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INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL

ESCUELA SUPERIOR DE INGENIERIA QUÍMICA

E INDUSTRIAS EXTRACTIVAS

OPERACIONES DE SEPARACIÓN IV

“Secado de Sólidos”

P R E S E N T A :

Secado de Sólidos

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De la Rosa Onofre Eder

PROFESOR: Real Miranda Dante

MÉXICO D.F. 30 de NOVIEMBRE DEL 2012

Secado de sólidos

Introducción

El secado de sólidos se puede definir de distintas maneras, según el enfoque que se desee adoptar. En los estudios más teóricos se pone el énfasis en los mecanismos de transferencia de energía y de materia. Así, el secado se puede definir como un proceso en que hay intercambio simultaneo de calor y masa, entre el aire del ambiente se secado y el sólido. Dos procesos ocurren simultáneamente cuando un sólido húmedo es sometido a un secado térmico.

1.- Hay transferencia de energía (calor) de los alrededores para evaporar la humedad de la superficie.

2.- Hay transferencia de la humedad interna hacia la superficie del sólido.

De estos dos procesos dependerá la rapidez con la cual el secado se lleve a cabo.

Para que el secado se ejecute, la humedad debe ganar calor de sus alrededores y de esta manera poder evaporarse, para ser liberado por un gas transportador. La acumulación de vapor sobre la superficie de secado influye en la velocidad de secado y el manejo adecuado de estas condiciones es determinante para lograr un proceso satisfactorio

Existen dos métodos para quitar la humedad de un sólido y son la evaporación y la vaporización, el primero ocurre cuando la presión del vapor de la humedad en la superficie del

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sólido iguala la presión parcial del gas en el aire. Esto sucede por el aumento de temperatura de la humedad hasta el punto de ebullición. Pero si el material es sensible al calor, entonces la temperatura a la cual la evaporación ocurre, puede ser disminuida, bajando la presión (evaporación al vacío). Si la presión disminuye y baja mas allá del punto triple, entonces la fase líquida no tendría lugar y la humedad en el producto estaría congelada. Por otro lado, en la vaporización, el secado es llevado a cabo por convección, haciendo pasar aire caliente sobre el líquido húmedo. El aire es enfriado por el sólido y la humedad es transferida hacia el aire y en este caso la presión del vapor de la humedad sobre el sólido es menos que la presión parcial del gas en el aire.

Criterios para el diseño de un secador

Hay que tomar en cuenta diversos criterios para escoger el diseño que mejor se adapte al secado de una sustancia:

La naturaleza y calidad del producto a secar La fuente de calor y el modo de transmisión del mismo El consumo de energía La facilidad para controlar el tiempo de tratamiento

Naturaleza del producto a secar. La preparación, modo de manejo, fuente de calor a utilizar, modo de transmisión y concepción de los sistemas de aireación, dependen de la naturaleza el producto a secar. Puede tratarse de líquidos, pastas, materiales pulverizados, granulados, fibrosos o compactos:

Los cuerpos pastosos muy viscosos frecuentemente se laminan sobre tambores y después se desmenuzan, lo cual les confiere una textura cercana a la de los sólidos. También pueden ser tratados sobre bandas o en secadores giratorios.

Los sólidos pulverulentos (o susceptibles a ser triturados) son secados generalmente en secadores de banda, cilindro, lecho fluido, lecho móvil, transporte neumático. Si son susceptibles a aglutinación se puede diseñar una recirculación de producto seco para reducir los riesgos de aglomeración (bajo reserva de que el aumento en el tiempo de residencia puede contribuir a una degradación de los productos).

Los productos compactos o en trozos son tratados en secadores de gabinete, en túneles de carros o banda transportadora. Un producto bombeable ofrece más posibilidades de tratamiento que uno no bombeable.

La cantidad de producto a obtener puede limitar la elección del modo de secado. Así, por ejemplo, el secado de colorantes, de productos farmacéuticos o alimenticios, debe llevarse a cabo evitando toda contaminación del producto o el someterlos a atmósferas que los puedan degradar; por ello muchos de estos productos se secan en pequeños lotes.

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Fuente de calor y modo de transmisión. En los secadores de convección o conducción, pueden utilizarse los fluidos calientes clásicos (vapor, agua caliente, gas de combustión) para suplir el calor necesario para la extracción de humedad. Estos fluidos circulan generalmente por chaquetas o por tubos en contacto con el material a secar (secado por conducción) o dentro de los calentadores de aire (secado por convección). Si los gases de combustión están limpios, se les puede poner en contacto directo con el material a secar. El secado por irradiación infrarroja se efectúa por medio de lámparas eléctricas o de paneles calefactores. El secado por corrientes de alta frecuencia se utiliza sobre todo cuando la calidad del producto seco es determinante.

La elección de la temperatura de secado es muy delicada:

Una elevada temperatura permite aumentar la velocidad de secado, pero conduce a veces a la aparición de una costra en la superficie del producto, fenómeno que dificulta la extracción de humedad.

Una temperatura demasiado baja aumenta considerablemente el tiempo de operación.

Algunos productos son termosensibles y no pueden ser secados a temperaturas superiores a 60°C, por ejemplo. Como ya se ha mencionado, la convección es el método de transferencia más utilizado en el secado.

El contacto entre el gas y el producto puede hacerse:

Por secado simple: el aire circula a lo largo de la superficie del producto que está dispuesto en capas delgadas sobre las charolas, los carros o las bandas transportadoras. Esta técnica es conveniente para el secado de productos pulverulentos, granulosos o compactos. El tiempo de residencia en el aparato puede ser fácilmente controlado.

Por combinación de dispersión y raspado en los secadores de tambor. Esta técnica está bien adaptada para sólidos granulosos. En general, el tiempo de residencia del producto en el secador es largo.

Por circulación del aire a través del material. Este tipo de contacto mejora considerablemente la transferencia de calor y de material, pero la pérdida de carga que sufre el gas es importante. Esta técnica es utilizada para el secado de todo tipo de sólidos.

El tiempo de residencia de los productos es variable. El secado por conducción se emplea sobre todo para el tratamiento de líquidos, productos pastosos o sólidos que no pueden ser puestos en contacto con el aire.

Seguridad del proceso. Conviene no perder de vista que el secado de algunos productos puede llevar a la formación de polvo en las zonas secas, esto es, a la salida del secador o de los ciclones, lo que puede provocar problemas de contaminación. Además, algunos productos que conlleven emanaciones tóxicas deben ser tratados por métodos especiales.

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Consumo de energía. La eficiencia energética de los secadores térmicos es baja. En efecto, debemos recordar que el objetivo del secado es de arrastrar y eliminar un líquido de un producto al cual está inicialmente ligado por uniones de tipo químico (iónicas, covalentes, metálicas) o de tipo electrostático (enlaces de Van der Waals, puentes de hidrógeno), uniones que requieren un gran consumo de energía para ser rotas. El rendimiento de los secadores pocas veces sobrepasa el 60%. Es importante entonces, incluir técnicas susceptibles para economizar energía.

Clasificación de Secadores

En el mercado de equipos para la industria química hay muchos tipos de secadores, cada uno diseñado para su propia especialidad y algunos lo suficientemente versátiles como para secar más de un tipo de material húmedo.

Los secadores pueden clasificarse de acuerdo con el modo de operar o con el servicio requerido, como se indica en las tablas siguientes. Sin embargo, la elección de un secador para un servicio partículas por parte del ingeniero, se reduce a decidir entre no más de tres tipos, teniendo en cuenta el rendimiento y la economía de cada uno de ellos.

En primer lugar hay gran diferencia entre los requerimiento de la industria inorgánica pesada y en menos grado de la industria química orgánica pesada, donde se requieren plantas de secado continuo que procesen muchas toneladas por hora; y los de manufactura en pequeña escala de productos muy caros, con una producción quizá de menos de 100 kg por día, donde es suficiente una planta de tipo discontinuo, que puede ser esencial para un estricto control de cada ciclo de secado para lograr cumplir con especificaciones estrictas.

De modo que los equipos de secado se pueden clasificar de las siguientes maneras:

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Tipos de secadores

Secadores Indirectos

Son aquellos equipos en donde el agente secante NO está en contacto íntimo con la materia prima y son representados de la siguiente manera:

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Como ejemplo de estos secadores tenemos los de tambor y charolas:

Secadores de tambor

Los materiales fluidos y semifluidos, como soluciones, lodos, pastas y suspensiones, pueden secarse en secadores indirectos; un ejemplo de tales secadores, es el secador de tambor de inmersión de la alimentación. Un tambor metálico giratorio, calentado internamente con vapor, se sumerge en un tanque que contiene la sustancia por secar; una película delgada de la sustancia se retiene sobre la superficie del tambor.

El espesor de la película se regula mediante un cuchillo repartidor; al ir girando el tambor, la humedad se evapora en el aire que lo rodea mediante el calor transferido a través del metal del tambor. El material seco se desprende continuamente de la superficie del tambor mediante un cuchillo. Para un secador de este tipo, el factor controlante es la transferencia de calor y no la difusión. El líquido o solución se calienta inicialmente hasta su punto de ebullición; entonces se desprende la humedad por ebullición a temperatura constante, si se precipita un soluto de una solución a concentración constante, o a temperaturas más elevadas, si el cambio de concentración es gradual; finalmente, el sólido seco se calienta hasta que posea una temperatura próxima a la temperatura de la superficie del tambor.

En el caso de lechadas o pastas de sólidos insolubles, la temperatura permanece básicamente constante en el punto de ebullición del disolvente mientras el sólido esté completamente húmedo; aumenta únicamente durante las últimas etapas del secado.

Con frecuencia, los vapores se recogen en una campana con ventilaci6n construida directamente sobre el secador. El poder de los diferentes lodos, soluciones y pastas para adherirse a un tambor calentado varía considerablemente; en consecuencia, se han buscado diferentes métodos para alimentar el tambor. A menudo, las suspensiones de sólidos dispersos

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en líquidos se alimentan por el fondo del tambor en una charola inclinada; el material no adhesivo excedente se recircula al recipiente de alimentación. Las gomas vegetales y sustancias similares pueden bombearse contra la superficie del fondo del tambor.

Clasificación de secadores de tambor

a) Atmosféricos: se pueden alimentar de diversas formas dependiendo de la facilidad con que se adhiere el material al tambor. Si la alimentación es un lodo espeso, el método de carga más adecuado será sumergir al tambor dentro de un recipiente que contenga el lodo, mientras que para materiales difíciles de adherir al tambor, la alimentación podrá rociarse sobre éste, mediante un rodillo girando rápidamente.

De un sólo tamborAlimentación por inmersiónAlimentación por rociadoAlimentación por rodillos de alimentaciónOperación a presión atmosférica o en el vacío

De tambores gemelosAlimentación por inmersiónAlimentación por rociadoOperación a presión atmosférica o en el vacío

De doble tamborAlimentación por volcadoOperación a presión atmosférica o en el vacío

b) Al vacío: Una secadora de tambor que opera dentro de un vacío permite el secado a bajas temperaturas. Las aplicaciones son diversas. Por ejemplo, para prevenir daños a componentes de producto que sean termosensibles, o bien la concentración de solventes a baja temperatura. Los vapores son recogidos, pudiéndose condensar en otro lugar. La independencia de la contaminación ambiental y de las condiciones climáticas asegura una calidad de producto reproducible.

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Secador de charolas

El secador de bandejas, o secador de anaqueles, consiste en un gabinete, de tamaño suficientemente grande para alojar los materiales a secar, en el cual se hace correr suficiente cantidad de aire caliente y seco. En general, el aire es calentado por vapor, pero no saturado, de modo que pueda arrastrar suficiente agua para un secado eficiente.

Un ventilador recircula aire calentando con vapor sobre la superficie de las charolas, paralelamente a las mismas. El secador dispone de reguladores para controlar la velocidad de admisión de aire fresco y la cantidad deseada de aire de recirculación.

También se usa calor obtenido con electricidad, en especial cuando el calentamiento es bajo. Más o menos el 10-20% del aire que pasa sobre las bandejas es aire nuevo, siendo el resto aire recirculado.

Después del secado, se abre el gabinete y las charolas se reemplazan con otras con más material para secado. Una de las modificaciones de este tipo de secador es el de charolas con carretillas, donde las bandejas se colocan en carretillas rodantes que se introducen en el secador . Esto significa un considerable ahorro de tiempo, puesto que las carretillas pueden cargarse y descargarse fuera del secador

Secadores Directos

Son aquellos equipos en donde el agente secante está en contacto íntimo con la materia prima y son representados de la siguiente manera:

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Como ejemplo tenemos el secador rotatorio y el secador por aspersión.

Secador Rotatorio

En la figura 12.20 se muestra uno de estos secadores, un secador de aire caliente directo a contracorriente. El sólido por secar se introduce continuamente en uno de los extremos de un cilindro giratorio, como se muestra, mientras que el aire caliente fluye por el otro extremo. El cilindro está instalado en un pequeño ángulo con respecto a la horizontal; en consecuencia, el sólido se mueve lentamente a través del aparato. Dentro del secador, unos elevadores que se extienden desde las paredes del cilindro en la longitud total del secador levantan el sólido y lo riegan en una cortina móvil a través del aire; así lo exponen completamente a la acción secadora del gas.

Esta acción elevadora también contribuye al movimiento hacia adelante del sólido. En el extremo de alimentación del sólido, unos cuantos elevadores espirales pequeflos ayudan a impartir el movimiento inicial del sólido hacia adelante, antes de que este llegue a los elevadores principales. Es obvio que el sólido no debe ser pegajoso ni chicloso, puesto que podría pegarse a las paredes del secador o tendería a apelotonarse. En estos casos, la recirculación de una parte del producto seco puede permitir el uso de un secador rotatorio.

El secador puede alimentarse con gas de combustible caliente y no con aire; además, si el gas sale del secador a una temperatura lo suficientemente alta, al ser descargado a través de un montón de aire puede proporcionar una corriente de aire natural adecuada que proporcione el gas suficiente para el secado. Sin embargo, de ordinario, se utiliza un ventilador de extraccion para jalar el gas a través del secador, porque así se obtiene un control más completo del flujo de gas. Se puede interponer un recolector de polvo, del tipo de ciclón, filtro o de lavado entre el ventilador y el gas saliente. También puede ponerse un ventilador de empuje en la entrada del gas; de esta forma se mantiene una presión cercana a la atmosférica en el secador; éste previene la fuga de aire frío en los extremos de almacenamiento del secador; si la presión está bien balanceada, la fuga hacia el exterior también puede reducirse al mínimo.

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Los secadores rotatorios se fabrican para diversas operaciones. La clasificación siguiente incluye los tipos principales.

1. Calor directo, flujo a contracorriente. Para materiales que pueden calentarse a temperaturas elevadas, como minerales, arena, piedra caliza, arcillas, etc., se puede utilizar un gas de combustible como gas de secado. Para sustancias que no pueden calentarse excesivamente, como ciertos productos químicos cristalinos, como sulfato de amonio y ticar de cafIa, se puede utilizar aire caliente. El arreglo general es el que se muestra en la figura 12.20; si se utiliza gas de combustible, las espirales de calentamiento se reemplazan por una caldera que este quemando gas, aceite o carbón.

2. Calor directo, flujo a corriente paralela. Los Ndos que pueden secarse con un gas de combustible sin miedo de contaminarlos, pero que no deben calentarse a temperaturas muy elevadas por temor a dañarlos (como yeso, piritas de fierro, y materiales orgánicos como la turba y la alfalfa), deben secarse en un secador con flujo a corriente paralela.

3. Calor indirecto, flujo a contracorriente. Para sólidos como pigmentos blancos y similares, que pueden calentarse a temperaturas elevadas pero que nunc deben entrar en contacto con el gas, puede utilizarse el secador indirecto que se muestra en forma esquemática en la figura 12.21 a. Como una construcción alternativa, el secado puede encerrarse en una estructura de ladrillo y rodearse completamente con los gases calientes de combustible. El flujo de aire en un secador de este tipo debe ser mínimo, puesto que el calor se proporciona por conducción a través de la estructura o tubería central; además, de esta manera pueden manejarse los sólidos muy finamente divididos que tienden a formar polvo. Para los sólidos que no se deben calentar a temperaturas elevadas y para los cuales es deseable el calor indirecto, como el

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alimento para ganado, granos para cerveza, plumas y similares, se puede utilizar el secador de tubería con vapor que se muestra en la figura 12.21 b. El secador puede tener o no elevadores y puede construirse con una, dos o mas hileras concéntricas de tubos calentados con vapor. Como los tubos giran con el secador, es necesaria una junta giratoria especial en donde se introduce el vapor y se separa el condensado. Con frecuencia se utiliza este tipo de secador cuando se necesita la recuperación del líquido evaporado.

4. Directo-indirecto. Estos secadores, más económicos de manejar que los secadores directos, pueden utilizarse para sólidos que pueden secarse a altas temperaturas mediante un gas de combustible, en especial cuando los costos de combustible son altos y cuando se deben eliminar elevados porcentajes de humedad del sólido. En la figura 12.21~ se muestra un arreglo típico. En un secador de este tipo, el gas caliente puede entrar al tubo central a 650 a 980 “C (1 200 a 1 800 ’ F), ser enfriado hasta 200 a 480 ’ C(400 a 900 o P), cuando pase por vez primera por el secador y ser regresado a través del espacio de secado anular para que se enfríe más aún hasta 60 a 70 ’ C( 140 a 170 ’ P) durante la descarga. La lignita, carbón y coque pueden secarse en atmósfera inerte en este secador a temperaturas relativamente altas sin peligro de que se quemen o de provocar una explosión de polvos.

Secado por aspersión

Las soluciones, suspensiones y pastas pueden secarse mediante su aspersión en pequeñas gotas dentro de una corriente de gas caliente en un secador por aspersión. En la figura se muestra uno de estos equipos. El líquido que se va a secar se atomiza y se introduce en una cámara grande de secado, en donde las gotas se dispersan en una corriente de aire caliente. Las partículas del líquido se evaporan rápidamente y se secan antes de que puedan llegar a las paredes del secador; el polvo seco que se obtiene cae al fondo cónico de la cámara y luego es extraído mediante una corriente de aire hasta un colector de polvos. La parte principal del gas caliente también se lleva al colector de polvos antes de ser descargado.

El gas de secado, ya sea gas de combustible o aire, puede entrar a la temperatura práctica más elevada, 80 a 760°C, limitada únicamente por la sensibilidad del producto a la temperatura. Puesto que el tiempo de contacto entre el producto y el gas es muy corto, es posible utilizar temperaturas relativamente elevadas.

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El secado por aspersión ofrece la ventaja de un secado extremadamente rápido para los productos sensibles al calor, un tamaño y densidad de la partícula de producto que son controlables dentro de ciertos límites y costos relativamente bajos de operación, en especial en el caso de secadores de capacidad grande.

Secadores de lecho fluidizado

Son sistemas en los que las partículas sólidas están suspendidas parcialmente en una corriente de gas ascendente. Las partículas son levantadas y luego caen al azar de modo que la mezcla resultante de sólido y gas actúa como un líquido en ebullición. El contacto sólido-gas es excelente y resulta una mejor transferencia de masa y calor que en los sistemas ya descritos.

La velocidad es mayor que la velocidad de sedimentación de las partículas por lo que éstas quedan parcialmente suspendidas en la corriente de gas (la mezcla resultante de sólidos-gas se comporta como un líquido, por eso se dice que los sólidos están fluidizados).

Esta técnica es muy eficiente para secado de sólidos granulares, porque cada partícula está completamente rodeada de gas. Ofrece muchas ventajas para el secado de granulaciones para tabletas (las granulaciones para tabletas tienen el tamaño apropiado para una buena fluidización). Un secador de lecho fluidizado muestra 2-6 veces mayor eficiencia térmica que los secadores de bandejas. Para evitar carga de acumulación electrostática con los peligros de explosión resultante, van equipados con dispositivos a tierra. Pueden trabajar en forma continua o discontinua.

Aplicaciones más importantes en la industria

Un equipo moderno de secadores por atomización y de lechos fluidizados ha logrado una posición prominente en la industria mundial de químicos, debido a la creciente importancia de la tecnología de producción de materiales en polvo y granulares.

Segmentos de la Industria Química:

Agroquímicos Contaminación del aire Cerámicas Detergentes Pigmentos y Tinturas

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Químicos Finos Químicos Orgánicos Polímeros Secado por enfriamiento Taninos Aguas Residuales Producción de Etanol

Las aplicaciones de productos han sido en los segmentos industriales de leche y productos de suero, carbohidratos, bebidas, ingredientes y saborizantes, alimentos elaborados a base de proteínas y pulpa de frutas y jugos.

Segmentos de la industria de alimentos y lácteos.

Sangre y Gelatina Café y Té Salud y Herbario Jugo de Tomate Productos de Leche Almidones Vitaminas Productos de Suero

Secadores de Tambor

Secado de Lodos

Mejora del lodo como producto beneficioso. Primario y lodos de depuradora, no digeridos, lodos de papelera, etc.

Secados agrícolas

Secado de productos agrícolas para diferentes fines, tales como alfalfa, maíz para alimentación de ganado, forrajes.

Secado de Residuos Sólidos Urbanos

Aumento del valor calorífico, almacenamiento o transporte Residuos Sólidos Urbanos y /o Combustible Derivado de Residuos (CDR) mas eficientemente.

Secados de Biomasa

Producción alternativa de combustible procedente de la biomasa: Madera, bagazo, residuo de café, etc.

Secadores Rotatorios

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En la industria química su mayor uso es el secado de sales fertilizantes, como el sulfato nitrato y fosfato de amonio, sales potásicas y fertilizantes.

Son muy adecuados para el secado de productos granulares, con buenas características de flujo que requieren tiempos de secado moderados.

Pueden ser adaptados para manipular materiales algo pegajosos mediante dispositivos especiales que disgreguen las costras sólidas formadas.

Se adecuan bastante bien para materiales termosensibles, en los casos en que una restricción en la temperatura de secado no implique que el tiempo de secado tenga que ser muy prolongado.

Secadores de charolas

Son los secadores más comúnmente utilizados en la industria farmacéutica.

Se emplean para materiales muy diversos: cualquier tipo de material susceptible de manejarse en bandejas (materiales cristalizados, sustancias granulares, precipitados, sustancias plásticas, frutas, productos textiles y otros materiales similares).

Bibliografía

PROCESOS DE TRANSPORTE Y OPERACIONES UNITARIAS. C.J. Geankoplis. CECSA. 3 ra

Edición. Pág. 625,626.

OPERACIONES DE TRANSFERENCIA DE MASA. Robert E. Treybal. Mc Graw Hill. Segunda Edición. Pág. 768.

HUMIDIFICACIÓN Y DESHUMIDIFICACIÓN, Hernández Goribar, Ed. Limusa, 2ª. Edición, Fundamentos de Aire Acondicionado y Refrigeración, México, 2005, p. 99-101.

SECADO, Costa López J. et al., Ed. Reverté, 2ª. Edición, Cursos de Ingeniería química, Barcelona, 2004, p. 67-68.

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“ESTANDARIZACIÓN DEL DISEÑO DE SECADEROS POR ASPERSIÓN DE MATERIALES PASTOSOS”, Javier Enrique Orna, 2012, Ecuador, Tesis de Grado: Ingeniero Mecánico

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