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Die
vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung und ein
Verfahren zur Beladung eines Reaktors, der aus einer Vielzahl von
Rohren gebildet ist, die im wesentlichen vertikal ausgerichtet sind,
im wesentlichen parallel zueinander verlaufen und die jeweils eine
Einfüllöffnung aufweisen.
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Derartige
Reaktoren werden beispielsweise in katalytischen Verfahren in der
Petrochemie als Katalysatoren eingesetzt. Sie bestehen aus einer
Vielzahl von vertikal ausgerichteten Rohren, die mit Hilfe einer
oder mehrerer Halteplatten zu einem Rohrbündel oder Rohrpaket zusammengefasst
sind. In diese Rohre wird ein katalytisch wirkendes Material, meist in
Form eines Pulvers oder Granulats über Einfüllöffnungen, die durch offene
Enden der Rohre gebildet sind, eingefüllt. Während des Betriebes wird das Rohrbündel unter
anderem mit Hilfe einer Glocke gasdicht verschlossen und das entsprechende
Reaktionsgas in die Glocke hinein und dann durch die Einfüllöffnungen
durch die Rohre geleitet. Der Inhalt der Rohre, also beispielsweise
das Granulat, ermöglicht dann
die gewünschte
Reaktion. Die Rohre können dabei über die
gesamte Länge
mit nur einem Material beladen werden, es wird aber oftmals auch
eine schichtweise Beladung mit unterschiedli- chen Materialien vorgenommen.
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Nach
einer gewissen Anzahl von Reaktionen ist es notwendig, den Inhalt
der Rohre, also das Granulat, auszutauschen und die Rohre neu zu
Beladen bzw. zu beladen. Dabei ist zu beachten, dass die einzelnen
Rohre die exakte Füllmenge
aufweisen. Hinzu kommt, dass eine Brückenbildung der Kügelchen beim
Einfüllen ausgeschlossen
sein muss. Eine Brückenbildung
tritt dann auf, wenn mehrere Granulatkügelchen gleichzeitig die Einfüllöffnung passieren
und sich gegenseitig verklemmen. Dies wiederum führt dazu, dass das entsprechende
Rohr nicht ausreichend befüllt
wird. Es hat sich gezeigt, dass ein langsames Beladen der Rohre
zu einer höheren
Beladedichte führt,
da die einzelnen Körner
des Katalysatormaterials mehr Zeit für eine optimale Positionierung im
Rohr haben und sich seltener verklemmen bzw. seltenere Brücken bilden.
Das eingefüllte
Material nimmt bei einer langsameren Beladung weniger Raum ein,
die Rohre werden also dichter beladen. Trotzdem soll die Beladung
stets möglichst
schnell durchgeführt
werden, da der Reaktor während
der Beladung nicht betrieben werden kann. Die Ausfallzeiten verursachen
zum Teil erhebliche Kosten.
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Die
einfachste Methode zur Beladung ist das individuelle Beladen einzelner
Rohre. Ein solches Beladen erfolgt mit linear arbeitenden Fördermaschinen,
beispielsweise mit Vibrationsmaschinen oder Förderbändern. Bei diesen werden einzelne,
maximal nur einige Rohre befüllt.
In letzter Zeit haben sich Fördermaschinen
durchgesetzt, die etwa 5 bis 12 Rohre gleichzeitig beladen können. In
jedes Rohr wird ein Kanal eingeführt, über den
Katalysatormaterial eingefüllt
wird. Es muss eine Dosiervorrichtung vorhanden sein, die die notwendige
Katalysatormaterialmenge zur Verfügung stellt. Diese benötigt Raum, verursacht
Kosten und ist oft nicht ausreichend genau einstellbar. Da das einzufüllende Katalysatormaterial
meist zylinder- oder kugelförmig
ist, haben diese bekannten Systeme vor allem den wesentlichen Nachteil,
dass das Katalysatormaterial auf den Förderbändern während der Beladung ins Rutschen oder
Rollen kommt. Dies führt
dazu, dass das Katalysatormaterial auf den Förderbändern je nach Gefälle schneller
rollt oder rutscht, als sich das Förderband bewegt und somit die
Beladegeschwindigkeit höher ist,
als sie aufgrund der Förderbandgeschwindigkeit sein
sollte. Auch der umgekehrte Fall ist nachteilig, nämlich, dass
sich das Förderband
unter dem Katalysatormaterial schneller bewegt als das Katalysatormaterial
selbst. Es ist für
eine gleichmäßige Beladung
also wesentlich, dass die Geschwindigkeit des Förderbandes genau auf das zu
beladende Katalysatormaterial abgestimmt ist und auch auf dieser übertragen
wird. Dies ist zum einen zeitaufwendig, zum anderen muss die Beladung
diesbezüglich überwacht
werden.
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Die
Unterschiede in der Beladung werden üblicherweise im Anschluss an
den Beladungsvorgang gemessen, vorzugsweise mit einer Höhen- oder
Staudruckmessung. Aus der Kombination dieser beiden Messverfahren
ist die Dichte der Beladung, also die Länge an aktivem Material innerhalb der
einzelnen Rohre ableitbar. Kleine Abweichungen in der Menge des
aktiven Materials bzw. Katalysators in den einzelnen Rohren sind
oftmals schon kritisch, weil die gesamte Katalysatorcharge in einem
Rohrbündelreaktor
ersetzt werden muss, wenn die ersten Rohre ihre benötigte Mindestumsetzung
des Eingangsproduktes in das Ausgangsprodukt nicht mehr erreichen.
Die Wirtschaftlichkeit des Reaktors wird entsprechend geringer,
in Extremsituationen kann sogar Explosionsgefahr entstehen, wenn
das Eingangsprodukt in einem unzureichenden beladenen Rohr nicht
vollständig
umgesetzt wird.
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Die
Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, eine Beladevorrichtung
und ein Beladeverfahren für
die Beladung eines Reaktors, der aus einer Vielzahl von Rohren gebildet
ist, zu schaffen, das ein möglichst
schnelles und einfaches Beladen des Reaktors bzw. der Rohre ermöglicht.
Die Vorrichtung und das Verfahren sollen dabei ein Beladen der Rohre
mit möglichst
der exakten Menge bzw. Masse an Katalysatormaterial ermöglichen.
Die Beladung der Rohre soll möglichst
gleichmäßig und
ohne Brückenbildung
erfolgen.
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Erfindungsgemäß wird diese
Aufgabe durch eine Beladevorrichtung für einen Reaktor gelöst, der aus
einer Vielzahl von Rohren gebildet ist, die im wesentlichen vertikal
ausgerichtet sind, im wesentlichen parallel zueinander verlaufen
und jeweils eine Einfüllöffnung aufweisen,
aufweisend
- – einen Vorratsbehälter für Schüttmaterial,
- – einen
Schneckenförderer,
der mit dem Vorratsbehälter
und zumindest einer Einfüllöffnung derart in
Verbindung steht, dass Schüttmaterial
aus dem Vorratsbehälter
in zumindest eine Einfüllöffnung förderbar
ist.
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Weiterhin
wird die Aufgabe durch ein Beladeverfahren für einen Reaktor gelöst, der
aus einer Vielzahl von Rohren gebildet ist, die im wesentlichen
vertikal ausgerichtet sind, im wesentlichen parallel zueinander
verlaufen und jeweils eine Einfüllöffnung aufweisen,
das die folgenden Verfahrensschritte aufweist:
- – Befüllen eines
Schneckenförderers
mit Schüttmaterial,
- – Fördern des
Schüttmaterials
mit dem Schneckenförderer
in zumindest eine Einfüllöffnung.
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Die
wesentliche Erkenntnis der Erfindung besteht darin, dass die Verwendung
eines Schneckenförderers
eine optimale Beladung von Reaktorrohren ermöglicht. Dies ist auch dann
der Fall, wenn das Schüttmaterial,
zum Beispiel Katalysatormaterial, zylinder- oder kugelförmig ist
und bei einer Förderung
auf Förderbändern ins
Rutschen oder Rollen kommen würde.
Dies ist bei der Verwendung eines Schneckenförderers ausgeschlossen. Ein
weiterer wesentlicher Vorteil besteht darin, dass das zu fördernde
Volumen oder die zu fördernde
Masse eines Schneckenförderers
exakt bekannt ist. Zum einen ist das Volumen innerhalb des Schneckenförderers
oder innerhalb der darin befindlichen Schraube oder Schnecke bekannt,
zum anderen ist auch die Drehgeschwindigkeit der Schnecke und damit
die Fördergeschwindigkeit
wählbar.
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Die
Erfindung ist nicht auf das Beladen mit Katalysatormaterial beschränkt, sie
umfasst alle Arten von Belade- und/oder Schüttmaterial.
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Schneckenförderer bestehen
im Wesentlichen aus einer Schraube oder Schnecke, die innerhalb
eines Gehäuses
angeordnet ist. Das zu fördernde
Material wird an einem Ende der Schnecke in das Gehäuse eingebracht
und durch Drehen der Schnecke in Richtung des anderen Endes des
Gehäuses gefördert. Die
Förderung
erfolgt dabei durch das Zwingen des Materials entlang der sich drehenden Gänge der
Schnecke. Schneckenförderer
eignen sich hervorragend zum Fördern
von Pulver und/oder Granulat. Sie sind kompakt aufgebaut und lassen sich
leicht an die jeweiligen Erfordernisse am Einsatzort anpassen, sie
können
horizontal, vertikal oder geneigt montiert werden und auch auf mehreren
Ebenen aufgebaut sein. Die Gehäuse
können
beispielsweise Trog- oder Röhrenform
aufweisen, wobei Trogförderer
gewöhnlich
in horizontalen Anwendungen und mit Neigungswinkeln bis zu 20° eingesetzt
werden, während
Röhrenförderer für Hubzwecke
mit Neigungswinkeln von mehr als 20° gewählt werden. Schneckenförderer sind äußerst flexibel,
da sie nicht nur zum Fördern,
sondern auch zum Regeln des Materialflusses einsetzbar sind. Hinzu
kommt, dass sie auch in der Lage sind, verschiedene Materialien
während
des Förderns
miteinander zu vermischen. Sie können
auslaufdicht versiegelt werden, sie können ummantelt werden, so dass
sie als Trocknungs- oder Kühlmedium
dienen und sie können
aus Spezialstählen
hergestellt werden, so dass sie Korrosion, Abrieb und hohen Temperaturen
widerstehen können.
Vorteilhafterweise kann der Antrieb eines Schneckenförderers
mit einem Elektro-Schrittmotor erfolgen, so dass eine exakte Drehgeschwindigkeit
gewährleistet ist.
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Vorteilhafterweise
kann erfindungsgemäß ein Vorratsbehälter im
Umfeld des Reaktors angeordnet sein, der eine ausreichende Menge
an Katalysatormaterial bevorratet. Dieser ist mit dem Schneckenförderer verbunden,
so dass im Bedarfsfall Katalysatormaterial direkt in die Rohre des
Reaktors gefördert werden
kann. Somit entfällt
das bisher übliche
Anliefern des Katalysatormaterials vor Ort, was wiederum die Beladekosten
verringert.
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Erfindungsgemäß kann ein
Schneckenförderer
genau ein Rohr des Reaktors beladen, er kann aber auch gleichzeitig
mehrere Rohre mit Katalysatormaterial befüllen. Dies ist dann möglich, wenn
der Katalysatormaterialstrom am Ausgang des Schneckenförderers
mit Hilfe von geeigneten Trennelementen in mehrere Materialströme aufgeteilt
wird. Dies kann beispielsweise durch Scheidewände oder ähnliches erfolgen. Das Katalysatormaterial
wird dann über
mehrere Kanäle
gleichzeitig in mehrere Einfüllöffnungen
gefördert.
Je nach Größe und Auslegung des
Schneckenförderers
können
nahe zu beliebig viele Rohre gleichzeitig beladen werden. Alternativ ist
aber auch die Anordnung mehrerer Schneckenförderer möglich und kann unter gegebenen
Umständen
auch sinnvoller sein.
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Das
erfindungsgemäße Verfahren
eignet sich insbesondere auch für
eine Kombination mit weiteren Verfahren. Zum Beispiel kann das erfindungsgemäße Verfahren
mit einem Verfahren verbunden werden, das einzelne Trichterelemente
zur Beladung der Rohre nutzt, die auf die Einfüllöffnungen aufgesetzt werden.
In ihrer Gesamtheit bilden derartige Trichterelemente eine durchgängige Fläche nach
Art eines Parketts oder Penrose- Musters aus. Die Elemente weisen
zu diesem Zweck beispielsweise eine polygonale Grundfläche auf.
Derartige Trichterelemente sind in der
EP 0 963 785 A1 beschrieben. Ähnliche
Elemente sind auch in der
DE
102 50 022 A1 gezeigt. Diese weisen keine polygonale, sondern eine
Art Augenform auf und können
ebenfalls eine geschlossene Fläche
ausbilden.
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Bei
den Beladevorrichtungen mit Trichterelementen besteht der Nachteil,
dass die mit den Elementen verbundenen Füllrohre dann sehr lang sind, wenn
das zu befüllende
Rohr einen sehr großen
Freiraum aufweist. Unter Freiraum wird der zu befüllende Raum
verstanden. Befindet sich also nur sehr wenig oder kein Katalysatormaterial
im Rohr, muss das Füllrohr
nahezu die gleiche Länge
wie das Rohr selbst aufweisen. Dadurch werden die Materialkosten
für die
Füllrohre
deutlich erhöht,
aber auch der Umgang mit derartig langen Füllrohren ist schwierig und
umständlich.
Erfindungsgemäß werden
die Rohre deshalb zunächst
mit dem erfindungsgemäßen Verfahren
unter Zuhilfenahme eines Schenkenförderers teilbeladen. Sobald
die Rohre ausreichend befüllt sind,
erfolgt ein Wechsel auf ein Verfahren, dass Trichterelemente nutzt.
Vorteilhafterweise wird der Schneckenförderer eingesetzt, um ausreichend
Katalysatormaterial auf die Trichterelemente zu fördern, welcher
dann in diese hinein verteilt wird. Alternativ kann das Katalysatormaterial
auch vom Schneckenförderer
direkt durch die Trichterelemente in die Rohre, beispielsweise über Kanäle, gefördert werden.
Es hat sich gezeigt, dass trotz des Wechsels des Beladeverfahrens
eine Zeitersparnis von bis zu 40 % erreichbar ist.
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In
der nachfolgenden Figurenbeschreibung und den Ansprüchen wird
die Erfindung näher
erläutert.
Die dargestellte Ausführungsvariante
ist dabei lediglich beispielhaft zu verstehen und begrenzt nicht den
Umfang der Erfindung.
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Es
zeigen
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1:
eine Prinzipdarstellung einer erfindungsgemäßen Vorrichtung,
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2:
ein Trichterelement im Schnitt,
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3:
das Trichterelement aus 2 von oben,
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4:
mehrere Trichterelemente von oben.
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5:
ein Ablaufschema eines erfindungsgemäßen Verfahrens,
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1 zeigt
eine erfindungsgemäße Vorrichtung 58 in
einer stark vereinfachten Prinzipdarstellung. Ein Schneckenförderer 60 ist
mit einem Vorratsbehälter 62 über eine
Zuführleitung 64 verbunden. Der
Vorratsbehälter 62 ist
für die
erfindungsgemäße Vorrichtung
nicht zwangsweise notwendig, es ist auch möglich, das Katalysatormaterial 72 für die Beladung
auf einem Fahrzeug, zum Beispiel einem Silofahrzeug anzuliefern.
Im vorliegenden Ausführungsbeispiel
befindet sich das Katalysatormaterial 72 aber im Vorratsbehälter 62.
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Der
Schneckenförderer 60 weist
eine Schnecke 68 auf, die innerhalb eines Gehäuses 70 angeordnet
ist. Die Schnecke 68 wird von einer beliebigen Energiequelle
mit Energie versorgt und in Drehung versetzt. Beispielsweise eignet
sich ein nicht dargestellter Elektro-Schrittmotor. Der Schneckenförderer 60 weist
einen Einlass 66, der mit der Zuführleitung 64 verbunden
ist, und einen Auslass 74 auf. Das innerhalb des Schneckenförderers 60 unterzubringende
und zu fördernde
Katalysatormaterial 72 ist bezüglich Masse und/oder Volumen
bekannt.
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Im
vorliegenden Ausführungsbeispiel
schließen
sich an den Auslass 74 Leitungen 76 an, die das Katalysatormaterial 72 zu
Rohren 14 eines Reaktors 78 fördern. Die Leitungen 76 fördern Katalysatormaterial 72 zu
Einlassöffnungen 18 der
Rohre 14. Die Rohre 14 sind über einen unteren und oberen
Rohrboden 80 zusammengehalten.
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Der
aus dem Auslass 74 des Schneckenförderers 60 austretende
Katalysatormaterialstrom wird mit Hilfe von Scheidewänden 82 gleichmäßig auf
die Leitungen 76 verteilt.
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Es
wird nochmals explizit darauf hingewiesen, dass die 1 lediglich
symbolisch und nicht maßstabsgetreu
die wesentlichen Elemente der erfindungsgemäßen Vorrichtung und der damit
verbundenen Komponenten zeigt.
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Die
Förderung
von Katalysatormaterial 72 mit einem Schneckenförderer 60 eignet
sich sehr gut für
eine Kombination mit dem Verfahren, das auf Trichterelementen 22 aufbaut.
Nachdem eine gewünschte
Füllhöhe in den
Rohren 14 erreicht wurde, kann erfindungsgemäß eine weitere
Beladung über Trichterelemente 22 erfolgen. 2 zeigt
beispielhaft ein solches Trichterelement 22 im Schnitt.
Dieses weist eine Trichterwand 26 auf, die durch eine Beladeöffnung 28,
die der Schüttvorrichtung 24 zugewandt
ist und eine Auslassöffnung 30,
die jeweils einem Rohr 14 zugewandt ist, begrenzt ist.
An die Trichterwand 26 schließt sich ein Füllrohr 32 an,
das für
den Beladevorgang in ein Rohr 14 einführbar ist. Weiterhin ist eine
Seitenwand 34 erkennbar, die an eine Außenseite der Trichterwand 26 angefügt ist. Diese
kann sich auf dem Halteboden 16 abstützen, so dass das Füllrohr 32 nicht
klemmend in dem Rohr 14 gehalten werden muss. Weiterhin
ist eine Hilfswand 36 erkennbar, die parallel zur Seitenwand 34 verläuft. Die
Trichterwand 36 weist eine Steigung α auf (vgl. 3).
Die Steigung α kann
vorteilhafterweise in Abhängigkeit
des Schüttmaterials
bestimmt werden und entspricht im Idealfall dem Schüttwinkel des
Schüttmaterials.
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Die
Wandstärke
und Länge
des Füllrohres 32 ist
derart an die zu beladenden Rohre 14 angepasst, dass sich
dann, wenn die Rohre 14 vollständig beladen sind und die Füllrohre 32 aus
diesen herausgezogen werden, die gewünschte Füllhöhe exakt erreicht ist. Das
Volumen der Füllrohre 32 wird
also bei der Befüllung
der Rohre berücksichtigt
und die Rohre 14 entsprechend „überfüllt". Die Füllrohre 32 erstrecken
sich etwa über
die Länge,
die auch im Rohr 14 befüllt
werden muss. Beispielsweise reicht das Füllrohr 32 von der
Einfüllöffnung 18 an
das schon im Rohr 14 befindliche Katalysatormaterial 72 heran. Das
Innenvolumen des Füllrohres
entspricht etwa der Hälfte
des Innenvolumens des zu befüllenden Rohres.
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Wie
sich aus 2 weiterhin ergibt, ist der Durchmesser
D1 der Auslassöffnung 30 kleiner
als der Durchmesser D2 der Einfüllöffnung 18.
Dies wird im dargestellten Ausführungsbeispiel
durch einen umlaufenden Vorsprung 48 erreicht.
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3 zeigt
das Trichterelement 22 aus 2 von oben.
Beispielhaft ist hier eine so genannte Augenform gezeigt. In einer
Draufsicht von oben weisen die Trichterelemente 22 als
Grundform eine Kreisform 38 auf (verdeutlicht durch ge strichelte
Linien), an die sich diametral aneinander gegenüberliegende Nasen 40,
die jeweils eine Spitze 42 aufweisen, anschließen. Die
Spitzen 42 liegen jeweils auf einer Achse X-X, die sich
durch einen Mittelpunkt 44 der Kreisform 38 erstreckt.
Ausgehend von der Kreisform 38 beginnen die beiden Nasen 40 jeweils
an Wendepunkten 46 und bilden gleichschenklige Dreiecke
aus, deren Seiten in Richtung eines Mittelpunktes des jeweiligen
Dreiecks jeweils die gleiche Krümmung
aufweisen. Die ebenfalls erkennbare Beladeöffnung 28 befindet
sich im eingesetzten Zustand oberhalb bzw. in Deckung mit einer
Einfüllöffnung 18 eines
Rohres 14.
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4 verdeutlicht
durch die Ansicht von oben, dass mehrere Trichterelemente 22 eine
im Wesentlichen geschlossene Fläche
ausbilden.
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5 zeigt
ein Ablaufschema einer besonders vorteilhaften Kombination des Verfahrens,
das den Schneckenförderer 60 nutzt
mit dem Verfahren, das Trichterelemente 22 verwendet. In
einem ersten Verfahrensschritt 2 werden untere Bereiche
der Rohre 14 des Reaktors 78 mit Hilfe des Schneckenförderers 60 beladen.
Dann, wenn der Freiraum innerhalb der Rohre 14, gering
genug für
einen Einsatz von Trichterelementen 22 ist, wird die Beladung
eingestellt. Im zweiten Verfahrensschritt 4 folgt ein Aufsetzen
von Trichterelementen 22 auf die Rohre 14 und in
einem anschließenden
dritten Verfahrensschritt 6 ein weiteres Beladen der Rohre 14 bis
zum endgültigen
Füllstand.
Anschließend
werden die Trichterelemente 22 in einem letzten Verfahrensschritt 8 wieder entfernt.
Es hat sich gezeigt, dass ein Freiraum von etwa 1 bis 2 m eine praktische
und wirtschaftliche Grenze für
den Einsatz des Verfahrens mit Trichterelementen 22 darstellt.
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Die
Erfindung ist nicht auf die dargestellten beschriebenen Ausführungsbeispiele
beschränkt, sondern
umfasst auch alle im Sinne der Erfindung gleichwirkenden Ausführungen.
Erfindungsgemäß können die
Seitenwände 34 an
den Stirnflächen
ihrer freien Enden Vorsprünge
aufweisen, so dass sie nicht mit den gesamten Stirnflächen auf
dem Halteboden 16 aufsetzen, sondern nur mit den Vorsprüngen. Dies
ist bei einem verschmutzen Halteboden 16 vorteilhaft. Erfindungsgemäß sind drei
Vorsprünge vorgesehen,
da dann ein Wackeln oder Kippeln der Trichterelemente 10 ausgeschlossen
ist.