規(guī)整填料特征單元內(nèi)混合過程的計(jì)算流體力學(xué)_圖文

1、第39卷第10期2006年10月天津大學(xué)學(xué)報(bào)Journa l of T i a n ji n Un i versity Vol .39No .10Oct .2006規(guī)整填料特征單元內(nèi)混合過程的計(jì)算流體力學(xué)3劉春江,黃瑩,李瑩珂,陳江波,袁希鋼,余國琮(天津大學(xué)化工學(xué)院化學(xué)工程聯(lián)合國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,天津300072摘要:針對(duì)Mellapak 350Y 型規(guī)整填料特征單元內(nèi)的流動(dòng)及混合現(xiàn)象,利用計(jì)算流體力學(xué)的方法模擬了單元內(nèi)的液相單相流流動(dòng),并結(jié)合脈沖示蹤法研究其混合行為,考察了不同流速下特征單元的返混程度.同時(shí)建立了相應(yīng)的實(shí)驗(yàn)裝置,在室溫下以甘油水溶液(質(zhì)量分?jǐn)?shù)為650/0為測(cè)試液體,利用激光多普

2、勒測(cè)速儀對(duì)不同流速下,規(guī)整填料中特征單元內(nèi)的液相流場(chǎng)進(jìn)行了測(cè)量并與模擬結(jié)果進(jìn)行了對(duì)比.計(jì)算與實(shí)驗(yàn)結(jié)果的速度分布趨勢(shì)及其數(shù)值大小基本一致.關(guān)鍵詞:規(guī)整填料;特征單元;計(jì)算流體力學(xué);混合;脈沖示蹤法;激光多普勒測(cè)速儀中圖分類號(hào):T Q021.4文獻(xiàn)標(biāo)志碼:A 文章編號(hào):049322137(20061021162207CFD S i m ul a ti on of M i x i n g Behav i or of L i qu i d Pha se Flowi n Structured Pack i n g Un itL I U Chun 2jiang,HUANG Ying,L I Ying 2k

3、e,CHEN J iang 2bo,Y UAN Xi 2gang,Y U Guo 2cong(State Key Laborat ory of Che m ical Engineering,Tianjin University,Tianjin 300072,China Abstract :To investigate the flow behavi or and m ixing phenomena in the structured packing fr om rep resent unit scale,computational fluid dynam ics (CFD method was

4、 used to si m ulate the vel ocity distributi on in the typ ical unit of structured packing .The co mmercial CFD package,F LUENT,was used t o s olve the p r oposed model where the s pecial configurations of the structured packing were considered and multi 2block body 2fitted mesh was used .Experi m e

5、ntal data for liquid flow in a rep resent unit of the structured packing was collected by using laser dopp ler vel oci metry (LDV .I n the experi m ent,glycerol aqueous s oluti on was selected as test liquid t o m ini 2m ize the refractive effect of Plexiglas packing .Si m ulation results were si m

6、ilar with LDV measurement results .Keywords :structured packing;typ ical unit;co mputati onal fluid dynam ics;m ixing;residence ti m e distribu 2ti on;laser dopp ler veloci meter規(guī)整填料在反應(yīng)、分離及混合等領(lǐng)域有著廣泛應(yīng)用,填料內(nèi)部流體的流動(dòng)結(jié)構(gòu)對(duì)相關(guān)設(shè)備的運(yùn)行效率,如傳質(zhì)效率和混合效率等有重要影響,但規(guī)整填料內(nèi)流體流動(dòng)情況的基礎(chǔ)研究文獻(xiàn)報(bào)道很少.因此,對(duì)規(guī)整填料特征單元內(nèi)流體的流動(dòng)情況,及其混合能力進(jìn)行深入研究具有重

7、要意義.早期的研究者大多套用散堆填料的研究成果來描述規(guī)整填料內(nèi)的流動(dòng)分布1,所采用的模型多為經(jīng)驗(yàn)或半經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ?如Dangizer 2針對(duì)Sulzer S MV 型靜態(tài)混合器提出的擴(kuò)散模型、徐崇嗣3建立的結(jié)點(diǎn)網(wǎng)絡(luò)模型等.隨著計(jì)算流體力學(xué)及其相關(guān)學(xué)科的發(fā)展,對(duì)涉及復(fù)雜多相流體流動(dòng)現(xiàn)象的傳質(zhì)分離與反應(yīng)過程進(jìn)行比較準(zhǔn)確的量化描述逐步成為可能.由于規(guī)整填料結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性,目前要建立整塔實(shí)體物理模型存在很大困難,因此,部分學(xué)者采用整體平均的方法對(duì)填料塔的流動(dòng)現(xiàn)象進(jìn)行了研究,其中張鵬4利用流體力學(xué)模擬軟件對(duì)塔內(nèi)氣體的流速分布及軸向返混進(jìn)行了研究.另外,在氣速為零的情況下對(duì)氣液兩相流的液相流場(chǎng)進(jìn)行了計(jì)算模擬5.

8、針對(duì)填料內(nèi)部的流動(dòng),Hosdon 等6采用標(biāo)準(zhǔn)k 2模型對(duì)規(guī)整填料內(nèi)的氣相單相流進(jìn)行了模擬.Petre 等7采用F LUENT 對(duì)規(guī)整填料5種有代表性的局部結(jié)構(gòu)內(nèi)的氣相單相流進(jìn)行了模擬,研究表明,規(guī)整填料塔內(nèi)引起壓降的結(jié)構(gòu)主要分為5種.通過分析這些局部結(jié)構(gòu)內(nèi)的氣相流場(chǎng),得到每種結(jié)構(gòu)下的壓3收稿日期:2005209220;修回日期:2006201213.基金項(xiàng)目:國家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(20206021.作者簡(jiǎn)介:劉春江(1970,男,博士,副教授,cjliutju .edu .cn .力損失系數(shù),從而得到整塔的壓降.Gulijk8建立了一個(gè)簡(jiǎn)化的“Tobler one”規(guī)整填料模型,并采用C

9、FX4.1模擬了示蹤劑在液相單相流動(dòng)時(shí)的擴(kuò)散行為,并討論了規(guī)整填料內(nèi)液體的軸向和徑向返混情況.在Gulijk 模型基礎(chǔ)上,Krishna等911建立了針對(duì)K ATP AK2S 型反應(yīng)精餾規(guī)整填料的計(jì)算流體力學(xué)(computati onal fluid dyna m ics,CF D模型,將兩相流問題簡(jiǎn)化為單相流處理,模擬了氣2液兩相的示蹤劑擴(kuò)散過程,并估算了氣、液相返混系數(shù).同樣采取計(jì)算流體力學(xué)方法,Lu2 dovic12對(duì)規(guī)整填料內(nèi)的流體流動(dòng)進(jìn)行了研究,研究重點(diǎn)主要集中在氣相壓降的計(jì)算方面.綜上所述,早期對(duì)規(guī)整填料內(nèi)流動(dòng)的研究集中在宏觀流動(dòng)分布方面,目前則集中在填料內(nèi)部及更小尺度的流動(dòng)描述上

10、,而且采用CF D方法研究填料內(nèi)部的流動(dòng)成為一種趨勢(shì).筆者主要在前期工作的基礎(chǔ)上,從填料局部單元的角度,對(duì)填料內(nèi)部的流動(dòng)結(jié)構(gòu)及其混合行為進(jìn)行了相關(guān)的理論研究.另外針對(duì)填料內(nèi)部流速分布實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)缺乏的情況,設(shè)計(jì)了相關(guān)的實(shí)驗(yàn)裝置,利用激光多普勒測(cè)速儀對(duì)流場(chǎng)進(jìn)行了測(cè)量,并將實(shí)驗(yàn)結(jié)果與CF D模擬結(jié)果進(jìn)行了比較.1填料單元結(jié)構(gòu)及實(shí)驗(yàn)填料單元的流動(dòng)模擬裝置見圖1(1、2、3、4、5為5個(gè)不同的切面,實(shí)驗(yàn)流程見圖2.整套實(shí)驗(yàn)裝置包括一套激光多普勒測(cè)速儀、流動(dòng)測(cè)量單元、液體循環(huán)系統(tǒng)和一套數(shù)據(jù)采集系統(tǒng).激光多普勒測(cè)速儀是根據(jù)光學(xué)多普勒效應(yīng)研制成的.實(shí)驗(yàn)中采用丹麥DANTEC公司的單探頭3D LDV系統(tǒng).實(shí)驗(yàn)裝置

11、主要為Mellapak350Y型規(guī)整填料片單元(如圖1.模型由透光性能很好的有機(jī)玻璃制成.為了防止因光線折射造成位移變形, 將填料單元需測(cè)量圖1填料單元流動(dòng)模擬裝置F i g.1D ynam i c si m ul a ti ve equ i p m en t chart of structured pack i n g un it圖2實(shí)驗(yàn)流程F i g.2Exper i m en t flow chart部位浸沒在盛滿甘油的方形容器中.實(shí)驗(yàn)介質(zhì)為甘油水溶液.三角管長300mm,切面底長18mm,高9mm,以2個(gè)三角管交叉中心點(diǎn)為坐標(biāo)原點(diǎn).所測(cè)切面y分別為-25mm、-7mm、-2mm、7mm

12、和25mm(圖1(b中分別為編號(hào)1、2、3、4和5.測(cè)定了在R e=209.38下瞬時(shí)速度沿x、y和z方向的分布情況.2規(guī)整填料特征單元內(nèi)流場(chǎng)的CFD模擬流場(chǎng)模擬采用的雷諾數(shù)為209.38,按傳統(tǒng)的流動(dòng)區(qū)域劃分在該雷諾數(shù)下流動(dòng)應(yīng)為層流,但傳統(tǒng)的劃分方法是以流體在圓管流動(dòng)為前提,對(duì)于規(guī)整填料,其單元結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜,尤其是交叉部分,故采用簡(jiǎn)單的層流模型來描述其流動(dòng)狀態(tài)并不合理.一般認(rèn)為,在規(guī)整填料中以雷諾數(shù)等于135時(shí)作為劃分層流與過渡流的界限.流場(chǎng)模擬采用的是Reynolds平均的N2S方程.一般情況下,多用標(biāo)準(zhǔn)k2模型對(duì)方程進(jìn)行封閉,但該模型假定流體的湍流在空間上為各向同性,因此對(duì)于幾何形狀復(fù)雜

13、的規(guī)整填料內(nèi)的流體流動(dòng)該模型不適用.通過比較不同湍流模型的計(jì)算結(jié)果,選用了RNG(renor malizati on gr oupk2模型描述規(guī)整填料內(nèi)流體的流動(dòng).該模型是對(duì)標(biāo)準(zhǔn)k2模型的一個(gè)修正,它采用一個(gè)微分方程的形式描述湍流黏度隨有效雷諾數(shù)的變36112006年10月劉春江等:規(guī)整填料特征單元內(nèi)混合過程的計(jì)算流體力學(xué)化, 適合于計(jì)算低雷諾數(shù)流體流動(dòng)和近壁流,同時(shí),重整化RNG k 2模型還使計(jì)算過程從層流區(qū)到充分發(fā)展的湍流區(qū)的過渡變得很平滑,因此能很好地解決過渡區(qū)的流場(chǎng)、傳熱及傳質(zhì).由于實(shí)驗(yàn)部分所用的液體(甘油水溶液的黏度較大,且實(shí)驗(yàn)測(cè)試流量范圍內(nèi)其雷諾數(shù)為209,這種湍動(dòng)屬于低雷諾數(shù)下

14、的湍流過程.封閉后的RNG k 2模型為55x i (ku i =55x j (k eff 5k 5x j+G k +G b -Y M 55x i (u i =55x j (eff55x j +C 1k G k -C 22k-R 式中G k 是由層流速度梯度而產(chǎn)生的湍流動(dòng)能,G k =-u i u j5u j5x i式中:G b 為浮力產(chǎn)生的湍動(dòng)動(dòng)能生成項(xiàng),對(duì)等溫過程該項(xiàng)為0.Y M 為可壓縮湍流中由于流體膨脹產(chǎn)生的湍動(dòng)動(dòng)能,計(jì)算流體均假設(shè)為不可壓縮流,因此該項(xiàng)也可忽略.C 1和C 2是常量,k 和是k 方程和方程的湍流Prandtl 數(shù)18.利用商業(yè)流體力學(xué)軟件Fluent 26.0對(duì)規(guī)整填

15、料內(nèi).假定填料單元表面未開槽,液體流動(dòng)為穩(wěn)態(tài)流動(dòng),且在恒溫下進(jìn)行.模擬條件與后面的實(shí)驗(yàn)條件一致.模型的幾何形狀如圖3所示,利用G AMB I T 生成三維分塊結(jié)構(gòu)化貼體網(wǎng)格,整個(gè)計(jì)算區(qū)域共劃分為316848個(gè)四面體網(wǎng)格.液體入口設(shè)為速度進(jìn)口,出口設(shè)為自由流出,并考慮重力的影響.計(jì)算收斂后,分別取十字交叉部分(如圖1(b y 分別為-25mm 、-7mm 、-2mm 、7mm 和25mm 切面. 對(duì)計(jì)圖3填料單元的計(jì)算網(wǎng)格F i g .3Com put a ti ona l gr i d of structuredpack i n g un it算結(jié)果進(jìn)行后處理.3計(jì)算結(jié)果與測(cè)量結(jié)果的比較實(shí)驗(yàn)測(cè)

16、量了R e =209下規(guī)整填料單元內(nèi)的流場(chǎng)分布.圖4圖8是雷諾數(shù)為209時(shí),不同切面的CF D 計(jì)算與實(shí)驗(yàn)測(cè)量的速度等勢(shì)圖.圖4為第1切面速度分布,該切面尚未進(jìn)入交叉部位,速度分布不再變化,建立了充分發(fā)展的流動(dòng).從實(shí)驗(yàn)結(jié)果看,在主流動(dòng)y 方向上,速度均為正值,說明流體在正方向上流動(dòng),由流道壁面至中心處速度在逐漸增大,在中心處達(dá)到最大值.x 、z 方向均為非主流動(dòng)方向,分速度相對(duì)于y 方向分速度小1個(gè)數(shù)量級(jí).x 與z 方向的速度分量有正有負(fù),變化較復(fù)雜,但是由于其速度值較小,因此對(duì)主流方向的流動(dòng)影響并不是很大 .圖4第1切面速度分布F i g .4Veloc ity d istr i buti

17、on i n face 14611天津大學(xué)學(xué)報(bào)第39卷第10期從計(jì)算結(jié)果來看在主流動(dòng)方向y 上與實(shí)驗(yàn)結(jié)果相似,最高流速出現(xiàn)在中央部分,速度分布呈拋物面型,但在x 、z 方向上則相差較大.圖5為第2切面速度分布,該切面剛剛進(jìn)入交叉部位.在y 方向上,CF D 的結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果相似仍是呈現(xiàn)出較為標(biāo)準(zhǔn)的拋物面型的速度分布,但由于另一股流體的加入使最高流速出現(xiàn)的位置發(fā)生了偏離.但對(duì)于x 與z 方向的速度分布,CF D 計(jì)算與實(shí)驗(yàn)結(jié)果相差較大.圖6為第3切面速度分布,該切面位于交叉部位的最大截面處,由一個(gè)等腰三角形及一個(gè)矩形組成.x 與y 方向均為主流動(dòng)方向.在y 速度圖上,在三角形處速度分布仍呈拋物面

18、型,由于在矩形處另一股流體的加入及2股流體的再次分離,在x 方向上圖的左部與右部分別出現(xiàn)速度較大的區(qū)域.其實(shí)驗(yàn)結(jié)果回流區(qū)則比較集中,出現(xiàn)在截面的中部.x 方向的最大速度與y 方向的最大速度基本相等.而z 方向的速度分量與x 、y 方向分量相比數(shù)值較小, 但計(jì)算與實(shí)驗(yàn)的速度分布趨56112006年10月劉春江等:規(guī)整填料特征單元內(nèi)混合過程的計(jì)算流體力學(xué)勢(shì)在該方向上相差較大.圖7為第4切面速度分布,該切面位于交叉部位的上部,即2股流體將要發(fā)生分離的部位.y 方向占主要流動(dòng),y 方向的速度從壁面到中心處速度仍然是逐漸增大,在中心處達(dá)到最大值,CF D 計(jì)算與實(shí)驗(yàn)所得結(jié)果的分布與范圍相近.截面4與截面

19、3的流動(dòng)相比,x 方向上的流動(dòng)趨勢(shì)存在相似之處,但CF D 計(jì)算與實(shí)驗(yàn)結(jié)果速度范圍相差較大.從實(shí)驗(yàn)結(jié)果看z 方向的分量較小,在截面中心處為正值,在尖端和壁面處速度則變?yōu)樨?fù)值,與CF D 計(jì)算的流動(dòng)趨勢(shì)不相同.圖8為第5切面速度分布,該切面已離開交叉部位,2股流體已發(fā)生分離.從CF D 結(jié)果看,y 方向上的速度分布仍呈拋物面型分布,與實(shí)驗(yàn)結(jié)果相似,但在x 和z 方向上的計(jì)算與實(shí)驗(yàn)結(jié)果差別較大 .4填料單元內(nèi)混合過程的CFD 模擬通過質(zhì)量傳遞方程和流體力學(xué)模型聯(lián)立求解,可以計(jì)算填料單元內(nèi)的混合過程,采用計(jì)算流體力學(xué)方法對(duì)示蹤劑的脈沖實(shí)驗(yàn)進(jìn)行了模擬,得到示蹤劑在出口處的RT D 曲線,以此研究規(guī)整填

20、料特征單元內(nèi)的混合行為.其中示蹤劑質(zhì)量傳遞方程為55t (B+(u B =-(D e B +R +S D e =D l +D t6611天津大學(xué)學(xué)報(bào)第39卷第10期2006 年 10 月 劉春江等 : 規(guī)整填料特征單元內(nèi)混合過程的計(jì)算流體力學(xué) 1167 其中 ,湍流擴(kuò)散系數(shù)根據(jù)施密特類似律來計(jì)算 . t D t = ct S 為了定量研究流體在不同速度下的不同出口的軸 向返混系數(shù) ,在流場(chǎng)模擬計(jì)算穩(wěn)定以后 ,在填料單元其 中一個(gè)入口 (入口 1 處注入示蹤劑 , 使用非穩(wěn)態(tài)計(jì)算 模型計(jì)算 NaC l示蹤劑在填料單元內(nèi)的傳質(zhì)過程 ,并分 別在填料單元的兩個(gè)出口處監(jiān)視示蹤劑濃度隨時(shí)間的 變化情況

21、,得出單元出口處示蹤劑的 RTD 曲線 . 不同 速度下示蹤劑在不同出口處的 RTD 曲 線分 別如 圖 9 11所示 . 在入口速度為 0. 03 m / s 時(shí) , 出口 2 的 圖 RTD 曲線的出峰時(shí)間要早 , 同時(shí)拖尾時(shí)間比較長 . 在 12 是根據(jù)一維混合一維流動(dòng)返混模型擬合得 圖 到的軸向返混系數(shù) . 從圖中可以明顯地看出 ,軸向返混 系數(shù)隨著表觀液速的增大而增大 , 但流體在不同出口 的軸向返混系數(shù)基本一樣 . 入口速度為 0. 379 m / s、 758 m / s時(shí) ,出口 1 的 RTD 0. 曲線的出峰時(shí)間要早 ,同時(shí)拖尾時(shí)間比較長 . 圖 12 液相軸向返混系數(shù) F

22、 ig. 12 Ax ia l backm ix i g coeff ic ien t of liqu id pha se n 另外 ,為了更好地了解在填料單元內(nèi)不同出口的 濃度分配情況 ,在填料單元其中一個(gè)入口 (入口 1 處 連續(xù)注入 NaC l水溶液 ,另一個(gè)入口 (入口 2 則連續(xù)注 入與入口 1 相同速度的清水 . 計(jì)算其在單元內(nèi)的濃度 分配 ,并分別在 2 個(gè)出口處計(jì)算溶液中 NaC l的質(zhì)量分 數(shù) (圖 13 . 從中可以看出 ,在低流速下 ,出口 2 的 NaCl 濃度大于出口 1 的濃度 ,隨著流速的增加 ,兩出口濃度 圖 9 入口速度為 0. 03 m / s時(shí) RTD 曲

23、線 F ig. 9 Concen tra tion of in put tracer ( u = 0. 03 m / s 逐漸相同 ,當(dāng)流速超過 0. 4 m / s之后 ,出口 1 的濃度大 于出口 2 的濃度 ,說明液體流速對(duì)流體的濃度分配有 非常大的影響 . 圖 10 入口速度為 0. 379 m / s時(shí) RTD 曲線 F ig. 10 Concen tra tion of in put tracer ( u = 0. 379 m / s 圖 13 NaC l的質(zhì)量分?jǐn)?shù) F ig. 13 M a ss fraction of NaC l 5 結(jié) 語 對(duì)重整化 RNG k 2 模型下的計(jì)

24、算結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié) 果的比較發(fā)現(xiàn) ,計(jì)算結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果在主流動(dòng)方向上 的速度分布趨勢(shì)基本一致 , 但在非主流動(dòng)方向上計(jì)算 圖 11 入口速度為 0. 758 m / s時(shí) RTD 曲線 F ig. 11 Concen tra tion of in put tracer ( u = 0. 758 m / s 結(jié)果卻與實(shí)驗(yàn)結(jié)果有較大的差別 , 說明在特征單元的 計(jì)算中僅僅采用該湍流模型是不完善的 , 需做進(jìn)一步 1168 天 39 卷 10 期 津 大 學(xué) 學(xué) 報(bào) 第 第 dustry and Eng ineering, 1986, 37 ( 4 : 402 411 ( in Chi2 的改進(jìn) . 用

25、示蹤劑作定量分析 ,發(fā)現(xiàn)表觀液速對(duì)軸向返 混系數(shù)影響較大 ,并隨著表觀液速的增大而增大 ,而且 流體在不同出口的軸向返混系數(shù)基本相等 . 而且流體 在進(jìn)入不同入口后 ,再分配情況不同 ,與速度有非常大 的關(guān)系 . 符號(hào)說明 : g 重力加速度 , m / s ; k 湍動(dòng)能 , m / s ; p 壓力 , Pa; 2 2 2 nese . 4 , 劉春江 , 唐忠利 ,等 . 規(guī)整填料塔內(nèi)氣相流動(dòng)的 張 鵬 計(jì)算流體力學(xué)模擬 J . 天津大學(xué)學(xué)報(bào) , 2005, 38 ( 6 : 503 507. 5 , 劉春江 , 袁希鋼 ,等 . 規(guī)整填料塔液相流動(dòng)的計(jì) 張 鵬 1373. -3 p 壓

26、降 , Pa; R e 液相雷諾數(shù) , R e = S dh / , dh = 7. 456 × u 10 u 液相速度 , m / s; u i i2 向速度 , m / s; 方 i 坐標(biāo) i; 算流體力學(xué)模擬 J . 化工學(xué)報(bào) , 2004, 55 ( 8 : 1369 m; 液相黏度 , Pa s; J ou rna l of Chem ica l Industry and Eng ineering, 2004, 55 (8 : t 液相湍動(dòng)黏度 , Pa s; D e 示蹤劑有效擴(kuò)散系數(shù) , m / s; D l 示蹤劑層流擴(kuò)散系數(shù) , m / s; D t 示蹤劑湍流擴(kuò)散

27、系數(shù) , m / s; S 示蹤劑源相 , kg/ (m s ; S ct 湍流施密特?cái)?shù) ; 3 2 2 2 1369 1373 ( in Chinese . 6 Hodson J S, Fletcher J R , Porter K E. Fluid mechanical studies of structured distillation packings J . I Chem E S ym p S er D ist A nd A bsp, 1997, 142 ( 2 : 999 1007. 7 Petre C F, Larachi F, Iliuta I, et al Pressure

28、drop through . nis s by CFD modeling J . Chem Eng S ci, 2003, 58 ( 1 : m 液體密度 , kg/m3 ; 質(zhì)量分?jǐn)?shù) , 0 /. 0 163 177. 3 B 示蹤劑 B 質(zhì)量濃度 , kg /m ; 下標(biāo) : t 湍流 ; l 層流 ; e 有效值 . 參考文獻(xiàn) : 1 Hoke P J, W esselingh J A , Zuiderweg F J. Small scale and large scale liquid maldistribution in packed columns J . Chem Eng R e

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