化學(xué)反應(yīng)工課后答案_第1頁(yè)
化學(xué)反應(yīng)工課后答案_第2頁(yè)
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第一章習(xí)題1化學(xué)反應(yīng)式與化學(xué)計(jì)量方程有何異同?化學(xué)反應(yīng)式中計(jì)量系數(shù)與化學(xué)計(jì)量方程中的計(jì)量系數(shù)有何關(guān)系?答:化學(xué)反應(yīng)式中計(jì)量系數(shù)恒為正值,化學(xué)計(jì)量方程中反應(yīng)物的計(jì)量系數(shù)與化學(xué)反應(yīng)式中數(shù)值相同,符號(hào)相反,對(duì)于產(chǎn)物二者相同。2何謂基元反應(yīng)?基元反應(yīng)的動(dòng)力學(xué)方程中活化能與反應(yīng)級(jí)數(shù)的含義是什么?何謂非基元反應(yīng)?非基元反應(yīng)的動(dòng)力學(xué)方程中活化能與反應(yīng)級(jí)數(shù)含義是什么?答:如果反應(yīng)物嚴(yán)格按照化學(xué)反應(yīng)式一步直接轉(zhuǎn)化生成產(chǎn)物,該反應(yīng)是基元反應(yīng)?;磻?yīng)符合質(zhì)量作用定律?;磻?yīng)的活化能指1摩爾活化分子的平均能量比普通分子的平均能量的高出值?;磻?yīng)的反應(yīng)級(jí)數(shù)是該反應(yīng)的反應(yīng)分子數(shù)。一切不符合質(zhì)量作用定律的反應(yīng)都是非基元反應(yīng)。非基元反應(yīng)的活化能沒(méi)有明確的物理意義,僅決定了反應(yīng)速率對(duì)溫度的敏感程度。非基元反應(yīng)的反應(yīng)級(jí)數(shù)是經(jīng)驗(yàn)數(shù)值,決定了反應(yīng)速率對(duì)反應(yīng)物濃度的敏感程度。3若將反應(yīng)速率寫(xiě)成,有什么條件?答:化學(xué)反應(yīng)的進(jìn)行不引起物系體積的變化,即恒容。4為什么均相液相反應(yīng)過(guò)程的動(dòng)力學(xué)方程實(shí)驗(yàn)測(cè)定采用間歇反應(yīng)器?答:在間歇反應(yīng)器中可以直接得到反應(yīng)時(shí)間和反應(yīng)程度的關(guān)系,而這種關(guān)系僅是動(dòng)力學(xué)方程的直接積分,與反應(yīng)器大小和投料量無(wú)關(guān)。5現(xiàn)有如下基元反應(yīng)過(guò)程,請(qǐng)寫(xiě)出各組分生成速率與濃度之間關(guān)系。(1)A+2B?CA+C?D(2)A+2B?CB+C?DC+D→E(3)2A+2B?CA+C?D解(1)(2)(3)6氣相基元反應(yīng)A+2B→2P在30℃和常壓下的反應(yīng)速率常數(shù)kc=2.65×104m6kmol-2s-1?,F(xiàn)以氣相分壓來(lái)表示速率方程,即(?rA)=kPpApB2,求kP=?(假定氣體為理想氣體)解7有一反應(yīng)在間歇反應(yīng)器中進(jìn)行,經(jīng)過(guò)8min后,反應(yīng)物轉(zhuǎn)化掉80%,經(jīng)過(guò)18min后,轉(zhuǎn)化掉90%,求表達(dá)此反應(yīng)的動(dòng)力學(xué)方程式。解8反應(yīng)A(g)+B(l)→C(l)氣相反應(yīng)物A被B的水溶液吸收,吸收后A與B生成C。反應(yīng)動(dòng)力學(xué)方程為:?rA=kcAcB。由于反應(yīng)物B在水中的濃度遠(yuǎn)大于A,在反應(yīng)過(guò)程中可視為不變,而反應(yīng)物A溶解于水的速率極快,以至于A在水中的濃度恒為其飽和溶解度。試求此反應(yīng)器中液相體積為5m3時(shí)C的生成量。已知k=1m3kmol-1hr-1,cB0=3kmol·m-3,cA飽和=0.02kmol·m-3,水溶液流量為10m3hr-1。解9反應(yīng),在恒容下用等摩爾H2,NO進(jìn)行實(shí)驗(yàn),測(cè)得以下數(shù)據(jù)總壓/MPa半衰期/s0.02722650.03261860.03811350.04351040.054367求此反應(yīng)的級(jí)數(shù)。解Y=A+B*XParameterABValue1.60217-1.9946Error0.013990.0083410考慮反應(yīng),其動(dòng)力學(xué)方程為試推導(dǎo)在恒容下以總壓表示的動(dòng)力學(xué)方程。解11A和B在水溶液中進(jìn)行反應(yīng),在25℃下測(cè)得下列數(shù)據(jù),試確定該反應(yīng)反應(yīng)級(jí)數(shù)和反應(yīng)速度常數(shù)。時(shí)間/s116.8319.890.6490.283.0913.870.6118865.3∞cA/kmol·m-399.0cB/kmol·m-356.642.448.240.628.222.90解由cA-cB=42.4可知反應(yīng)應(yīng)按下列方式A+B→產(chǎn)物進(jìn)行設(shè)為二級(jí)反應(yīng)積分得:以由cA0-cB0=42.4整理得數(shù)據(jù)如下:t對(duì)t作圖若為直線,則假設(shè)正確。116.8319.8490.2913.811880.01320.01490.01690.02160.0247線性回歸:Y=A+B*XParameterValueErrorAB0.011661.08978E-51.84643E-42.55927E-712丁烷在700℃,總壓為0.3MPa的條件下熱分解反應(yīng):C4H10→2C2H4+H2(A)(R)(S)起始時(shí)丁烷為116kg,當(dāng)轉(zhuǎn)化率為50%時(shí),求此時(shí)。解13某二級(jí)液相不可逆反應(yīng)在初始濃度為5kmol·m-3時(shí),反應(yīng)到某一濃度需要285s,初始濃度為1kmol·m-3時(shí),反應(yīng)到同一濃度需要283s,那么,從初始濃度為5kmol·m-3反應(yīng)到1kmol·m-3需要多長(zhǎng)時(shí)間?解t=285-283=2s反應(yīng)前后體積不變的不可逆反應(yīng),已經(jīng)反應(yīng)掉的部分不會(huì)對(duì)反應(yīng)產(chǎn)生任何影響。反應(yīng)過(guò)程中的任意時(shí)刻都可以作為初始時(shí)刻和終了時(shí)刻。14在間歇攪拌槽式反應(yīng)器中,用醋酸與丁醇生產(chǎn)醋酸丁酯,反應(yīng)式為:反應(yīng)物配比為:A(mol):B(mol)=1:4.97,反應(yīng)在100℃下進(jìn)行。A轉(zhuǎn)化率達(dá)50%需要時(shí)間為24.6min,輔助生產(chǎn)時(shí)間為30min,每天生產(chǎn)2400kg醋酸丁酯(忽略分離損失),計(jì)算反應(yīng)器體積。混合物密度為750kg·m-3,反應(yīng)器裝填系數(shù)為0.75。解15反應(yīng)(CH3CO)2O+H2O→2CH3COOH在間歇反應(yīng)器中15℃下進(jìn)行。已知一次加入反應(yīng)物料50kg,其中(CH3CO)2O的濃度為216mol·m-3,物料密度為1050kg·m-3。反應(yīng)為擬一級(jí)反應(yīng),速率常數(shù)為k=5.708×107exp(?E/RT)min-1,E=49.82kJ·mol-1。求xA=0.8時(shí),在等溫操作下的反應(yīng)時(shí)間。解16在100℃下,純A在恒容間歇反應(yīng)器中發(fā)生下列氣相反應(yīng):2A→R+SA組分分壓與時(shí)間關(guān)系見(jiàn)下表:t/sec020406080100120140160pA/MPa0.10.0960.0800.0560.0320.0180.0080.0040.002試求在100℃,0.1MPa下,進(jìn)口物流中包含20%惰性物,A組份流量為100mol·hr-1,達(dá)到95%轉(zhuǎn)化率所需的平推流反應(yīng)器的體積。解17間歇操作的液相反應(yīng)A→R,反應(yīng)速率測(cè)定結(jié)果列于下表。欲使反應(yīng)物濃度由cA0=1.3kmol·m-3降到0.3kmol·m-3需多少時(shí)間?cA/kmol·m-30.10.20.30.40.50.60.70.81.01.32.0(?r)/kmol·m-0.10.30.50.60.50.250.100.060.050.0450.042A3min-1解圖解積分0.10.20.30.40.50.60.70.81.01.32.0103.332.01.672.04.01016.720.022.223.818一氣相分解反應(yīng)在常壓間歇反應(yīng)器中進(jìn)行,在400K和500K溫度下,其反應(yīng)速率均可表達(dá)為?rA=23pA2mol·m-3s-1,式中pA的單位為kPa。求該反應(yīng)的活化能。解19有如下化學(xué)反應(yīng)CH4+C2H2+H2=C2H4+CH4(I)(A)(B)(P)(I)在反應(yīng)前各組分的摩爾數(shù)分別為nI0=1mol;nA0=2mol;nB0=3mol;nP0=0,求化學(xué)膨脹率(用兩種方法)。解方法一方法二20在555K及0.3MPa下,在平推流管式反應(yīng)器中進(jìn)行氣相反應(yīng)A→P,已知進(jìn)料中含A30%(摩爾分?jǐn)?shù)),其余為惰性物料,加料流量為6.3mol·s-1,動(dòng)力學(xué)方程式為?rA=0.27cAmol·m-3s-1為了達(dá)到95%轉(zhuǎn)化率,試求:(1)所需空速為多少?(2)反應(yīng)器容積大小?解21液相一級(jí)不可逆分解反應(yīng)A→B+C于常溫下在一個(gè)2m3全混流反應(yīng)器(CSTR,MFR,連續(xù)攪拌槽式反應(yīng)器)中等溫進(jìn)行。進(jìn)口反應(yīng)物濃度為1kmol·m-3,體積流量為1m3hr-1,出口轉(zhuǎn)化率為80%。因后續(xù)工段設(shè)備故障,出口物流中斷。操作人員為此緊急停止反應(yīng)器進(jìn)料。半小時(shí)后故障排除,生產(chǎn)恢復(fù)。試計(jì)算生產(chǎn)恢復(fù)時(shí)反應(yīng)器內(nèi)物料的轉(zhuǎn)化率為多少?解22第17題中的反應(yīng),(1)當(dāng)cA0=1.2kmol·m-3,進(jìn)料速率1kmolA·hr-1,轉(zhuǎn)化率為75%;(2)cA0=1.3kmol·m-3,進(jìn)料速率2kmolA·hr-1,出口為0.3kmol·m-3;(3)cA0=2.4kmol·m-3,出口仍然為0.3kmol·m-3,進(jìn)料速率為1kmolA·hr-1。計(jì)算三種情況下,用全混流反應(yīng)器的體積各為多少?解23反應(yīng)A+B→R+S,已知VR=0.001m3,物料進(jìn)料速率V0=0.5×10-3m3min-1,cA0=cB0=5mol·m3,動(dòng)力學(xué)方程式為?rA=kcAcB,其中k=100m3kmol-1min-1。求:(1)反應(yīng)在平推流反應(yīng)器中進(jìn)行時(shí)出口轉(zhuǎn)化率為多少?(2)欲用全混流反應(yīng)器得到相同的出口轉(zhuǎn)化率,反應(yīng)器體積應(yīng)多大?(3)若全混流反應(yīng)器體積VR=0.001m3,可達(dá)到的轉(zhuǎn)化率為多少?已知k=1m3kmol-1hr-1,cB0=3kmol·m-3,cA飽和=0.02kmol·m-3,水溶液流量為10m3hr-1。解平推流(1)全混流(2)24在全混流反應(yīng)器中進(jìn)行如下等溫液相反應(yīng):2A→B+CA+B→2Drc=k1cA2rD=2k2cAcBA的初始濃度為2.5kmol·m-3,A和C的出口濃度分別為0.45和0.75kmol·m-3。假設(shè)進(jìn)口物流中不含B、C、D,反應(yīng)時(shí)間為1250sec,求:1.出口物流中B和D的濃度;2.k1和k2。解第二章習(xí)題1.動(dòng)力學(xué)方程的實(shí)驗(yàn)測(cè)定時(shí),有采用循環(huán)反應(yīng)器的,為什么?答:循環(huán)反應(yīng)器行為與全混流反應(yīng)器相同,可以得到反應(yīng)速率的點(diǎn)數(shù)據(jù),而且反應(yīng)器進(jìn)出口濃度差比較大,對(duì)分析精度要求不很高。2.為什么可逆吸熱反應(yīng)宜選平推流反應(yīng)器且在高溫下操作,而可逆放熱反應(yīng)卻不是?根據(jù)可逆放熱反應(yīng)的特點(diǎn),試問(wèn)選用何種類(lèi)型反應(yīng)器適宜?為什么?答:可逆吸熱反應(yīng)的反應(yīng)速率與化學(xué)平衡都隨溫度的升高而升高,高溫下操作對(duì)二者都有利。可逆放熱反應(yīng)的化學(xué)平衡隨溫度的升高向反應(yīng)物方向移動(dòng),對(duì)達(dá)到高轉(zhuǎn)化率不利。對(duì)此類(lèi)反應(yīng),可選用多段絕熱反應(yīng)器或換熱條件較好的管式反應(yīng)器。3.一級(jí)反應(yīng)A→P,在一體積為VP的平推流反應(yīng)器中進(jìn)行,已知進(jìn)料溫度為150℃,活化能為84kJ·mol-1,如改用全混流反應(yīng)器,其所需體積設(shè)為Vm,則Vm/Vp應(yīng)有何關(guān)系?當(dāng)轉(zhuǎn)化率為0.6時(shí),如果使Vm=Vp,反應(yīng)溫度應(yīng)如何變化?如反應(yīng)級(jí)數(shù)分別為n=2,1/2,?1時(shí),全混流反應(yīng)器的體積將怎樣改變?解:4.在體積VR=0.12m3的全混流反應(yīng)器中,進(jìn)行反應(yīng),式中k1=7m3kmol-1min-1,k2=3m3kmol-1min-1,兩種物料以等體積加入反應(yīng)器中,一種含2.8kmolA·m-3,另一種含1.6kmolA·m-3。設(shè)系統(tǒng)密度不變,當(dāng)B的轉(zhuǎn)化率為75%時(shí),求每種物料的流量。解5.可逆一級(jí)液相反應(yīng),已知;當(dāng)此反應(yīng)在間歇反應(yīng)器中進(jìn)行,經(jīng)過(guò)8min后,A的轉(zhuǎn)化率為33.3%,而平衡轉(zhuǎn)化率是66.7%,求此反應(yīng)的動(dòng)力學(xué)方程式。解6.平行液相反應(yīng)A→PA→RrP=1rR=2cArS=cA2A→S已知cA0=2kmol·m-3,cAf=0.2kmol·m-3,求下列反應(yīng)器中,cP最大為多少?(1)平推流反應(yīng)器;(2)全混流反應(yīng)器;(3)兩相同體積的全混流反應(yīng)器串聯(lián),cA1=1kmol·m-3。解7.自催化反應(yīng)A+P→2P的速率方程為:?rA=kcAcP,k=lm3kmol-1min-1,原料組成為含A13%,含P1%(摩爾百分?jǐn)?shù)),且cA0+cP0=lkmol·m-3,出口流中c=0.9kmol·m-3,計(jì)算采用下列各種反應(yīng)器時(shí)的空P間時(shí)間(τ=VR/V0)。(1)平推流反應(yīng)器;(2)全混流反應(yīng)器;(3)平推流與全混流反應(yīng)器的最佳組合;(4)全混流反應(yīng)器與一分離器的最佳組合。解8.在兩個(gè)串聯(lián)的全混流反應(yīng)器中進(jìn)行一級(jí)反應(yīng),進(jìn)出口條件一定時(shí),試證明當(dāng)反應(yīng)器大小相同時(shí),兩個(gè)反應(yīng)器的總?cè)莘e最小。證9.半衰期為20小時(shí)的放射性流體以0.1m3hr-1的流量通過(guò)兩個(gè)串聯(lián)的40m3全混流反應(yīng)器后,其放射性衰減了多少?解10.A進(jìn)行平行分解反應(yīng),其速率式為↗RrR=1kmol·m-3min-1A→SrS=2cAkmol·m-3min-1↘TrT=cAkmol·m-3min-1其中R是所要求的目的產(chǎn)物,cA0=1kmol·m-3。試問(wèn)在下述反應(yīng)器進(jìn)行等溫操作時(shí),預(yù)計(jì)最大的cR為多少?(1)全混流反應(yīng)器;(2)平推流反應(yīng)器。解低濃度操作對(duì)生成目的產(chǎn)物R有利,對(duì)全混流反應(yīng)器,可在極低的濃度下操作對(duì)平推流反應(yīng)器,則盡量使其轉(zhuǎn)化率提高。11.在0℃時(shí)純氣相組分A在一恒容間歇反應(yīng)器依以下計(jì)量方程反應(yīng):A→2.5P,實(shí)驗(yàn)測(cè)得如下數(shù)據(jù):時(shí)間/s02468101214∞pA/MPa0.10.080.06250.0510.0420.0360.0320.0280.020求此反應(yīng)的動(dòng)力學(xué)方程式。解當(dāng)t→∞時(shí),pAe=0.2故為可逆反應(yīng),設(shè)此反應(yīng)為一級(jí)可逆反應(yīng),則以(-ln(pA-pAe))對(duì)t作圖t02468101214pA0.10.080.06250.0510.0420.0360.0320.028PA-pAe0.080.060.04250.0310.0220.0160.0120.008-ln(pA-2.5262.8133.1583.4743.8174.1354.4234.828pAe)12.氣相反應(yīng)A+B=R的動(dòng)力學(xué)方程為(?rA)=k(pApB?pR/KP),式中請(qǐng)確定最佳反應(yīng)溫度與轉(zhuǎn)化率之間的關(guān)系。解13.某液相一級(jí)不可逆反應(yīng)在體積為VR的全混釜中進(jìn)行,如果將出口物料的一半進(jìn)行循環(huán),新鮮物料相應(yīng)也減少一半,產(chǎn)品物料的轉(zhuǎn)化率和產(chǎn)物生成速率有什么變化?解全混流循環(huán)時(shí)出口物料一半與等量的xA=0的物料混合,xA0=0.5xAf。與簡(jiǎn)單地把處理量減半等效。14.有一自催化反應(yīng)A→R,動(dòng)力學(xué)方程為?rA=0.001cAcRkmol·m-3s-1。要求反應(yīng)在4個(gè)0.1m3的全混流反應(yīng)器中進(jìn)行,反應(yīng)物初始濃度cA0=10kmol·m-3,cR0=0,處理量為5.4m3hr-1。如何排列這4個(gè)反應(yīng)器(串聯(lián)、并聯(lián)、或串并聯(lián)結(jié)合)才能獲得最大的最終轉(zhuǎn)化率?最大的轉(zhuǎn)化率是多少?解15.一級(jí)不可逆連串反應(yīng)cA0,k1=0.25hr-1,k2=0.05hr-1,進(jìn)料流率V0為1m3hr-1,=1kmol·m-3,cB0=cC0=0。試求:采用兩個(gè)V=1m3的全混流反應(yīng)器串聯(lián)時(shí),反應(yīng)器出口產(chǎn)物B的濃R度。解16.某氣相基元反應(yīng):A+2B→P已知初始濃度之比cA0:cB0=1:3,求的關(guān)系式。解17.已知常壓氣相反應(yīng)動(dòng)力學(xué)方程為,試用下列三種方式表達(dá)動(dòng)力學(xué)方程:(1)組分分壓;(2)組分摩爾分率;(3)組分初始濃度和A的轉(zhuǎn)化率。解18.高溫下二氧化氮的分解為二級(jí)不可逆反應(yīng)。在平推流反應(yīng)器中101.3kPa下627.2K時(shí)等溫分解。已知k=1.7m3kmol-1s-1,處理氣量為120m3hr-1(標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)),使NO2分解70%。當(dāng)(1)不考慮體積變化;(2)考慮體積變化時(shí),求反應(yīng)器的體積。解(1)恒容過(guò)程(2)變?nèi)葸^(guò)程19.均相氣相反應(yīng)A→3P,服從二級(jí)反應(yīng)動(dòng)力學(xué)。在0.5MPa、350℃和V0=4m3hr-1下,采用—個(gè)25mm內(nèi)徑,長(zhǎng)2m的實(shí)驗(yàn)反應(yīng)器,能獲得60%轉(zhuǎn)化率。設(shè)計(jì)一個(gè)工業(yè)平推流反應(yīng)器,當(dāng)處理量為320m3hr-1,進(jìn)料中含50%A,50%惰性物料時(shí),在2.5MPa和350℃下反應(yīng),為獲得80%的轉(zhuǎn)化率.求需用25mm內(nèi)徑,長(zhǎng)2m的管子多少根?這些管子應(yīng)并聯(lián)還是串聯(lián)?解(1)求速率常數(shù)k(2)求反應(yīng)器體積和管數(shù)管子的串并聯(lián)要從流體阻力和流型考慮,在保持平推流的前提下盡量并聯(lián)。20.有一氣相分解反應(yīng),其化學(xué)反應(yīng)式為A→R+S,反應(yīng)速率方程為?rA=kcA2,反應(yīng)溫度為500℃。這時(shí)測(cè)得的反應(yīng)速率常數(shù)為k=0.25m3kmol-1s-1。反應(yīng)在內(nèi)徑為25mm、長(zhǎng)為1m的管式反應(yīng)器中進(jìn)行,器內(nèi)壓強(qiáng)維持在101.3kPa(絕),進(jìn)料中僅含組分A,當(dāng)其轉(zhuǎn)化率為20%,空間速度為45hr-1(反應(yīng)條件下的計(jì)算值)。試求反應(yīng)條件下的平均停留時(shí)間和空間時(shí)間。解第三章習(xí)題1.有一有效容積VR=1m3,送入液體的流量為1.8m3hr-1的反應(yīng)器,現(xiàn)用脈沖示蹤法測(cè)得其出口液體中示蹤劑質(zhì)量濃度變化關(guān)系為:t/minc/kg·m-300103206305404503602701800求其停留時(shí)間分布規(guī)律,即F(t),E(t),,解示蹤法求停留時(shí)間分布規(guī)律t/minc/kg·m-3∑cF(t)00.1250.012530E(t)0t·c0t2c030000360391020304050607080∑0.37500.025012024005140.58330.020815045004318210.750.8750.012515075000.016716064002230.95830.008312072001024241.01.00.00427004900008033200242.對(duì)某一反應(yīng)器用階躍法測(cè)得出口處不同時(shí)間的示蹤劑質(zhì)量濃度變化關(guān)系為:t/minc/kg·m-30020.050.110.20.310.430.480.500.5046810121416求其停留時(shí)間分布規(guī)律,即F(t),E(t),,解:階躍法求停留時(shí)間分布規(guī)律c0=0.5kgm-3t/minc/kg·m-3∑cF(t)E(t)024000.050.160.220.060.480.360.091.0800.100.0500.200.41.926.480.050.110.260.480.310.430.480.50.670.620.111.7614.0810121416∑1.11.580.960.052.082.580.860.122.41.22414.47.8401.01.00.020.5600.507.6869.123.請(qǐng)將習(xí)題一中停留時(shí)間分布規(guī)律用對(duì)比時(shí)間θ作變量,求F(θ),E(θ),,。解t/mincA/kg·m-30010320630540450360270180000.41660.8330.6940.55560.41660.27660.139000.06250.250.47920.66670.81250.91670.97921.04.應(yīng)用習(xí)題一的反應(yīng)器,進(jìn)行A+B→D反應(yīng),已知cA0=cB0=20mol·m-3,動(dòng)力學(xué)方程為?r=0.005ccAABmol·m-3min-1,請(qǐng)用凝集流模型計(jì)算反應(yīng)器出口物料中A組分的轉(zhuǎn)化率,并求cA,cB,cD值。本題若用PFR及CSTR模型計(jì)算時(shí),物料出口中A組分的轉(zhuǎn)化率是多少?解1凝集流模型:時(shí)間t/minc/kg·m-3F(t)0036543210000.500.1250.250.20830.16670.1250.08330.0417000.06251020304050607080∑0.1250.3750.58330.750.8750.95831.00.6670.750.80.8330.8570.8750.8890.166750.1562250.133360.1041250.07138810.036487501.0240.73083562PFR模型計(jì)算時(shí):③CSTR模型計(jì)算5.在習(xí)題一的反應(yīng)器中

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