DE2224160C3 - Verfahren zur Herstellung von Katalysatoren für die Herstellung von Pyridin und 3-Methylpyridin - Google Patents
Verfahren zur Herstellung von Katalysatoren für die Herstellung von Pyridin und 3-MethylpyridinInfo
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Description
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung
von Katalysatoren für die Umsetzung von Acrolein mit Ammoniak zu Pyridin und 3-Methylpyridin.
Es sind mehrere Verfahren für die Erzeugung von 4-, Pyridin und Methylpyridinen aus Acrolein und Ammoniak
bekannt Sie unterscheiden sich im wesentlichen in den zur Anwendung gelangenden Katalysatoren. Als
solche dienen vornehmlich Substanzen auf der Grundlage von Oxiden und Silikaten des Aluminiums. Es werden
Fluorverbindungen enthaltende Aluminiumoxide oder Aluminiumsilikate verwendet (DD-PS 58 960) oder
Fluorokieselsäure oder Fluoroborsäure enthaltende Aluminiumsilikate, die durch Erhitzen auf 450° C
vorbehandelt sind (DE-OS 19 17 037). Auch zeolitische « Molekularsiebe mit Gehalten an Lanthan werden
eingesetzt (DE-OS 20 23 158). Alle bekannten Verfahren ergeben geringe Raum-Zeit-Ausbeuten.
Es wurde nun das Verfahren zur Herstellung von Katalysatoren gemäß Patentanspruch 1 gefunden. Bei hn
Anwendung der derart hergestellten Katalysatoren für die Umsetzung von Acrolein mit Ammoniak zu Pyridin
und 3-Methylpyridin werden sehr hohe Raum-Zeit-Ausbeuten erzielt.
Die erfindungsgemäß hergestellten Katalysatoren μ
enthalten neben den Elementen Al, F und O mindestens
der Elemente aus der zweiten, vierten, fünften und sechsten Gruppe — Haupt- oder Nebengruppe — des
Periodensystems. Die Elemente liegen in den Katalysatoren im allgemeinen als Oxide oder als Verbindungen
untereinander und mit Sauerstoff vor.
Zur erfindungsgemäßen Herstellung der Katalysatoren werden insbesondere Mischungen verwendet, die
die Elemente Al und F sowie mindestens ein Element der zweiten Gruppe gemeinsam mit mindestens einem
Element der vierten, fünften oder sechsten Gruppe oder ein Element der vierten Gruppe gemeinsam mit
mindestens einem weiteren Element der vierten Gruppe oder mindestens ein Element der vierten Gruppe
gemeinsam mit mindestens einem Element der fünften oder sechsten Gruppe enthalten. Vorzugsweise enthalten
die Mischungen Al und F sowie
a) mindestens ein Element aus der Gruppe Mg und Ba gemeinsam mit mindestens einem Element aus der
Gruppe Ti, Zr, P, Ta, Sn, Sb und S oder
b) ein Element aus der Gruppe Zr und Sn gemeinsam mit mindestens einem anderen Element aus der
Gruppe Ti, Zr und Sn oder
c) mindestens ein Element aus der Gruppe Zr und Sn
gemeinsam mit mindestens einem Element aus der Gruppe P, Ta, Sb und S.
Zur Herstellung der erfindungsgemäßen Katalysatoren werden Mischungen geeigneter, die entsprechenden
Elemente enthaltender Ausgangssubstanzen bereitet und mit Sauerstoff bei Temperaturen von 550 bis
1200°Cbehandelt
Das Aluminium wird im allgemeinen als Oxid eingesetzt Es kann jedoch auch von dem Metall oder
von beliebigen Verbindungen des Aluminiums ausgegangen werden, sofern sie sich in Aluminiumoxid
überführen lassen, wie beispielsweise das Aluminiumnitrat oder Aluminiumacetat Auch die als weitere
Katalysatorbestandteile vorgesehenen Elemente der zweiten, vierten, fünften und sechsten Gruppe des
Periodensystems können im allgemeinen als Oxide angewendet werden. In Frage kommen auch die
Elemente selbst oder beliebige Verbindungen der Elemente, sofern sie sich in deren Verbindungen mit
Sauerstoff umwandeln lassen. Dies sind insbesondere Salze, die sich beim Erhitzen zersetzen, wie beispielsweise
die Nitrate, Acetate und Oxalate.
Das Fluor wird als feste, flüssige oder gasförmige Verbindung, insbesondere als Verbindung, die in Wasser
löslich oder hydrolisierbar ist, eingesetzt Beispielsweise kommen Ammoniumfluorid, Ammoniumhydrogenfluorid
und Fluorwasserstoffsäure in Frage. Von Vorteil ist es, zumindest eines der als zusätzliche. Katalysatorbestandteile
vorgesehenen Elemente der zweiten, vierten, fünften und sechsten Gruppe als Fluorverbindungen
einzusetzen. Solciie Verbindungen sind beispielsweise
Die Mischungen der Ausgangssubstanzen werden im allgemeinen so gewählt, daß das atomare Verhältnis Al
zu F zwischen 1000 zu 10 und 1000 zu 800, insbesondere
zwischen 1000 zu 20 und 1000 zu 400, liegt. Das atomare
Verhältnis Al zu den Elementen der zweiten, vierten, fünften und sechsten Gruppe, diese insgesamt gerechnet,
jedoch ohne Berücksichtigung des Sauerstoffs, beträgt zweckmäßigerweise zwischen 1000 zu 5 und
1000 zu 200, insbesondere zwischen 1000 zu 10 und 1000
zulOO.
FQr die Bereitung der Mischungen der Ausgangssubstanzen
bestehen vielfältige Möglichkeiten. Welche Arbeitsweise angewendet wird, richtet sich im allgemeinen
nach der Art der Substanzen. Wenngleich die verschiedenen Verbindungen in beliebiger Reihenfolge
zusammengebracht werden können, hat es sich als vorteilhaft erwiesen, die Fluor enthaltenden Verbindungen
jeweils zuletzt zuzufügen. Zweckmäßig ist es, eine oder mehrere der Substanzen als wäßrige Lösungen
oder Aufschlämmungen in Wasser einzusetzen und diese wasserhaltigen Mischungen zur Gewinnung der
Katalysatorsubstanzen zur Trockne einzudampfen beziehungsweise bei Temperaturen zwischen 100 und
200° C zu trocknen.
Beispielsweise kann das Aluminiumoxid als pulverformige,
gekörnte oder zu Preßlingen, wie Tabletten oder Kugeln, verformte Substanz mit wäßrigen Lösungen der
übrigen Substanzen vermischt werden. Es kann auch eine wäßrige Lösung von Aluminiumverbindungen
eingesetzt und ans dieser das Aluminium als Hydroxid
ausgefällt werden, vor, während oder nach der Ausfällung können, gegebenenfalls in Anteilen, die
übrigen Substanzen zugesetzt werden. Für den Fall, daß gasförmige Fluorverbindungen genommen werden,
kann das Aluminiumoxid oder dessen Mischung mit den anderen Substanzen, zweckmäßigerweise in Gegenwart
von Feuchtigkeit, mit der Fluorverbindung begast werden. Es kann ferner vorteilhaft sein, zunächst zwei
der Substanzen unter Anwendung von Wasser miteinander zu mischen und diese Mischung zu trocknen,
bevor eine weitere Substanz hinzugefügt wird.
Die so bereiteten Mischungen werben auf Temperaturen
zwischen 550 und 1200° C erhitzt und bei diesen Temperaturen einige Zeit in Gegenwa-v. von Sauerstoff
behandelt. Die für diese Behandlung anzuwendende Verfahrensweise sowie die Temperatur und die Dauer
der Behandlung richten sich nach der Art der Ausgangssubstanzen und nach der für die Bereitung der
Mischungen gewählten Arbeitsweise.
Die Mischungen können unmittelbar auf die Behandlungstemperatur erhitzt werden. Es kann jedoch
vorteilhaft sein, die Mischungen zunächst nur mäßig zu erhitzen und die Temperaturen langsam, gegebenenfalls
im Verlauf einiger Stunden, gleichförmig oder bevorzugt stufenweise, auf die Behandlungstemperatur
zwischen 550 und 12000C zu steigern.
Für die eigentliche Behandlung mit Sauerstoff werden die Mischungen auf Temperaturen zwischen 550 und
12000C, vorzugsweise zwischen 600 und 8000C, erhitzt.
Es kann vorteilhaft sein, die Mischungen nacheinander bei verschiedenen Temperaturen innerhalb dieser
Bereiche zu behandeln. Hierbei können sowohl Temperaturerhöhungen als auch Temperaturerniedrigungen
in Frage kommen. Die Behandlung dauert im allgemeinen insgesamt etwa 2 bis 20 Stunden, in den
meisten Fällen etwa 3 bis 10 Stunden. Für Sauerstoff kann im allgemeinen Luft verwendet werden.
Bei der Behandlung mit Sauerstoff werden, falls nicht von Oxiden oder anderen Verbindungen mit Sauerstoff
ausgegangen wird, in den Mischungen die entsprechenden Verbindungen gebildet Die Umwandlung in diese
Verbindungen kann jedoch auch bereits ganz oder teilweise vor oder während der Bereitung der
Mischungen erfolgen.
Eine bevorzugte Arbeitsweise ist, Aluminiumoxid, das eine Oberfläche (BET) zwischen 80 und 40OmVg, insbesondere eine Oberfläche (BET) zwischen 200 und 35OmVg, aufweist und gegebenenfalls in Form von Preßlingen vorliegt, mit einer wäßrigen Lösung der Nitrate oder Oxalate der betreffenden anderen
Eine bevorzugte Arbeitsweise ist, Aluminiumoxid, das eine Oberfläche (BET) zwischen 80 und 40OmVg, insbesondere eine Oberfläche (BET) zwischen 200 und 35OmVg, aufweist und gegebenenfalls in Form von Preßlingen vorliegt, mit einer wäßrigen Lösung der Nitrate oder Oxalate der betreffenden anderen
ίο Elemente zu versetzen, diese Mischung durch Erhitzen
auf etwa 1000C zu trocknen, die Trockensubstanz mit
einer wäßrigen Lösung einer Fluorverbindung zu versetzen, diese Mischung durch Erhitzen auf etwa
1000C zu trocknen und schließlich diese Trockensubstanz
3 bis 10 Stunden lang bei 600 bis 800° C mit Sauerstoff zu behandeln. Besonders vorteilhaft ist es,
mindestens eines der betreffenden Elemente der zweiten, vierten, fünften oder sechsten Gruppe als
Fluorverbindung einzusetzen, das übrige oder die übrigen als Nitrat oder Oxalat
Die Katalysatoren eignen sich für die Verwendung im Festbett wie im Wirbelbett und werden dementsprechend,
beispielsweise in der Form von Preßlingen oder in gekörnter Form, eingesetzt
Die Umsetzung des Acroleins mit Ammoniak zu Pyridin und 3-Methylpyridin unter Anwendung der
erfindungsgemäßen Katalysatoren erfolgt in üblicher Weise in der Gasphase. Sie wird vornehmlich bei
Normaldruck oder unter geringem Oberdruck bis zu etwa 3 at bei Temperaturen zwischen 300 und 500° C,
insbesondere zwischen 350 und 4500C, ausgeführt Das Mengenverhältnis Ammoniak zu Acrolein wird im
allgemeinen so gewählt, daß mehr Ammoniak als die nach der Stöchiometrie erforderlichen 0,5 Mol Ammoniak
je Mol Acrolein vorliegt Es werden vornehmlich zwischen 1 und 10 Mol Ammoniak, vorzugsweise
zwischen 1 und 3 Mol Ammoniak, je Mol Acrolein angewendet Ammoniak und Acrolein werden vorteilhafterweise
verdünnt eingesetzt Als Beimischung kommen zum Beispiel Stickstoff, Luft, Sauerstoff,
Wasserdampf oder organische Trägergase, wie Benzol, in Frage. Durch den Gehalt an Sauerstoff in dem
Gasgemisch kann gegebenenfalls gesteuert werden, ob die Bildung von Pyridin oder von 3-MethyIpyridin
begünstigt werden solL Bei einem Gehalt von 1 bis 4 Mol Sauerstoff je Mol Acrolein entsteht bevorzugt
Pyridin, bei einem geringeren Sauerstoffgehalt 3-Methylpyridin.
Vorteilhaft ist es, zunächst das Acrolein mit dem Fremdgas zu verdünnen und das Ammoniak bei
Temperaturen von 200 bis 4000C unmittelbar vor der Reaktionszone zuzumischen. Die Umsetzungsbedingungen,
wie Temperatur, Verdünnung der Gase und Strömungsgeschwindigkeit, werden zweckmäßigerweise
so aufeinander abgestimmt, daß die Verweilzeiten in der Reaktionszone 0,5 bis 5,0 Sekunden, insbesondere
0,8 bis 24 Sekunden, betragen. Die Gewinnung des Pyridins und 3-Methylpyridins aus dem Reaktionsgemisch
erfolgt in üblicher Weise.
In den folgenden Beispielen werden als Begriffe
In den folgenden Beispielen werden als Begriffe
6ö verwendet:
λ , . Mole erzeugtes Produkt „ ,__.„.,
„ „ . . , , Masse des erzeugten Produkts/Zeit
Unter Produkt wird die Summe an Pyridin und
3-Methylpyridin verstanden.
Die angegebenen Gasvolumina beziehen sich auf Raumtemperatur.
Beispiele
Beispiel la
Beispiel la
1300 g Aluminiumoxid in Form von Strang-Preßlingen von 2 mm Durchmesser und 4 bis 6 mm Länge mit to
einer Oberfläche (BET) von 300 mVg wurden mit einer Lösung von 160 g (0,62 Mol) analysenreinem Magnesiumnitrat-6-Hydrat
(Mg(NO3J2-OH2O)
in 1000 ml Wasser und 30 ml konzentrierter Salpetersäure versetzt Die Mischung wurde anschließend
getrocknet, indem sie 8 Stunden lang auf 100° C
gehalten wurde. Die Trockensubstanz wurde mit einer Lösung von 77,5 g (0,62 Mol) Tilan(IV)-fluorid (TiF4) in
900 ml Wasser verrührt Diese Mischung wurde getrocknet, indem sie 12 Stunden lang auf 100° C
gehalten wurde. Die Trockensubstanz wurde anschließend im Luftstrom 4 Stunden lang auf 700° C erhitzt
Das atomare Verhältnis AI: Mg: Ti: F betrug 1000:25:25:100.
Über 1 Liter (Schflttvolunien) des Katalysators wurde
in gleichförmigem Strom stündlich ein Gasgemisch aus 840 g (15,0 MoI) Acrolein, 735 Liter (30,6 MoI) Stickstoff
und 700 Liter (29,2 Mol) Ammoniak geleitet Das Ammoniakgas wurde dem Acrolein-Stickstoff-Gemisch
unmittelbar am Eingang des Reaktors durch eine Zweistoffdüse zugemischt Die Gase hatten eine
Eintrittstemperatur von 220" C Der Katalysator war auf
380° C vorgewärmt; im Verlauf der Umsetzung wies er Temperaturen zwischen 400 und 440° C auf. Die
Reaktionsgase wurden mit Wasser gewaschen; aus der Waschflüssigkeit wurde das Produkt stetig mittels
Benzol extrahiert Die fraktionierte Destillation dieses Extraktes ergab stündlich 136,0 g (1,72 Mol) Pyridin und
290 g (3,12 Mol) 3-Methylpyridin. Die Ausbeute betrug 65%, die Raum-Zeit-Ausbeute 426 g/l · h.
Es wurde wie nach Beispiel la verfahren, jedoch wurde stündlich ein Gasgemisch aus 560 g (10,0 Mol)
Acrolein, 490 Liter (20,4 Mol) Stickstoff und 467 Liter (19,5 Mol) Ammoniak eingespeist Es ergaben sich
stündlich 97 g (1,23 Mol) Pyridin und 216 g (232 Mol) 3-Methylpyridin. Die Ausbeute betrug 71%, die
Raum-Zeit-Ausbeute 313 g/l ■ h.
Es wurde wie nach Beispiel la verfahren, jedoch wurden abweichend zusammengesetzte Katalysatoren
verwendet. Zu deren Herstellung wurde dem Aluminiumoxid zunächst eine wäßrige, salpetersaure ho
Lösung des Nitrats oder Oxalats des einen der betreffenden Elemente zugesetzt und nach Trocknung
dieser Mischung eine wäßrige Lösung einer Fluorverbindung des anderen der betreffenden Elemente der
zweiten, vierten, fünften oder sechsten Gruppe. Nach b<-,
Trocknung dieser Mischung wurde die Substanz 4 Stunden lang im Luftstrom erhitzt.
145 g ZrO(NO3)2
78 g TiF4 Atomares Verhältnis Al: Zr: Ti: F
= 1000:25:25:100
3-Methylpyridin 300 g (3,22 Mol)
Ausbeute 66%
130 s; Sn(COO)2
15i ^(NH4J2ZrF6
Al: Sn : Zr : F = 1000:25:25:150 700°C
Substanz erhitzt auf
Stündlich erzeugt
Pyridin
Stündlich erzeugt
Pyridin
3-Methylpyridin
Ausbeute
jo Raum-Zeit-Ausbeute
Ausbeute
jo Raum-Zeit-Ausbeute
45 139 g (1,76MoI) 297 g (3,19 Mol) 66%
436 g/l ■ h
Beispiel 4 Katalysator hergestellt aus 1300 g AI2O3
Substanz erhitzt auf
Stündlich erzeugt
Stündlich erzeugt
Pyridin
3-Methylpyridin
Ausbeute
Raum-Zeit-Ausbeute
Ausbeute
Raum-Zeit-Ausbeute
127 g ZrO(NO3)2
107 g NH4SnF3
AI: Zr : Sn : F
= 1000:23:23:69 720°C
134 g (1,70MoI) 289 g (3,IuMoI)
64% 423 g/l · h
50
180 g Mg(NOu)2 -6H2O
115 g NH4PF6
Substanz erhitzt auf
Stündlich erzeugt
Stündlich erzeugt
Pyridin
3-Methylp>ridin
Ausbeute
Raum-Zeit-Ausbeute
Raum-Zeit-Ausbeute
Al: Mg : P : F = 1000:28:28:108 700°C
137 g (1,73MoI) 258 g (2,77 Mol)
60% 395 g/l · h
145 g ZrO(NO3)2
102 g NH4PF6
Substanz erhitzt auf
Stündlich erzeugt
Stündlich erzeugt
Pyridin
3-Methylpyridin
Ausbeute
Raum-Zeit-Ausbeute
Ausbeute
Raum-Zeit-Ausbeute
Al : Zr:P : F
= 1000:25:25:150 700" C
150 g (1,90MoI)
258 g (2,77 Mol) 62% 408 g/l · h
Katalysator hergestellt aus 1300 g AI2O3
160 g Mg(NO3)? · 6H2O
135 g NH4SbF6 Atomares Verhältnis Al : Mg : Sb : F
= 1000:25:25: Substanz erhitzt auf 7000C
Stündlich erzeugt
Pyridin 135 g (1,70MoI)
3-Methylpyridin 261 g (2,80 Mol)
Ausbeute 60%
Raum-Zeit-Ausbeute 396 g/l · h
Katalysator hergestellt aus 1300 g AI2O3
160 g Mg(NO3J2 · 6H2O
73 g NH4FSO)
Atomares Verhältnis Al : Mg : S : F
= 1000:25:25:25
Substanz erhitzt auf 7000C
Stündlich erzeugt
Pyridin 141 g (1,78MoI)
3-Methylpyridin 275 g (2,95 Mol)
Ausbeute 63%
Raum-Zeit-Ausbeute 416 g/l ■ h
Katalysator hergestellt aus 1300 g AI2O3
ι JU g Sn(COO)2
73 g NH4FSO3 Atomares Verhältnis Al : Sn : S : F
= 1000 :25 :25 : Substanz erhitzt auf 700°C
Stündlich erzeugt
Pyridin 139 g (1,76MoI)
3-Methylpyridin 268 g (2,88 Mol)
Ausbeute 62%
Raum-Zeit-Ausbeute 407 g/l · h
Beispiel 10
Katalysator hergestellt aus 1300 g AI2O3
180 g Mr(NOs)2- 6 H2O
195 g TaF5
Atomares Verhältnis Al: Mg : Ta : F
= 1000:28:28:140
Substanz erhitzt auf 690°C
Stündlich erzeugt
Pyridin 146 g (1,85 Mol)
3-Methylpyridin 302 g (3,25 Mol)
Ausbeute 68%
Raum-Zeit-Ausbeute 448 g/l ■ h
Beispiel 11
Katalysator hergestellt aus 1300 g Al2Os
184 g Ba(NO3J2
195 g TaF5
:o Atomares Verhältnis Al : Ba : Ta : F
195 g TaF5
:o Atomares Verhältnis Al : Ba : Ta : F
= 1000:28:28:90
Substanz erhitzt auf 7100C
Substanz erhitzt auf 7100C
Stündlich erzeugt
,. Pyridin 133 g (1,68 Mol)
"' 3-Methylpyridin 283 g (3,04 Mol)
Ausbeute 63%
Raum-Zeit-Ausbeute 416 g/l ■ h
Beispiel 12
1360 g eines Tonerdehydrates mit einem Al2O3-Gehalt
von 75% und einer Schüttdichte von 690 g/l, dessen Korngröße zu 70% unter 0,045 mm und zu 99% unter
0,100 mm lag, wurden in 1500 ml Wasser suspendiert r. Dieser Suspension wurden nacheinander unter Rührer
80 g feinteiliges Titandioxid, eine Lösung von 130 g Magnesiumnitrat
(Mg(NOj)2 ■ 6 H2O)
in 300 ml Wasser und eine Lösung von 57 g Ammoniumhydrogenfluorid (NH4HF2) in 100 ml Was-
3Cl £UgC3ClZ.l. LMC IVlI^UllUIlg WUIUl. UlIlWl lxUllil.ii ι,ιιιι
Stunde lang auf 90° C gehalten und dann auf einen· Walzentrockner getrocknet. Die Substanz wurde nach
4-, Zusatz von 3% Graphit tablettiert, und danach irr Luftstrom 2 Stunden lang auf 500° C und 4 Stunden lang
auf 700° C erhitzt. Das atomare Verhältnis Al : Mg: Ti : F betrug 1000:25 :50:100. Der so berei
tete Katalysator wurde wie nach Beispiel la verwendet
,0 Es wurden stündlich 142 g (1,80 Mol) Pyridin und 300 g
(3,22 Mol) 3-Methylpyridin gewonnen. Die Ausbeute betrug 67%, die Raum-Zeit-Ausbeute 442 g/l · h.
Claims (4)
1. Verfahren zur Herstellung von Katalysatoren durch Bereitung von Mischungen, die die Elemente
Al, F und mindestens zwei weitere Elemente als ri
Verbindungen oder in elementarer Form enthalten, und Behandeln der Mischungen bei erhöhter
Temperatur in Gegenwart von Sauerstoff, dadurch gekennzeichnet, daß Mischungen
bereitet werden, die die Elemente Al, F und m mindestens zwei Elemente der zweiten, vierten,
fünften und sechsten Gruppe des Periodensystems enthalten, in denen das atomare Verhältnis Al zu F
1000 zu 10 bis 1000 zu 800 und das atomare Verhältnis Al zu den zusätzlichen Elementen der π
zweiten, vierten, fünften und sechsten Gruppe insgesamt 1000 zu 5 bis 1000 zu 200 beträgt, und
diese Mischungen bei Temperaturen von 550 bis 1200° C behandelt werden.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,
daß Mischungen bereitet werden, die die Elemente Al und F, sowie
a) mindestens ein Element aus der Gruppe Mg und Ba gemeinsam mit mindestens einem Element
aus der Gruppe Ti, Zr, P, Ta, Sn, Sb und S oder
b) ein Element aus der Gruppe Zr und Sn
gemeinsam mit mindestens einem anderen Element aus der Gruppe Ti, Zr und Sn oder
c) mindestens ein Element aus der Gruppe Zr und Sn gemeinsam mit mindestens einem Element jo
aus der Gruppe P, Ta, Sb und S
enthalten.
3. Katalysatoren, hergestellt nach Anspruch 1 oder 2.
4. Verwendung der Katalysatoren, hergestellt J5
nach Anspruch 1 oder 2, zur Umsetzung von Acrolein mit Ammoniak zu Pyridin und 3-MethyIpyridin
in der Gasphase.
Priority Applications (10)
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Family Applications (1)
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FR (1) | FR2184816B1 (de) |
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