica mediante un adaptador para manguera de ¼” (Figura 15).

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Figura 14 Montaje del collarín y el manómetro tipo Bourdon.

Figura 15 Detalle de las conexiones en las salidas de hidrociclón.

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Figura 16 Montaje final completo.

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6 Instrucciones de uso y mantenimiento

El uso del separador hidrociclónico se hace mediante la siguiente secuencia de pasos:

1. Se lavan con agua limpia los dos tanques de plástico soltándolos del montaje con la ayuda de las uniones universales de rosca.

2. Se montan de nuevo los tanques y se cierran sus respectivas válvulas de bola.

3. En un tanque se coloca la lechada y se mantiene agitada mediante una pala o trozo de madera.

4. Se abre la válvula de bola de salida de ese tanque para permitir que la suspensión llegue hasta la bomba.

5. Se enciende la bomba desde el controlador. 6. Se cierra parcialmente la válvula de bola ubicada en la salida inferior del

hidrociclón. 7. Se ajusta la válvula de globo de tal forma que la lectura en el manómetro

esté alrededor de 8 psi. 8. Las mangueras del hidrociclón se dirigen de la siguiente manera: la superior

va hacia el otro tanque –donde quedará la suspensión diluida– y la inferior, a un recipiente más pequeño o una batea –donde caerá la suspensión concentrada.

9. Cerrando la válvula del tanque actual y abriendo la del tanque donde está la suspensión diluida se puede recircular la lechada por el hidrociclón para hacer una segunda separación y obtener una mayor concentración del almidón.

10. Una vez terminada la separación se debe colocar agua limpia en los tanques y dejar que la bomba los bombee completamente hacia fuera del sistema para remover cualquier residuo de almidón que pudiera taponar el circuito.

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7 Planos

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