Evaporação - Conteúdo

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Prof. Cesar Renato da Rosa Disciplina de Operações Unitárias III – UNISUL 
 
PROCESSO DE EVAPORAÇÃO 
 
1. Introdução e Definição 
A evaporação tem por objetivo a concentração de uma solução pela retirada de solvente, 
fazendo a solução entrar em ebulição. Na maioria dos casos o produto desejado é a solução 
concentrada, mas há também casos em que o solvente evaporado é o produto principal, como é o 
caso da água do mar para produção de água potável. 
Os evaporadores, na sua forma básica são constituídos por um trocador de calor, capaz de 
levar a solução a fervura, e de um dispositivo para separar a fase do líquido em ebulição. Nos 
evaporadores industriais, a superfície de troca térmica é elevada, neste caso a ebulição é violenta e a 
evolução de vapor é rápida e intensa. Encontram-se problemas operacionais, tais como: 
espumejamento, formação de incrustações, eventual sensibilidade ao calor, corrosão e limitações de 
espaço. 
Muitos fatores influenciam na taxa de transferência de calor dos trocadores de calor dos 
evaporadores, estes fatores são difíceis de serem correlacionados em expressões matemáticas que 
permitam o cálculo teórico desta operação, isto faz com que em muitos casos, estes trocadores de 
calor sejam dimensionados na base de dados experimentais. Sendo assim, em alguns casos verifica-
se excessiva formação de incrustações, em outros, elevação do ponto de ebulição da solução com a 
concentração. A conseqüência direta destes fatores ocorre sobre os coeficientes globais de troca 
térmica, uma vez que os mesmos dependem das propriedades da solução, do fluido aquecedor, do 
tipo e da geometria da superfície de troca térmica. 
 
 2. Tipos de evaporadores 
 
 2.1 Evaporador de Tubos Horizontais com Circulação Natural 
 
 É um modelo clássico de evaporador e foi bastante utilizado durante muitos anos. A solução 
a ser evaporada ferve no exterior dos tubos horizontais, dentro dos quais o vapor de água condensa. 
 Os tubos horizontais interferem na circulação natural do líquido fervente e, assim, a agitação 
do líquido é reduzida. Por este motivo, o coeficiente global de transmissão de calor é mais baixo 
que em outros evaporadores, em especial quando as soluções são viscosas. Outra desvantagem é 
que esse evaporador não tem dispositivo para quebrar a espuma formada em virtude da ação da 
ebulição. 
Apresenta desvantagens para fluidos que formam incrustação ou depósito de sal sobre a 
superfície externa dos tubos. São utilizados em pequenas instalações e nos casos em que as soluções 
são diluídas e nem formam espuma. 
 
2.2 Evaporadores Verticais com Circulação Natural 
 
 É um avanço sobre os evaporadores de tubos horizontais e apresentam duas variedades 
distintas: Evaporador Tipo Cesta e Evaporador de Tubos Curtos. Nesses tipos de evaporadores a 
solução ferve no interior dos tubos verticais e o fluido aquecedor, em geral o vapor d’água fica 
numa câmara de vapor através do qual passam os tubos. 
 Os evaporadores de tubos verticais superam a maior parte das desvantagens operacionais dos 
evaporadores de tubos horizontais. Os coeficientes de troca térmica são maiores que nos tubos 
 
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horizontais, pois a circulação natural é estimulada pela menor densidade da solução aquecida no 
interior dos tubos. O depósito sólido que forma no interior dos tubos é facilmente removível por 
limpeza mecânica. A destruição da espuma não é eficiente, embora a sua formação seja reduzida 
pelos separadores e pelas chicanas anti-respingos. De forma geral, satisfazem a todas as exigências 
de evaporação e só são impraticáveis nos casos onde o líquido a evaporar é muito viscoso ou muito 
espumejante, ou ainda, se o líquido não suportar temperaturas elevadas de evaporação durante 
elevados tempos de residência dentro do evaporador. 
 
2.2.1 Evaporadores de Tubos Curtos ou Calandra 
 
 No evaporador do tipo calandra, um feixe de tubos verticais curtos são soldados entre dois 
espelhos fixos que são aparafusados com os flanges da carcaça, formando um toro. O vapor flui 
pelo exterior dos tubos na caldeira de vapor, e existe um grande espaço circular para a retirada pela 
parte de baixo no centro do feixe onde o líquido resfriador circula de volta para o fundo dos tubos. 
 Nesse tipo de evaporador é possível realizar serviços mais rigorosos do que os realizados 
num evaporador com tubos horizontais, principalmente para atividades em que ocorre aparecimento 
de incrustações. 
 
 2.2.2 Evaporadores Tipo Cesta 
 
 É semelhante ao evaporador tipo calandra, exceto por possuir um feixe removível que pode 
ser limpo muito facilmente. O evaporador com cesta pode ser usado para líquidos que possuem a 
tendência de criar incrustações, embora não sejam recomendados para líquidos com altas 
viscosidades ou elevadas taxas de incrustação. 
 
2.3 Evaporadores Verticais de Tubos Longos e Circulação Natural 
 
Também chamados de Evaporadores de Filme Ascendente, obtém-se um fluxo ascendente 
do líquido no interior dos tubos mediante convecção natural. Os tubos apresentam comprimento que 
variam entre 4 a 7 m. O líquido entra na parte inferior dos tubos, percorre uma curta distância em 
fase líquida, a medida que recebe calor entra em ebulição formando bolhas de vapor, aumentando 
assim a velocidade linear e a transferência de calor. Próximo ao topo dos tubos as bolhas crescem 
rapidamente. Nesta zona as bolhas de vapor se alternam com massas de líquido que sobem 
rapidamente através dos tubos e projetam-se contra um defletor de respingos. A velocidade do 
líquido é suficientemente alta para que o defletor também atue como rompedor de espuma. Este 
evaporador compete em muitos casos com os evaporadores de circulação forçada. Os coeficientes 
de troca térmica são inferiores aos de circulação forçada, porém, em contrapartida não requerem 
bombas de circulação. O trocador de calor pode ser instalado fora do corpo do evaporador para 
facilitar a limpeza. A sua utilização não é recomendada para líquidos com alta viscosidade, porém, 
tolera líquidos com tendência a formação de espuma. 
 
 2.4 Evaporador com Filme Líquido Descendente 
 
Para soluções sensíveis ao calor a concentração pode ser realizada em Evaporadores de 
Filme Descendente, em que a solução realiza uma única passagem nos tubos de aquecimento. Este 
processo de evaporação proporciona pequenos tempos de exposição do líquido à superfície de 
 
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aquecimento. 
A solução é injetada no topo de tubos de modo a escorrer para baixo através das paredes 
internas dos tubos. O vapor que se desprende do líquido é geralmente transportado junto com o 
líquido e sai pelo fundo da unidade através da câmara de separação de líquido e vapor. O principal 
problema no evaporador de filme descendente é distribuição uniforme do líquido em forma de filme 
dentro dos tubos. Existe uma série de dispositivos responsáveis para esta finalidade, que podem ser 
vertedores ou pulverizadores de líquidos sobre a superfície dos tubos. As concentrações de sucos 
naturais são especialmente recomendadas neste tipo de evaporador, tal como o de laranja. 
Os tubos de aquecimento apresentam diâmetros na ordem de 2 a 4 in. 
 
2.5 Evaporadores com Circulação Forçada 
 
O líquido a ser evaporado nestes evaporadores é bombeado para um trocador de calor onde o 
vapor de aquecimento fica no lodo externo dos tubose a solução escoa através do interior dos tubos 
mediante bombeamento. A pressão hidrostática é suficientemente elevada para impedir a ebulição 
da solução dentro dos tubos do trocador. Quando o líquido entra na câmara de vaporização o vapor 
gerado expande-se bruscamente. Como a velocidade da mistura que expande é elevada existe a 
necessidade da presença de defletores para diminuir o arraste de líquido pelo vapor. 
 Nos evaporadores com circulação forçada mais modernos, usam-se trocadores externos ao 
corpo do evaporador. Com isto facilita-se a limpeza e a substituição de qualquer tubo corroído e ou 
erodido. Esta disposição também possibilita a construção de unidades mais compactas, que podem 
ser instaladas em espaços com pé direito relativamente baixo. Nos evaporadores com aquecedor 
externo, a fervura da solução no interior dos tubos pode ser evitada baixando-se o aquecedor em 
relação à câmara de evaporação. Este procedimento evita a deposição de incrustações nos tubos. 
 Os coeficientes globais de troca térmica nestes evaporadores são bastante elevados em 
virtude da alta velocidade de deslocamento do líquido no interior dos tubos. Estes coeficientes 
elevados permitem a redução do tamanho da unidade requerida para uma determinada capacidade. 
Entretanto deve ser salientado que o custo mais baixo da instalação é compensado pela elevação do 
custo de energia ocasionado pela bomba de circulação da solução. 
 A decisão sobre a escolha de um evaporador de circulação forçada depende de um balanço 
econômico favorável, que inclui o custo do evaporador, o consumo de energia para circulação da 
solução, o custo de manutenção da bomba e o custo comparativo de limpeza dos tubos do 
evaporador. 
Nos casos de fluidos viscosos ou de soluções que não devem ferver nos tubos para diminuir 
a deposição de sólidos, a escolha do evaporador de circulação forçada é quase impositiva. 
 
2.6 Evaporador de Filme Turbulento ou Agitado 
 
 São evaporadores utilizados para trabalhar com materiais viscosos e corrosivos. Esse tipo de 
evaporador pode também ser adaptado à evaporação de uma solução ou de uma lama até a secura. A 
unidade consiste num tubo vertical que tem uma camisa de aquecimento a vapor que sai da sua base 
até dois terços da altura. No interior deste tubo encontra-se um rotor provido de lâminas que se 
estendem até as proximidades da parede aquecida. A carga é injetada no topo da seção aquecida. A 
ação das lâminas rotativas é projetar a carga sobre as paredes aquecidas, e também mantém a 
superfície de aquecimento livre de depósitos sólidos. A solução concentrada vai gradualmente 
descendo para a base do evaporador, sendo continuamente lançada contra as paredes aquecidas e 
 
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agitada pelo rotor. Como já foi mencionado anteriormente, a vantagem deste equipamento é 
trabalhar com materiais de viscosidade elevada e pode-se citar também como vantagem o baixo 
tempo de retenção dentro da unidade. 
 
 2.7 Evaporador com Combustão Submersa 
 
 Constituem outra opção para trabalhar com materiais viscosos e fluidos corrosivos. Nos 
evaporadores de combustão submersa não existe superfície metálica para transferência de calor, 
pois os produtos da combustão borbulham através do líquido em evaporação. 
A simplicidade do equipamento reduz a um mínimo os custos de instalação e principalmente 
de manutenção. Além disso, as partes em contato com a solução podem ser fabricadas em cerâmica 
ou outro material resistente. A transferência de energia dos gases de combustão para o fluido de 
processo é quase total, daí o elevado rendimento térmico. Estes evaporadores são normalmente 
utilizados para evaporação de ácido sulfúrico diluído, ácido muriático e de lama de argila. 
 
3. Aplicação em Processos Industriais 
 
 Na escolha de um evaporador apropriado não é uma simples questão econômica, uma vez 
que as propriedades dos líquidos a serem evaporados podem limitar drasticamente a escolha do 
evaporador. 
 Por exemplo, uma solução muita viscosa impõe o uso de evaporadores de circulação forçada 
ou de filme agitado. Na concentração de sucos de frutas, o valor alimentício e o sabor são 
depreciados rapidamente com o prolongamento do aquecimento. Portanto, não deve ser tolerada a 
recirculação para evitar que a solução permaneça mais tempo do que o necessário no evaporador. 
Neste caso, o evaporador tubo vertical de filme descendente sem recirculação são indicados. 
 
4. Previsão da Temperatura de Ebulição da Solução 
 
 A vaporização de um líquido puro não apresenta problemas especiais do ponto de vista 
físico-químico. A temperatura do líquido fervente é fixada pela pressão exercida sobre ele, e pode 
ser calculada sem dificuldade uma vez conhecida a relação entre a pressão de vapor e a temperatura. 
Quando o líquido forma uma coluna vertical, a pressão usada no cálculo do ponto de ebulição em 
qualquer altura da coluna deve levar em conta a pressão hidrostática e a pressão cinética do líquido 
que fica acima do ponto. Para os evaporadores verticais com tubos longos este efeito é muito 
importante, pois são comuns colunas de líquido da ordem de 20 ft. 
 Quando se evapora uma solução, os efeitos da profundidade do líquido e da aceleração estão 
presentes, e o efeito da concentração sobre a ebulição deve também ser levado em conta. No caso 
de soluções ideais, o efeito da concentração pode ser estimado pelas leis de Rault e de Dalton. 
A pressão de vapor da maioria das soluções aquosas é menor do que a da água pura na 
mesma temperatura. Conseqüentemente o ponto de ebulição das soluções é maior do que o da água 
a uma determinada pressão. O aumento do ponto de ebulição da solução em relação ao da água é 
chamado de “elevação do ponto de ebulição da solução”. Esta elevação é pequena para soluções 
diluídas e coloidais, porém, bastante grande para soluções de sais inorgânicos. A elevação do ponto 
de ebulição das soluções fortes é determinado pela regra de Dühring, a qual estabelece que o ponto 
de ebulição de soluções é uma função do ponto de ebulição da água pura na mesma pressão. 
Portanto, representando-se em abscissas o ponto de ebulição da água a várias pressões e em 
 
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ordenadas os da solução, obtém-se uma linha reta. 
Em outras palavras, a EPE é relativamente pouco sensível à pressão. Por isso, numa solução 
de concentração fixa, a EPE não será significativamente diferente sobre uma ampla faixa de 
pressões. Esta generalização foi observada pela primeira vez por Dühring, em 1878. Ela 
possibilitaria estabelecer a família das curvas do ponto de ebulição contra concentração de um 
sistema com bastante simplicidade e com base num mínimo de dados experimentais. 
 
 
 
 
4.1 Cálculo da elevação do ponto de ebulição através da Equação de Capriste e Losano 
 
Capriste e Lozano (1988) propuseram uma equação empírica para relacionar a elevação do 
ponto de ebulição de uma solução em função da pressão e concentração de sólidos, conforme 
apresentado na Equação (1). Estes autores concluíram que a Eq. (1) apresenta uma excelente 
concordância com dados experimentais, particularmente em altas concentrações de sólidos, onde a 
hipótese de soluções ideais não pode ser aceita. 
( ) ( ) δβ γα PwwT 100exp100 ⋅=∆ (1) 
Os parâmetros α, β, γ, δ são característicos de cada solução a ser evaporada, os quais vêm 
sendo publicados recentemente na literatura especializada sobre o assunto. A concentração da 
solução w é dada em percentual de massa e P a pressãoabsoluta em KPa. A elevação do ponto de 
ebulição é dada por ∆T em graus Celsius. 
 
 
 
 
 
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5. Cálculo num Evaporador de Simples Efeito 
 
 
 
 
• Balanço de Massa DLVVF ++=+ 110 
 
• Balanço por componente LF xLxF ⋅=⋅ 1 
 
• Balanço de Energia LVF hLHVhFV 1100 +=+λ 
 
• Equação de Projeto )(00 TAUV ∆−=λ 
 
 
 
6. Evaporação a Múltiplo Efeito 
 
Em qualquer operação evaporativa, o custo principal do processo é o do vapor de água 
consumido. Por isso, os métodos de redução do consumo do vapor (ou o de aumento da economia, 
definida como a razão entre a massa de vapor de água produzido e a massa de vapor de água 
consumido) são muito interessantes. O método mais comum, entre os existentes, é o de usar o vapor 
gerado no primeiro evaporador como fluido de aquecimento de um segundo evaporador. 
Idealmente, este método produziria quase 2 lb de vapor para cada libra de vapor de água consumido. 
O método é factível se o segundo evaporador for operado a uma pressão mais baixa que o primeiro, 
de modo que se tenha um valor positivo de ∆T na superfície da caixa de vapor do segundo 
evaporador. Evidentemente é possível ligar em série diversos evaporadores, respeitando as quedas 
de pressão, visando obter tantas libras de vapor por libra de água consumido, quantos forem os 
corpos dos evaporadores. O aumento do calor latente com a diminuição da pressão e as perdas 
adicionais devidas à radiação faz com que a economia conseguida seja cada vez menor à medida 
que aumenta o número de evaporadores usados. Este método de operar evaporadores em série é 
denominado evaporação a múltiplo efeito e cada estágio constitui um efeito. 
Os evaporadores a múltiplo efeito podem ser acoplados de diversas maneiras. No sistema de 
alimentação direta, os fluxos do fluido de processo e do vapor de água são paralelos. Este tipo de 
operação tem a vantagem de não precisar de bombas para deslocar a solução de um para outro 
efeito. Tem a desvantagem de efetuar todo o aquecimento da carga no primeiro efeito, de modo que 
neste estágio a quantidade de vapor gerada pelo vapor de água de aquecimento é menor. Além 
disso, nesta operação, a solução mais concentrada está sujeita à temperatura mais baixa. As 
 
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temperaturas baixas podem ser úteis para impedir a decomposição de substâncias orgânicas, mas a 
viscosidade elevada que pode existir reduz acentuadamente o coeficiente deste último efeito. No 
sistema de alimentação inversa, a solução de processo flui em contracorrente ao escoamento do 
vapor de água. É necessário dispor-se de bombas entre os efeitos. A solução de carga está aquecida 
na entrada de cada efeito, o que usualmente provoca maior economia do que com a alimentação em 
paralelo. A viscosidade diminui, pois a solução concentrada evapora-se numa temperatura mais 
elevada, mas é possível que os materiais orgânicos tenham tendência a chamuscarem-se ou a 
decomporem-se. Para se ter um desempenho global mais elevado, os evaporadores podem ser 
operados com acoplamentos de fluxos que combinam as duas seqüências (é a alimentação mista), 
ou então podem ser alimentados em paralelo, com a carga virgem evaporando-se, em cada efeito, 
até a concentração final. Na operação a cascos múltiplos, o número de estágios pode ser diferente 
para o vapor de água e para a solução. Na figura a seguir estão ilustrados, esquematicamente, os 
fluxogramas de três tipos comuns de alimentação na evaporação a múltiplo efeito. 
 
Alimentação Direta 
 
 
Alimentação Inversa 
 
 
Alimentação Mista 
 
 
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A tabela a seguir, apresenta a faixa de coeficientes globais de transferência de calor 
observada em vários tipos de evaporadores industriais: 
 
Tipos de evaporadores U (Btu / h.ft2.ºF) 
Evaporadores de tubos curtos 
- Tubos horizontais e circulação natural 200 - 600 
- Tubos verticais e circulação natural 400 - 2000 
Evaporadores verticais de tubo longo 
- Circulação natural de filme ascendente 200 - 800 
- Circulação forçada 200 - 1200 
Evaporadores de filme líquido descendente 800 - 1500 
Evaporadores de filme agitado 
- 1 centipoise 400 
- 100 centipoise 300 
- 10000 centipoise 120 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
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TIPOS DE EVAPORADORES 
 
 
 
 
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Ejetor a vapor 
 
 
 
 
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Exercício 1. (Provão 1999) 
Um evaporador é alimentado com 5000 kg/h de uma solução de açúcar em água, a 15% em massa 
de açúcar e 90ºC. A solução é concentrada até 60% em massa de açúcar, com o sistema operando a 
59,7ºC sem que ocorra cristalização. Supondo que o vapor deixa o evaporador na forma de vapor 
saturado, determine a carga térmica de aquecimento da unidade. 
Dados: Calor específico da solução de açúcar a 15% - 0,8 kcal/kg.ºC 
 Calor específico da solução de açúcar a 60% - 0,6 kcal/kg.ºC 
 Supor entalpia de diluição do açúcar igual a zero. 
 
Exercício 2. (Provão 2001) 
Considere o evaporador esquematizado na seguinte figura: 
a) A pressão absoluta no interior do evaporador é mantida a 1,3.104 Pa (pressão de operação Pop), 
correspondendo a uma temperatura de saturação da água de 51ºC. Utilizando os dados na tabela 
abaixo, determine a vazão e a temperatura do evaporado e do concentrado, desprezando a elevação 
do ponto de ebulição da solução. 
 
Corrente Vazão (kg/s) Conc. massa (%) T (ºC) 
Solução aquosa 2,0 10,0 30 
Evaporado 0,0 
Concentrado 50,0 
Vapor de aquecimento 1,8 - 126 
Condensado 1,8 - 126 
 
b) Em termos qualitativos, o que aconteceria com a temperatura e a concentração da corrente de 
concentrado se a elevação do ponto de ebulição da solução fosse diferente de zero? Considere 
mantidas inalteradas as condições das correntes de solução aquosa e de vapor de aquecimento,bem 
como a Pop. Justifique a sua resposta. 
c) O desempenho de evaporadores pode ser definido por: 01 VV=η , onde: 
 V1 – massa de solvente evaporado Vo – massa de vapor de aquecimento utilizado 
Proponha uma modificação no sistema de evaporação em análise que aumente o seu desempenho, 
mantidas inalteradas as especificações de sua alimentação, do vapor de aquecimento disponível e do 
concentrado produzido. 
 
Exercício 3. (Exemplo 19.1 - Foust) 
Determinar a área de aquecimento necessária para a produção de 10.000 lb/h de solução de NaOH a 
50%, a partir da solução de NaOH a 10%, na temperatura inicial de 100 ºF. A evaporação será 
realizada num evaporador de tubos curtos, que tem, conforme se espera, um coeficiente global de 
500 Btu / h ft2 ºF. O vapor de água disponível está saturado a 50 psig, o evaporador pode ser 
operado num vácuo de 10 psig em relação a pressão barométrica de 14,7 psia. 
 
 
 
 
 
 
 
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Exercício 4. (Concurso INPI – 23/04/06) 
Um evaporador de efeito simples concentra 10.000 kg/h de uma solução salina a 1,0% e 300 K até 
uma concentração final de 5,0%. O espaço para expansão do vapor está a 380 K e o vapor de 
aquecimento é suprido a 400 K. O coeficiente global de transferência de calor U é igual a 1.107 
J/(hm2K). Assuma que a solução diluída tem as mesmas propriedades da água, que o calor 
específico da solução é 5 J/gK; que a entalpia de vaporização é 2000 J/g; e que o calor latente de 
vaporização é igual a 2000 J/g. 
Considerando a situação-problema acima, determine: 
• As quantidades de concentrado e de vapor que deixam o evaporador, em kg/h; 
• O consumo de vapor, em kg/h; 
• A área de troca térmica requerida, em m2, e 
• Apresente comentários acerca dos cálculos realizados. 
 
Exercício 5. (McCabe-Smith-Harriot) 
Um evaporador de simples efeito concentra 20000 lb/h (9,07 t/h) de solução de hidróxido de sódio 
de 20 a 50% de sólidos. A pressão manométrica do vapor é 20 lbf/in2 (1,37 atm). A pressão do 
vapor na câmara do evaporador é 100 mmHg (1,93 lbf/in2). O coeficiente global de transferência de 
calor estimado é de 250 Btu/ft2h°F (1400 W/m2°C). A temperatura da alimentação é 100°F 
(37,8°C). Determine a quantidade de calor consumida, a economia, e a superfície de aquecimento 
requerida. 
 
 
 
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Carta de Dühring 
 
 
 
 
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Entalpia das soluções aquosas de soda cáustica 
 
 
 
 
 
 
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