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Verfahren und Vorrichtung zur Gewinnung fester Russaggregate oder Russkörper aus einer wässerigen Russsuspension
Die Erfindung bezieht sich auf Verfahren und Vorrichtungen, mittels deren feste Russaggregate oder
Russkörper aus einer wässerigen Russsuspension dadurch erzeugt werden können, dass die Russsuspension mit einer mit Wasser nicht mischbaren Hilfsflüssigkeit in Berührung gebracht wird.
Es ist bereits bekannt, Suspensionen von Russ in Wasser durch Beifügen einer mit Wasser nicht misch- baren Hilfsflüssigkeit zu zerlegen, wobei die Hilfsflüssigkeit den Russ besser benetzt als Wasser, und wobei die Suspension und die Hilfsflüssigkeit in einem gemeinsamen Mischraum zusammengebracht werden.
Es hat sich als notwendig erwiesen, die betreffenden Stoffe bei der Durchführung dieses Verfahrens kräftig zu bewegen ; zu diesem Zweck kann man grundsätzlich Rührwerke verschiedener Bauart, z. B. einen Rührmechanismus, verwenden. Bei einem bereits bekannten Verfahren wird die kräftige Bewegung mit Hilfe eines Schraubenmischers herbeigeführt ; nach einer geeigneten Verweilzeit der Stoffe in einem derartigen Mischer können die entstandenen festen Körper und das Wasser durch Abschütten oder Filtration voneinander getrennt werden.
In der Praxis hat sich gezeigt, dass bei der Erzeugung fester Russstoffe aus einer wässerigen Russsuspension Schwierigkeiten bezüglich des Reinheitsgrades des Abwassers auftreten können, denn obwohl es bei richtiger Wahl von Art und Menge der beizufügenden Hilfsflussigkeit durchaus möglich ist, feste Russkörper in der oben angedeuteten Weise zu erhalten, die sich von dem Wasser leicht trennen, verbleibt in vielen Fällen in dem Wasser eine Russmenge, die zu gross ist, so dass sie nicht zusammen mit dem Wasser abgeführt werden kann. Die Russmenge, welche das Abwasser enthalten kann, ohne in merklicher Weise verunreinigt zu sein, ist tatsächlich ausserordentlich klein, d. h. sie liegt in der Grössenordnung von 1 Gew.Teil Russ auf 106 Gew.-Teile Wasser.
Die Verunreinigung des Wassers ist selbst bei Betrachtung dünner Schichten deutlich zu erkennen, wenn sie 5 Gew.-Teile Russ auf 106 Gew.-Teile Wasser überschreitet.
Es wurde festgestellt, dass die in dem Abwasser zurückbleibende Russmenge sowohl von der Menge der der Suspension beigefügten Hilfsflüssigkeit als auch von der Verweilzeit der verschiedenen Stoffe in dem Mischraum abhängt. Bei einem grösseren Wert des Mengenverhältnisses zwischen der Hilfsflüssigkeit und dem in der Suspension vorhandenen Russ besteht eine geringere Wahrscheinlichkeit, dass freie Russteilchen in dem Wasser zurückbleiben. Ausserdem wirkt sich die Verweilzeit bei grösseren Mengen günstiger auf die Qualität des Abwassers aus.
Unter Anwendung dieser Erkenntnisse wurde bereits versucht, Russkonzentrationen in dem Abwasser zu erzielen, die den oben angegebenen Bedingungen bezüglich der Klarheit des Wassers entsprechen. Zwar Ist dies grundsätzlich durchaus möglich, doch ergeben sich bei dieser Lösung immer noch Nachteile, die auf die Tatsache zurückzuführen sind, dass die erforderliche Verbesserung der Qualität des Abwassers einen löheren Verbrauch an Hilfsflüssigkeit, d. h. einen höheren Kostenaufwand, sowie eine längere Verweil- eit bedingt, die ebenfalls zu einer Kostenerhöhung führt, denn man benötigt einen Mischraum von unerwünscht grossen Abmessungen, woraus sich häufig konstruktive Probleme, z.
B. bezüglich der Rühren- : ichtung, ergeben, und wobei sich dann auch wegen des höheren Energiebedarfes für das Rühren auch ein löherer Energieverbrauch ergibt. Wenn man eines dieser Verfahren für sich anwendet, d. h. nur die Beigabe einer grösseren Menge der Hilfsflüssigkeit oder nur die Verlängerung der Verweilzeit, ergibt sich
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häufig eine noch ungünstigere Situation. Beispielsweise tritt die Gefahr auf, dass so viel Hilfsflüssigkeit beigefügt wird, dass es nicht mehr möglich ist, feste Russkörper entstehen zu lassen ; in diesem Falle bildet sich statt dessen eine auf dem Wasser schwimmende Paste mit einer Konsistenz eines Schuhputzmittels.
Bei der weiteren Verarbeitung einer solchen Paste ergeben sich dann Schwierigkeiten. i Die Erfindung ermöglicht es nunmehr, die vorstehend genannten Nachteile zu vermeiden. Das Ver- fahren nach der Erfindung, bei welchem die wässerige Russsuspension und die Hilfsflüssigkeit kontinuier- lich in einem ersten Raum zusammengebracht werden, wo sie durch kräftiges Rühren miteinander ver- mischt werden, ist nun dadurch gekennzeichnet, dass ein Teil des Inhalts des genannten Raumes kontinuier- lich in einen zweiten Raum überführt wird, wo ebenfalls ein Durchmischen durch kräftiges Rühren erfolgt, und dass die sich bildenden, Russ und Hilfsflüssigkeit enthaltenden Aggregate oder Körper schliesslich von der flüssigen Phase getrennt werden.
Unter dem"kräftigen Rühren"wird hier ein Rührvorgang verstanden, bei dem das Material mit einem Energieaufwand von mindestens 2, 25 kW je Kubikmeter gerührt wird.
Überraschenderweise hat sich gezeigt, dass die Unterteilung des Mischvorganges in zwei Stufen oder
Stadien dazu führt, dass man ein Abwasser von ausreichendem Reinheitsgrad erhält, wobei man im Ver- gleich zur Anwendung eines einstufigen Mischvorganges mit einer erheblich günstigeren Kombination von
Verweilzeit und Menge der Hilfsflüssigkeit je Mengeneinheit des in der Suspension vorhandenen Russes ar- beiten kann.
Durch das erfindungsgemässe Verfahren werden somit die wirtschaftlichen und konstruktiven Nachtei- le des einstufigen Verfahrens ausgeschaltet.
Wässerige Russsuspensionen, die sich für eine Behandlung nach dem beschriebenen Verfahren eignen, sind in der Praxis häufig anzutreffen. Beispielsweise lässt sich die Bildung von Russ bei der unvollständigen
Verbrennung von Kohlenwasserstoffen oder von Kohlenwasserstoffe enthaltenden Gemischenmit Sauerstoff oder sauerstoffhaltigen Gasen gewöhnlich nicht vermeiden. Wenn die dabei erhaltenen Gase weiterverar- beitet werden sollen, z. B. bei der Erzeugung von Ammoniak oder Leuchtgas, ist es wichtig, diesen Russ zu beseitigen ; dies geschieht vorzugsweise durch Waschen des Gases mit Wasser, wobei das Gas gegebe- nenfalls gleichzeitig gekühlt wird. Das erfindungsgemässe Verfahren eignet sich insbesondere zur Verar- beitung von auf diese Weise gewonnenen Russsuspensionen.
Als Ausgangsmaterial wird zweckmässig eine wässerige Russsuspension verwendet, die nicht mehr als
40 g Russ je Liter Wasser enthält. Bei einer höheren Konzentration des Russes in dem Wasser wird die Russ- suspension in hohem Mass zähflüssig, und dies kann zu Schwierigkeiten beim Pumpen des Materials füh- ren.
Als Hilfsflüssigkeit verwendet man vorzugsweise ein Kohlenwasserstofföl. Gasöl ist für diesen Zweck sehr gut geeignet ; die bei der Benutzung von Gasöl entstehenden Russ/Öl-Aggregate besitzen im allge- meinen die Form von Kügelchen mit einem Durchmesser von 2 bis 10 mm ; durch geeignete Wahl der Be- triebsbedingungen ist es jedoch auch möglich, Russaggregate oder-körper mit grösseren oder kleineren
Abmessungen zu erzeugen.
Insbesondere sind auch Heizölrückstände, die den Vorteil bieten, dass sie sehr billig sind, für die
Zwecke der Erfindung sehr geeignet.
Vorzugsweise fügt man je Gewichtsteil Russ nicht mehr als 7 Gew.-Teile Öl bei. Wenn eine grössere Ölmenge verwendet wird, besteht manchmal die Gefahr, dass die Russkügelchen zu klebrig werden, und dies kann bei der Weiterverarbeitung oder Lagerung zu Schwierigkeiten führen. Bei der Verwendung relativ sehr grosser Ölmengen besteht sogar die Gefahr, dass sich überhaupt keine Kügelchen bilden, sondern dass unregelmässige Klumpen entstehen, die sich zu einer Paste mit der Konsistenz eines Schuhputzmittels vereinigen.
Die mittlere gesamte Verweilzeit des Wassers in den beiden Räumen richtet sich in einem gewissen Masse nach der verwendeten Hilfsflüssigkeit ; bei schwereren Hilfsflüssigkeiten ist im allgemeinen eine etwas längere Verweilzeit erforderlich. Die Verweilzeit liegt vorzugsweise im Bereich von 1 bis 25 min, d. h. Gasöl erfordert im allgemeinen eine Verweilzeit im unteren Teil dieses Bereiches, während Heizöl eine Verweilzeit im oberen Teil des Bereiches bedingt. In vielen Fällen haben sich Verweilzeiten von 10 bis 15 min als geeignet erwiesen.
Ferner sieht die Erfindung eine für die Durchführung des erfindungsgemässen Verfahrens geeignete Vorrichtung vor. Diese Vorrichtung ist dadurch gekennzeichnet, dass sie zwei hintereinandergeschaltete Schraubenmischer mit senkrechten Schraubenwellen umfasst ; der erste Mischer ist mit einer Vorrichtung zum Zuführen der wässerigen Russsuspension und der Hilfsflüssigkeit versehen, während der zweite Mischer eine Vorrichtung zum Abgeben der festen Russkörper und des Wassers aufweist ; diese Abgabevorrichtung ist mit einem Filterelement versehen, durch das die Aggregate von dem Wasser getrennt werden, und die
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beiden Mischer sind durch eine Leitung miteinander verbunden, die in Form eines Überlaufs an den ersten
Mischer angeschlossen ist und in dem zweiten Mischer an einer zentralen Stelle mündet.
Der Überlauf des ersten Mischers soll zentral in dem zweiten Mischer münden, d. h. in der Nähe der
Rührschraubenwelle oder um diese herum, denn das von dem ersten Mischer kommende Wasser, das noch nicht vollständig von Russ befreit ist, soll in den zweiten Mischer nicht unmittelbar am oberen Rand des
Wirbels eintreten, da die Gefahr besteht, dass dieses Wasser auf dem kürzesten Weg an die Austrittsseite des zweiten Mischers gelangt, ohne in genügendem Ausmass mit"wachsenden"Aggregatteilchen in Berührung gekommen zu sein, die den freien Russ aus dem Wasser absorbieren.
Ferner wurde festgestellt, dass ein Schraubenmischer andern bekannten Rührvorrichtungen wie rotie- renden Scheiben oder Turbomischern vorzuziehen ist.
Die Länge der Rührpropellerflügel beträgt rechtwinkelig zur Drehachse des Propellers vorzugsweise mindestens 1/6 und höchstens 2/5, vorzugsweise mindestens 1/4 und höchstens 1/3des Mischerdurchmes- sers.
Wenn man einen Propeller wählt, dessen Durchmesser unter der oben angegebenen Untergrenze liegt, ist eine hohe Drehzahl erforderlich, um den Inhalt des Mischers in ausreichender Bewegung zu halten. In diesem Falle besteht jedoch die Gefahr, dass sich keine festen Aggregate oder Zusammenballungen von brauchbaren Abmessungen bilden, denn es besteht eine grosse Wahrscheinlichkeit, dass bereits gebildete Zusammenballungen durch die schnell umlaufenden Propel1erflügel wieder zerkleinert werden. Wenn der
Durchmesser dagegen zu gross ist, kann zwar die Drehzahl des Propellers niedriger sein, doch ist in diesem
Falle der Abstand zwischen den Enden der Propellerflügel und der Wand des Mischers zu klein, um das
Wachstum der Aggregate zu fördern.
Die Erfindung wird im folgenden an Hand schematischer Zeichnungen an einem Ausführungsbeispiel näher erläutert. In diesem ist Fig. 1 eine schematisch gezeichnete perspektivische Darstellung einer erfindungsgemässen Vorrichtung. Fig. 2 veranschaulicht in einer graphischen Darstellung die Beziehung zwischen der Verweilzeit und der benötigten Menge der Hilfsflüssigkeit.
Gemäss Fig. l umfasst die erfindungsgemässe Vorrichtung zwei hintereinandergeschaltete Mischer 1 und
2. Eine Zuführungsleitung 3 für die wässerige Russsuspension und eine Zuführungsleitung 4 für die Hilfs- flüssigkeit, z. B. Gasöl oder Heizöl, münden in einer gemeinsamen Rohrleitung 5, die zu einer Eintritts- öffnung im Boden des Mischers 1 führt. Der Mischer 1 weist eine überlauföffnung 6 auf, die in dem Mischer 2 mittels eines zentral angeordneten Rohrabschnittes 7 mündet. Ferner ist ein Ablauf 8 für das Wasser und die Russkörper vorgesehen, der mit einem Filterelement 9 ausgerüstet ist, um das Wasser von den Russkörpern zu trennen.
Das Wasser wird in einem Behälter 10 gesammelt, während die Russaggregate über einen Trichter 11 zu einem hier nicht gezeigten Sammelraum geleitet werden. In jedem der Mischer 1 und 2 ist ein Rührwerk 12 bzw. 13 angeordnet ; beide Rührwerke haben die gleichen Abmessungen und laufen vorzugsweise auch mit der gleichen Drehzahl. Gegebenenfalls können die Rührwerke durch einen gemeinsamen Elektromotor od. dgl. angetrieben werden.
Fig. 2 ist eine graphische Darstellung, bei der die mittlere Verweilzeit des Wassers in Minuten auf der Abszissenachse aufgetragen ist, während die mittlere Menge der HilfsflUssigkeit - im vorliegenden Falle Gasöl - in Gewichtsteilen je Gewichtsteil des Russes auf der Ordinatenachse aufgetragen ist. Diese graphiische Darstellung zeigt zwei Kurven ; die Kuve I gilt für einen einstufigen Mischvorgang und die Kurve 11 für einen erfindungsgemässen zweistufigen Mischvorgang. Die beiden Kurven bilden jeweils die Grenzlinie zwischen "sauberem" und in sichtbarer Weise verunreinigtem Abwasser. Die Fläche auf der konkaven Seite der Kurven bezieht sich auf die Verweilzeiten und die Mengen an Gasöl, die benötigt werden, um Abwasser von ausreichendem Reinheitsgrad zu erhalten.
Der Vorteil des zweistufigen Verfahrens gegenüber dem einstufigen Verfahren ist aus Fig. 2 unmittel-
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Russ sowie eine Verweilzeit von 15 min gilt, so erkennt man, dass man bei dem zweistufigen Verfahren ein reines Abwasser erhält, nicht jedoch bei dem einstufigen Verfahren.
Wenn bei dem einstufigen Verfahren ein reines Abwasser erzielt werden soll, müsste man entweder die
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35 min, d. h. um mehr als 100% verlängern, wie es durch den Punkt A" angedeutet, ist. oder man mUsste beide Grössen erhöhen, wobei jedoch nur eine geringere Erhöhung jeder Grösse erforderlich sein würde ; hie- bei müsste die Kurve I an irgendeinem Punkte zwischen A'und A" passiert werden. Ausserdem bezeichnet der Punkt A einen noch sehr sicheren Wert für beide Grössen im Falle des zweistufigen Verfahrens ; man könnte sowohl die Menge des Gasöls als auch die Verweilzeit noch weiter verringern, ohne dass die Ge-
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fahr besteht, dass man verunreinigtes Abwasser erhält.
In Fig. 2 sind auch die Schaulinien a und b von Bedeutung. Die Linie a bezeichnet die Mindestmenge an Gasöl, die grundsätzlich benötigt wird, um feste Russaggregate zu erzeugen. Die in der wässerigen Suspension vorhandenen kleinen Russteilchen, die anfangs mit Wasser benetzt sind, werden beim HinzufUgen des Gasöls mit diesem in Berührung gebracht. Da das Öl den Russ im Vergleich zu Wasser vorzugsweise benetzt, wird das Wasser zuerst aus dem Russ ausgetrieben und dann durch Gasöl ersetzt. Nachdem sich die kleinsten Poren gefüllt haben, kann sich im Verlauf des Ausflockungsstadiums ein Gasölfilm auf der Aussenfläche bilden, und wenn dieser Film eine genügende Dicke besitzt, leitet er die Bildung grö- sserer Zusammenballungen ein, die dadurch entstehen, dass vorhandene Schuppen zusammenfliessen.
Somit wird stets eine bestimmte Gasölmenge benötigt, unterhalb derer sich keine Russaggregate bilden können. Die Lage der Linie a in dem Schaubild, die bei dem vorliegenden Beispiel 2,6 Gew.-Teilen Gasöl auf 1 Gew.-Teil Russ entspricht, richtet sich nach der Art der verwendeten Hilfsflüssigkeit sowie den Eigenschaften der Russsuspension. Sobald die Bildung von Aggregaten eingesetzt hat, werden kleinere Teilchen, d. h. mit Gasöl benetzte Schuppen, gewöhnlich leicht mit den Zusammenballungen zusammenfliessen.
Auf diese Weise erfolgt ein allmähliches Wachstum der Aggregate oder Zusammenballungen.
In Fig. 2 bezeichnet die Linie b die maximale Gasölmenge, die man der Russsuspension beifügen kann, um die Bildung fester Aggregate oder Körper zu gewährleisten, beider Verwendung grösserer Gasölmengen besteht die Gefahr, dass sich statt fester Aggregate die erwähnte Paste mit der Konsistenz eines Schuhputzmittels bildet, die sich nur unter grossen Schwierigkeiten weiterverarbeiten lässt. Die Lage der Linie b entspricht im vorliegenden Falle 7 Gew.-Teilen Gasöl auf 1 Gew.-Teil Russ, und die Lage dieser Linie richtet sich ebenfalls nach der Art der verwendeten Hilfsflüssigkeit und den Eigenschaften der Russsuspension. Es sei bemerkt, dass sich die Kurven I und II nicht über die Linie b hinaus erstrecken, da sie jenseits der Linie b ohne Bedeutung sein würden.
Für andere Hilfsflüssigkeiten lassen sich natürlich graphische Darstellungen der gleichen Art zeichnen ; beispielsweise würde die Lage der Linien a und b und die allgemeine Form der Kurven I und II bei Heizöl und bei der Verarbeitung einer Russsuspension der gleichen Art allgemein die gleiche sein ; die Kurven würden sich lediglich etwas zur rechten Seite hin verschieben, was darauf zurückzuführen ist, dass man, wie schon erwähnt, etwas längere Verweilzeiten benötigt.
Zur weiteren Erläuterung der Erfindung dienen die folgenden Beispiele ; sie beziehen sich auf Versuche, die mit einem einzigen Mischer mit einem Fassungsvermögen von 5 l sowie mit zwei hintereinandergeschalteten Mischern mit einem Fassungsvermögen von je 2, 5 1 unter Verwendung von Gasöl als Hilfsflüssigkeit durchgeführt wurden. Während der Durchführung des Verfahrens wurde ein Anteil von etwa 10% des Bruttoinhaltes der Mischer infolge der durch das Rühren hervorgerufenen Wirbelbildung wirkungslos. Daher enthielt jedes Gefäss anfangs etwa 90% an wässeriger Russsuspension und Gasöl ; später. d. h. wenn sich Russkügelchen bildeten, waren. etwa 60% an Russsuspension und 40% an Russ/Gasöl-Kügelchen vorhanden.
Beispiel l : Vergleich des Gasölverbrauches bei einem zweistufigen und einem einstufigen Verfahren unter der Bedingung der Erzeugung reinen Abwassers.
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<tb>
<tb> Mittlere <SEP> Russmenge <SEP> Mittlere <SEP> Verweil-Gewichtsverhältnis <SEP> Gewichtsverhältnis <SEP> Qualität <SEP> des
<tb> in <SEP> Suspension <SEP> zeit <SEP> Gasöl <SEP> zu <SEP> Russ <SEP> Gasöl <SEP> zu <SEP> Russ <SEP> Abwassers
<tb> g/l <SEP> 1) <SEP> min <SEP> 1).
<SEP> (zweistufig) <SEP> (einstufig)
<tb> 13, <SEP> 0 <SEP> 9, <SEP> 5 <SEP> 3, <SEP> 20 <SEP> 5, <SEP> 70 <SEP> gerade
<tb> ausreichend
<tb> 13, <SEP> 5 <SEP> 6, <SEP> 0 <SEP> 3, <SEP> 20 <SEP> 7, <SEP> 80 <SEP> 2) <SEP> sehr <SEP> rein
<tb> 14, <SEP> 0 <SEP> 5, <SEP> 5 <SEP> 3, <SEP> 25 <SEP> 8, <SEP> 20 <SEP> 2) <SEP> sehr <SEP> rein
<tb>
1) Bei der Bestimmung der mittleren Verweilzeit wurde die Anlaufperiode nicht berücksichtigt. Die Werte der Russmenge in der Suspension sowie der Verweilzeit wurden als Mittelwerte festgestellt, denn diese Werte können nicht völlig konstant bleiben, da sich Schwankungen der Konzentration des Russes in der zugeführten Suspension sowie Schwankungen in der Förderleistung der Pumpe, z. B. als Folge von Schwankungen der Viskosität des zu pumpenden Materials ergeben.
2) Diese Zahlenwerte zeigen, dass die Bildung fester Aggregate bereits gefährdet war ; die bei diesen Versuchen gewonnenen Aggregate waren wegen ihrer Weichheit und Klebrigkeit kaum annehmbar.
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Beispiel 2 : Zweistufiges Verfahren mit Angabe der verwendeten Gasölmenge unter Erzeugung von reinem bzw. verunreinigtem Wasser.
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<tb>
<tb>
Russ <SEP> in <SEP> Suspension <SEP> Verweilzeit <SEP> Gewichtsverhältnis <SEP> Qualität <SEP> des <SEP> Fig. <SEP> 2
<tb> Gel.¯% <SEP> min <SEP> Gasöl <SEP> zu <SEP> Russ <SEP> Abwassers
<tb> 1, <SEP> 35 <SEP> 6, <SEP> 5 <SEP> 3, <SEP> 10 <SEP> gut <SEP> Punkt <SEP> B <SEP>
<tb> 1, <SEP> 80 <SEP> 10, <SEP> 0 <SEP> 2, <SEP> 83 <SEP> verunreinigt <SEP> Punkt <SEP> D
<tb>
Die mit Hilfe des Verfahrens nach der Erfindung gewonnenen Russkügelchen können als Brennstoff weiterverwendet werden, z. B. in Zyklonbrennern oder ähnlichen Verbrennungsvorrichtungen. Ferner kann es möglich sein, Russ in reinem Zustand durch Abdampfen der Hilfsflüssigkeit zu gewinnen.
PATENTANSPRÜCHE :
1. Verfahren zur Gewinnung fester Russaggregate oder Russkörper aus einer wässerigen Russsuspension durch Zusammenbringen der Suspension mit einer mit Wasser nicht mischbaren Hilfsflüssigkeit, wobei die wässerige Russsuspension und die Hilfsflüssigkeit kontinuierlich in einem Raum zusammengebracht und in diesem durch kräftiges Rühren miteinander gemischt werden, dadurch gekennzeichnet, dass ein Teil des Inhalts des genannten Raumes kontinuierlich in einen zweiten Raum überführt wird, wo das Material ebenfalls durch kräftiges Rühren durchmischt wird, und dass die sich hiebei bildenden, Russ und Hilfsflüssigkeit umfassenden Aggregate. oder Körper schliesslich von der wässerigen Phase getrennt werden.