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Simulis Thermodynamics :Un Serveur Thermodynamique Complet, Evolutif et OuvertSimulis Thermodynamics :Un Serveur Thermodynamique Complet, Evolutif et Ouvert

Olivier Baudouin (ProSim)Stphane DchelotteAlain Vacher

Groupe de travail Thermodynamique 12 Mai 2011Toulouse, France

www.prosim.netSimulis Thermodynamics - Un serveur thermodynamique complet, volutif et ouvert Olivier BaudouinSFGP groupes IEP & Thermodynamiques Toulouse 12 Mai 2011

Plan

Prsentation de Simulis ThermodynamicsDe nouveaux modles implments chaque anne

ULPDHSPPR78NRTL-PR

De nouveaux modles en cours dimplmentationULPDHSVPPC-SAFTVTPR

Un environnement daccueil pour de nouveaux modlesVBScriptDLL externe


Simulis Thermodynamics

Composant logiciel ddiaux calculs de proprits

thermodynamiques et dquilibres entre phases

pour des constituants purs ou des mlanges

dans Microsoft Excel, MATLAB

SimulisThermodynamics


FonctionsThermodynamiques


Calculs de proprits thermodynamiques(Transport, compressibilit, thermodynamiques, cart lidalit)


Databases(pure, BIP)

Flashs(LV, LLV,

LL,...)

Calculs dquilibres entre phases(Flashs liquide-vapeur, liquide-liquide, liquide-liquide-vapeur)




Bases de donnes(constituants, BIP)

Flashs(LV, LLV,

LL,...)




Ajout et modification aises des constituants (mthode destimation et outil de rgression de donnes exprimentales intgrs)

Possibilit dajouter des bases de donnes existantesToutes les proprits de corps purs des constituants sont accessibles et modifiables

Outils de visualisation graphique des proprits

Livr avec une base de donnes de BIP (modles GE ou EoS)

Base de donnes constituants & BIP

Livr avec une base de donnes de plus de 2000 constituants, incluant la base de donnes DIPPR




Flashs(LV, LLV,

LL,...)


ModlesThermodynamiques


De nombreux modles thermodynamiquesEquations dtat

Soave-Redlich-Kwong (SRK)Peng-Robinson (PR)Predictive Peng Robinson 78 (PPR78)Lee-Kesler-Plcker (LKP)Benedict-Webb-Rubin modifi Starling (BWRS)NakamuraNRTL-PRetc

Modles de coefficients dactivitNRTLUNIQUACUNIFACsWilsonetc

Approche combine (EoS/GE)MHV2MHV1PSRKetc

Systmes spcifiquesEau Pure (NBS/NRC steam tables - IAPS,1984)Chao-Seader, Grayson-StreedSour-WaterAcides carboxyliquesFormaldhydeetc

ElectrolytesEdwardsUNIQUAC electrolyteULPDHSAminesetc

Modles slectionns afin de couvrir une large gamme dapplication : ptrole et gaz, chimie fine, etc


Modles prdictifs

Exemple dun mlange synthtique reprsentatif de lindustrie ptrolire, 12 constituantsN2, CO2, CH4, C2H6, C3H8, C4H10, C5H12, C6H14, C7H16, C8H18, C10H20, C14H30

66 paramtres dinteraction requis

2 x CH31 x CH21 x CHNO2

Ide : dcouper les molcules en groupements et identifier les paramtres dinteraction entre ces groupements

Exemple :

Seulement 6 paramtres dinteraction entre groupes requis


)q,f(r Ln iiCi =

BIP),q,f(r Ln iiRi =

Ri

Cii Ln LnLn +=

Diffrences de taille et de forme :

Interactions entre groupes :

Modle UNIFAC

Modlemathmatique

BIP(groupe/groupe)

Valeurs ri, qides sous-groupes

Dcompositiondes

molcules

Calculs

Modles prdictifs : Mthodes UNIFAC

UNIFAC (Dortmund) OriginalUNIFAC (Dortmund) OriginalUNIFAC (Dortmund) OriginalUNIFAC (Dortmund) OriginalUNIFAC (Dortmund) modifiUNIFAC (Dortmund) modifiUNIFAC (Dortmund) modifiUNIFAC (Dortmund) modifiUNIFAC (Dortmund) LLUNIFAC (Dortmund) LLUNIFAC (Dortmund) LLUNIFAC (Dortmund) LLUNIFAC (Lyngby) modifiUNIFAC (Lyngby) modifiUNIFAC (Lyngby) modifiUNIFAC (Lyngby) modifi LarsenLarsenLarsenLarsen


Equation dtat : Peng-Robinson 78

Rgles de mlange :

Terme attractif :

Covolume :

Mthode de contribution de groupes pour calculer le coefficient kij(T) de lquation de PR

( )= =

=

C Cn

1i

n

1jijjijim k1aaxxa

ii

n

1ibxb

C

=

=

Predictive Peng-Robinson 78(PPR78)

22 bbV 2V

a

bV

RTP

+

=

ji

ji

2

j

j

i

iNg

k

Ng

l

1AB

kljliljkik

ij

b.b)T(a).T(a

.2

b)T(a

b)T(a

T15.298A).).((

21

k

klkl

=


1 CH3 1

2 CH2 2

3 CH 3

4 C 4

5 CH4 5

6 C2H6 6

7 ACH 7

8 AC 8

9 AC POLYC 9

10 CY-CH2 10

11 CY-C 11

12 CO2 12

13 N213

14 H2S 14

15 SH 15

16 H2O

Predictive Peng-Robinson 78(PPR78)

Jaubert et al., Jaubert et al., Jaubert et al., Jaubert et al., FPE FPE FPE FPE (2004)(2004)(2004)(2004)Jaubert et al., Jaubert et al., Jaubert et al., Jaubert et al., FPE FPE FPE FPE (2005)(2005)(2005)(2005)Jaubert et al., Jaubert et al., Jaubert et al., Jaubert et al., FPE FPE FPE FPE (2006)(2006)(2006)(2006)Jaubert et al., J. of Supercritical Fluids (2008)Jaubert et al., J. of Supercritical Fluids (2008)Jaubert et al., J. of Supercritical Fluids (2008)Jaubert et al., J. of Supercritical Fluids (2008)Jaubert et al., J. Chem. Thermodynamics (2008)Jaubert et al., J. Chem. Thermodynamics (2008)Jaubert et al., J. Chem. Thermodynamics (2008)Jaubert et al., J. Chem. Thermodynamics (2008)

Alcanes, Cycloalcanes, Alcanes, Cycloalcanes, Alcanes, Cycloalcanes, Alcanes, Cycloalcanes, aromatiques, CO2, N2, H2S, aromatiques, CO2, N2, H2S, aromatiques, CO2, N2, H2S, aromatiques, CO2, N2, H2S, mercaptans, H2O, alcmercaptans, H2O, alcmercaptans, H2O, alcmercaptans, H2O, alcnesnesnesnes

Generalized Phase Equilibrium Diagram of Ethane(1) - nHexane (2) in the (P, T) Planewith PPR78 CEoS

0,0

10,0

20,0

30,0

40,0

50,0

60,0

70,0

80,0

250,0 300,0 350,0 400,0 450,0 500,0 550,0Temperature (K)

P

r

e

s

s

u

r

e

(

b

a

r

)

C2

nC6


NRTL-PR

Equation dtat : Peng-Robinson 78

Rgles de mlange :

Terme attractif :

Covolume :

Modle dnergie libre dexcs : type NRTL, mthode prdictive par contribution de groupes

Neau et al. Neau et al. Neau et al. Neau et al. Polish J. Chem Polish J. Chem Polish J. Chem Polish J. Chem (2006)(2006)(2006)(2006)Escandell J., Escandell J., Escandell J., Escandell J., PhD thesis PhD thesis PhD thesis PhD thesis (2008)(2008)(2008)(2008)Neau et al., Ind. Eng. Chem. Res. (2010)Neau et al., Ind. Eng. Chem. Res. (2010)Neau et al., Ind. Eng. Chem. Res. (2010)Neau et al., Ind. Eng. Chem. Res. (2010)Neau et al., Ind. Eng. Chem. Res. (2010)Neau et al., Ind. Eng. Chem. Res. (2010)Neau et al., Ind. Eng. Chem. Res. (2010)Neau et al., Ind. Eng. Chem. Res. (2010)

( ) ( ) Eathernon

i

ii

p

1ig

bTa

xbTa

= =

ii

p

1ibxb

=

=

jimimm

p

1m

jijjp

1jii

p

1i

Eathernon

Gxq

Gxqxqg =

=

==


1 CH2 1

2 CY-C 2

3 AC 3

4 CH4 4

5 C2H6 5

6 CO2 6

7 N27

8 H2S 8

9 H2O 9

10 MEG

NRTL-PR


Partie UNIFAC-LARSEN

Partie combinatoire:

Formation dun cluster par solvatation:

xnon hydratxhydrat

Partie rsiduelle: amn

Partie Pitzer-Debye-Hckel LRrf:NH

ri= f (k ,Rk) i: espce

qi= f (k ,Qk) k: sous groupe

Rcl= f (rc ,nh) rc: rayon cristallin

Qcl= f (rc ,nh) nh: nbre hydratation

SRrf.tat hydrat SRrf:tat non hydrat

Unifac Larsen Pitzer Debye Hckel Solvatation(ULPDHS)

Ion

Molcules de solvant


Volume-Translated Peng Robinson(VTPR)

Equation dtat : Peng-Robinson, translation du volume, fonction de Twu et al.

Rgles de mlange :

Terme attractif :

Covolume :

Modle dnergie libre dexcs : Partie rsiduelle du modle UNIFAC original, avec dpendance de la temprature pour les paramtres dinteraction binaire (matrice spcifique)

+= RT

Gq

xe

res

ii1

1

bRTa

=

ijjiji

bxxb =2

43

43

43 jiij

bbb

+=

Kontogeorgios et al., Kontogeorgios et al., Kontogeorgios et al., Kontogeorgios et al., Chem. Eng. Sci., pp 2351 Chem. Eng. Sci., pp 2351 Chem. Eng. Sci., pp 2351 Chem. Eng. Sci., pp 2351 (2000)(2000)(2000)(2000)Gmehling et al., Gmehling et al., Gmehling et al., Gmehling et al., FPE, pp 177FPE, pp 177FPE, pp 177FPE, pp 177----188 188 188 188 (2001)(2001)(2001)(2001)Gmehling et al., Gmehling et al., Gmehling et al., Gmehling et al., Ind. Eng. Chem. Res. , pp 3489Ind. Eng. Chem. Res. , pp 3489Ind. Eng. Chem. Res. , pp 3489Ind. Eng. Chem. Res. , pp 3489----3498 3498 3498 3498 (2002)(2002)(2002)(2002)Gmehling et al., Gmehling et al., Gmehling et al., Gmehling et al., nd. Eng. Chem. Res. , pp 5890nd. Eng. Chem. Res. , pp 5890nd. Eng. Chem. Res. , pp 5890nd. Eng. Chem. Res. , pp 5890----5899 5899 5899 5899 (2002)(2002)(2002)(2002)


Statistical Associating Fluid Theory (Chapman et al. 1990)

Zrsiduel = ZSAFT 1 = + Zdisp) + Zchaine + Extension polaire (Zpol) ou Q

m (Zrep

Dispersion-attraction f(, )

m

Chaine f (m,)

+ Zassoc

Association assoc, assooc

assoc

assooc

Sites dassociation

, XA= f (assoc assooc)

Gubbins et Twu 1978

Zrep = Zrference HS = f(, )

( ) ( )

-=

dgmZ

HS

ichaine ln1

====

A

A

Aassoc X

XZ

2

11

Modle de chane msegments sphriques

, Q

PPC-SAFT Projet ANR MEMOBIOL


PPC-SAFT Projet ANR MEMOBIOL

Ce travail bnficie d'une aide de l'Agence Nationale de la Recherche portant la rfrence ANR-09-CP2D-10-01

MEMOBIOL (Modlisation l'Echelle MOlculaire pour les BIOrrafineries Lignocellulosiques), slectionn par l'Agence nationale de la recherche (ANR) dans le cadre de l'appel projets 2009 "Chimie et procds pour un dveloppement durable", vise dvelopper de nouveaux modles et mthodes prdictifs permettant de restituer le comportement physico-chimique des molcules issues de la biomasse lignocellulosique (BLC). la diffrence des hydrocarbures, ces molcules appartiennent diverses familles de composs oxygns complexes qui ncessitent des outils de modlisation appropris.


Interface graphique


Flashs(LV, LLV,

LL,...)




Gestion des constituants (slection dans les bases, modifications, comparaisons)

Configuration du modle thermodynamique


Services associs


Interface graphique


Flashs(LV, LLV,

LL,...)




De nombreux services associs

Rgression de proprits de corps purs


Rgression de proprits de corps pursService de calculs



Rgression de proprits de corps pursService de calculsLes graphiques peuvent tre tracs en fonction de la temprature, de la pression, de la composition

0

10

20

30

40

50

60

70

80

90

100

110

120

130

140

100 200 300 400 500

P

r

e

s

s

u

r

e

Temperature

Phase envelope

Pressure (atm)Critical point

200

300

400

500

600

0 10 20 30 40

Temperature (K)

Molar entropy (cal/mol/K)

TS diagram



Rgression de proprits de corps pursService de calculsLes graphiques peuvent tre tracs en fonction de la temprature, de la pression, de la composition Gnration et export de tables de proprits (fichiers PSF pour HTFS, fichiers PVT pour OLGA)



Rgression de proprits de corps pursService de calculsLes graphiques peuvent tre tracs en fonction de la temprature, de la pression, de la composition Gnration et export de tables de proprits (fichiers PSF pour HTFS, fichiers PVT pour OLGA)Gestion des coupes ptrolires


D 2887 Simulated distillation

Set of components, weight composition

ASTM D86 corrected

Results of ASTM D86 distillation

TBP at 760 mmHg

TBP at 10 mmHg

ASTM D1160 at low pressure

ASTM D1160 at 760 mmHg

ASTM D1160 at 10 mmHg

Properties estimation

Simulation results


Rgression de proprits de corps pursService de calculsLes graphiques peuvent tre tracs en fonction de la temprature, de la pression, de la composition Gnration et export de tables de proprits (fichiers PSF pour HTFS, fichiers PVT pour OLGA)Gestion des coupes ptroliresGestion des modles prdictifs par contribution de groupes



Rgression de proprits de corps pursService de calculsLes graphiques peuvent tre tracs en fonction de la temprature, de la pression, de la composition Gnration et export de tables de proprits (fichiers PSF pour HTFS, fichiers PVT pour OLGA)Gestion des coupes ptroliresGestion des modles prdictifs par contribution de groupesEstimation de proprits de corps pursOutil de gestion des conversions dunitetc


Les services fournissent lutilisateur les outils ncessaires la mise en place dun modle thermodynamique




Services associs

Interface graphique


Flashs(LV, LLV,

LL,...)




Intgrabilit de Simulis Thermodynamics

ProSimPlus, ProPhy PlusProSimPlus, ProPhy Plus




Add-inMicrosoft

Excel

Microsoft ExcelMicrosoft Excel


Plus de 300 fonctions thermodynamiques sont ajoutes dans Microsoft Excel qui peuvent tre utilises dans les feuilles de calculs comme des fonctions natives pour mettre en place des modles plus ou moins complexes avec une thermodynamique de qualit





MicrosoftExcel

Add-In SimulisThermodynamics

MATLABMATLAB

ToolboxMATLAB




P.M.E. CAPE-OPEN(Aspen Plus, Hysys, ProII)


PlugCAPE-OPEN

MATLABMATLAB

ToolboxMATLAB


MicrosoftExcel


Possibilit de gnrer des Property Packagescompatibles CAPE-OPEN qui peuvent tre utiliss dans tous les environnements compatibles

Implementation Thermo 1.0Thermo 1.1

www.colan.org

Compatible avec : Aspen PlusAspen HysysPRO/IIgPROMSXist (HTRI)UNISIM DesignCOCO COFEBelsim VALIINDISS






PlugCAPE-OPEN

MATLABMATLAB

ToolboxMATLAB

"know-how" "know-how"

A.P.I.(C++, VB)


MicrosoftExcel


Simulis Thermodynamics peut facilement tre intgr dans les applications supportant la technologie COM/DCOM




MATLABMATLAB P.M.E. CAPE-OPEN

(Aspen Plus, Hysys, ProII)P.M.E. CAPE-OPEN

(Aspen Plus, Hysys, ProII)


Thermodynamic expertThermodynamic expert


PlugCAPE-OPEN

ToolboxMATLAB

A.P.I.(C++, VB)

MicrosoftExcel

Add-In

Specificlibrary

"Socket"CAPE-OPEN

"Socket"RefProp

Expert Mode VBScript

DLL)


Simulis Thermodynamics : un logiciel ouvert


Fournir aux experts en thermodynamique un environnement de dveloppement simple et standardis :

Pour dvelopper leurs propres modles thermodynamiquesPour intgrer dans Simulis Thermodynamics des modles thermodynamiques existants

Proposer aux dveloppeurs un environnement avec des fonctionnalits de tests et de dbuggage Conserver les avantages de lenvironnement Simulis Thermodynamics (gestion des constituants, conversions dunit)Les dveloppements peuvent tre utiliss dans dautres applications (logiciels commerciaux, Microsoft Excel, MATLAB, code maison)Deux possibilits offertes :

Modles VBScriptDLL externes

Simulis Thermodynamics : Mode Expert


VBScript Une solution intgre

Langage interprt (trs connu)

Utile pour faire un prototype ou coder des fonctions simples

(proprits de transport,)

Peut tre une premire tape

Accs aux constituants, aux conversions dunits sont

conservs


0

2

4

6

8

10

12

30 35 40 45 50 55 60

Temprature (C)

V

i

s

c

o

s

i

t

(

c

p

)

Points PROMAXModle

30 % wt MDEA

60 % wt MDEA

28765432

10 )ln()ln()exp( CaTCaTCaT

CaCaTaTa

Ta

aL ++++++++=

VBScript models Exemple dapplication


DLL externe

Peut tre dveloppe dans nimporte quel langage

(FORTRAN, C++,)

Permet la rutilisation de codes existants (criture dune DLL dencapsulation pour faire correspondre les syntaxes)

Plus efficace (temps calcul) que le VBScript

Accs aux constituants, aux conversions dunits sont

galement conservs


Exemple dapplication 1) REFPROPBibliothque thermodynamique du NIST (REFPROP) vers. 8.0

84 corps purs5 pseudo-fluides (air)Mlanges jusqu 20 constituantsEquations dtat bases sur lnergie dHelmholtz, MBWR, BenderUn excutable et une DLL documente sont fournies aux clients

Utilisation de REFPROP avec le mode expert :Dveloppement dune DLL spcifique pour faire correspondre la syntaxe des points dentre de Simulis Thermodynamics avec ceux de la DLL REFPROP

Pas de dveloppements ncessaires pour les

nouvelles versions de REFPROP

SimulisExpertMode

"Wrapping" DLL Refprop.dll


Interface standardise Simulis Thermodynamics(Flash ST)

Point dentre de la DLL REFPROP

Code dencapsulation(type, units, paramtres,)

Exemple dapplication 1) REFPROP



Choix du modle RefProp

Choix des constituants

Choix des paramtres du modle


Tous les services Simulis Thermodynamics sont disponibles avec les modles REFPROP

Service de calculsGnration de fichiers OLGA Service de trac de diagrammes

REFPROP est accessible grce Simulis Thermodynamics depuis tous les environnements dans lesquels sintgre Simulis Thermodynamics

200

300

400

500

600

0 10 20 30 40

Temperature (K)

Molar entropy (cal/mol/K)

TS diagram



Exemple dapplication 2) Bender Kiwi

Modle spcifique dvelopp par Air Liquide pour la reprsentation du ternaire de lair (N2, O2, Ar)Objectif : Utilisation du mme code de calcul quel que soit lenvironnement : MS Excel, ProSimPlus, Hysys & VALI (CAPE-OPEN)

Dmarche pour intgration du modle dans Simulis Thermodynamics : Analyse du code de calcul de Air Liquide Dveloppement dune DLL spcifique encapsulant le code Air Liquide Dveloppement dune interface graphique spcifique pour ce modle

Ce modle nest accessible que pour les utilisateurs Air Liquide



Choix du modle Bender-Kiwi

Le modle est prvu pour le ternaire O2, N2 Ar : seuls quelques paramtres sont laisss libres lutilisateur

Toutes les fonctionnalits Simulis Thermodynamics sont accessibles, notamment les services


Microsoft ExcelMicrosoft Excel "know-how" "know-how"

RefPropRefProp

PlugCAPE-OPEN

ToolboxMATLAB

A.P.I.(C++, VB)

MicrosoftExcel

Add-In

"Socket"CAPE-OPEN

"Socket"RefProp




Property Packages(Multiflash, PPDS)Property Packages

(Multiflash, PPDS)

MATLABMATLAB



DLL)"know-how" "know-how"

Specificlibrary




MATLABMATLAB


Property Packages(Multiflash, PPDS)

Property Packages(Multiflash, PPDS) RefPropRefProp

Thermodynamic expertThermodynamic expert"know-how" "know-how"

PlugCAPE-OPEN

ToolboxMATLAB

A.P.I.(C++, VB)

MicrosoftExcel

Add-In

Specificlibrary

"Socket"CAPE-OPEN

"Socket"RefProp


DLL)






Exemple dapplication 3) HySWEET

Modle spcifique dvelopp par TOTAL pour la reprsentation thermodynamique du procd HySWEET , procd de lavage mettant en jeu un solvant hybride (eau+amine+Thiodiglycol) permettant llimination simultane des gaz acides et des mercaptans dun gaz naturel

Objectif : Pouvoir identifier les paramtres de ce modle dans Excel

Dmarche : Analyse du code de calcul de TOTAL Dveloppement dune DLL spcifique encapsulant le code TOTAL Dveloppement de fonctions spcifiques (VBA) pour identifier les paramtres du modle

Dveloppement dune bibliothque doptimiseurs sous Excel Calage des paramtres du modle par les ingnieurs TOTAL



Microsoft ExcelMicrosoft Excel "know-how" "know-how"

RefPropRefProp

PlugCAPE-OPEN

ToolboxMATLAB

A.P.I.(C++, VB)

MicrosoftExcel

Add-In

"Socket"CAPE-OPEN

"Socket"RefProp





(Multiflash, PPDS)

MATLABMATLAB



DLL)"know-how" "know-how"

Specificlibrary


StCalFlashWT(T, , Z)

VBACalcFlashWT(T, , Z, UserParam)

SetUserParam(UserParam)


Ecriture dune fonction spcifique en VBA : en plus des arguments ncessaires au flash, les paramtres du modle sont passs en argument

Exemple : identification des paramtres du modle sur un flash taux de vaporisation et temprature donns

Ecriture dune fonction permettant daller modifier les valeurs des paramtres dans Simulis Thermodynamics

Appel au flash de Simulis Thermodynamics avec les valeurs des paramtres passs en argument



Dveloppement dune macro complmentaire dans Excel qui contient

plusieurs mthodes doptimisation :

Algorithme gntique en variables relles

Algorithme gntique en variables boolennes

Programmation quadratique successive

Programmation linaire

Gauss-Newton


Conditions P(Nexp)

Wt% solvant(CO2)(H2S)

T

Variables doptimisation X(NV)

Lancement optimisation

Valeurs calcules

PCO2PH2S

Valeurs Exp.

PCO2PH2S

carts

FCalculs

de Flash

Gestion Optimisation (paramtres, lancement,)

Simulis

Dll thermoUtilisateur

DllOptimisation

Lgende

Feuille Excel

VBA

Dll Fortran


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Olivier Baudouin (ProSim)Stphane DchelotteAlain Vacher

Groupe de travail Thermodynamique 12 Mai 2011Toulouse, France




RefPropRefProp


PlugCAPE-OPEN

ToolboxMATLAB

A.P.I.(C++, VB)

MicrosoftExcel

Add-In

Specificlibrary

"Socket"RefProp



P.M.E. CAPE-OPEN(Aspen Plus, Hysys, ProII)MATLABMATLAB

Exemples de combinaisons dintrt



DLL)



"Socket"CAPE-OPEN




RefPropRefProp


PlugCAPE-OPEN

ToolboxMATLAB

A.P.I.(C++, VB)

MicrosoftExcel

Add-In

Specificlibrary

"Socket"RefProp



P.M.E. CAPE-OPEN(Aspen Plus, Hysys, ProII)MATLABMATLAB

Exemples de combinaisons dintrt



DLL)

"Socket"CAPE-OPEN


(Multiflash, PPDS)

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