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Caldeiras

Segurança na operação de unidades de processo 3

Sumário

1 O vapor no século XX 5

• Classificação das caldeiras 7

2 Caldeiras flamotubulares 10

• Caldeiras de tubos verticais 10

• Caldeiras de tubos horizontais 11

• Vantagens e desvantagens das caldeiras flamotubulares 14

• Partes das caldeiras flamotubulares 15

3 Caldeiras aquatubulares 17

• Tipos de caldeiras aquatubulares 17

• Caldeiras compactas 21

• Caldeiras de circulação positiva 21

4 Caldeiras elétricas 23

• Características 23

• Tipos de caldeiras elétricas 24

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Segurança na operação de unidades de processo4

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O vapor no século XX

No século XX, a máquina a vapor, como fornecedora de energia foi sendo substituída

por:

• turbinas a vapor, para a geração de energia elétrica;

• motores de combustão interna para transporte;

• geradores para fontes portáteis de energia;

• por motores elétricos, para uso industrial e doméstico.

Mesmo assim, o vapor ainda hoje tem extensa aplicação industrial, nas mais diversas

formas, dependendo do tipo de indústria e da região onde está instalada

O vapor produzido em um gerador de vapor pode ser usado de diversas formas:

• em processos de fabricação e beneficiamento;

• na geração de energia elétrica;

• na geração de trabalho mecânico;

• no aquecimento de linhas e reservatórios de óleo combustível;

• na prestação de serviços.

Nos processos de fabricação e de beneficiamento, o vapor é empregado em:

∗ Indústria de bebidas e conexos: nas lavadoras de garrafas, tanques de xarope,

pasteurizadoras.

∗ Indústrias madeireiras: no cozimento de toras, secagem de tábuas ou lâminas em

estufas, em prensas para compensados.

∗ Indústria de papel e celulose: no cozimento de madeira nos digestores, na seca-

gem com cilindros rotativos, na secagem de cola, na fabricação de papelão corru-

gado.

∗ Curtumes: no aquecimento de tanques de água, secagem de couros, estufas,

prensas, prensas a vácuo.

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∗ Indústrias de laticínios: na pasteurização, na esterilização de recipientes, na fabri-

cação de creme de leite, no aquecimento de tanques de água, na produção de

queijos, iogurtes e requeijões (fermentação).

∗ Frigoríficos: nas estufas para cozimento, nos digestores, nas prensas para extra-

ção de óleo.

∗ Indústria de doces em geral: no aquecimento do tanque de glicose, no cozimento

de massa em panelas sob pressão, em mesas para o preparo de massa, em estu-

fas.

∗ Indústria de vulcanização e recauchutagem: na vulcanização, nas prensas.

∗ Indústrias químicas: nas autoclaves, nos tanques de armazenamento, nos reato-

res, nos vasos de pressão, nos trocadores de calor.

∗ Indústria têxtil: utiliza vapor no aquecimento de grandes quantidades de água para

alvejar e tingir tecidos, bem como para realizar a secagem em estufas.

∗ Indústria de petróleo e seus derivados: nos refervedores, nos trocadores de calor,

nas torres de fracionamento e destilação, nos fornos, nos vasos de pressão, nos

reatores e turbinas.

∗ Indústria metalúrgica: nos banhos químicos, na secagem e pintura.

A geração de energia elétrica através de vapor é obtida nas usinas termoelétricas e

outros pólos industriais. Para isso, os equipamentos são compostos basicamente de

um gerador de vapor superaquecido, uma turbina, um gerador elétrico e um conden-

sador.

O vapor é também utilizado para a movimentação de equipamentos rotativos, na ge-

ração de trabalhos mecânicos.

Nas indústrias onde é usado “óleo combustível pesado”, é necessário o aquecimento

das tubulações e reservatórios de óleo, a fim de que ele possa fluir livremente e pro-

porcionar uma boa combustão. Isso é feito por meio dos geradores de vapor.

Além desses usos industriais, os hospitais, as indústrias de refeições, os hotéis e si-

milares utilizam o vapor em suas lavanderias e cozinhas e no aquecimento de ambi-

entes.

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Classificação das caldeiras

As caldeiras podem ser classificadas de acordo com:

⇒ classes de pressão;

⇒ grau de automação;

⇒ tipo de energia empregada;

⇒ tipo de troca térmica.

De acordo com as classes de pressão, as caldeiras foram classificadas segundo

a NR-13 em:

• Categoria A: caldeira cuja pressão de operação é superior a 1960 kPa

(19,98kgf/cm2);

• Categoria C: caldeiras com pressão de operação igual ou inferior a 588 kPa

(5,99kgf/cm2) e volume interno igual ou inferior a 100 litros;

• Categoria B: caldeiras que não se enquadram nas categorias anteriores.

De acordo com o grau de automação, as caldeiras podem se classificar em: manu-

ais, semi-automática e automática.

De acordo com o tipo de energia empregada, elas podem ser do tipo: combustível

sólido, liquido, gasoso, caldeiras elétricas e caldeiras de recuperação.

Existem outras maneiras particulares de classificação, a saber: quanto ao tipo de

montagem, circulação de água, sistema de tiragem e tipo de sustentação.

Tipos de caldeiras

A classificação mais usual de caldeiras de combustão refere-se à localização de

água/gases e divide-as em: flamotubulares, aquatubulares e mistas.

As caldeiras flamotubulares ou fogotubulares são aquelas em que os gases proveni-

entes da combustão (gases quentes) circulam no interior dos tubos, ficando por fora a

água a ser aquecida ou vaporizada.

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A ilustração a seguir é uma representação esquemática da caldeira flamotubular.

Ao se acompanhar o processo evolutivo por que passaram os geradores de vapor,

nota-se que nas caldeiras flamotubulares primitivas a superfície de aquecimento era

muito pequena, tendo como conseqüência uma baixa vaporização específica (12 a

14kg de vapor gerado/m²).

Embora essa capacidade tenha sido ampliada com o aumento do número de tubos,

por mais tubos que se colocassem dentro da caldeira, essa superfície ainda continua-

va pequena, causando o baixo rendimento térmico e a demora na produção de vapor.

Com a evolução dos processos industriais, aumentou muito a necessidade de caldei-

ras com maior rendimento, menos consumo, rápida geração e grandes quantidades

de vapor. Baseados nos princípios da transferência de calor e na experiência com os

tipos de caldeiras existentes, os fabricantes inverteram a forma de geração de calor:

trocaram os tubos de fogo por tubos de água, o que aumentou muito a superfície de

aquecimento, surgindo a caldeira aquatubular.

Seu princípio de funcionamento baseia-se no princípio da Física que diz que quando

um líquido é aquecido, as primeiras partículas aquecidas ficam mais leves e sobem,

enquanto que as frias, que são mais pesadas, descem. Recebendo calor, elas tornam

a subir, formando assim um movimento contínuo, até que a água entre em ebulição.

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Na ilustração a seguir, podemos notar que a água é vaporizada nos tubos que cons-

tituem a parede mais interna, subindo ao tambor de vapor, dando lugar a nova quan-

tidade de água fria que será vaporizada e assim sucessivamente.

As caldeiras mistas são caldeiras flamotubulares que possuem uma ante-fornalha

com parede d’água. Normalmente são projetadas para a queima de combustível sóli-

do.

A caldeira elétrica é um equipamento cujo papel principal é transformar energia elétri-

ca em térmica, para transmiti-la a um fluido apropriado, geralmente água.

A produção de vapor, em uma caldeira elétrica, baseia-se no fato de que a corrente

elétrica, ao atravessar qualquer condutor, encontra resistência a sua livre circulação e

desprende calor (Efeito Joule). As partes constituintes dessas caldeiras serão estuda-

das em outros módulos.

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Caldeiras flamotubulares

O rendimento térmico da caldeira flamotubular é normalmente mais baixo e o espaço

ocupado por ela é proporcionalmente maior, embora atualmente já existam modelos

compactos desse tipo de caldeira. Apesar dessas restrições, seu emprego pode ser

indicado de acordo com as necessidades particulares de cada processo industrial,

sendo adequado para pequenas instalações industriais.

Neste fascículo serão estudadas algumas características e as partes componentes

das caldeiras flamotubulares.

Tipos de caldeiras flamotubulares

Caldeiras flamotubulares ou fogotubulares são aquelas em que os gases provenien-

tes da combustão (gases quentes) circulam no interior dos tubos e a água a ser

aquecida ou vaporizada circula pelo lado de fora.

Este tipo de caldeira é o de construção mais simples, e pode ser classificado quanto à

distribuição dos tubos, que podem ser tubos verticais ou horizontais.

Caldeiras de tubos verticais

Nas caldeiras de tubos verticais, os tubos são colocados verticalmente num corpo

cilíndrico fechado nas extremidades por placas, chamadas espelhos. A fornalha

interna fica no corpo cilíndrico logo abaixo do espelho inferior. Os gases de com-

bustão sobem através dos tubos, aquecendo e vaporizando a água que está em

volta deles.

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As fornalhas externas são utilizadas principalmente no aproveitamento da queima de

combustíveis de baixo poder calorífico, tais como: serragem, palha, casca de café e

de amendoim e óleo combustível (1A, 2A ... etc.)

Caldeiras de tubos horizontais

As caldeiras de tubos horizontais abrangem vários modelos, desde as caldeiras Cor-

nuália e Lancaster, de grande volume de água, até as modernas unidades compac-

tas. As principais caldeiras horizontais apresentam tubulões internos nos quais ocorre

a combustão e através dos quais passam os gases quentes. Podem ter de 1 a 4 tu-

bulões por fornalha.

Tipos de caldeiras de tubos horizontais

A caldeira Cornuália, um dos primeiros modelos desenvolvidos, é constituída de um

tubulão horizontal ligando a fornalha ao local de saída de gases. É de funcionamento

simples, porém de rendimento muito baixo.

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Suas principais características são: pressão máxima de operação de 10 kgf/cm², va-

porização específica 12 a 14 kg de vapor/m² e máximo de 100m² de superfície.

A caldeira Lancaster é de construção idêntica à anterior, porém tecnicamente mais

evoluída. Pode ser constituída de dois a quatro tubulões internos e suas característi-

cas são: área de troca térmica de 120 a 140m² e vaporização de 15 a 18 kg de va-

por/m². Algumas delas apresentam tubos de fogo e de retorno, o que apresenta uma

melhoria de rendimento térmico em relação às anteriores.

Na caldeira multitubular, a queima de combustível é efetuada em uma fornalha ex-

terna, geralmente construída em alvenaria instalada abaixo do corpo cilíndrico. Os

gases quentes passam pelos tubos de fogo, e podem ser de um ou dois passes. A

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maior vantagem é poder queimar qualquer tipo de combustível. Na figura a seguir,

temos um exemplo de caldeira multitubular.

A caldeira locomóvel, também do tipo multitubular, tem como principal característica

apresentar uma dupla parede em chapa na fornalha, pela qual a água circula.

Sua maior vantagem está no fato de ser fácil a sua transferência de local e de poder

produzir energia elétrica. É usada em serrarias junto à matéria-prima e em campos de

petróleo.

A caldeira escocesa, criada basicamente para uso marítimo, é o modelo de cal-

deira industrial mais difundido no mundo. É destinada à queima de óleo ou gás,

tendo ainda pressão máxima de 18 kgf/cm², rendimento térmico em torno de 83%

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e taxa de vaporização de 30 a 35 kg de vapor/m². A figura a seguir mostra esse

tipo de caldeira.

Vantagens e desvantagens das caldeiras flamotubulares

As principais vantagens das caldeiras deste tipo são:

⇒ custo de aquisição mais baixo;

⇒ exigem pouca alvenaria;

⇒ atendem bem a aumentos instantâneos de demanda de vapor.

Como desvantagens, apresentam:

⇒ baixo rendimento térmico;

⇒ partida lenta devido ao grande volume interno de água;

⇒ limitação de pressão de operação (máx. 15 kgf/cm²);

⇒ baixa taxa de vaporização (kg de vapor / m² . hora);

⇒ capacidade de produção limitada;

⇒ dificuldades para instalação de economizador, superaquecedor e pré-aquecedor.

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Partes das caldeiras flamotubulares

As caldeiras flamotubulares apresentam as seguintes partes principais: corpo, espe-

lhos, feixe tubular ou tubos de fogo e caixa de fumaça.

O corpo da caldeira, também chamado de casco ou carcaça, é construído a partir

de chapas de aço carbono calandradas e soldadas. Seu diâmetro e comprimento es-

tão relacionados à capacidade de produção de vapor. As pressões de trabalho são

limitadas (normalmente máximo de 20 kgf/cm²) pelo diâmetro do corpo destas caldei-

ras.

Os espelhos são chapas planas cortadas em forma circular, de modo que encaixem

nas duas extremidades do corpo da caldeira e são fixadas através de soldagem. So-

frem um processo de furação, por onde os tubos de fumaça deverão passar. Os tubos

são fixados por meio de mandrilamento ou soldagem.

O feixe tubular, ou tubos de

fogo, é composto de tubos

que são responsáveis pela

absorção do calor contido nos

gases de exaustão usados

para o aquecimento da água.

Ligam o espelho frontal com o

posterior, podendo ser de um,

dois ou três passes.

A caixa de fumaça é o local por onde os gases da combustão fazem a reversão do

seu trajeto, passando novamente pelo interior da caldeira (pelos tubos de fogo).

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O desenho a seguir mostra os componentes de uma caldeira flamotubular típica.

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Caldeiras aquatubulares

As caldeiras flamotubulares têm o inconveniente de apresentar uma superfície de

aquecimento muito pequena, mesmo se o número de tubos for aumentado.

A necessidade de caldeiras de maior rendimento, rapidez de geração de grandes

quantidades de vapor com níveis de pressão mais elevados, levou ao surgimento da

caldeira aquatubular 1.

Nesse tipo de caldeira, os tubos que, nas caldeiras flamotubulares, conduziam gases

aquecidos, passaram a conduzir a água, o que aumentou muito a superfície de aque-

cimento, aumentando bastante a capacidade de produção de vapor.

Neste módulo, serão estudados os vários tipos de caldeiras aquatubulares e suas

principais partes constituintes.

Tipos de caldeiras aquatubulares

Para fins didáticos, dividimos as caldeiras aquatubulares em quatro grandes grupos:

• caldeiras aquatubulares de tubos retos, com tubulão transversal ou longitudinal;

• caldeiras aquatubulares de tubos curvos, com diversos tubulões transversais ou

longitudinais utilizados na geração (máximo 5);

• caldeiras aquatubulares de circulação positiva;

• caldeiras aquatubulares compactas.

1 Embora as normas brasileiras (NR-13, NBR 12177 e NBR 11096) denominem esse tipo de caldeira de“aquotubular”, por contaminação do nome da caldeira flamotubular, a palavra correta que identifica essetipo de caldeira é aquatubular.

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Caldeiras aquatubulares de tubos retos

As caldeiras aquatubulares de tubos retos consistem de um feixe tubular de transmis-

são de calor, com uma série de tubos retos e paralelos, interligados a uma câmara

coletora. Essas câmaras comunicam-se com os tubulões de vapor (superiores), for-

mando um circuito fechado por onde circula a água.As ilustrações a seguir mostram o

sentido de circulação da água e a circulação dos gases quentes mediante três pas-

ses.

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Esse tipo de caldeira, incluindo as de tubulão transversal, conforme figuras abaixo

são as primeiras concepções industriais, que supriram uma gama de capacidade de

produção de 3 até 30 toneladas-vapor/hora, com pressões de até 45 kgf/cm². Os pro-

jetos foram apresentados pelas empresas Babcok & Wilcox e a Steam Muller Corp.

Vantagens e desvantagens das caldeiras aquatubulares de tubos retos

As principais vantagens das caldeiras deste tipo são:

• facilidade de substituição dos tubos;

• facilidade de inspeção e limpeza;

• não necessitam de chaminés elevadas ou tiragem forçada.

Como desvantagens apresentam:

• necessidade de dupla tampa para cada tubo, (espelhos);

• baixa taxa de vaporização específica;

• rigoroso processo de aquecimento e de elevação de carga (grande quantidade de

material refratário).

Caldeiras aquatubulares de tubos curvos

As caldeiras aquatubulares de tubos curvos não apresentam limites de capacidade de

produção de vapor. A forma construtiva foi idealizada por Stirling, interligando os tu-

bos curvos aos tubulões por meio de solda ou mandrilagem. A figura a seguir apre-

senta um esquema de caldeira com quatro tubulões, embora possa ter de três a cin-

co, o que confere a este tipo de gerador de vapor maior capacidade de produção.

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Partindo deste modelo, foram projetadas novas caldeiras. Com o objetivo de aprovei-

tar melhor o calor irradiado na fornalha, reduziu-se o número e o diâmetro dos tubos,

e acrescentou-se uma parede de água em volta da fornalha. Isso serviu como meio

de proteção do material refratário com o qual a parede da fornalha é construída, além

de aumentar a capacidade de produção de vapor.

Vantagens das caldeiras aquatubulares de tubos curvos:

• redução do tamanho da caldeira;

• queda da temperatura de combustão;

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• vaporização específica maior, variando na faixa de 30 kg de vapor/m² a 50 kg

de vapor/m2 para as caldeiras com tiragem forçada;

• fácil manutenção e limpeza;

• rápida entrada em regime;

• fácil inspeção nos componentes.

Caldeiras compactas

Dentro da categoria das caldeiras de tubos curvos surgiram as caldeiras compactas.

Com capacidade média de produção de vapor em torno de 30 ton/h, elas são equi-

pamentos apropriados para instalação em locais com espaço físico limitado

Por se tratar de equipamento compacto, apresenta limitações quanto ao aumento de

sua capacidade de produção.

Caldeira de circulação positiva

A circulação da água nas caldeiras ocorre por diferenças de densidade, provocada

pelo aquecimento da água e vaporização, ou seja circulação natural. Se a circulação

for deficiente, poderá ocorrer um superaquecimento localizado, com conseqüente

ruptura dos tubos.

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As figuras a seguir apresentam alguns tipos de circulação de água.

Algumas caldeiras com circulação positiva podem apresentar bombas externas, de-

pendendo da vazão exigida, ou seja, da demanda de vapor para forçar a circulação

de água ou vapor, independentemente da circulação natural, isto é, por diferença de

densidade.

Vantagens e desvantagens

As vantagens das caldeiras de circulação positiva são:

• tamanho reduzido;

• não necessitam de grandes tubulões;

• rápida geração de vapor;

• quase não há formação de incrustações, devido à circulação forçada.

As desvantagens são:

• paradas constantes, com alto custo de manutenção;

• problemas constantes com a bomba de circulação, quando operando em altas

pressões.

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Caldeiras elétricas

A caldeira elétrica é um equipamento que transforma energia elétrica em energia tér-

mica, transmitindo-a para um fluido apropriado (geralmente água) e transformando-o

em vapor.

Neste fascículo serão estudados o princípio de funcionamento e os tipos de caldeiras

elétricas.

Princípio de funcionamento da caldeira elétrica

A produção do vapor em uma caldeira elétrica baseia-se em um princípio pelo qual a

corrente elétrica, ao atravessar qualquer condutor, encontra resistência à sua livre

circulação e desprende calor (efeito Joule).

A água pura é considerada um mau condutor de corrente elétrica. Portanto, para que

se possa obter a condutividade desejada devem ser adicionados a ela determinados

sais. Alguns fabricantes recomendam a adição de produtos para o ajuste da conduti-

vidade (soda cáustica, fosfato trissódico, etc.) na água de alimentação. Essa adição

deve ser calculada e colocada após o tratamento químico da água de alimentação,

com acompanhamento por técnicos especializados de empresas químicas especia-

listas em tratamento de água para caldeiras.

Características

A caldeira elétrica é diferente das outras caldeiras porque não queima combustível

para a produção do vapor. Por isso, ela não possui fornalha, ventiladores, queimado-

res e chaminé.

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As principais características das caldeiras elétricas são:

• não necessita de área para estocagem de combustível;

• ausência total de poluição (não há emissão de gases);

• baixo nível de ruído;

• modulação da produção de vapor de forma rápida e precisa;

• alto rendimento térmico (aproximadamente 98%);

• melhora do Fator de Potência e Fator de Carga;

• área reduzida para instalação da caldeira;

• necessidade de aterramento da caldeira de forma rigorosa;

• tratamento de água rigoroso.

A quantidade de vapor gerada (kgf/h) depende diretamente dos seguintes parâme-

tros:

• condutividade da água;

• nível de água;

• distância entre os eletrodos.

Tipos de caldeiras elétricas

Os tipos fundamentais de caldeiras elétricas são: com resistência, com eletrodo

submerso e de jato de água.

Caldeira elétrica com resistência

A caldeira elétrica com resistência é destinada, geralmente, à produção de vapor em

pequenas quantidades. Na maioria das vezes é do tipo horizontal, utilizando

resistências de imersão.

Ela é composta por um vaso horizontal cujas extremidades são formadas por tampos

abaulados. Internamente, possui um conjunto de resistências submersas controla-

das por pressostatos.

Caldeira elétrica com eletrodos submersos

A caldeira elétrica com eletrodos submersos é geralmente destinada a trabalhar com

pressões de vapor não muito elevadas (aproximadamente 15kgf/cm²).

Internamente, possui um elemento denominado câmara de vapor no qual ficam insta-

lados os eletrodos.

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O controle de pressão é feito com avariação de nível de água na câmara de vapor,

controlada por uma válvula controladora de pressão (PCV).

Existe também um conjunto de bombas de circulação que coleta água na parte inferi-

or da caldeira e alimenta esta câmara.

O casco da caldeira com eletrodo submerso é construído na posição vertical.

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Caldeira elétrica tipo jato de água

A caldeira elétrica tipo jato de água (cascata) é usada para aplicações de maior pro-

dução de vapor.

Esse tipo de caldeira tem o casco construído na posição vertical. Internamente, possui

um elemento denominado corpo da cascata, que tem como função criar jatos de água

que incidem sobre os eletrodos e destes aos contra-eletrodos.

A caldeira elétrica tipo jato de água possui uma bomba de circulação que coleta água

no fundo da caldeira e alimenta o corpo da cascata. O controle de pressão é feito pelo

volume de água introduzido no corpo da cascata.

A representação esquemática desse tipo de caldeira é mostrada na figura a seguir.

1. corpo da caldeira 8. válvula de controle de alimentação2. eletrodo 9. saída de vapor3. contra-eletrodo 10. válvula respiro (vent)4. corpo da cascata 11. válvula de segurança5. bomba de circulação 12. controle de nível de água6. bomba de alimentação 13. descarga de fundo7. válvula de controle de produção

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