用于增大硫酸浓度的工艺和在该工艺中使用的设备的制作方法

本发明涉及一种用于增大已浓缩硫酸的浓度的工艺以及一种在该工艺中使用的设备。这种浓度的增大对于含硫烟气和废气的净化是有用的，其中硫作为三氧化硫存在并作为硫酸被去除，该硫酸是通过三氧化硫/含水气体的冷凝形成的。该工艺被称为湿气体硫酸(wsa)工艺。

背景技术：

硫酸(h2so4)是重要的商品化学品，其产量超过200百万吨/年。其主要用于肥料生产，但也用于例如颜料制造、电池制造、冶金工业和精炼工业中。

硫酸的许多应用需要至少93wt％h2so4的酸浓度，其中剩余的7wt％是水。

关于储存、运输和销售价值，98wt％的浓度是买方和/或货运公司所期望的或甚至要求的。这意味着在硫酸装置中对生产具有较高酸浓度的硫酸的需求已经增大。

在所谓的湿气体硫酸装置(其中工艺气体还包含水)中，通常难以获得98wt％的产物酸浓度。这是由于硫酸的强吸湿性质并且在约98.6wt％h2so4时存在共沸物。

在增大硫酸浓度的尝试中，已经开发出所谓的独立硫酸浓缩装置。

在许多增大硫酸浓度的工艺中，冷的稀硫酸被供给到装置，在那里被间接加热到非常接近硫酸沸点的温度。进行蒸馏工艺，即，系统仅为h2so4和h2o。为了达到高于98.0wt％的酸浓度，需要多于一个蒸馏步骤，并且至少最后的蒸馏步骤在真空下操作以降低硫酸的沸腾温度。所谓的plinke工艺是最广泛使用的独立硫酸浓缩技术的一个示例。

存在一些直接燃烧的h2so4浓缩装置，其中稀硫酸与来自某种燃料燃烧的热(上至600℃)工艺气体接触。这些装置的缺点是产生大量具有高浓度硫酸蒸气的工艺气体，并且硫酸产物浓度很少超过93wt％。浸没式燃烧工艺和化学直接燃烧鼓式浓缩器是这种技术的示例。

可用于增大来自湿气体硫酸装置的硫酸产物浓度的另一种解决方案是在硫酸装置的设计中包括所谓的集成硫酸浓缩器(isac)。isac可以安装在硫酸冷凝器的液体出口处，其中硫酸通过直接或间接冷却包含硫酸和水蒸气的工艺气体而从气相中冷凝。

“集成”意指isac的液体入口与硫酸冷凝器的液体出口直接流体连通，并且离开isac塔的热空气与硫酸冷凝器的气体入口接触。

在isac中，来自硫酸冷凝器的热的已浓缩硫酸与热的干燥空气在浓缩器塔中接触，该热干燥空气与硫酸逆向流动，从而迫使水和少量硫酸从硫酸中蒸发，从而增大了isac出口处的硫酸浓度。干燥空气在isac的顶部处离开，并在硫酸冷凝器的底部处进入，在那里硫酸蒸气冷凝，同时硫酸返回到isac的顶部。该工艺在专利文献ep0844211和us2011/0311433中进一步详细描述。

然而，虽然简洁，但isac装置不能总是将硫酸浓度增大到98wt％的期望水平。根据专利文献us2011/0311433，如果进入isac顶部的硫酸浓度为93.0wt％，则出口处的浓度为上至96.3wt％。硫酸浓缩能力受到浓缩器必须润湿的要求的限制，这限制了作为进入isac的硫酸流量的函数的热干燥空气的允许流量。

为了进一步浓缩硫酸，发明了硫酸再循环回路，并在专利文献wo2018/108739a1中进行了描述。通过将来自浓缩器塔的热浓硫酸再循环并且可选地进一步加热到浓缩器塔上游的位置，可以几乎独立于来自硫酸冷凝器的硫酸浓度获得>98.0wt％h2so4。

技术实现要素：

本发明是对上述再循环硫酸浓缩技术的改进，其中离心硫酸循环泵已被空气提升泵取代，以降低系统的成本并提高硫酸循环系统的修理和维护的可靠性和可能性。

在本文中，当浓度以vol％表示时，这应该被理解为体积％(即，气体的摩尔百分比)。

在本文中，标称浓度意指so3和h2o的浓度是在so3不水合的假设下计算的。

在本文中，术语“汽提介质”应用于被引导通过浓硫酸的气体，其目的是通过将水从酸中驱除来浓缩硫酸。汽提介质可以是与硫酸相容的任何可用气体，通常是空气或含有大量空气的工艺气体。

在本文中，当浓度以wt％表示时，这应被理解为重量/重量％(重量百分比)。

本公开的广义方面涉及一种硫酸再循环回路，其包括：

-可选的硫酸冷凝器塔，

-浓缩器塔，

-空气提升泵，其具有液体入口、气体入口、和出口，该液体入口被供给来自浓缩器塔下游的硫酸储液器的出口的热浓硫酸，该气体入口被供给密度低于热浓硫酸的载流体(carrierfluid，载液)，

-其中，硫酸储液器位于浓缩器塔的下方和空气提升泵的载流体入口的上方，

-下导管，其从硫酸储液器向下通向空气提升泵的液体入口，以及

-上导管，其从空气提升泵出口向上通向浓缩器塔的入口管，所述入口管具有入口和出口以及与上导管相比增大的直径，并且所述入口管被构造为允许液体从入口流到出口，并且被构造为至少部分地分离被再循环的硫酸和载流体，并将这两种流体引导至浓缩器塔的入口，其相关的益处是在系统中提供具有提高的浓度的酸而不移动与硫酸接触的部件。

在另一实施例中，通过硫酸储液器中的溢流管排出硫酸产物。

其相关的益处是易于控制的工艺。

在另一实施例中，硫酸再循环回路包括位于空气提升泵的出口与硫酸浓缩器塔的入口之间的硫酸加热器，并且在硫酸加热器中，将硫酸和可选的来自空气提升泵的出口的载流体加热至200-270℃的温度，其相关的益处是在温度升高的条件下水蒸汽压力较高，并且在该温度范围下水蒸汽压力特别高于硫酸蒸汽压力，以使得水被去除。

在另一实施例中，载流体是空气，其可选地在位于空气提升泵上游的载流体加热器中被加热，其相关的益处是便于获得空气，以及由于加热空气的密度较低而具有较高提升功率的潜力，并且降低形成酸雾气溶胶的风险。

在另一实施例中，硫酸再循环回路包括两个或更多个被并联布置的空气提升泵，其相关的益处是较高的提升能力，当流量变化高或浓缩器中的回收流量高时，这是特别重要的，因为并联系统可具有较小的管直径，且因此具有较简单的法兰设计。

在另一实施例中，入口管被分成硫酸专用管和载流体专用管，这两个管将它们的流体引导至浓缩器塔的入口的上方和/或硫酸冷凝器的底部处的位置，其相关的益处是获得较平稳的酸流并因此形成较少的酸雾。

在另一实施例中，来自上导管的硫酸和载流体的分离是在分离器容器或分离器管中进行的，分离器容器或分离器管的内径最小为上导管的内径的2倍、且具有连接硫酸专用管和载流体专用管(这两个管将它们的流体引导至浓缩器塔的入口的上方和/或硫酸冷凝器的底部处的位置)的两个连接出口，其相关的益处是使载流体与硫酸之间的分离得到改善。

在另一实施例中，将比再循环的硫酸更冷的硫酸流与再循环的硫酸在空气提升泵的入口上游的位置进行混合，其相关的益处是降低温度并因此保护管道系统免受腐蚀。

本公开的另一方面涉及独立的硫酸浓缩器系统，其包括：

-浓缩器塔，其具有入口和出口，

-可选的硫酸冷凝器塔，

-第一空气提升泵，其具有液体入口、气体入口、和出口，该液体入口被供给来自浓缩器塔的出口的热浓硫酸，该气体入口被供给密度低于热浓硫酸的第一载流体，

-分离单元，诸如溢流容器，其中，来自第一空气提升泵的流被分成热硫酸产物流、硫酸流和第一载流体，热硫酸产物流被引导至硫酸产物冷却器，硫酸流用于再循环，硫酸流和第一载流体被引导至浓缩器塔的入口或硫酸冷凝器的底部，

-硫酸产物冷却器，其用于通过与热浓硫酸产物流进行热交换来预热冷硫酸进料流，

-第二空气提升泵，其具有液体入口、气体入口和出口，该液体入口被供给用于再循环的硫酸流和被预热的硫酸进料，该气体入口被供给第二载流体，第二载流体的密度低于用于再循环的硫酸流，

-入口管，所述入口管具有入口和出口以及与上导管相比增大的直径，所述入口管被构造为允许液体从入口流到出口，并且被构造为至少部分地分离硫酸和第二载流体，并将这两种流体引导至浓缩器塔的入口或引导至硫酸冷凝器的底部，

-硫酸储液器，其位于第一空气提升泵的上游和上方，被集成在浓缩器塔中或作为单独的储罐或容器，其相关的益处是能够从系统中现有的硫酸生产装置获得较高的硫酸浓度而无需移动与硫酸接触的部件。

在另一实施例中，独立的硫酸浓缩器包括硫酸加热器，其被定位为使得来自第二空气提升泵的流在被供给到浓缩器塔的入口或硫酸冷凝器的底部之前被加热到200-270℃，其相关的益处是在升高的温度条件下水蒸汽压力较高，并且在该温度范围下水蒸汽压力特别高于硫酸蒸汽压力，以使水被去除。

在另一实施例中，载流体是空气，并且可选地在第一和第二空气提升泵上游的载流体加热器中被加热，其相关的益处是便于获得空气，而且由于加热后空气的密度较低而具有较高提升功率的潜力，并且可降低形成酸雾气溶胶的风险。

在另一实施例中，独立的硫酸浓缩器包括两个或更多个被并联布置的空气提升泵，其相关的益处是较高的提升能力，当流量变化高或浓缩器中的回收流量高时，这是特别重要的，因为并联系统可具有较小的管直径，并且因此具有较简单的法兰设计。

在另一实施例中，入口管包括硫酸专用管和载流体专用管，这两个管将它们的流体引导至浓缩器塔的入口的上方和/或硫酸冷凝器的底部处的位置，其相关的益处是获得较平稳的酸流并因此形成较少的酸雾。

在另一实施例中，来自上导管的硫酸和载流体的分离上在分离器容器或分离器管中进行的，分离器容器或分离器管的内径最小为上导管的内径的2倍、且具有连接硫酸专用管和载流体专用管的两个连接出口，这两个管将它们的流体引导至浓缩器塔的入口上方和/或硫酸冷凝器的底部处的位置，其相关的益处是实现获得载流体与硫酸之间的分离的改善。

在另一实施例中，将比再循环的硫酸更冷的硫酸流与被冷却的再循环的硫酸在空气提升泵入口上游的位置进行混合，其相关的益处是降低温度并因此保护管道系统免受腐蚀。

更具体地说，本发明涉及一种增大已经浓缩的、即90-98wt％的硫酸的浓度的工艺，该工艺包括通过使硫酸与选自空气和工艺气体的汽提介质在硫酸浓缩器塔中接触而从硫酸中汽提水以提高离开塔的硫酸浓度的步骤，其中，离开塔的一部分硫酸借助于空气提升泵，通过硫酸再循环回路被回收从而回到塔上游的位置。

用于汽提的汽提介质可以是工艺气体、环境空气或干燥空气。优选地，用于汽提的空气具有低于4vol％，最优选低于0.8vol％的水浓度。当使用工艺气体作为汽提介质时，其优选具有低于4.5vol％，最优选低于1vol％的h2o浓度(标称值)减去so3浓度(标称值)。

汽提介质可具有100-700℃、优选300-700℃、最优选350-600℃的温度。

可选地，硫酸在通过硫酸再循环回路期间被加热。优选地，硫酸在通过硫酸再循环回路期间被加热至200-270℃、优选230-260℃的温度。

优选地，已经浓缩的硫酸是浓度为70-98wt％、优选90-98wt％的硫酸冷凝器流出物。

产物酸浓度将处在入口浓度与～98.6wt％(其代表共沸物浓度，即可获得的最大浓度)之间的范围内。借助本发明，调节硫酸回收比、硫酸温度、汽提介质的流量和温度，从而允许灵活和鲁棒地操作该单元，以允许独立于来自硫酸冷凝器的酸浓度产生98.0wt％的硫酸。

汽提介质可以通过电加热或通过与饱和或过热蒸汽、工艺气体、热空气、熔融传热盐或传热油的间接热交换而被加热。所提及的空气加热方法的任何组合也是适用的。优选地，当加热后的汽提介质进入浓缩器塔时，其温度为100-700℃。

本发明还涉及一种用于进行增大已经浓缩的硫酸的浓度的工艺的硫酸再循环回路，其包括：空气提升泵，被供给来自硫酸浓缩器塔的出口的热浓硫酸；可选的硫酸加热器，在硫酸加热器中，来自浓缩器塔出口的一部分硫酸被加热到200-270℃的温度；以及管，其将加热的硫酸引导至浓缩器塔上游的位置。

在现有技术中，硫酸循环泵是离心泵，其中硫酸通过旋转式推进器移动。这种泵是用于输送几乎所有流体的常用类型的泵，因为它们高效、便宜并且能够提供高排放压力(或提升高度)。

在当前情况下，在泵送热浓硫酸时，构造泵的材料必须从非常有限的选项中选择，诸如ptfe(特氟隆)和高硅钢类型。这些材料在其耐腐蚀性热硫酸方面处于极限，此外，高硅钢类型有些脆并且断裂风险较大。

此外，通常实践上是在泵的入口和出口处安装阀，以使得泵可以被隔离，以用于例如服务和维护。这些阀在构造材料方面受到相同的限制。

在本发明中，通过由一个或多个空气提升泵代替现有技术的离心硫酸泵来克服这些限制。空气提升泵原理已被使用了近150年，其主要用途是在水族馆中的水的再循环、移动废水(例如，具有淤泥的废水)以及在采气和采油中。空气提升泵的优点是简单、低成本、对待泵送的流体中的碎屑和颗粒的阻力以及在载体介质(通常是空气)与流体之间进行紧密接触的可能性。后者对于对水族箱的水和废水进行充气非常有用。

空气提升泵的缺点是它不能克服大的压降和/或将流体升高到高的高程(elevation，标高)。此外，如果液柱的所谓浸没比相对较高，则空气提升泵最有效地工作，这限制了泵的适用性。然而，对于本发明，提升高度是适度的，并且工艺布局具有可供相对较高的浸没液柱利用的高程。

空气提升泵的工作原理是借助于流体密度的差异使流体运动。这通常通过具有用于待移动流体的升高的储液器来实现。从该储液器，管连接下降到低点，在该低点处管弯曲成向上的竖直方向(u形管)，并且在该上行管中，一定量的空气(或其它气体)被注入到流体中。空气可以在上导管上的任何位置被注入，但是在低点处或靠近低点处进行空气注入的效率最高。空气注入引起上导管中的流体密度变得低于下导管中的密度，并且流体将开始在上导管中向上移动。向上流动的流体的流速和提升高度取决于数个参数，其中浸没高度(即，从储液器中的液面到低点弯曲的高度)和空气量(即，从储液器向下移动的单相流体与在上导管中向上流动的两相流体之间的密度差)是最重要的。因此，在没有移动与泵送介质接触的部件情况下获得泵送，这在泵送腐蚀性介质(诸如硫酸)时当然是有益的。

尽管就长度、弯曲和斜度而言，空气提升泵的入口侧上的管道布局可以被更加自由地选择，但是上导管应该接近竖直。入口管道布局仅影响移动液体的压力损失，通过引入额外的压降来降低液体流量。然而，来自空气提升泵的上导管必须接近竖直，因为例如水平区段将引起载流体与液体之间分离，并且因此泵效率将变得急剧降低。

存在许多使空气进入上导管中的方式，诸如单个空气管或喷射器、在上导管的边缘中的多个孔、具有多个小孔的孔板等。空气提升泵将与载流体的任何注入一起工作，但是注入空气的确切方式可具有实际益处。

在本发明中，用于输送硫酸的管可以由玻璃或氟聚合物内衬的钢制成，并且空气注入系统可以有利地由相同的材料制成。

硫酸的流量可以通过调节流到上导管的载流体的流量来控制。

用于空气提升泵的载流体可以是环境空气，其已经在专用压缩机/鼓风机中被压缩或者从压缩空气系统中被抽出(tapped)，这通常在任何较大的工艺装置中即可获得。载流体不必是空气，而可以是密度低于待输送的流体的任何不可冷凝气体或气体混合物。压力必须超过载流体入口上方的酸的压力，通常超过1bar，使得所需压力是适度的。

空气可以被干燥以去除水蒸气(否则水蒸气会被吸收到硫酸中从而降低浓度)和/或载流体可以在进入之前被加热。然而，由于载流体流与硫酸流(10-20nm³空气/吨的硫酸)相比非常小，空气将快速与硫酸达到热平衡而不会使硫酸浓度或温度产生任何显著变化。

由于硫酸浓缩器的优选布局为浸没区段提供了空间并且提升高度是适度的，所以空气提升泵的缺点不会妨碍空气提升泵的适用性。

为了增大浸没高度，浓缩器高程(硫酸储器)可以被增大，或低点高程可以被降低(例如通过为管道和u形管提供地下坑)。

空气提升泵将硫酸升高到浓缩器塔上方的位置，诸如wsa装置的硫酸冷凝器(如果存在)的底部或刚好在液体分布器上方，该液体分布器直接放置在硫酸浓缩器塔上方，该浓缩器塔通常是填充床。在硫酸进入浓缩器之前，安装水平或稍微向下倾斜的管件以确保载流体与液体之间的良好分离，使得硫酸更平稳地流到液体分布器中。载流体将包含硫酸蒸气并且可能包含少量硫酸酸雾，并且还优选地进入浓缩器中，在那里它可以向上移动进入硫酸冷凝器中。通过这样做，将没有包含硫酸的载流体的滑流进入大气。

分离的硫酸和载流体流可以被允许通过同一管，或者在浓缩器之前被分开并允许通过两个管。

附图说明

除了增大硫酸浓度的工艺之外，本发明还涉及在该工艺中使用的设备的各种实施例，其在下文中进行描述。括号中的数字是附图标记，附图中：

图1示出了装备有利用硫酸再循环的硫酸浓缩器塔的wsa装置，该硫酸再循环借助于现有技术提出的离心泵。

图2示出了现有技术wsa装置的另一实施例，其中浓缩器塔被安装在硫酸冷凝器的外部容器中。

图3示出了装备有利用硫酸再循环的硫酸浓缩器塔的wsa装置，该硫酸再循环借助于空气提升泵。

图4示出了wsa装置的另一实施例，其中浓缩器塔安装在到利用硫酸再循环的硫酸冷凝器的外部容器中，该硫酸再循环借助于空气提升泵。

图5示出了一个实施例，其中浓缩器塔是从未知源接收冷硫酸的独立单元，并且硫酸由一个或多个空气提升泵来输送。

具体实施方式

以下将更详细地描述用于在根据本发明的工艺中使用的设备的各种实施例。

装备有硫酸浓缩器塔的wsa装置的描述

在图1中示出了根据专利文献wo18108739a1所述的现有技术，通过将硫化合物转化为浓硫酸来处理进料流(其含有一种或多种硫化合物)的典型湿气体硫酸(wsa)装置。

含硫进料(1)可以是液体或气体，其在800-1200℃条件下在热燃烧器(3)中与热空气(28)和可选的辅助燃料(2)一起焚烧。在该温度，进料流中的所有硫被转化为二氧化硫(so2)。然后，在含有用于将so2转化为so3的催化剂的绝热催化层(7)中将97与99.9％之间的so2转化为so3之前，在废热锅炉(5)中冷却含so2的工艺气体(4)。根据所需的so2转化效率，一至三个催化层(在其之间进行工艺气体冷却)将是必要的。

然后，在工艺气体冷却器(9)中，完全转化的工艺气体(8)被冷却至250-300℃。在工艺气体冷却器中，一部分so3与水蒸气反应以形成硫酸蒸气(so3的水合)。然后，在硫酸冷凝器(11)中工艺气体(10)被进一步冷却至约100℃，在那里进行so3的最终水合和h2so4的冷凝。

硫酸冷凝器(11)可以被构造成，工艺气体(10)在竖直管中流动而冷却空气(23)在壳侧上流动，或者可替代地，工艺气体(10)在水平管的壳侧上，而冷却空气(23)或硫酸装置进料气体在管侧上。硫酸冷凝器还可被构造为填充塔，在那里工艺气体与循环硫酸逆流接触。

清洁的工艺气体(12)可选地通过加入热空气(25)而被再加热，然后可选地被加热的气体(13)通过烟囱(14)排放到大气中。

可替代地，清洁的工艺气体(12)被发送至尾气处理单元，条件是清洁的气体中的污染物的组成超过当地排放限制。这种尾气处理单元通常是用于去除so2的洗涤器和/或用于去除硫酸雾的过滤器。尾气处理单元也可以是第二so2转化器和第二硫酸冷凝器。

在硫酸冷凝器中被冷凝的硫酸(47)流入浓缩器塔(55)的顶部。处在塔的顶部上的是液体分布器，以确保供给到浓缩器塔的填充床的硫酸被均匀地分布在整个横截面区域上，以提供硫酸与干燥空气之间的可能的最佳接触。在浓缩器塔的填充床中，刚好在液体分布器的下游，硫酸与空气逆流接触，此处的空气是在干燥空气单元(40)中产生的热干燥空气(45)。干燥空气单元通常是干燥剂吸收除湿器，但是干燥空气也可以是被压缩至5-10barg和/或冷却至低温以便冷凝出大部分水的环境空气。

干燥空气在被发送至浓缩器塔之前通常被加热至200-300℃。

通过从向下流动的硫酸中主要汽提出水(但也有一些硫酸)，硫酸浓度增大。含有水和硫酸蒸气(46)的干燥空气流入硫酸冷凝器(11)的底部中，在那里它与来自工艺气体冷却器(9)的工艺气体(10)混合。

离开isac塔(48)底部的热浓硫酸流到离心热硫酸泵(49)，在那里硫酸的压力被增大以补偿可选的下游热交换器中的任何压降，并增大硫酸循环回路(56+54)中的高程。

为了确保硫酸泵不会干转，优选地在泵的吸入侧设置储液器或储罐。储液器或储罐可被集成在硫酸浓缩器塔中，或者设置位于浓缩器塔(55)的出口与硫酸再循环泵(49)的入口之间的单独的储罐。

然后，离开硫酸泵的热硫酸(50)被分成两股流。硫酸产物流(51)被引导至硫酸冷却系统(未示出)，用以冷却至30-40℃并被发送以储存、运输或用于另一工艺。

硫酸循环流(56)可选地被引导至硫酸加热器(53)，在那里硫酸温度被增加至200-270℃。然后，热硫酸(54)被引导至浓缩器塔(55)的顶部，在那里热硫酸被与来自硫酸冷凝器(47)的硫酸混合，并向下流经浓缩器塔(55)的填充床。

可替代地，硫酸产物流(51)可借助于位于硫酸储液器中的溢流管，在硫酸泵(49)的上游被排出，该溢流管可处在浓缩器塔(55)外部或被集成到该浓缩器塔中。硫酸循环回路的一个优点是浓缩器塔顶部处的硫酸浓度增大(47)，从而进一步增大浓缩器塔出口(48)处的硫酸浓度。

另一个优点是浓缩器塔中硫酸流量增大，从而在不超过最大气液比的条件下允许更高流量的干燥热空气(45)，最大气液比对于该系统而言为约0.4nm³空气/kg的硫酸。以更高的气液比进行操作，将增大填充床的部分变干的风险，从而导致塔中较低的汽提效率。

这两个优点允许在离开硫酸冷凝器(11)底部的几乎任何给定的硫酸浓度下，都能产生>98.0wt％的硫酸产物。

如上所述，硫酸循环系统还可被设计为没有硫酸加热器(53)，但因此干燥空气(45)的温度优选被增加至300-700℃，以提供足够的能量从硫酸中汽提出水。这有利地通过将硫酸再循环结合至浓缩器塔的顶部以确保填料的完全润湿、并且热量从热干燥空气有效地传递到向下流动的硫酸来实现。热干燥空气的冷却不足会损坏硫酸冷凝器。

在一种替代方案中，回收硫酸管线(54)被引导至硫酸冷凝器的底部，并在被引导至浓缩器塔的顶部之前与冷凝器硫酸混合，由此提供两种硫酸流的更好的混合和更简单的机械构造。

装备有外部硫酸浓缩器塔的wsa装置的描述

在图2中，示出了现有技术的另一实施例。在该实施例中，浓缩器塔(55)被安装在硫酸冷凝器(11)的外部容器中，但硫酸浓缩的原理与图1所述的相同。来自硫酸冷凝器(47)的硫酸直接流到离心热硫酸泵(49)，该泵用于泵送硫酸通过可选的硫酸加热器(53)并达到浓缩器塔(54)的液体入口的高程。这意味着硫酸冷凝器(11)的硫酸出口不必升高到浓缩器塔(55)的上方以允许硫酸从硫酸冷凝器靠重力流动到浓缩器塔。优选地，来自硫酸浓缩器(46)的含h2so4和h2o的空气通过其与来自so2转化器(10)的工艺气体混合而被传递到硫酸冷凝器。在清洁的硫酸浓缩器废气(46)被加入到来自so2转化器(10)的工艺气体之前，可选地在除雾器(58)中去除来自硫酸浓缩器塔(59)的空气中的任何液体夹带物或硫酸雾。

硫酸产物经由管线51在处于离心硫酸泵(49)上游的位置处被排出，优选地经由浓缩器塔(55)内的硫酸储液器中的溢流管被排出。

为了防止工艺气体管(46a)和(10a)中的硫酸冷凝，优选在与来自so2转化器(10)的工艺气体混合之前，将300-700℃的热空气(32)加入到清洁的硫酸浓缩器废气空气(46)。然后，将合并的工艺气体(10a)传递到硫酸冷凝器(11)。热空气(32)源优选是来自硫酸冷凝器(11)的热冷却空气(24)，其在附加的空气加热器(31)中被进一步加热到300-700℃的温度。可替代地，热空气(32)可以作为从热干燥空气到硫酸浓缩器(45)的支流。

汽提介质并非必须是干燥空气，而是也可以是环境空气，前提是水含量不太高。类似地，任何具有足够低水含量的工艺气体也可被用作汽提空气。在这种情况下，可以省略空气干燥单元，以降低资本和操作成本。

工艺气体被理解为来自wsa装置或来自任何其它工艺装置的工艺气体。工艺气体的最重要的参数是工艺气体中的水浓度。在其中工艺气体取自wsa装置的情况下，例如取自so2转化器(8)中的最后催化剂床的出口的情况下，相对于三氧化硫的浓度考虑水浓度，因为三氧化硫将根据水合反应(1)与工艺气体中的水反应来形成硫酸：

so3(g)+h2o(g)＝h2so4(g)+101kj/mole(1)

与使用环境空气作为汽提介质类似，然而，当基于标称值的h2o浓度减去基于标称值的so3浓度高于约3-4.5vol％时，可能难以获得98.0-98.5wt％的硫酸产物浓度。

装备有集成的硫酸浓缩器塔和借助于空气提升泵的硫酸再循环的wsa装置的描述

在图3中示出并将在下面详细描述wsa装置如何处理含硫进料以形成浓硫酸，其中集成式硫酸浓缩单元设置有使用空气提升泵的硫酸再循环回路。

含硫进料(1)可以是液体或气体，其在800-1200℃条件下在热燃烧器(3)中与热空气(28)和可选的辅助燃料(2)一起焚烧。在该温度，进料流中的所有硫被转化为二氧化硫(so2)。然后，在含有用于将so2转化为so3的催化剂的绝热催化层(7)中将浓度介于97与99.9％之间的so2转化为so3之前，在废热锅炉(5)中冷却含so2的工艺气体(4)。根据所需的so2转化效率，一至三个在其之间进行工艺气体冷却的催化层将是必要的。

然后，完全转化的工艺气体(8)在工艺气体冷却器(9)中被冷却至250-300℃。在工艺气体冷却器中，一部分so3与水蒸气反应以形成硫酸蒸气(so3的水合)。然后，在硫酸冷凝器(11)中工艺气体(10)被进一步冷却至约100℃，在那里进行so3的最终水合和h2so4的冷凝。

硫酸冷凝器(11)可以被构造成，工艺气体(10)在竖直管中流动而冷却空气(23)在壳侧上流动，或者可替代地，工艺气体(10)在水平管的壳侧上而冷却空气(23)或硫酸装置进料气体在管侧上。硫酸冷凝器还可被构造为填充塔，在那里工艺气体与循环硫酸逆流接触。

清洁的工艺气体(12)可选地通过加入热空气(25)而被再加热，然后加热后的气体(13)通过烟囱(14)可选地被排放到大气。

可替代地，清洁的工艺气体(12)被发送至尾气处理单元，条件是清洁的气体中的污染物的组成超过当地排放限制。这种尾气处理单元通常是用于去除so2的洗涤器和/或用于去除硫酸雾的过滤器。尾气处理单元也可以是第二so2转化器和第二硫酸冷凝器。

在硫酸冷凝器中被冷凝的硫酸(47)流入浓缩器塔(55)的顶部。处在塔的顶部上的是液体分布器，以确保供给到浓缩器塔的填充床的硫酸被均匀地分布在整个横截面区域上，以提供硫酸与干燥空气之间的可能的最佳接触。在浓缩器塔的填充床中，刚好在液体分布器的下游，硫酸与在干燥空气单元(40)中产生的热干燥空气(45)逆流接触。干燥空气经由管线(41)在干燥空气鼓风机(42)中被压缩，并经由管线(43)被引导至干燥空气加热器(44)，空气通常在经由管线(45)被发送至浓缩器塔之前被加热至200-300℃。通过从向下流动的硫酸中主要汽提出水(但也有一些硫酸)，硫酸浓度增大。含有水和硫酸蒸气(46)的干燥空气流入硫酸冷凝器(11)的底部中，在那里它与来自工艺气体冷却器(9)的工艺气体(10)混合。

在硫酸冷凝器中，工艺气体(10+46)利用环境空气(23)被间接冷却，该环境空气已经通过颗粒/粉尘过滤器(20)并经由管线21到达冷却鼓风机(22)，在那里空气被压缩并经由管线23被引导至硫酸冷凝器。

离开isac塔(48)底部的热浓硫酸通过重力流到再循环硫酸(48)和气态提升介质(74)的混合点(75)。

提升介质通常是空气(70)，其在空气压缩机(71)中已被压缩，并在通过管线74引导至混合点(75)之前经由管线72被发送到可选的空气加热器(73)。硫酸/空气混合物(56)将通过可选的硫酸加热器(53)，并通过水平或稍微向下倾斜的管件(54)，以在分离的流体被引导至浓缩器塔(55)中的液体分布器上方的位置之前分离硫酸和空气。它可位于硫酸冷凝器(11)的底部或浓缩器塔中。

在图中，分离的硫酸和空气经由单个管进入浓缩器塔，但是在浓缩器外部进行分离并且硫酸和载流体经由单独的管进入也是一种可能性，并且允许两股流进入最佳注入点。

硫酸和载流体的分离也可以在容器(竖直或水平)或竖直管中进行，竖直管与上导管相比具有增大的内径。分离器管或容器的内径必须足够大，以允许硫酸和载流体的充分分离，其通常最小为上导管(56)的内径的2-3倍。因此，上导管将通常延伸至竖直分离器管中至少约一个管直径。硫酸经由被放置在上导管的端部的水平面下方的连接管从竖直分离器管被排出。载流体从分离器管的顶端被排出。然后，分离的硫酸和载流体经由分离的管进入到最佳注入点。

来自流(54)的空气与来自硫酸浓缩器塔(46)的废气混合，并被引导至硫酸冷凝器用以冷却和冷凝硫酸蒸气。

由于空气提升泵的提升高度受到限制，硫酸加热器(53)中的压力损失优选尽可能地低。

因此，普通的壳和管或板式热交换器可能无法应用在上导管区段上。在向上区段可以使用竖直管热交换器，竖直管热交换器例如具有微波加热或电加热。一种替代解决方案是增大上导管的提升高度，分离载气和液体，并在被加热的硫酸进入到浓缩器塔之前使液体由于重力而向下流到热交换器。

为了确保在管线(48)上有足够的浸没高度，优选在空气提升泵的入口侧处设置一个高程储液器或储罐。它可以被集成在硫酸浓缩器塔(55)中，可以是单独的储罐或仅是位于浓缩器塔的出口和硫酸与提升介质混合点(75)的入口之间的管件。

产物流(51)通常将流经上述高程储液器中的溢流装置，以保持储液器的恒定高度。还可以从硫酸/空气混合物管中分离产物流，前提是期望升高硫酸，例如为了更好的重力流动。在硫酸冷却系统(未示出)中产物流被冷却至30-40℃，并被发送用以储存、运输或在另一工艺中直接使用。

如上所述，硫酸循环系统也可被设计成没有硫酸加热器(53)，但因此优选将干燥空气(45)的温度提高至300-700℃，以便供应足够的能量从硫酸中汽提出水。这仅可以通过将硫酸回收到浓缩器塔的顶部从而确保填料完全润湿、并且热量从热干燥空气有效传递到向下流动的硫酸来实现。热干燥空气的冷却不足可能损坏硫酸冷凝器。

在这种具有热干燥空气的布局中，离开浓缩器(48)的硫酸对于再循环回路中的酸管道可能变得过热，并且为了控制该温度，冷硫酸的流(未示出)可连接到出口管。这种冷硫酸流可以是来自硫酸产物冷却系统的硫酸产物或任何其它较冷的硫酸。浓缩器塔可以比管道承受更高的硫酸温度，并且因此可以在浓缩器塔的填充床中进行热(和有效的)汽提，同时通过将一定量的较冷硫酸注入到管道系统中来保护硫酸管道。过多的冷硫酸进入将需要经由热汽提空气的更高的热量供应。

装备有外部硫酸浓缩器塔的wsa装置和借助于空气提升泵的硫酸再循环的描述

图4中示出本发明的另一实施例。在该实施例中，其大部分类似于图3中示出的wsa装置布局，浓缩器塔(55)被安装在硫酸冷凝器(11)的外部容器中。来自硫酸冷凝器(47)的硫酸直接流动以与再循环的硫酸(48a)进行混合，以经由管线(48b)被引导至硫酸/提升介质混合点(75)。这放松了对硫酸冷凝器的液体出口的高程的要求。为了避免液体在硫酸冷凝器中积聚，硫酸冷凝器液体出口的高程必须高于硫酸储液器的液体出口的高程。在该实施例中，硫酸冷凝器的高度可以低于图3所述的实施例中的硫酸冷凝器高度。

提升介质通常是空气(70)，其已经在空气压缩机(71)中被压缩，且可选地经由管线(72)被供给到空气加热器(73)，并经由管线(74)被引导至硫酸/空气混合点(75)。

可选地，硫酸/空气混合物(56)在硫酸加热器(53)中被加热，并且空气和硫酸在水平或稍微向下倾斜的管(54)中被分离，该管通向浓缩器塔(55)中的液体分布器(57)的上方的位置。

在图中，分离的硫酸和空气通过单个管进入浓缩器塔，但是分离在浓缩器外部进行，并且使硫酸和载流体通过单独的管进入也是一种可能性，并且将允许两种流的最佳注入点。

硫酸和载流体的分离也可以在容器(垂直或水平)或与上导管相比具有增大的内径的竖直管中进行。分离器管或容器的内径必须足够大，以允许硫酸和载流体的充分分离，通常最小为上导管的内径的2-3倍。然后，上导管将通常延伸进入竖直分离器管中至少约一个管直径。硫酸经由被放置在上导管的端部的水平面下方的连接管从竖直分离器管中被排出。载流体从分离器管的顶端被排出。然后，分离的硫酸和载流体经由分离的管进入到最佳注入点。

再循环的硫酸经由硫酸分布器进入下方的填充床，在那里向上流动的热干燥空气(45)汽提出水(和一些硫酸)，以增大向下流动的硫酸的浓度。来自54的提升空气与热汽提介质(59)进行混合，并在与热空气(32)混合之前通过除雾器(58)，并经由管线(46a)与来自so2转化器(10)的工艺气体进行混合。

为了防止硫酸在工艺气体管(46a)和(10a)中冷凝，优选地，在与来自so2转化器(10)的工艺气体混合之前，将300-700℃的热空气(32)加入到清洁的硫酸浓缩器废气空气(46)。然后将合并的工艺气体(10a)传递到硫酸冷凝器(11)。热空气(32)源优选是来自硫酸冷凝器(11)的热冷却空气(30)的一部分，其在附加的空气加热器(31)中被进一步加热至300-700℃的温度。可替代地，热空气(32)可以作为从热干燥空气到硫酸浓缩器(45)的支流。

改进的硫酸浓缩器的独立版本的描述

图5示出了使用本发明的硫酸浓缩单元的独立版本，该独立版本接收需要与热硫酸产物进行热交换以便具有高能效的冷硫酸。由于空气提升泵具有受限的排出压力/提升高度，因此可以使用双空气提升泵布置。

冷硫酸进料(57)首先在硫酸产物冷却器(58)中，通过与热浓硫酸产物流(51)进行热交换而被预热。硫酸产物冷却器可以分成多个串联的热交换器，以便降低投资成本。热交换器(58)的特征在于热硫酸产物流(51)通过重力流动，冷却的硫酸产物(59和62)的流量可以通过阀(61)来控制，该阀保持硫酸浓缩器塔中的硫酸储液器或外部储液器中的液位恒定。

来自浓缩器塔(48)的热硫酸产物被引导到第一空气提升泵混合装置(75)，在那里优选为空气的载流体(77)的流被注入以形成在管线(56)中向上移动的两相流。在给定高度处，该流被分成流到硫酸产物冷却器(58)的热硫酸产物流(51)、通过重力向下流到第二空气提升泵(78)的热硫酸流(79)、和优选被注入到硫酸浓缩器塔(55)上方的位置中以与离开浓缩器塔(46)的汽提介质混合的载流体(81)。分离区段(82)可以是储液器，其中热硫酸产物(51)的流量通过简单的溢流管来控制，因此可以省略流量控制阀(61)。

经由管线(79)被回收的硫酸量取决于硫酸进料(57)的初始浓度和硫酸产物(62)的期望浓度。浓度差越高，回收流量将越大。

在第二空气提升泵(78)中，再循环的热硫酸流(79)与来自硫酸产物冷却器(58)的加热的硫酸进料(60)混合。载流体流(77)被注入到混合器(78)中，使得两相流体(80)向上移动到可选的硫酸加热器(53)，以将硫酸加热至200-270℃，并且经由管线(54)进入位于填充床中的液体分布器上方的位置的硫酸浓缩器(55)。该管线是水平的或稍微向下倾斜的，以确保硫酸和载流体的良好分离。在图中，分离的硫酸和空气经由单个管进入浓缩器塔，但是在浓缩器外部进行分离并经由单个管使硫酸和载流体进入也是一种可能性，并且将允许两种流的最佳注入点。

硫酸和载流体的分离也可以在容器(竖直或水平)或与上导管相比具有增大的内径的竖直管中进行。分离器管或容器的内径必须足够大，以允许硫酸和载流体的充分分离，其通常最小为上导管的内径的2-3倍。然后，上导管将通常延伸进入竖直分离器管中至少约一个管直径。硫酸经由被放置在上导管的端部的水平面下方的连接管从竖直分离器管被排出。载流体从分离器管的顶端被排出。然后，分离的硫酸和载流体经由分离的管进入到最佳注入点。

来自管线(54)的再循环的硫酸与来自硫酸冷凝器(47)的硫酸合并，并流到硫酸分布器以被均匀地分布在填充床上。通过向上流动的热干燥空气(45)从硫酸中汽提出水和少量硫酸，该热干燥空气已经在干燥单元(40)中被干燥，在干燥空气鼓风机(42)中被压缩，首先在硫酸冷凝器(11)中被加热，在干燥空气加热器(44)中被进一步加热并经由管(41、43、24和45)被引导至硫酸浓缩器。干燥空气在硫酸冷凝器的壳侧上被加热至180-240℃，并经由管线(24)在底部出口处离开硫酸冷凝器。在通过管线(45)被发送至浓缩器塔(55)的空气入口之前，被部分加热的干燥空气在空气加热器(44)中被进一步加热至约300-700℃。空气的最终加热可以通过电加热或与例如饱和或过热蒸汽、工艺气体、熔融传热盐或传热油的间接热交换进行，或者利用上述方法的组合进行。

含有水和硫酸的汽提介质(46)与载流体(54和81)合并，并通过硫酸冷凝器，在该硫酸冷凝器中空气被冷却，硫酸被冷凝并返回到浓缩器塔，湿空气经由管线12离开冷凝器。在硫酸冷凝器中，气体(46+81+54的气体部分)被冷却到通常70-120℃，而硫酸蒸气被冷凝为90-98wt％h2so4。

优选地，在将冷凝器废气(12)释放到大气(17)之前，使其通过除雾器(16)以去除少量硫酸雾。除雾器可以是任何类型：低速烛式过滤器或湿式静电除尘器是最常用的技术。

载体介质通常是空气、环境空气或干燥空气(70)，其在压缩机/鼓风机71中被压缩并可选地经由管线(72和74)而在空气加热器(73)中被加热。空气被分成进入第一空气提升泵(76)的部分和进入第二空气提升泵(77)的部分。

在一个替代实施例中，硫酸产物(51)从硫酸储液器中的溢流管中被排出，该溢流管被集成在浓缩器塔中或外部容器中。通过确保溢流管与硫酸产物冷却器(58)之间的高程足够地高，热硫酸产物可以通过重力流动，并且因此与冷硫酸进料(57)交换热量。在这种布局中，可以省略第一空气提升泵(75)，并且回收的热硫酸(48)可被引导至第二空气提升泵(78)以与加热的硫酸进料(60)和载流体(76)混合。

在一个特定的实施例中，回收硫酸加热器(53)预计为板框式、块式、壳管式、双管式或类似的类型。用于回收硫酸加热器的加热介质预计为传热油，但它也可以是其它传热介质，如过热蒸汽、冷凝高压蒸汽或熔融传热盐。可替代地，加热可直接通过电装置、或者通过来自电阻器的热传导或被转化为微波的电能来完成，该微波被吸收到管或流动槽中的硫酸中。

在专利文献de102007059802b3中描述了使用具有传热油作为加热介质的双管布置的回收加热器。

在一个特定的实施例中，省略了再循环硫酸加热器，并且为了向系统中提供足够的热量，必须将热空气温度升高至350-700℃。

在下面的示例中进一步描述本发明。

示例1

为了评价和优化空气提升泵在硫酸浓缩器布局中的性能，已经以水作为液相并以装置空气作为载体介质进行了实验。两种流体的温度均为室温，即，20-25℃。

实验装置由高程储液器、在储液器下方延伸的竖直管区段(浸没区段)、u形管、比储液器管更长的竖直管(提升区段)、用于分离空气和水的水平管和用于将水返回到储液器的管组成。空气注入装置位于提升区段中，尽可能靠近u形弯管，同时避免空气回流到连接到储液器的管。

空气是装置空气，流量通过阀控制，并且流量利用可变面积计量器(variableareameter)来测量。

浸没区段和提升区段的内管径均为46mm。测试了空气注入装置的不同设计。测试了具有可变直径的单个竖直管，还测试了具有数个较小孔的孔板。

储液器中的水位可被改变，以与提升区段的总高度(＝浸没高度+提升高度)相比，测试浸没高度的影响。提升区段的总高度为3.05米，浸没高度为1.45米或1.15米。所谓的s/l比为1.45/3.05＝0.48或1.15/3.05＝0.38。

实验结果在表1中被示出。实验#1-7记载了液体流量容易通过载流体的流量控制，即较高的载流体流量导致较高的液体流量。然而，由于增大载流体流量的效果随着载流体流量而降低，并且最终液体流量可能开始降低，所以存在液体流量的上限。

如果需要更高的液体流量容量，则可以增大管直径，或者可以使用两个或更多个具有较低容量的平行空气提升泵。

实验#5和8-12示出了空气注入装置设计对液体流量具有可测量的影响，然而，最有效和最无效的设计之间的跨度为约10％。

实验#5、9和13-14示出了s/l比的影响，记载了通过将s/l比从0.38增大到0.48，或者通过增大储液器的高度和/或降低提升高度，50％的液体流量增大。

表1

示例2

该示例示出了工业规模的wsa装置的设计，该装置装配有如图4所示构造的位于外部的硫酸浓缩器。

wsa装置处理来自能量装置的废气，产生约4t/h的浓硫酸，h2so4浓度为94.5wt％。期望硫酸产物浓度为98.0wt％h2so4。

还可使用在图3中示出的布局，但是由于硫酸冷凝器的尺寸，多于一个单个硫酸浓缩器将是必要的，这是由于冷凝器将装备有多于一个单个硫酸出口管。

除了来自硫酸冷凝器的浓硫酸外，少量50kg/h70wt％的h2so4流被加至硫酸管线(47)中。

硫酸浓缩器从能量装置的加压空气系统中排出用于空气提升泵(72)的载流体。在与回收硫酸(48b)混合之前，载流体在载流体加热器(73)中被预热。载流体的流量对应于每吨硫酸12-15nm³载流体。

浓缩器塔的底部区段作为硫酸的储液器，且浸没高度为2.8米而提升高度为3.6米，即，如在示例1中所定义的s/l比为2.8/(2.8+3.6)＝0.44。

通过溢流管保持储液器中的液体高度恒定，将热硫酸产物(51)引导到硫酸冷却回路用以冷却至30-40℃，随后泵送到储罐。

与3.7吨/小时的硫酸产物流量相比，硫酸回收流量(48b)为11吨/小时，即，回收比为3。硫酸管道为id75mm的ptfe内衬钢管。

在该设计中省略了硫酸加热器(53)，因此用于硫酸加热和水蒸发的能量经由汽提介质(45)供应。

汽提介质是环境空气，通过利用在冷却器单元(40)中产生的水/乙二醇溶液冷却而被干燥至15℃的露点温度，在干燥空气鼓风机(42)中被压缩并在干燥空气加热器(44)中被加热至540℃，在这种情况下该干燥空气加热器是电加热器。

来自填充塔和除雾器(46)的废气与一定量的取自硫酸冷却空气出口流(24)的热空气混合，并在热空气加热器(31)中被进一步加热，在这种情况下，该热空气加热器是电加热器。用于加热的其它选项可以是过热蒸汽、熔融盐或其它热的工艺气体。

合并的硫酸浓缩器废气(46a)与来自so2转化器(10)的工艺气体混合，并通向硫酸冷凝器(11)。

合并的硫酸浓缩器废气(46a)对应于小于2％的工艺气体(10)，因此对硫酸冷凝器(11)的尺寸的影响非常小。

合并的硫酸浓缩器废气(46a)包含汽提介质(45)、热空气(32)、空气提升泵载流体(62)和一定量的蒸发的水(和硫酸)。来自空气提升泵载流体的贡献为来自so2转化器(10)的总废气的约3％和工艺气体的约0.05％，即，空气提升泵的空气消耗对影响wsa装置和硫酸浓缩器的设计或操作两者均是无关紧要的。

示例3

在该示例中，wsa装置装备有外部硫酸浓缩器，如图4所示。

工艺气体来自燃烧工艺。由于工艺气体具有非常高的水浓度，来自硫酸冷凝器的硫酸浓度仅为89.3wt％h2so4，流量为2215kg/h。期望的硫酸浓度为93wt％h2so4，其非常适于例如磷肥的生产。得到的硫酸产物流量为2125kg/h。

由于水蒸气和硫酸的差异在89wt％下比在94wt％下高得多，因此与从94wt％到98wt％h2so4相比，从89wt％到93wt％h2so4的浓缩容易得多，在该示例中，硫酸浓缩器可被设计成对汽提介质中的水含量和输入到汽提区段的能量具有不太严格的需求。

硫酸浓缩器在很大程度上如示例2所示那样被构造，然而，由于对浓缩硫酸的需求适度，因此已省略载流体加热器(73)。载流体流量对应于每吨硫酸12-15nm³载流体。

s/l比为0.44，如示例2所述，与硫酸产物流量相比，硫酸再循环比为2.4。硫酸管道是id63mm的ptfe内衬钢管。

在这种情况下，汽提介质(45)是来自硫酸冷凝器(24)的冷却空气，其在进入到硫酸浓缩器塔(55)之前已经在鼓风机(42)中进一步压缩并且在空气加热器(44)中进一步加热至330℃。汽提器废气(46)与热空气(32)进行混合，该热空气也是来自硫酸冷凝器(24)的热空气，在鼓风机中被压缩并在热空气加热器(31)中被进一步加热，该热空气加热器在该布局中是电加热器。

然后，将总的硫酸浓缩器塔废气(46a)混合到来自so2转化器(10)的工艺气体流中；废气与来自so2转化器的工艺气体流的小于1％相对应。

载流体流(72)与小于3％的浓缩器塔废气和约0.02％的来自so2转化器的总工艺气体相对应，即，载流体流对硫酸浓缩器和wsa装置的尺寸和操作都没有实际影响。

与示例2相比，硫酸浓缩器的消耗量(流量、功率等)低得多，由于两个硫酸冷凝器硫酸均已增大了约4wt％h2so4，这是对最终产物的浓缩要求较低而不是对浓缩程度要求较低的结果。

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