me reactor biodiesel

Produccin de 1.5 [m3/da] de Biodiesel a partir de grasas animales.J. Escudero, A. Flores, C. ValdsUniversidad Tcnica Federico Santa Mara Departamento de Ingeniera Qumica y Ambiental Laboratorio de Procesos 2011-1 27 de Abril del 2011, Valparaso

LA EXPERIENCIA EN S En esta experiencia nos familiarizaremos con la produccin de Biodiesel a partir de grasas animales. A travs de este proceso, podremos visualizar la importancia que tienen los biocombustibles en el mundo y las repercusiones en Chile, como tambin entender los distintos factores que intervienen en la produccin de dicho biocombustible para poder llevar ese proceso a la prctica en los laboratorios del LOU. Por otro lado adems de identificar el proceso productivo el objetivo es disear un reactor para generar 1.5 [m3/d] de Biodiesel, para el cual se desarrollarn balances de masa y energa que puedan contribuir a su diseo.

Ayudante: Juan Francisco Carvallo PREINFORME INFORME

Diseo Reactor de Biodiesel

Escudero- Flores -Valds

Resumen EjecutivoUna de las mayores preocupaciones del ltimo tiempo tiene relacin con la bsqueda de nuevas formas de satisfacer la demanda energtica, esto por el alto precio en el que est constantemente fluctuando el petrleo que hoy en da bordea los 113[US$/ barrill WTI], sumado a la creciente preocupacin ambiental, debido a los grandes cambios ambientales que est enfrentando el planeta producto de la poca conciencia existente. Es por ello que el presente informe trata de abarcar todos los factores anteriormente nombrados, y llevarlos a la prctica. El objetivo principal es disear un reactor para biodiesel y ver los distintos parmetros que puedan ser importantes, dado una produccin final. Para ello fue necesario realizar los balances de masa y energa correspondientes obteniendo lo siguiente:Volumen[m3] Altura [m] Dimetro[m] 1.58 1.65 1.1

Ahora para cada tonelada producida de Biodiesel necesito: Agua enfriamiento[m3] Vapor de agua[Kg] Energa elctrica[KWh] Aire[Nm3] Nitrgeno [Nm3] 20 350 50 4.8 3.2

Por otro lado el informe tiene relacin con visualizar que tan factible es poder desarrollar una empresa de este producto en Chile, donde los resultaros indican que lamentablemente existen pocos estudios al respecto, pero que sin embargo en algunos casos resultan alentadores, como es el caso de produccin de Biodiesel a partir de micro algas. Sin embargo la realidad indica que producir biodiesel en Chile para transformarse en un competidor o abastecedor de s mismo, es difcil, puesto que no posee hectreas de siembra para producirlo a partir de aceite y tampoco posee un mercado que se pueda dedicar a la produccin de biodiesel a partir de grasas por lo poco atractivo que resulta en cuanto a precios, y cantidad de materia prima necesaria para producir biodiesel.

2 Universidad Tcnica Federico Santa Mara



ndice

Resumen Ejecutivo ....................................................................................................................................... 2 Introduccin .................................................................................................................................................. 5 Objetivos ....................................................................................................................................................... 6 Objetivos Generales .................................................................................................................................. 6 Objetivos Especficos................................................................................................................................ 6 Antecedentes ................................................................................................................................................. 7 Antecedentes Generales ............................................................................................................................ 7 Definicin del producto y materia prima .................................................................................................. 8 Usos del producto ..................................................................................................................................... 9 Cantidad y Precios ........................................................................................................................................ 9 Empresas Productoras ............................................................................................................................. 10 Esquema de Bloques ............................................................................................................................... 10 Layout del Proceso:................................................................................................................................. 11 Diagrama Proceso Visio ......................................................................................................................... 11 Legislacin y Normativas ....................................................................................................................... 12 Desarrollo.................................................................................................................................................... 14 Balance General de Materia del proceso completo ................................................................................. 15 Definicin de sistema .............................................................................................................................. 16 Balance de materia del equipo ............................................................................................................... 16 Balance de energa del equipo ................................................................................................................ 16 Escalamiento ........................................................................................................................................... 18 Materiales.................................................................................................................................................... 19 Planificacin experimental...................................................................................................................... 19 Material a utilizar .................................................................................................................................... 20 Insumos y servicios ................................................................................................................................. 20 Referencias.................................................................................................................................................. 21 Anexos ........................................................................................................................................................ 22 Anexo N 1:............................................................................................................................................. 22 Anexo N 2:............................................................................................................................................. 23 3 Universidad Tcnica Federico Santa Mara



Anexo N 3:............................................................................................................................................. 23 Anexo N 4:............................................................................................................................................. 24 Anexo N 5:............................................................................................................................................. 24 Anexo N 6:............................................................................................................................................. 25 Anexo N 7:............................................................................................................................................. 25

ndice de tablas

Tabla 1Referencia: Informe de vigilancia Tecnolgica .............................................................................. 14 Tabla 2, Referencia Universidad de Pamplona, Revista Ciencias Bsicas ................................................. 15 Tabla 3 ........................................................................................................................................................ 17 Tabla 4 ........................................................................................................................................................ 18 Tabla 5 ........................................................................................................................................................ 18 Tabla 6 ........................................................................................................................................................ 18




IntroduccinEl presente informe tiene relacin con el diseo de un reactor para la produccin de 1.5 [m 3/da] de Biodiesel, el cual es uno de los biocombustibles con mayor proyeccin en el mundo. Sin embargo la bsqueda de biocombustibles no es algo al azar, depende principalmente de dos factores: la disminucin de la emisin de los gases invernaderos, y la bsqueda de un reemplazante definitivo del petrleo que tenga como principal caracterstica ser un recurso producido a partir de materia prima renovable, es decir un biocombustible. Respecto a esto ltimo se hace cada vez ms urgente, esto por el gran aumento de demanda y precios que ha tenido el crudo en el ltimo tiempo, de hecho en la actualidad se consumen 83.7 millones de barriles al da y se proyecta que esta cifra aumentar a 112 barriles el 2020, lo cual indica que este camino tarde o temprano nos llevar a la escasez de petrleo, de hecho alguna de las proyecciones ms optimistas sealan que el comienzo de este declive ser a partir del 2037. Es por esto que se hace absolutamente necesaria la bsqueda de nuevas alternativas, y es ah donde tienen su espacio los biocombustibles que proponen una salida al problema pero una entrada a otros nuevos como lo caro que resultan los costos de produccin de estos, y posibles efectos graves en la industria alimentaria como el consecuente aumento de los precios de los alimentos por la utilizacin de estos como materia prima. El biocombustible a analizar ser el biodiesel es cual es un producto obtenido a partir de aceites vegetales o de grasa animal (caso que analizaremos a fondo), y que puede actuar como sustituto parcial o total al gasoil en motores de diesel, y a pesar de que energa especfica es un 5% menor que el gasoil fsil su elevada lubricidad compensa aquello generando que las eficiencias generadas sean aproximadamente las mismas. Cabe destacar que la mayor bsqueda por nuevas formas alternativas de energa se ha dado desde el Protocolo de Kioto (1997), donde los pases ms industrializados se comprometieron a disminuir los niveles de gases con efectos invernaderos a un 5.2% hasta 2012, a partir de datos extrados en 1990.




ObjetivosObjetivos GeneralesDisear un reactor para producir 1.5 [m3/da] de biodiesel, a partir de grasas animales.

Objetivos Especficos Determinar el Volumen del reactor a disear. Determinar el rgimen de operacin a utilizar Investigar sobre las ventajas y desventajas de utilizar grasas como materias primas frente a otros posibles. Potenciales alternativas de implementacin, indicando los rubros y la zona geogrfica pertinente. Estimacin de costos de inversin y operacin. Determinar el lugar que ocupan los biocombustibles en especial el biodiesel en el mercado mundial. Reconocer el impacto que tiene en el mercado la utilizacin de biocombustibles. Indicar los diferentes usos del biodiesel y las formas que existen para obtenerlo. Conocer que tan factible resultara implementar este proyecto en Chile. Generar los criterios de escalamiento que permitan llevar el proceso industrial a un nivel experimental.




AntecedentesAntecedentes GeneralesLa constante inestabilidad y tendencia al alza de los precios del barril de petrleo que actualmente bordean los 113[US$/ barrill WTI] sumado a la creciente preocupacin ambiental, debido al considerable aumento de los gases de efecto invernadero, a generado en los ltimos aos una intensa bsqueda cientfica por encontrar algn sustituto rpido del petrleo que cumpla con los requerimientos actuales de energa y poca contaminacin, cosas que cumplen los biocombustibles, entre ellos el biodiesel. El biodiesel es todo aquel combustible lquido formado por una mezcla de esteres alqulicos, mediante la reaccin qumica de transesterificacin o conversin de cidos grados en steres metlicos o etlicos; este puede ser fabricado a partir de aceites vegetales como raps, canola o soja, algas o a partir de grasas animales de cerdos, vacunos, pollos, y pavos. El principal productor de biodiesel es Alemania, el cual concentra un 63% de la produccin mundial aproximadamente, entre los que tambin se encuentran EE.UU, Francia, Argentina, etc. Chile en tanto ve la produccin de biodiesel como una buena alternativa que sin embargo tiene como principal limitante la escasez de terrenos agrcolas cultivables para generar la materia prima de este biocombustible, por lo tanto el pas slo puede aspirar a que el biodiesel cubra una pequea parte de la matriz energtica total, sin embargo para que esto sea posible se deben dar estmulos a empresas para que consideren esto como factible. Por otro lado cabe destacar que algunas de las caractersticas principales de este biocombustible son la disminucin de hasta un 71% menos de emisiones de CO2 en comparacin con la gasolina y un ndice de cetano de aproximadamente 55, adems de ser un compuesto mucho ms seguro que el gasoil por su alto punto de ignicin (300 F, frente a los 125F del gasoil). Finalmente, podemos decir que el biodiesel constituye sin lugar a dudas una alternativa viable, siempre y cuando se solucionen problemas como el alto valor que posee,(alrededor del doble del precio del diesel fsil), la generacin de una normativa general en cuanto a los ndices mximos




permitidos por ejemplo de yodo, y de deforestacin masiva en algunos casos aunque esto ltimo quizs si es controlado no debera por que ocurrir.

Definicin del producto y materia primaEl biodiesel se define como una mezcla de monoacilsteres de cidos grasos de cadena larga, de origen vegetal o animal para su uso en combustin y cuyas reacciones de produccin ms importantes son especificadas en el Anexo N 1. El producto de inters en nuestro proyecto tiene relacin con la produccin de biodiesel a partir de grasas animales las cuales constituyen una alternativa para bajar el costo de la materia prima. Algunas de las principales caractersticas del producto son que no posee azufre ni compuestos aromticos, un ndice cetano promedio de 55,con puntos de fusin e inflamacin mucho ms favorables, lubricidad de ms de 6.000 gramos BOCLE, es biodegradable, no es txico y reduce los contaminantes de escape. Las especificaciones de uso se encuentran en el Anexo N 2 y Anexo N 3. Cabe destacar que el biodiesel tambin puede mezclarse con diesel y la nomenclatura que lo indica es la siguiente B100, significa biodiesel puro y B20 significa un 20% en volumen de biodiesel en la mezcla. La materia prima para la produccin de biodiesel en nuestro caso a partir de grasas animales es de grasa de cerdo, vacuno (ms especficamente sebo de res), pollo o pavo, obtenidas de empresas productoras y faenadoras de carne o grasas de desposte de alguna cadena de supermercados. Como se trata de una reaccin de transesterificacin hablamos de la reaccin de un alcohol con un triglicrido, por lo cual se necesita como materia prima el uso de metanol o etanol y un catalizador que puede ser hidrxido de sodio o potasio. La diferencia entre usar metanol o etanol radica principalmente en que el etanol tiene una cintica de reaccin mucho ms lenta y en exceso es difcil separarlo del biodiesel producido.




Usos del producto Transporte urbano de pasajeros en ciudades con elevado ndice de smog. Transporte en aeropuertos. Navegacin en lagos. En Reservas naturales y reas protegidas. Produccin de cultivos orgnicos. Fuerzas armadas, como tanques, etc. Motores de combustin interna. Produccin de energa elctrica

Cantidad y PreciosEn el mbito internacional los principales productores son Alemania con un 63%, y aproximadamente 1035000 toneladas de Bioetanol producidos, Francia con un 17%, USA con un 10%, entre otros. La produccin mundial en los ltimos tanto en cantidad como en participacin la podemos visualizar en el Anexo N 4 , Anexo N 5 y Anexo N 6 la cual va en alza alcanzando en el 2005 una cifra a nivel mundial de 4 millones de metros cbicos. Respecto a Chile la principal preocupacin para la expansin en el negocio es sin lugar a dudas las pocas hectreas disponibles para producir el biodiesel, la alternativa que sale a la luz es generarlo a partir de grasas animales y aceites residuales que provengas de algn proceso alimenticio. Aun as existen empresas que producen este combustible, generando aproximadamente 150 mil litro mensuales, con una capacidad instalada de menos de 3 millones de litros al ao. Sin embargo para efectos de lo que se pide en el informe la evaluacin que se hace econmicamente hablando es que es poco factible hacer biodiesel a partir de grasas animales puesto que estos desechos son ocupados en su mayora para producir jabones y detergentes, por lo que arriesgar un negocio seguro por otro no sera muy conveniente; aun as si el proyecto se quiere realizar la ubicacin ms conveniente se encuentra en la zona centro sur del pas por la cantidad de empresas asociadas a el mercado de las carnes. Debido a que la ecuacin econmica depender del tipo de residuo slido que la reaccin genere, su precio depende de ello, sin embargo este es constante en la medida que se utilice un proceso estndar, no definido an.




Los precios de Biodiesel segn fuentes de la Comisin Nacional de Energa de Chile, se encontraba hasta el 2008 el biodiesel alcanz como mximo el valor de 400[US$cts/gal] estos datos se pueden verificar en el Anexo N 7. Otros precios referenciales son los obtenidos del Biodiesel producido en Argentina, el cual en noviembre del ao pasado alcanz valores de 974[US$/Ton].

Empresas ProductorasAlgunas de las empresas productoras a nivel nacional son: la Planta FAME de Pullman Bus de Quilicura, Planta de INGRAS de San Bernardo, Planta del Matadero de Concepcin, Tres Plantas de Biodiesel-Chile de Cerrillos, Padre Hurtado y Osorno y Planta de Bioengine de Puente Alto. Donde salvo las Plantas Pullman Bus, que produce alrededor de 100 mil litros mensuales para usarlo como combustible de sus flotas de buses y camiones, e INGRAS con la misma produccin pero destinado a la produccin de energa elctrica, el resto son plantas ms bien artesanales. Otro proyecto en fase de estudio es el Molino Gorbea, en una alianza con la Universidad de la Frontera.

Esquema de Bloques




Metanol

Grasa Animal

Esterificacin

Transesterificacin

Neutralizacin

Destilacin Metanol

Decantacin

Catalizador

cido mineral

Glicerina Bruta

Biodiesel

Biodiesel al depsito

Secado Biodiesel

Lavado Biodiesel

Layout del Proceso:Zona mezclado 2Oficina 22 m cuadr

Zona recuperacinOficina 41 m cuadr

Oficina 45 m cuadr Oficina 67 m cuadr

Oficina 44 m cuadr

Zona de almacenamiento

Zona de mezclado1

Zona de Reaccin

Proceso Glicerina

Diagrama Proceso Visio



Escudero- Flores -ValdsEstanque de cido Condensador Estanque de recuperacin de alcohol metlico

Estanques de grasas y alcohol metlico Reaccin transesterificacin Mezclado de neutralizacin Estanque de agua

Mezclado 1 Estanque catalizador(NaOH)

Reaccin esterificacin

Destilacin

Decantacin Mezclado 2

Estanque de Glicerina

Estanque de Biodiesel

Legislacin y Normativas




Respecto a la legislacin y normativas tenemos principalmente las asociadas a la ASTM y EN, aunque hay mltiples normas internacionales, algunas de ellas se presentan en la siguiente tabla N 1. Otras normativas internacionales con respecto a los Biocarburantes son las que tienen relacin con el tratado de Kyoto, entre ellas: Directiva 2003/30/CE: Relativa al fomento del uso de Biocarburantes, donde se espera que los Biocarburantes superen a los carburantes en un 5.75%. Directiva 2003/96/CE: Relativa a la posibilidad de aplicar reducciones o exenciones fiscales al uso de Biocarburantes. Ahora la legislacin en Chile es la siguiente: Decreto N 11/2008, Ministerio de Economa .Define las especificaciones de calidad para biodiesel y bioetanol, autoriza las mezclas de 2% y 5% con petrleo diesel y gasolina respectivamente y anuncia el registro de personas e instituciones en la SEC. (Voluntario). Circular N 30/2007 SII: Indica que los biocombustibles no afectos al impuesto especfico segn Ley 18.502/1986. Resolucin Exenta N 746, SEC: Norma tcnica para anlisis y/o ensayos para bioetanol y biodiesel. Ley N 20.339/2009: modifica el DFL N1/1979 del Ministerio de Minera, incorpora los biocombustibles como combustibles lquidos y otorga facultades a la SEC para su fiscalizacin.




Tabla 1Referencia: Informe de vigilancia Tecnolgica

Desarrollo




Balance General de Materia del proceso completoDos cosas son principales a la hora de disear un reactor, hablamos de decidir cul es el sistema, y a su vez determinar el rgimen de operacin del mismo. Para generar el balance global del sistema completo, tomamos el sistema como una caja negra, como se muestra en la siguiente figura: Grasas Biodiesel

Figura N 1 Ahora considerando lo siguiente: Conversin (%) Grasa de cerdo (%) cidos grasos de inters: Palmtico (%) Esterico (%) Oleico (%) Produccin [m3/da] Densidad (Kg/m3) Peso promedio cerdo (Kg) PM promedio de las grasa (Kg/Kmol) Densidad Glicerol (Kg/m3) Densidad metanol (Kg/m3) Densidad steres (Kg/m3) Luego hacemos el siguiente balance: ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) 95 17 23.4 13.3 42.4 1.5 880 100 234.8 1261 791 879

Tabla 2, Referencia Universidad de Pamplona, Revista Ciencias Bsicas

Resultando que:

Donde la grasa de cerdo equivale a:




(

)

[

]

Definicin de sistemaDefinimos el sistema, como el lquido que se encuentra dentro, y debido a condiciones del proceso, sabemos que opera en forma discontinua por lo que el rgimen de operacin del reactor a disear ser Batch.

Balance de materia del equipo( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( )

Balance de energa del equipoAplicando el balance de energa, partiendo desde la primera ley de la termodinmica tenemos: ( ) ( )

Desarrollando obtenemos: ( ) ( )




Resultando finalmente en:

Debido a que debemos mantener la temperatura en 65[C] aproximadamente, por razones de conversin y debido a que las grasas estn disueltas a temperaturas sobre los 40[C], el balance nos queda:

Cabe destacar que el reactor est siendo calentado por una chaqueta que contiene vapor en su interior. Luego tenemos la siguiente reaccin qumica del proceso:

Moles i Moles r Moles f Caudales

62.46 59.337 3.123 0.833

374.76 178.001 196.759 7.96Tabla 3

178.001 178.001 12.18

59.337 59.337 4.33

Cabe destacar que el alcohol se ocupa al 100% en exceso por requerimientos del proceso. Sumando los caudales: 25.303[m3/da]=1.054[m3/h] Luego como sabemos que el tiempo de reaccin es de aproximadamente 1.5 horas, podemos obtener el volumen total: Volumen del reactor: 1.58 [m3] Luego tenemos la siguiente relacin, para reactores tipo Batch: H/D=1.5 El Dimetro corresponde a:




Acoplando las dos relaciones anteriores se obtiene que:

D=1.1 [m] Por lo tanto la altura es: 1.65 [m] Resumen: Volumen[m3] Altura [m] Dimetro[m] 1.58 1.65 1.1Tabla 4

Ahora para cada tonelada producida de Biodiesel necesito: Agua enfriamiento[m3] Vapor de agua[Kg] Energa elctrica[KWh] Aire[Nm3] Nitrgeno [Nm3] 20 350 50 4.8 3.2Tabla 5

Los costos asociados a los equipos son los siguientes:Equipo Estanque almacenamiento MeOH Estanque almacenamiento H2SO4 Estanque almacenamiento de grasas Recipiente almacenamiento NaOH Reactor de Esterificacin Reactor de TransesterificacinTabla 6

Costos en US$ 5454 7055 9656 4950 19824 75499

EscalamientoPara el parmetro de escalamiento lo que consideraremos son principalmente dos factores como variables: el tiempo del ciclo, y la conversin. Definiendo: ( )

Pues teniendo la masa a usar de grasa en el laboratorio, y experimentalmente midiendo la




MaterialesPlanificacin experimental

Primero es necesario calentar la manteca hasta derretirla y formar aceite. Se hace esto adems para que la velocidad de reaccin no disminuya y para evitar la saponificacin. Se hace a una temperatura de 120 [C] constante por 1 hora. Se prepara la solucin de catalizador y alcohol (NaOH/MetOH) disolviendo totalmente el NaOH en metanol en un baln de una boca y mediante agitacin. Por tema de tiempo y disponibilidad, utilizaremos 3 reactores, que sern vasos precipitados, con las siguientes cantidades de NaOH y Metanol: Vaso 1: metanol 100 [mL]; 1,5 [g] NaOH. Vaso 2: metanol 100 [mL]; 3,5 [g] NaOH. Vaso 3: metanol 100 [mL]; 5,5 [g] NaOH.

Ocurre la reaccin de transesterificacin para romper los enlaces glicerol-ster. Para esto mezclamos cada solucin de cada vaso anterior con el aceite seco (unos 400 [mL]) en vasos de 600 [mL] que estarn en un bao termosttico. Ya ocurrida la reaccin se produce el producto a usar para la produccin de biodiesel: los metil-steres y como subproducto el glicerol. Para separarlos necesitamos reposar por unas 8 horas la mezcla en un embudo de decantacin para despus de ese tiempo se retira la fase pesada (metil-ster) dejando en el embudo la glicerina. Para saber si el biodiesel es de buena calidad, necesitamos medir algunos parmetros como: Densidad y viscosidad: relacionado con la operacin de los motores. A mayor viscosidad, mayor obstruccin de los inyectores. Poder calorfico: muy importante, cuanta energa es capaz de entregar. Nmero de cetano: parmetro relacionado con el tiempo de ignicin de los combustibles tipo diesel, que est relacionado con el diseo de los motores. Flash Point: muy til para el tema de seguridad en el almacenamiento y transporte. Punto de nube: medida del punto de congelacin




Material a utilizar

1 Baln de gas 1 cocinilla 3 vasos precipitados de 50 [mL[] 3 vasos precipitados de 600 [mL[] 1 baln 1 boca de 500 [mL] 3 embudos de decantacin 3 barras de agitacin Termmetro Densmetros (0,8-0,9 y 0,9-1) Probeta Balo termosttico Elementos de seguridad (guantes, capas, lentes de seguridad)

Insumos y servicios

Manteca Metanol Fenolftalena




Referenciashttp://www.autosuficiencia.com.ar/shop/detallenot.asp?notid=487 http://www.zoetecnocampo.com/Documentos/biodie_lar/biodie_lar.htm http://www.manualdelombricultura.com/foro/mensajes/16026.html http://www.ecsainc.cl/product_info.php?products_id=10 http://www.biodisol.com/biodiesel-que-es-el-biodiesel-definicion-de-biodiesel-materias-primas-mascomunes/biodiesel-materias-primas-con-que-se-fabrica-biodiesel-aceites-y-grasas-produccion/ http://www.ingenierosagronomos.cl/2009/may/biodisel.html http://biodiesel.com.ar/4302/nuevas-tecnologias-en-reactores-para-la-produccion-de-biodiesel#more4302 http://biodiesel.com.ar/4642/biodiesel-for-export-3#more-4642 http://www.cne.cl/cnewww/opencms/03_Energias/Otros_Niveles/Mercado_Biocombustible/precios_in ternacionales.html http://www.portalplanetasedna.com.ar/biocombustible1.htm




AnexosAnexo N 1:

Referencia: Presentacin Investigacin y desarrollo de biodiesel en Chile




Anexo N 2:

Referencia: Documento Wearcheck Ibrica, propiedades y caractersticas del biodiesel y biodiesel

Anexo N 3:

Referencia: Procesos de Produccin de Biodiesel




Anexo N 4:

Anexo N 5:




Anexo N 6:

Referencia: Apuntes Biocarburantes Lquidos

Anexo N 7:

Referencia: Comisin Nacional de Energa Chile


me reactor biodiesel

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