EP2090783A2 - Schlammreaktorpumpe zur gleichzeitigen Förderung von Feststoffen, Flüssigkeiten, Dampfen und Gasen - Google Patents
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Definitions
- the invention is based on the object to promote the mixtures in chemical, especially catalytic reactions of reacting solids, liquids with the resulting vapors and gases during the reaction.
- reaction mixtures can not be circulated, which precludes a continuous reaction. It is therefore an object of the invention to circulate such reaction mixtures during the reaction and to use the good mixing in the delivery system for the acceleration of the reaction and thus reduction of the reaction plant. In the foreground is not the achievement of good efficiencies, but the use of the energy loss to heat the pumped liquid up to reaction temperature.
- the known pump systems are not suitable for promoting the resulting reaction mixtures of gases and vapors on the one hand and solids laden liquids on the other hand.
- Radial gear pumps react very critically to the gases and vapors produced during the reaction.
- the vapors forming during the reaction collect in the center of the impeller because of the low density and lead there to cavitation and to the demolition of the promotion.
- liquid ring vacuum pump One type of pump that creates large negative pressures in the inlet is the liquid ring vacuum pump. However, it is not suitable and intended for liquid and solid transport. This pump is capable of sucking gases and vapors, but not liquids and solids. It was therefore sought after a way to make this type of pump also for the promotion of liquids and solids and thus solve the inventive task.
- the object has been achieved in that the liquid ring vacuum pump combined with the properties of a radial pump.
- a new type of pump was created, which combines the promotion of fluids of the radial pump, the gas promotion of the liquid ring vacuum pump and also allows the promotion of solids by a special design of the channels.
- this study revealed the working discovery. It is the combination of both systems that allows the gases and vapors produced during the reaction to be separated from the liquid and to easily convey both states of matter.
- the separation of the gases and vapors is done on the principle of the liquid ring vacuum pump, which separates and promotes this inward by the centrifugal force of the diegelaufaufrades.
- the delivery of solid and liquid substances on the circumference is done by a control system of the control discs, which transports these substances axially on the circumference and thus more and more solid and liquid materials are nachge redesignt.
- Impellers and control discs are arranged eccentrically. As a result, a liquid ring can form during the intake phase or during gas promotion, which lays on the impeller hub at different distances. Gas-filled spaces are formed which increase and decrease due to the eccentricity. In this operating state, the sludge reactor pump is well suited for the co-promotion of gases and vapors.
- the liquid / vapor mixture is sucked through a suction slot, which is located in the region of the largest distance of the liquid ring from the hub. Because of the different density, the reaction gas accumulates in the hub region and is ejected via a pressure slot, which is located in the region of the smallest distance of the liquid ring from the hub.
- the liquid is separated from the gas phase and discharged through openings in the form of slots or holes which are located on the housing outer diameter in the region of the highest case pressure or conveyed via a guide in the next stage.
- openings in the form of slots or holes which are located on the housing outer diameter in the region of the highest case pressure or conveyed via a guide in the next stage.
- the liquid guide vanes are arranged in front of the outlet openings. The promotion of liquid is possible only with moderate efficiency. The resulting power loss serves to supply energy to the pumped medium.
- a narrow axial gap between the housing and the impeller as in the liquid ring vacuum pump is not necessary because the liquid ring according to the invention does not have to be stabilized in a sealed chamber, but receives axial outlet openings, which are arranged in the region of the highest case pressure, if necessary with downstream guide.
- the design of the openings enables a comminution of the solids with simultaneous shearing action on the pumped medium.
- the liquid which flows through the pressure-side outlet openings is deflected in such a way that it is fed to the next stage or used as a bypass in single-stage machines. This results in a better mixing by a longer residence time of the medium and an additional energy input by friction for faster reaction.
- the ability of the liquid ring vacuum pump is obtained to generate a large intake negative pressure, to promote the gases and vapors as in the vacuum pump in the middle and the Radialrad aid nevertheless the liquid-solid mixture, the sludge, while reacting at high Temperature with through the pump to promote.
- the size of the executed in the embodiment of the invention guide profiles and holes thus simultaneously determine the delivery range of the pump to the solid-liquid mixture. Another advantage is the possibility of cleaning the system by reversing the direction of rotation of the pump.
- the shaft seal used are double-acting, non-directional mechanical seals which are filled with suitable fluid, e.g. Oil can be operated as a barrier medium between the pump side and the atmosphere side seal.
- the barrier liquid is circulated by means of auxiliary pumps with slight overpressure in relation to the pump-side seal.
- the pump bearing is arranged between the inner and outer seal so that the barrier liquid is used simultaneously for lubrication and cooling.
- heat exchangers are connected in the circuit.
- the higher pressure of the barrier fluid compared to the inner seal prevents the abrasive solid particles, such as metal, glass and stones in the sludge, from being kept away from the sealing gap, bearing and shaft.
- additional mixing can be achieved in a loop mixer placed in a bypass tube between the stages ( FIG. 9 ).
- Figure 1 to 5 shows the cross section through a sludge reactor pump according to the invention. It shows the FIG. 1 the cross section in the front part of the pump, which is connected to the suction port of the pump.
- the impeller 2 has a blade ring, which is seen in the direction of rotation, inclined backwards. 3, the shaft is referred to the bearing and the partition 4 to the housing 1 non-positively and positively connected.
- the outlet opening for emptying the pump is denoted by 5.
- the liquid ring is connected to the next stage with the mixture inlet for the next stage 6.
- the ring formed by the centrifugal force on the outer circumference of liquid and solids passes through the intermediate wall between the two stages from outside to inside in the internal mixture inlet 6.
- the gas, which accumulates in the first chamber inside passes with the gas outlet 7 in the next level.
- FIG. 2 explains the system in detail. This figure shows the liquid transport between stages 1 and 2 in the intermediate conducting chamber.
- the guide means 9 which conduct fluidically guided from outside to inside between the stages of liquid and solids in the next stage so that no blockages or fluidic blockages occur.
- FIG. 3 which represents only the intermediate disc, further deepened.
- the FIG. 3 shows only the part of the washer, which is located at the 1st stage, wherein the liquid outlet from the first stage is shown as 8 with.
- FIG. 4 the other half of the washer is shown.
- FIG. 5 is also the gas inlet and gas outlet 6 shown.
- the result of such a conveyor shows the FIG. 6 .
- the mud pump has a high negative pressure on the inlet side of the pump, but generates a relatively low discharge pressure. This is very beneficial in chemical reactions with solids because the solids would clog a nozzle on the exit side. At such low output pressures but the additional switching of nozzles is not necessary, since these pressure differences can be controlled by normal, controlled valves without additional throttling with nozzles.
- FIG. 7 shows the embodiment of an inventive sludge reactor pump with 2 reaction chambers. The designations correspond to those of the sectional images.
- FIG. 8 shows the incorporation of such a mud reactor pump, which is driven by an electric motor, as a whole aggregate. With 12 while the mud reactor is designated. With 13 of the engine is referred to, which is designed as an electric motor or combustion engine or combustion turbine.
- Denoted at 14 is the fan which recirculates the storage cooling, bearing lubrication and pressure lock to prevent the ingress of solid particles from the fluid to the bearings.
- the reservoir for the storage volume of the bearing lubrication is called.
- the pump for the cooling and lubrication circuit of the bearing lubrication is called.
- a slurry reactor pump is coupled to an electric motor.
- the unit has an electrical power consumption of a maximum of 200 kW and an average of 120 kW.
- the unit is 3.5 m long and the sludge reactor pump is mounted on a vibration damper plate.
- the sludge reactor pump has a length of 795 mm and is mounted on a base plate of 840 x 1200 mm.
- the distance between the intake on the engine side and the overpressure pipe on the outside is 795 mm.
- the pressure profile of the overpressure side is in the diagram in FIG. 6 shown.
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Abstract
Description
- Der Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde, die Gemische bei chemischen, insbesondere katalytischen Reaktionen aus reagierenden Feststoffen, Flüssigkeiten mit den dabei entstehenden Dämpfen und Gasen während der Reaktion zu fördern.
- Bekannt sind aus der Reaktionstechnik Rührwerke in Behältern, die vorwiegend eine diskontinuierliche Reaktion ermöglichen. Die Inhalte werden erst nach Abschluss der Reaktion gefördert, wobei dann ein homogener flüssiger Zustand erreicht ist, der das Abpumpen mit den bekannten Pumpensystemen ermöglicht.
- Während der Reaktion lassen sich die Reaktionsgemische nicht umwälzen, was eine kontinuierliche Reaktionsführung ausschließt. Es ist deshalb Ziel der Erfindung, solche Reaktionsgemische während der Reaktion umzuwälzen und die gute Vermischung in dem Fördersystem für die Beschleunigung der Reaktion und damit Verkleinerung der Reaktionsanlage zu nutzen. Im Fordergrund steht dabei nicht die Erzielung guter Wirkungsgrade, sondern die Nutzung der Verlustenergie zur Erwärmung der Förderflüssigkeit bis auf Reaktionstemperatur.
- Die bekannten Pumpensysteme sind zur Förderung der entstehenden Reaktionsgemische aus Gasen und Dämpfen einerseits und mit Feststoffen beladenen Flüssigkeiten anderseits nicht geeignet. Radialradpumpen reagieren auf die bei der Reaktion entstehenden Gase und Dämpfe sehr kritisch. Die sich bei der Reaktion bildenden Dämpfe sammeln sich wegen der geringen Dichte im Zentrum des Laufrades und führen dort zu Kavitation und zum Abriss der Förderung. Die damit verbundenen unzureichenden NPSH-Werte, d. h. die Entstehung unzulässiger Kavitation, führen zur Zerstörung der Pumpe.
- Der notwendige Unterdruck zum Einsaugen der Reaktionsgemische ist bei den üblichen Pumpen mit Radialrädern nur in geringem Umfang möglich und außerhalb des Bereiches, den reagierende Gemische in Chemieanlagen haben. Seitenkanalpumpen können selbst ansaugen. Der mögliche Unterdruck ist aber nicht für die Reaktionsgemische ausreichend. Wegen der engen Spalte verstopfen die mitgeförderten Feststoffe die Kanäle. Die Lebensdauer bekannter Fördereinrichtungen ist gering, wenn es überhaupt zu einer Förderung kommt.
- Eine Pumpenart, die im Einlauf große Unterdrücke erzeugt ist die Flüssigkeitsring-Vakuumpumpe. Sie ist jedoch nicht für den Flüssig- und Feststofftransport geeignet und vorgesehen. Diese Pumpe ist in der Lage, Gase und Dämpfe anzusaugen, nicht jedoch Flüssigkeiten und Feststoffe zu fördern. Es wurde deshalb nach einer Möglichkeit gesucht, diesen Pumpentyp auch für die Förderung von Flüssigkeiten und Feststoffen zu ertüchtigen und damit die erfinderische Aufgabe zu lösen.
- Dabei wurde überraschenderweise eine Lösung dafür gefunden. Erfindungsgemäß wurde die Aufgabe dadurch gelöst, daß die Flüssigkeitsring-Vakuumpumpe mit den Eigenschaften einer Radialpumpe kombiniert. Damit wurde ein neuer Pumpentyp geschaffen, der die Förderung von Flüssigkeiten der Radialpumpe, die Gasförderung der Flüssigkeitsring-Vakuumpumpe vereinigt und durch eine besondere Ausbildung der Kanäle zudem die Förderung der Feststoffe ermöglicht. Diese Untersuchung ergab überraschenderweise die funktionierende Entdeckung. Erst die Kombination beider Systeme ermöglicht die bei der Reaktion entstehenden Gase und Dämpfe von der Flüssigkeit zu trennen und beide Aggregatzustände problemlos zu fördern.
- Das Trennen der Gase und Dämpfe geschieht dabei auf dem Prinzip der Flüssigkeitsring-Vakuumpumpe, die durch die Zentrifugalkraft des Flügellaufrades diese nach innen abscheidet und fördert. Die Förderung der festen und flüssigen Stoffe am Umfang geschieht durch ein Leitsystem der Steuerscheiben, die diese Stoffe am Umfang axial transportiert und damit immer neue feste und flüssige Stoffe nachgefördert werden.
- Beiderseits der Laufräder sind Steuerscheiben angeordnet, die den Pumpenraum begrenzen. Laufräder und Steuerscheiben sind exzentrisch angeordnet. Dadurch kann sich während der Ansaugphase oder bei Gasmitförderung ein Flüssigkeitsring ausbilden, der sich mit unterschiedlichem Abstand an die Laufradnabe legt. Es bilden sich gasgefüllte Räume, die sich wegen der Exzentrizität vergrößern und verkleinern. In diesem Betriebszustand ist die Schlammreaktorpumpe gut zur Mitförderung von Gasen und Dämpfen geeignet.
- Das Flüssigkeits-/Dampfgemisch wird durch einen Saugschlitz, der sich im Bereich des größten Abstandes des Flüssigkeitsringes von der Nabe befindet, angesaugt. Wegen der unterschiedlichen Dichte sammelt sich das Reaktionsgas im Nabenbereich und wird über einen Druckschlitz, der im Bereich des kleinsten Abstandes des Flüssigkeitsringes von der Nabe befindet, ausgestoßen.
- Über die Radialkomponente des Laufrades wird die Flüssigkeit von der Gasphase getrennt und über Öffnungen in Form von Schlitzen oder Bohrungen, die am Gehäuseaußendurchmesser liegen im Bereich des höchsten Gehäusedruckes ausgeleitet bzw. über eine Leiteinrichtung in die nächste Stufe gefördert. Zur Umlenkung der Flüssigkeit sind vor den Austrittsöffnungen Leitschaufeln angeordnet. Die Förderung von Flüssigkeit ist nur mit mäßigem Wirkungsgrad möglich. Die dadurch entstehende Verlustleistung dient der Energiezufuhr an das Fördermedium.
- Ein enger Axialspalt zwischen Gehäuse und Laufrad wie bei der Flüssigkeitsring-vakuumpumpe ist nicht erforderlich, weil der Flüssigkeitsring erfindungsgemäß nicht in einer abgeschlossenen Kammer stabilisiert werden muss, sondern axiale Austrittsöffnungen erhält, die im Bereich des höchsten Gehäusedrucks angeordnet werden, bei Bedarf mit nachgeschalteten Leiteinrichtung. Die Gestaltung der Öffnungen ermöglicht ein Zerkleinern der Feststoffe bei gleichzeitiger Scherwirkung auf das Fördermedium.
- In der Leiteinrichtung wird die Flüssigkeit, welche durch die druckseitigen Austrittsöffnungen strömt in der Weise umgelenkt, dass sie der nächsten Stufe zugeführt bzw. bei einstufigen Maschinen als Bypaß genutzt wird. Damit ergibt sich eine bessere Vermischung durch längere Verweilzeit des Mediums und ein zusätzlicher Energieeintrag durch Reibung zum schnelleren Reaktionsablauf.
- Dadurch wird es ermöglicht, dass der Flüssigkeitsring oder auch Feststoff-Flüssigkeitsring ständig ausgetauscht wird und durch die neu einströmenden Gemische aus Feststoffen und Flüssigkeit in die nächste Stufe bzw. in die Förderleitung gedrückt wird. Bei dieser Betriebsweise kommt es zu einer intensiven Vermischung zwischen Flüssigkeitsring und nachströmendem Fördermedium.
- Dabei wird die Fähigkeit der Flüssigkeitsring-Vakuumpumpe erhalten, einen großen Ansaugunterdruck zu erzeugen, die Gase und Dämpfe wie in der Vakuumpumpe in der Mitte zu fördern und durch das Radialradprinzip trotzdem das Flüssigkeits-Feststoff-Gemisch, den Schlamm, gleichzeitig im reagierenden Zustand bei hoher Temperatur mit durch die Pumpe zu fördern.
- Die Größe der in der erfindungsgemäßen Ausführung ausgeführten Leitprofile und Bohrungen bestimmen damit gleichzeitig den Förderbereich der Pumpe an dem Feststoff-Flüssigkeits-Gemisch. Ein weiterer Vorteil liegt in der Möglichkeit einer Reinigung der Anlage durch Drehrichtungsumkehr der Pumpe. Als Wellendichtung kommen doppeltwirkende, drehrichtungsunabhängige Gleitringdichtungen zum Einsatz, die mit geeigneter Flüssigkeit, z.B. Öl als Sperrmedium zwischen pumpenseitiger und atmosphärenseitiger Dichtung betrieben werden.
- Die Sperrflüssigkeit wird mit leichtem Überdruck gegenüber der pumpenseitigen Dichtung über Hilfspumpen umgewälzt. Erfindungsgemäß ist zwischen innerer und äußerer Dichtung das Pumpenlager so angeordnet, dass die Sperrflüssigkeit gleichzeitig zur Schmierung und Kühlung genutzt wird. Um die Temperatur an der Gleitringdichtung und am Pumpenlager im zulässigen Bereich zu halten sind in den Kreislauf Wärmetauscher geschaltet.
- Der höhere Druck der Sperrflüssigkeit gegenüber der inneren Dichtung verhindert, dass die im Schlamm eingetragenen abrasiven Feststoffteile, wie z.B. Metall, Glas und Steine von Dichtspalt, Lager und Welle ferngehalten werden. Über die beschriebene Anwendung hinaus kann in einem Schleifenmischer, der in einem Bypassrohr zwischen den Stufen angeordnet wird, zusätzliche Vermischung erreicht werden (
Figur 9 ). - Die nachfolgenden Figuren erläutern die Erfindung.
Figur 1 bis 5 zeigt den Querschnitt durch eine erfindungsgemäße Schlammreaktorpumpe. Dabei zeigt dieFigur 1 den Querschnitt im vorderen Teil der Pumpe, der mit der Ansaugöffnung der Pumpe verbunden ist. Mit 1 ist das Gehäuse bezeichnet. Das Laufrad 2 hat einen Schaufelkranz, der in Drehrichtung gesehen, nach hinten geneigt ist. Mit 3 ist die Welle bezeichnet, die mit dem Lager und der Trennwand 4 zum Gehäuse 1 kraft- und formschlüssig verbunden ist. - Die Austrittsöffnung zur Entleerung der Pumpe ist mit 5 bezeichnet. Über die Bohrungen 8 ist der Flüssigkeitsring mit der nächsten Stufe mit dem Gemischeintritt für die nächste Stufe 6 verbunden. Dadurch gelangt der mit der Zentrifugalkraft am Außenumfang gebildete Ring aus Flüssigkeit und Feststoffen über die Zwischenwand zwischen den beiden Stufen von außen nach innen in den innen liegenden Gemischeintritt 6. Das Gas, welches sich in der ersten Kammer innen ansammelt gelangt mit dem Gasaustritt 7 in die nächste Stufe.
- Die Flüssigkeitsförderung erfolgt nach ihrem Eintritt in die erste Stufe durch die Zentrifugalkraft nach außen in den Flüssigkeitsring und über die Bohrungen und dem Kanal von außen nach innen zentral in die nächste Stufe. Die Gasanteile, die sich innen sammeln werden von Stufe zu Stufe nicht umgelenkt, sondern axial von Stufe zu Stufe gefördert.
Figur 2 erläutert das System im Detail. Diese Figur zeigt den Flüssigkeitstransport zwischen der Stufe 1 und 2 in der dazwischen liegenden Leitkammer. - In der Leitkammer befinden sich die Leiteinrichtungen 9, die die von außen nach innen zwischen den Stufen geleiteten Flüssigkeits- und Feststoffe strömungstechnisch in die nächste Stufe so leiten, daß keine Verstopfungen oder strömungstechnische Blockaden auftreten. Dieses wird in der
Figur 3 , die nur die Zwischenscheibe darstellt, noch weiter vertieft. DieFigur 3 zeigt nur den Teil der Zwischenscheibe, der an der 1. Stufe liegt, wobei der Flüssigkeitsaustritt aus der ersten Stufe als 8 mit dargestellt ist. - In
Figur 4 ist die andere Hälfte der Zwischenscheibe dargestellt. InFigur 5 ist auch der Gaseintritt und Gasaustritt 6 dargestellt. Das Ergebnis einer solchen Fördereinrichtung zeigt dieFigur 6 . Dabei ist zu sehen, daß die Schlammpumpe zwar einen hohen Unterdruck auf der Eintrittsseite der Pumpe hat, jedoch einen relativ niedrigen Förderdruck erzeugt. Das ist sehr vorteilhaft in chemischen Reaktionen mit Feststoffen, da die Feststoffe eine Düse auf der Ausgangsseite verstopfen würden. Bei solchen niedrigen Ausgangsdrücken ist aber die zusätzliche Einschaltung von Düsen nicht notwendig, da diese Druckunterschiede durch normale, geregelte Ventile gesteuert werden können ohne zusätzliche Androsselung mit Düsen. -
Figur 7 zeigt die Ausführungsform einer erfinderischen Schlammreaktorpumpe mit 2 Reaktionskammern. Die Bezeichnungen entsprechen denen der Schnittbilder.Figur 8 zeigt die Einbindung einer solchen Schlammreaktorpumpe, die mit einem Elektromotor getrieben wird, als ein Gesamtaggregat. Mit 12 ist dabei die Schlammreaktorpupe bezeichnet. Mit 13 ist der Motor bezeichnet, der als Elektromotor oder Verbrennungsmotor oder Verbrennungsturbine ausgebildet ist. - Mit 14 ist der Lüfter bezeichnet, der das Kreislauföl der Lagerkühlung, der Lagerschmierung und der Drucksperre zur Verhinderung des Eindringens von festen Teilchen aus dem Fördermedium in die Lager rückkühlt. Mit 15 ist der Vorratsbehälter für das Vorratsvolumen der Lagerschmierung bezeichnet. Mit 16 ist die Pumpe für den Kühl- und Schmierkreislauf der Lagerschmierung bezeichnet.
- Da die Aufgabe der Schlammreaktorpumpe die Vermischung und Erhitzung der eingesaugten Materialien ist, wird in die Saug- und Druckleitung zur weiteren Vermischung ein Schlaufenreaktor eingeschaltet, der diese Wirkung weiter erhöht. Dieser ist in der
Figur 9 dargestellt. - In einem speziellen Ausführungsbeispiel wird die Erfindung näher erläutert. Dieses Ausführungsbeispiel ist in
Figur 10 näher erläutert. Eine Schlammreaktorpumpe ist mit einem Elektromotor gekoppelt. Die Einheit hat eine elektrische Aufnahmeleistung von maximal 200 kW und im Mittel 120 kW. Die Einheit ist 3,5 m lang und die Schlammreaktorpumpe ist auf einer Aufnahmeplatte mit Schwingungsdämpfer montiert. Die Schlammreaktorpumpe hat eine Länge von 795 mm und ist auf eine Grundplatte von 840 x 1200 mm montiert. Der Abstand zwischen Ansaugung auf der Motorseite und der Überdruckleitung auf der Außenseite ist 795 mm. Der Druckverlauf der Überdruckseite ist in dem Diagramm inFigur 6 dargestellt. -
- 1
- Gehäuse
- 2
- Laufrad
- 3
- welle
- 4
- Trennwand
- 5
- Entleerung
- 6
- Gemischeintritt
- 7
- Gasaustritt
- 8
- Flüssigkeitsaustritt
- 9
- Leiteinrichtung
- 10
- Förderhöhe
- 11
- Fördermenge
- 12
- Schlammreaktorpumpe
- 13
- Motor
- 14
- Lüfter
- 15
- Behälter
- 16
- Pumpe
- 17
- Schlaufenmischer
Claims (4)
- Schlammreaktorpumpe zur Förderung von Gemischen von festen, flüssigen, verdampfenden und gasförmigen Gemischen, dadurch gekennzeichnet, daß eine Flüssigkeitsring-Vakuumpumpe mit den Eigenschaften einer Radialradpumpe kombiniert wird.
- Schlammreaktorpumpe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Förderung des Feststoffes und der verdampfenden Flüssigkeit durch die Ausbildung der Stufentrennwand durch Bohrung oder Schlitze in dem Umfang der ersten Stufe und zentralen Schlitzen in der 2. Stufe mit Leiteinrichtungen in den Trennwand zur Förderung der verdampfenden Flüssigkeiten und der Feststoffe von außen nach innen.
- Schlammreaktorpumpe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Lager und Dichtungen auf beiden Seiten der Pumpe mit einem spezifischen Überdruck zur Einsaug- und Austrittsseite der Schlammreaktorpumpe im gekühlten Kreislauf erfolgt.
- Schlammreaktorpumpe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß auf einer oder beiden Seiten der Schlammreaktorpumpe, am Eingang, Ausgang oder beiden Seiten Schlaufenreaktoren angebracht sind.
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