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分離苯-甲苯篩板式精餾塔的設(shè)計
溫州大學(xué)甌江學(xué)院
WENZHOU UNIVERSITY OUJIANG COLLEGE
化工原理課程設(shè)計
題 目：分離苯-甲苯篩板式精餾塔的設(shè)計 專 業(yè)： 應(yīng)用化學(xué) 班 級： 08甌應(yīng)化 姓 名： 陳 媛 學(xué) 號： 指導(dǎo)教師： 張 偉 祿 完成日期：
精餾塔設(shè)計任務(wù)書
專業(yè)： 應(yīng)用化學(xué) 班級 08甌應(yīng)化 姓名：陳媛 學(xué)號： 08205023104
指導(dǎo)教師： 張偉祿 設(shè)計日期： 2011.6.15
一、設(shè)計題目：
分離苯-甲苯篩板式精餾塔的設(shè)計
二、設(shè)計任務(wù)及操作條件
1、設(shè)計任務(wù)
生產(chǎn)能力（進(jìn)料量） 11萬 噸／年 操作周期 300×24 = 7200 小時／年
進(jìn)料組成 50% （質(zhì)量分率，下同） 塔頂產(chǎn)品組成 >99% 塔底產(chǎn)品組成
2、操作條件
操作壓力 常壓 （表壓） 進(jìn)料熱狀態(tài) 泡點進(jìn)料 冷卻水： 20℃ 加熱蒸汽： 0.2MPa 塔頂為全凝器，中間泡點進(jìn)料，連續(xù)精餾。
3、設(shè)備型式 篩板式
4、廠址 溫州
三、設(shè)計內(nèi)容
1、概述
2、設(shè)計方案的選擇及流程說明
3、塔板數(shù)的計算（板式塔）或填料層高度計算（填料塔） 4、主要設(shè)備工藝尺寸設(shè)計
板式塔：（1）塔徑及提餾段塔板結(jié)構(gòu)尺寸的確定 （2）塔板的流體力學(xué)校核(難) （3）塔板的負(fù)荷性能圖(難) （4）總塔高、總壓降 填料塔：填料塔流體力學(xué)計算
（1）壓力降計算 （2）噴淋密度計算
6、設(shè)計結(jié)果匯總
7、工藝流程圖及精餾塔裝配圖 8、設(shè)計評述(自己評價自己的設(shè)計) 四、圖紙要求
1工藝流程圖（在說明書上花草圖） 2精餾塔裝配圖 五、參考資料
1.石油化學(xué)工業(yè)規(guī)劃設(shè)計院.塔的工藝計算.北京：石油化學(xué)工業(yè)出版社，1997 2.化工設(shè)備技術(shù)全書編輯委員會.化工設(shè)備全書—塔設(shè)備設(shè)計.上海：上�？茖W(xué)技
術(shù)出版社，1988
3.時鈞，汪家鼎等.化學(xué)工程手冊，.北京：化學(xué)工業(yè)出版社，1986
4.上海醫(yī)藥設(shè)計院.化工工藝設(shè)計手冊(上、下).北京：化學(xué)工業(yè)出版社，1986 5.陳敏恒，叢德茲等.化工原理(上、下冊)(第二版).北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2000 6.大連理工大學(xué)化工原理教研室.化工原理課程設(shè)計.大連：大連理工大學(xué)出版 社，1994
7.柴誠敬，劉國維，李阿娜.化工原理課程設(shè)計.天津：天津科學(xué)技術(shù)出版社，1995
目錄
目錄................................................................................................................................................... 1 1. 概述 .............................................................................................................................................. 6
1.1 精餾塔 ............................................................................................................................... 6 1.2 再沸器 ............................................................................................................................. 6 1.3 冷凝器 ............................................................................................................................... 6 2. 精餾設(shè)計方案的制定及說明 ...................................................................................................... 6 3. 工藝計算 ...................................................................................................................................... 7
3.1 生產(chǎn)要求: .......................
m.msguai.com ................................................................................................... 7 3.2 塔的物料衡算 ................................................................................................................... 7 4. 塔板數(shù)的確定 .............................................................................................................................. 84.1 理論板層數(shù)NT的求取 ................................................................................................... 8 4.2 實際板層數(shù)的求取 ........................................................................................................... 9 5. 塔的工藝條件及物性數(shù)據(jù)計算 ................................................................................................ 10
5.1 操作壓強(qiáng)的計算 Pm ..................................................................................................... 10 5.2 操作溫度 ......................................................................................................................... 10 5.3 平均摩爾質(zhì)量計算 ......................................................................................................... 10 5.4 平均密度計算 ................................................................................................................. 10 5.5 液體平均表面張力的計算σm ...................................................................................... 11 5.6 液體粘度計算 ................................................................................................................. 12 6. 精餾塔的塔體工藝尺寸計算 .................................................................................................... 12
6.1 塔徑的計算 ..................................................................................................................... 12 6.2 精餾塔有效高度的計算 ................................................................................................. 13 7. 塔板主要工藝尺寸的計算 ........................................................................................................ 14
7.1 溢流裝置計算 ................................................................................................................. 14 7.2 塔板布置 ......................................................................................................................... 15 8. .篩板的流體力學(xué)驗算 ................................................................................................................ 16
8.1 塔板壓降 ......................................................................................................................... 16 8.2 液沫夾帶 ......................................................................................................................... 16 8.3 漏液 ................................................................................................................................. 17 8.4 液泛 ................................................................................................................................. 17 9. 塔板負(fù)荷性能圖 ........................................................................................................................ 17
9.1 液漏線 ............................................................................................................................. 17 9.2 液沫夾帶線 ..................................................................................................................... 18 9.3 液相負(fù)荷下限線 ............................................................................................................. 19 9.4 液相負(fù)荷上限線 ............................................................................................................. 19 9.5 液泛線 ............................................................................................................................. 19 10. 工藝計算匯總表 ...................................................................................................................... 21 11. 總結(jié) .......................................................................................................................................... 22
1. 概述
精餾是分離過程中的重要單元操作之一，所用設(shè)備主要包括精餾塔及再沸器和冷凝器。
1.1 精餾塔
精餾塔是一圓形筒體，塔內(nèi)裝有多層塔板或填料，塔中部適宜位置設(shè)有進(jìn)料板。兩相在塔板上相互接觸時，液相被加熱，液相中易揮發(fā)組分向氣相中轉(zhuǎn)移；氣相被部分冷凝，氣相中難揮發(fā)組分向液相中轉(zhuǎn)移，從而使混合物中的組分得到高程度的分離。
簡單精餾中，只有一股進(jìn)料，進(jìn)料位置將塔分為精餾段和提餾段，而在塔頂和塔底分別引出一股產(chǎn)品。精餾塔內(nèi)，氣、液兩相的溫度和壓力自上而下逐漸增加，塔頂最低，塔底最高 本設(shè)計為篩板塔，篩板的突出優(yōu)點是結(jié)構(gòu)簡單、造價低、塔板阻力小且效率高。但易漏液，易堵塞。然而經(jīng)長期研究發(fā)現(xiàn)其尚能滿足生產(chǎn)要求，目前應(yīng)用較為廣泛。
1.2 再沸器
作用：用以將塔底液體部分汽化后送回精餾塔，使塔內(nèi)氣液兩相間的接觸傳質(zhì)得以進(jìn)行。
本設(shè)計采用立式熱虹吸式再沸器，它是一垂直放置的管殼式換熱器。液體在自下而上通過換熱器管程時部分汽化，由在殼程內(nèi)的載熱體供熱。 立式熱虹吸特點：
▲循環(huán)推動力：釜液和換熱器傳熱管氣液混合物的密度差。 ▲結(jié)構(gòu)緊湊、占地面積小、傳熱系數(shù)高。
▲殼程不能機(jī)械清洗，不適宜高粘度、或臟的傳熱介質(zhì)。 ▲塔釜提供氣液分離空間和緩沖區(qū)。
1.3 冷凝器
用以將塔頂蒸氣冷凝成液體，部分冷凝液作塔頂產(chǎn)品，其余作回流液返回塔頂，使塔內(nèi)氣液兩相間的接觸傳質(zhì)得以進(jìn)行，最常用的冷凝器是管殼式換熱器。
2. 精餾設(shè)計方案的制定及說明
3. 工藝計算
3.1 生產(chǎn)要求:
原料液組成：苯50%（wt%）。產(chǎn)品中：苯含量>99% 殘夜中：苯含量
3.2 塔的物料衡算：
料液及塔頂.塔底產(chǎn)品含苯摩爾分?jǐn)?shù)
x78.11
f?78.11?.13?0.541
x78.11
D?78.11?.13?0.992
x78.11
w?
78.11?92.13
?0.0235
平均摩爾質(zhì)量
MF=0.5?78.11+(1-0.5) ?92.13=85.12kg/mol MD=0.99?78.11+(1-0.99) ?92.13=78.25kg/mol MW=0.0235?78.11+(1-0.0235) ?92.13=91.85kg/mol 物料衡算
總物料衡算 D+W=F 易揮發(fā)組分物料衡算 DxD+WxW=FxF
?11?104?103
F300?24?85.12
?179.48kmol/h
R?xq?yqyx?0.992?0.728min?1.16
q?q0.728?0.5
D?83.58kmol/hw?95.90kmol/h
4. 塔板數(shù)的確定
4.1 理論板層數(shù)NT的求取
苯－甲苯屬于理想物系，可采用圖解法求理論層數(shù)
采用作圖法求最小回流比，在圖中對角線上，自e（0.5，0.5）作垂線ef即為進(jìn)料線，該線于平衡線的交點坐標(biāo)為yq＝0.728，xq＝0.5
Ryqmin?
xq?y?
0.992?0.728
q?xq
0.728?0.5
?1.16
本設(shè)計取R=1.5Rmin=1.74 求精餾塔的氣液相負(fù)荷 L=RD=1.74*83.58=145.43kmol/h
V=（R+1）D＝（1.74+1）*83.58＝229.01 kmol/h
L??L?F?145.43+229.01=374.44kmol/h V?=V=229.01kmol/h
.操作線方程 精餾段操作線方程：
y?
LVx?DxD
V
=0.635x+0.362 提餾段操作方程：y＝1.318x-0.0075
圖解法求理論板層數(shù)
由圖得NT＝18（包括再沸器）。
其中精餾段理論板數(shù)為7層，，第8層為加料板。
4.2 實際板層數(shù)的求取
精餾段實際板數(shù) N精＝7/0.5＝14
提餾段實際板數(shù) N提＝11/0.5＝22
5. 塔的工藝條件及物性數(shù)據(jù)計算
5.1 操作壓強(qiáng)的計算 Pm
取每層塔板壓強(qiáng)△P=0.7kpa
塔頂壓強(qiáng) PD=101.3-14*0.7=91.5kpa 進(jìn)料板壓強(qiáng)PF101.3=kpa 精鎦段平均操作壓強(qiáng)Pm=
101.3?91.5
2
?96.4kpa
5.2 操作溫度
塔頂溫度 tD＝80.2oC 進(jìn)料溫度tF＝90.1oC 精餾段平均溫度 tm=(80.2+90.1)/2=85.2oC
5.3 平均摩爾質(zhì)量計算
由xD
?y1?0.992 查平衡曲線得 x1?0.9 3
MvDm?0.992*78.11?(1?0.992)*92.13?78.22kg/kmol
MLDm?0.93*78.11?(1?0.93)*92.13?83.78kg/kmol
進(jìn)料段
yF?0.7 1查平衡曲線得
XF
?0.47
MVFM?0.71*78.11?(1?0.1)*92.14?82.18kg/kmol MLFM?0.47*78.11?(1?0.47)*92.14?85.55kg/kmol 則精餾段平均分子量 MVm?
78.2?282.12
?88
0.2k2g/km ol
MLm?
83.78?85.55
2
?84.67kg/kmol 5.4 平均密度計算
（1）氣相平均密度計算 由理想氣體狀態(tài)方程計算 即
?mvvm?
pmMRT?96.4*80.22
?2.60kg3
m8.314*85.2?273.15m塔頂液相平均密度計算 由tD＝80.2oC 查手冊得
?A＝814.5kg
m3
?B＝809.7kg
m3
?LDm
＝1/（0.992/814.5+0.008/809.7）=814.5
kg3
⑵液相平均密度計算 液相平均密度依下式計算，即
1
aA
aB
??
LM
??
LA
?LB (a為質(zhì)量分?jǐn)?shù))
塔頂
1
?0.99?815.3?0.01
LMD
809.6
?LMD=815.2kg/m3
（3）進(jìn)料板液相平均密度的計算 tF＝90.1℃，查手冊得
?LA＝806.7 kg/m3 ?LB＝794.1 kg/m3
進(jìn)料板液相的質(zhì)量分率 a0.4778.11
A＝
?0.47?78.11+0.53?92.13
＝0.429
?LFm＝1
）
＝833kg/m3（0.423/806.7+0.531/794.1
（4）精餾段平均液相密度為
?Lm＝?815.2+833?/2＝824.1kg/m3
5.5 液體平均表面張力的計算σm
由tD=80.2℃ 查手冊，得
σA=21.2mNm σB=21.3mNm
?LDm?0.99?21.2??1?0.99??21.3?21.2mNm
由 tF＝90.1℃ 查手冊，得
σA=20.36mNm σB=20.76mNm
LFm?0.45?20.6??1?0.45??20.9?20.77mNm
?Lm=?21.2+20.9?/2?21mN/m
5.6 液體粘度計算
液相平均粘度依下式計算，即
lg?Lm??xilg?i
塔頂液相平均粘度的計算 由 tD＝80.2℃，查手冊得
?A?0.30m
6Pa s.?B?0.312mPa.s lg?LDm?0.99g?0.31??0.01lg?0.313?
解得 ?LDm?0.310mPa.s 進(jìn)料板液相平均粘度的計算 由tF＝90.1℃
?A?0.272mPa.s ?B?0.284mPa.s lg?LFm?0.47lg?0.264??0.53lg?0.273?
?LFm?0.269mPa.s
精餾段液相平均粘度的計算
?Lm??0.310?0.269?/2?0.289mPa.s
6. 精餾塔的塔體工藝尺寸計算
6.1 塔徑的計算
精餾段的氣、液相體積流率為
Vs?
VMVm3600??229.01?80.22?1.96m3/s
Vm3600?2.6Ls?
LMLm3600??145.43?84.67
?0.0042m3/s
Lm3600?824.1
由
umax?式中C由式，其中的C20由史密斯關(guān)聯(lián)圖查得，圖的橫坐標(biāo)為
Lh??L?0.0042?3600?824.1?V????
h?V?1.96?3600??2.6??
?0.00382 取板間距HT＝0.40m 板上液層高度hL＝0.06m
HT?hL?0.40?0.06?0.34m
查圖得 C20＝0.072
0.20.2
C?C20???L??21?
?20???0.072??20??
?0.071
umax??1.262m/s
取安全系數(shù)為0.7，則空塔氣速為
u理
?0.7umax?0.7?1.262?0.883m/s
D?
??1.68m 根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)塔徑圓整后為 D＝2.2m 塔截面積為
AT?
?
24
D?
?
4
?1.682?2.22m2
實際空塔氣速為
u實?
1.96
2.22
?0.883m/s
6.2 精餾塔有效高度的計算
精餾段有效高度為
Z精＝?N精?1?HT＝?14-1??0.40＝5.2m
提餾段有效高度為
Z提＝?N提?1?HT＝?22?1??0.40＝8.4m
在進(jìn)料板上方開一入孔，其高度為0.8m。 故精餾塔的有效高度為
Z＝Z精?Z提?0.8＝5.2?8.4?0.8＝14.4m
7. 塔板主要工藝尺寸的計算
7.1 溢流裝置計算
因塔徑 D＝1.68m，可選用68單溢流弓形降液管，采用凹形受液盤。各項計算如下： ⑴堰長′
D取 lw＝0.66＝
⑵溢流堰高度hw 由
0.?66＝1.68 1.11m
hW＝hL?hOW
選用平直堰，堰上液層高度由
2.84?Lh?hOW＝E??
1000?lW?
近似取E＝1，則
2.84?0.0042?3600?hOW＝?1???＝0.0162m
10001.11??
取板上清液層高度 hL＝0.06m 故 hW＝0.06?0.00162＝0.0438m ⑶弓形降液管寬度Wd 和截面積Af 由弓形降液管的參數(shù)圖，得
AfWd
＝0.0722 ＝0.124 ATD
故 Af＝0.0722AT＝0.0722?2.22＝0.160m
2
Wd＝0.124D＝0.124?1.68＝0.208m
驗算液體在降液管中的停留時間，即
?＝
3600AfHT3600?0.160?0.4
＝＝15.24s?5s 故降液管設(shè)計合理。 Lh0.0042?3600
⑷降液管底隙高度ho
ho＝
Lh
3600l
Wu'o
取u'o＝01m/s 則 ho＝
0.004?2360360?01.?11＝0
0.0.1
036 m
hW?ho＝0.0438-0.036＝0.0078m?0.006m 故降液管底隙高度設(shè)計合理。
選用凹形受液盤，深度h’
w＝60mm
7.2 塔板布置
⑴塔板的分塊
因D
取 Ws?W'
s?0.065m Wc?0.035m
⑶開孔區(qū)面積計算
開孔區(qū)面積Aa 按式
Aa?2?2
??
?rx?180si?n1r?計 算
?其中 x?1.68
??Wd?Ws??
2
??0.208?0.065??0.567m r?D2?Wc?1.682
?0.035?0.805m 故
Aa?2???
?0.8052?10.567?2
180sin0.805?
??1.66m ⑷篩孔計算及排列
本例所處理的物系無腐蝕性，可選用δ＝3mm碳鋼板，取篩孔直徑do＝5mm。
篩孔按正三角形排列，取孔中心距t為 t?3d0?3?5?15mm
篩孔數(shù)目n為 n?
1.155Aat2?1.155?1.66
0.015
2
?8521 個 開孔率為 ??0.907??d0?2
?t???0.907??0.005?
2
?0.015??
?10.1
％ 氣體通過閥孔的氣速為 us0＝
V1.9A＝6
＝11.69m /s00.10?11.66
8. .篩板的流體力學(xué)驗算
8.1 塔板壓降
⑴干板阻力hc的計算
2
hc＝0.051??u0??c????V?
? 由d0/δ＝5/3＝1.67， 查圖得，c0＝0.772
0???L?2
故 hc＝0.051??11.69???0.772?2.6?
???824.1??
＝0.0369m液柱
⑵氣體通過液層的阻力hl計算
hl??hL
ua?
VsA?1.96
2.22?
0.1?60.0
95m1sT?Af /
F0?u?1.53kg1/2/(s.m1/2)
查圖，得??0.60
hl??hL??(hW?hOW)?0.60??0.0438?0.0162??0.036m液柱⑶液體表面張力的阻力h?的計算
液體表面張力所產(chǎn)生的阻力h?由下式計算，即
4?L4?21?10?3
h????824.1?9.81?0.005
?0.00208m液柱
Lgd0氣體通過每層塔板的液柱高度hp可按下式計算，即
hp?hc?hl?h??0.0369?0.036?0.0021?0.075m 液柱
氣體通過每層塔板的壓降為
?Pp?hp?Lg?0.075?824.1?9.81?606Pa?0.7kPa （設(shè)計允許值）
8.2 液沫夾帶
5.7??63.2
e?v＝10???u?a
??HT
?hf? hh
Lf??2.5h?
0.4L
3.2
e5.7?10?6?0.951?v?21?10?3???0.4?0.15?
?
?0.0195?0.1kg液/kg氣
在允許范圍內(nèi)。
8.3 漏液
漏液點氣速的計算，得
u0,min?4.4c
?4.4? ?6.42m/s
實際孔速u0＝
11.69m/s>u0,min 穩(wěn)定系數(shù)為 K?
uou?11.69
?1.82?1.5 故在本設(shè)計中無明顯漏液。 ow6.42
8.4 液泛
防止發(fā)生液泛，降液管內(nèi)液層高度應(yīng)服從
Hd???Ht?hw?關(guān)系，取??0.5,則 ??HT?hw??0.5??0.4?0.0438??0.2219m
而Hd＝h??HL?hd
2
2
h?0.153??LS??0.0042?
d?L??0.153??W?ho?
?1.11?0.036???0.00169m
Hd?0.075?0.06?0.00169?0.13669m
Hd???HT?hw?故不會發(fā)生液泛現(xiàn)象。
9. 塔板負(fù)荷性能圖
9.1 液漏線
根據(jù)氣速式
uow?4.4C
Vs.min
?4.4?0.772A0
Vs.min?1.0259.2 液沫夾帶線
以ev?0.1kg液/kg氣為限，
5.7?10?u?
ev???H?h?f?T
?6?Vs
?0.485V4 ua??s ?A?ATf?
3.2
2
??23???3600L?3s??2.50.0438?0.6222L3?hf?2.5?hw?how??2.5?hw?2.84?10E????s??lw????? ???
?0.1095?1.5555Ls
23
HT?hf?0.2905?1.5555Ls
5.7?10ev?
21?10?3
?6
3.2
?0.4854Vs?
?0.1??0.2905-1.5555L??s??
Vs＝13058.?0.2909?1.5555Ls＝37933.?20.3117Ls
在操作范圍內(nèi)，任取幾個數(shù)據(jù)計算Vs值，列表得
?
?
9.3 液相負(fù)荷下限線
液相負(fù)荷下限線 取平堰.堰液層高度how=0.006作為液相下限條件
取E=1.0
how=2.843600Ls.min2
31000
E（l）
w2/3
得0.006= 2.841000?1? ??3600Ls.min??1.11??
Ls.min=0.000947m3/s
9.4 液相負(fù)荷上限線
以?＝4s作液體在降液管中的停留時間下限，由
L0.160
smax?
HT?Af
4
?
0.4?4
?0.016m3/s
9.5 液泛線
令 Hd＝??HT?hw? 由
Hd＝hp?hL?hd；hp＝hc?hl?h?；hl＝?hL；hL?hw?how
?HT?(????1)hw?(??1)how?hc?hd?h?
忽略h?，將與Vs的關(guān)系代入上式，并整理得
a'V2?b'?c'L2s?d'L2/3
ss 式中
a'?
0.051??(A2?
?V
0c0)?????0.051?2.6?L(0.101?1.66?0.772)2?
?824.1??
=0.0096 b'??HT?(????1)hw?0.5?0.4?（0.5?0.60?1）?0.0438＝0.175c'＝0.153/（l22wh0）＝0.153/（1.11?0.036）＝9582.
聯(lián)立得
?3600??3600?-3
d'＝2.84?10-3E（1??）??＝2.84?10?1?1.60???＝0.9956
?1.11??lw?
2/3
故 0.0096Vs2＝0.175?95.82L2s?0.9956Ls
2/3
2/3
在負(fù)荷性能圖上，作操作點A，連接OA，即為操作線，由圖可知，該篩板的操作上限
Vs，3.68m3/smax為液泛控制，下限為液漏控制。 操作彈性為＝＝192. 33
Vs，min1.92m/sVs，min=1.92m/s
3
Vs，max＝3.68m/s
10. 工藝計算匯總表：
21
總結(jié)
1.流程的說明
首先，苯和甲苯的原料混合物進(jìn)入原料罐，在里面停留一定的時間之后，通過泵進(jìn)入原料預(yù)熱器，在原料預(yù)熱器中加熱到泡點溫度，然后，原料從進(jìn)料口進(jìn)入到精餾塔中。因為被加熱到泡點，混合物中既有氣相混合物，又有液相混合物，這時候原料混合物就分開了，氣相混合物在精餾塔中上升，而液相混合物在精餾塔中下降。氣相混合物上升到塔頂上方的冷凝器中，這些氣相混合物被降溫到泡點，其中的液態(tài)部分進(jìn)入到塔頂產(chǎn)品冷卻器中，停留一定的時間然后進(jìn)入苯的儲罐，而其中的氣態(tài)部分重新回到精餾塔中，這個過程就叫做回流。液相混合物就從塔底一部分進(jìn)入到塔底產(chǎn)品冷卻器中，一部分進(jìn)入再沸器，在再沸器中被加熱到泡點溫度重新回到精餾塔。塔里的混合物不斷重復(fù)前面所說的過程，而進(jìn)料口不斷有新鮮原料的加入。最終，完成苯與甲苯的分離。 2.流程示意圖
冷凝器→塔頂產(chǎn)品冷卻器→苯的儲罐→苯 ↑↓回流 原料→原料罐→原料預(yù)熱器→精餾塔 ↑回流↓
再沸器← 塔底產(chǎn)品 → 冷卻器→甲苯的儲罐→甲苯
3.工藝流程圖
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