DE2460232A1

DE2460232A1 - Verfahren zur erzeugung einer kernstroemung in wasser-in-oel-emulsion oder dispersion

Info

Publication number: DE2460232A1
Application number: DE19742460232
Authority: DE
Inventors: Vitold Raimond Kruka
Original assignee: Shell Internationale Research Maatschappij BV
Current assignee: Shell Internationale Research Maatschappij BV
Priority date: 1973-12-21
Filing date: 1974-12-19
Publication date: 1975-07-03
Also published as: US4047539A; FR2255549A1; IT1027127B; FR2255549B1; CA1008108A; DE2460232C2

Description

Be s ehre ibung zu der Patentanmeldung

Shell Internationale Research Maatschappij B.V. Carel van Bylandtlaan 30, Den Haag - Niederlande

betreffend:

Verfahren zur Erzeugung einer Kernströmung in Wasser-in-Öl-Emulsion©». oder DisOersione-a

Von Kernströmung spricht man,, wenn durch eine Rohrleitung (Pipeline) eine viskose Flüssigkeit wie Öl oder eine Ölemulsion in einem Kern, umgeben von einem Mantel aus einer leichter viskosen Flüssigkeit wie Wasser, bei im wesentlichen dem Druckverlust der leicht viskosen Flüssigkeit gepumpt wird. Üblicherweise wird eine Kernströmung durch Einspritzen von Wasser mit Hilfe eigener Mittel, um das in einer Fernleitung gepumpte viskose Öl herum bewerkstelligt

Die Erfindung sieht nun vor, daß man eine Kernströmung einer weniger viskosen Flüssigkeit aus viskosen flüssigen Emulsionen oder Dispersionen erzeugt, indem man eine bestimmte Schergeschwindigkeit für eine bestimmte Zeitspanne in einer Rohrströmung erzeugt, um die Emulsion zu brechen und eine mit geringer viskoser Flüssigkeit angereicherte Zone in der Nähe der Rohrwand zu erzeugen. Beliebige leicht viskose flüssige Träger wie Wasser, Erdölprodukte und ihre Destillate können hierfür Verwendung finden. Beliebige hochviskose Flüssigkeiten wie Erdölprodukte und ihre Nebenprodukte und Gemische davon einschließlich fester Komponenten .wie Wachs und Fremdfeststoffe wie Kohle oder Konzentrate sind ebenfalls brauchbar.

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Das üblicherweise in Ölfeldern geförderte Rohöl enthält etwas Wasser. Bevor dieses Rohöl durch Fernleitungen transportiert wird, soll es wünschenswerterweise vom Wasser befreit werden. Dies ist nicht schwierig, wenn das Öl-Wasser Gemisch nur freies Wasser enthält, das sich leicht durch Absitzenlassen in Kesseln oder Tanks aus der Wasser-öl-Phase infolge des unterschiedlichen spezifischen Gewichtes von Wasser und Öl abscheidet. Ist das Wasser jedoch im Öl in Form kleiner Tröpfchen dJLspergiert, so ist die Abtrennung sehr viel schwieriger. Dieses Gemisch Wasserin-Öl kann entweder als Emulsion oder als Dispersion, bezeichnet werden und läßt sich außerordentlich schwer in eine wässrige und eine Ölphase auftrennen, weil die kleinen Wasserteilchen außerordentlich beständig im Öl dispergiert sind. Die Beständigkeit beruht auf dem sehr großen Grenzflächenbereich zwischen Wasser und Öl in der Emulsion.

Um Emulsionen aufzubrechen, bei denen Wasser in Öl dispergiert ist, müssen die Wasserteilchen oder -tröpfchen in größere Tropfen zusammenlaufen, die dann infolge des unterschiedlichen spezifischen Gewichtes sich absetzen oder aufgrund anderer Effekte abgetrennt werden können. Hierzu gibt es sowohl physikalische als auch chemische Methoden mit Anwendung von Wärme oder Elektrizität. Alle verschiedenen dem Fachmann geläufigen und technisch angewandten Methoden zum Aufbrechen der Emulsionen und Gewinnen eines praktisch wasserfreien Öls besitzen verschiedene Nachteile. Die Hauptnachteile sind die unvollständige Trennung von Öl und Wasser und die hohen Kosten der Trennverfahren, die üblicherweise verschiedene Stufen benötigen.

Die Erfindung bringt nun nicht nur ein neues und einfaches Verfahren zum Auftrennen von Öl und Wasser sowie anderen stärker viskosen und schwächer viskosen Flüssigkeiten; sie zeigt vielmehr, wie das Wasser oder eine andere weniger viskose Flüssigkeit, nachdem sie abgetrennt worden ist, für den Transport bzw. die Förderung des Öls oder einer anderen stark viskosen Flüssigkeit genutzt werden kann mit Hilfe einer stark verbesserten

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Arbeitsweise, die die Kosten der Trennung mehr als ausgleicht. Die erfindungsgemäße Lösung des bestehenden technischen Problems der Auftrennung von Wasser und Öl wird nachfolgend näher beschrieben.

Hauptziel der Erfindung ist die Bereitstellung eines Verfahrens zum Erzeugen einer Kernströmung^mfeiner weniger stark viskosen Flüssigkeit aus viskosen flüssigen Emulsionen oder Dispersionen ohne Einspritzen von zusätzlicher weniger stark viskosen Flüssigkeit, wobei die beiden Flüssigkeiten im wesentlichen unlöslich ineinander sind.

Die Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß man eine ausreichend hohe Schergeschwindigkeit während einer ausreichend langen Zeitspanne in einer Rohrströmung erzeugt, um

die Emulsion zu.brechen und eine wasserreiche Zone in der Nähe der Rohrwandung zu erzeugen, wodurch der Strömungsdruckverlust drastisch vermindert wird.

Das erfindungsgemäße Verfahren läßt sich ganz älgemein auf Emulsionen aus weniger stark viskosen Flüssigkeiten in stärker viskosen Flüssigkeiten anwenden, indem diese einer hohen Scherbeanspruchung unterworfen v/erden, um die weniger viskose Flüssigkeit von der (stärker) viskosen Flüssigkeit abzutrennen.

Vorzugsweise wird die hohe Scherbeanspruchung erreicht durch laminare Rohrströmung; diese bewirkt ein Wandern der in der viskosen Flüssigkeit dispergierten Tröpfchen der weniger viskosen oder dünnflüssigeren Flüssigkeit zu einer Ringzone innerhalb des Rohres, die etwa das 0,6 bis 0,9-fache des Radius von der Rohrmittellinie (Achse) entfernt ist. Die Tröpfchen, die auf diese Weise gewandert sind, agglomerieren sich unter Bildung einer kontinuierlichen aus der weniger viskosen Flüssigkeit bestehenden Ring- oder Mantelzone, die die Kernströmung erzeugt.

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Das erfindungsgemäße Verfahren löst nicht nur die oben aufgezählten Probleme und Nachteile des Standes der Technik, sondern bringt noch weitere bedeutsame Vorteile, die in derrachfolgenden Beschreibung näher erläutert werden.

Das erfindungsgemäße Verfahren ermöglicht die Bildung eines Kerns einer viskosen Flüssigkeit in einem Ring oder Mantel aus einer weniger viskosen Flüssigkeit bei der Rohrströmung aus Emulsionen von weniger viskosen Flüssigkeiten in viskosen Flüssigkeiten ohne Einspritzen von zusätzlicher weniger viskoser Flüssigkeit. Viskose Wasser-in-Öl Emulsionen werden häufig während der thermischen Sekundärgewinnung von viskosen Rohölen erzeugt. Das erfindungsgemäße hochwirksame Verfahren zum Abtrennen von Wasser aus derartigen Rohölen ist vor allem in solchen Fällen von Vorteil, wenn derartige Emulsionen mit Hilfe der Kernströmungs-Arbeitsweise transportiert bzw. gefördert werden sollen. Der derzeitige Stand der Technik lehrt, daß man die Emulsion in eine Rohrleitung einspritzt oder einbringt und sie mit zusätzlichem Wasser umgibt. Diese Verfahren sind der erfindungsgemäßen Arbeitsweise unterlegen, da sie zusätzlich Wasser benötigen sowie zusätzliche Energie, um eine größere Menge kombinierter Flüssigkeiten oder fließfähiger Medien zu bewegen.

Erfindungsgemäß v/ird eine im wesentlichen hohe Schergeschwindigkeit erzeugt während einer ausreichen langen Zeitspanne, um die Emulsion in eine viskose Flüssigkeitsphase (Öl) und eine weniger viskose Flüssigkeitsphase (Wasser) zu trennen. Die Sehergeschwindigkeit soll jedoch nicht dem Wert nahekommen oder ihn übersteigen, oberhalb dessen die Emulsionsbildung zwischen viskoser Flüssigkeit und weniger viskoser Flüssigkeit eintritt. Die benötigten Scherkräfte können auf vielfältige Weise auf die Emulsion zur Einwirkung gebracht werden, beispielsweise durch Rühren oder in Bewegung halten der Emulsion mit Hilfe mechanischer Rührwerke wie Schaufelrührer oder anderer Vorrichtungen. Bevorzugt werden die Scherkräfte mit Hilfe der Rohrströmung auf die Emulsion zur Einwirkung gebracht, insofern, als dieses die Kernströmung erzeugt, indem eine mit weniger viskoser Flüssigkeit

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angereicherte Zone nahe der Rohrwandung erzeugt wird, die auf diese Weise drastisch den Strömungsdruckabfall in der Rohrleitung verringert.

Unabhängig von der gewählten Kombination von Mitteln, mit der die Scherkräfte auf die Emulsion zur Einwirkung gebracht werden, muß eine ausreichende Scherkraft zur Einwirkung gelangen während einer ausreichend langen Zeitspanne, damit die weniger viskose Flüssigkeit zusammenlaufen kann. Der Betrag an Arbeit, der für dieses Zusammenlaufen benötigt wird, hängt sehr stark ab von der Viskosität der Emulsion und schwankt zwischen etwa 0,014 und 14300 kgm/kg Emulsion. Die Anwendung zusätzlicher Scherarbeit bringt im allgemeinen keinen weiteren Vorteil verglichen mit den Extrakosten und kann insofern von Nachteil sein, als sie zu erneuter Emulgierung führt. Ebenso bringt die Anwendung von weniger als 0,014 kgm Scherarbeit je kg Emulsion nicht die angestrebten Ergebnisse im Hinblick auf das Zusammenlaufen der weniger viskosen Flüssigkeit (Wasser).

Das erfindungsgemäße Verfahren ist von besonderem Vorteil zum Abtrennen von Wasser aus zahlreichen Arten von viskosen Rohölen. Ist vorgesehen, das Rohöl durch eine Rohrleitung (Pipeline) zu transportieren, so kann das erfindungsgemäße Verfahren angewandt werden, urn die Wasserphase und die Ölphase in der Rohrleitung voneinander zu trennen. Im anderen Extremfall, wenn das Rohöl so leicht ist, daß keine Kernströmung für den Transport benötigt wird, wird das erfindungsgemäße Verfahren nicht benötigt, um das Wasser in Form einer Ring- oder Mantelzone abzutrennen, um die Kernströmung zu erzeugen, sondern lediglich um die Trennung von Wasser und öl zu erreichen; dies trifft auch zu für die Trennung von anderen viskosen und weniger viskosen Flüssigkeiten. Die Erfindung ist nützlich für viskose Emulsionen von zahlreichen Flüssigkeiten, deren Viskosität im Bereich von 10 bis etwa 1 000 000 cSt liegt* vorzugsweise im Bereich von etwa 100 bis etwa 500 000 cSt. Das erfindungsgemäße Verfahren ist ebenfalls brauchbar für Emulsionen, die eine kleinere Menge bis zu einer großen Menge der weniger viskosen Flüssigkeit enthalten. In Zahlen angegeben, die weniger viskose

*und <fte gegebenenfalls eine Streckgrenze (yield strength) besitzen. 5 0 9 8 27/0656 _ s -

Flüssigkeit kann etwa 5 bis etwa 60 Vol.-%, vorzugsweise etwa 10 bis etwa 55 Vol.-$ ausmachen. Allgemein kann, wenn die viskose Flüssigkeit weniger als etwa 5 Vol.-% (weniger viskose Flüssigkeit) enthält, das Wasser mit Hilfe des erfindungsgemäßen Verfahrens abgetrennt werden, um so eine gereinigte viskose Flüssigkeit zu erhalten; andererseits ist aber möglicherweise nicht genügend V/asser vorhanden, um Kernströmung der viskosen Flüssigkeit innerhalb eines Mantels oder Ringes einer weniger viskosen Flüssigkeit zu ermöglichen. Unter diesen Umständen kann etwas zusätzliches Wasser eingespritzt werden in die Strömung, so daß man die Kernströmung erzielt. Im anderen Extremfall, wenn die viskose Flüssigkeit mehr als 60 Vol.-% weniger viskose Flüssigkeit enthält, liegt zu viel an weniger viskoser Flüssigkeit vor, so daß Kernströmung nicht unter wirtschaftlich annehmbaren Bedingungen durchgeführt werden kann. In diesem letzteren Falle kann ein Teil der weniger viskosen Flüssigkeit abgetrennt, entfernt und auf Vorrat zur Verfügung gelagert werden, während mit der verbleibenden weniger viskosen Flüssigkeit dann die Kernströmung erzeugt wird.

Vorzugsweise wird das erfindungsgemäße Verfahren auf laminare (Rohr-) Strömung angewandt; es ist aber auch brauchbar für turbulente Strömung, Allgemein wird eine solche Strömung erzeugt, daß die Schergeschwindigkeit bezogen auf Viskosität bei Scherbeanspruchung 0 etwa 2 bis etwa 5 000 l/s beträgt; vorzugsweise wird die Schergeschwindigkeit bei etwa 5 bis etwa l/s gehalten. Unter diesen Bedingungen wird die Länge des Rohres oder der anderen Strömungsvorrichtung so gewählt, daß die Verweilzeit der Emulsion im Rohr ausreicht, um das Wandern der suspendierten Tröpfchen der weniger viskosen Flüssigkeit zu ermöglichen. Allgemein beträgt die benötigte Mindestverwellzeit je nach dem Prozentgehalt des Wassers, der Viskosität der viskosen Flüssigkeit, der Temperatur, des Druckes und des Rohrdurchmessers etwa 0,1 bis 200 s, vorzugsweise 2 bis etwa 100 s. Längere Verweilzeiten ermöglichen die Anwendung von niedrigeren Schergeschwindigkeiten·.

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Nachdem die Emulsion durch das Kernströmung erzeugende Rohr geflossen ist, kann das Rohr entwender trichterförmig erweitert oder verengt sein oder aber den gleichen Rohrdurchmesser aufweisen. Die jeweilige Wahl hängt selbstverständlich von der angestrebten Fließgeschwindigkeit in der Rohrleitung ab. Bei hoher Geschwindigkeit läuft man Gefahr, die Kernströmung insofern zu zerstören, als die viskose Flüssigkeit und die weniger viskose Flüssigkeit infolge der in ihnen vorhandenen Wirbel und Foucault-Ströme dazu neigen sich zu vermischen und auf diese Weise erneut eine Emulsion zu bilden, wodurch die Kernströmung verloren geht. Andererseits kann die Kernströmung auch bei sehr langsamer Strömungsgeschwindigkeit zerstört werden, weil bei solchen Geschwindigkeiten Graviationseffekte stärker werden als die schwachen Sekundärströme, durch die die viskose Flüssigkeit innerhalb des Mantels aus weniger viskoser Flüssigkeit suspendiert ist; die Folge ist, daß die viskose Flüssigkeit die Rohrwand berühren kann und so die Kernströmung verloren geht. Es muß also eine Strömungs- oder Fließgeschwindigkeit gewählt werden, die dazu beiträgt, die bestmögliche Kernströmung innerhalb der gesamten Länge der Rohrleitung aufrecht zu halten. Hat man sich darauf festgelegt, daß der Rohrdurchmesser entweder verkleinert oder vergrößert wird, so bildet der hierzu notwendige Diffusor (oder Trichter) vorzugsweise einen Winkel von 1°-bis 30°, insbesondere von etwa 1° bis etwa 9° (mit der Rohrachse), um eine erneute Emulsionsbildung infolge von Strömungstrennung zu verhindern.

Das erfindungsgemäße Verfahren ist von sehr großem Vorteil beim Entwässern von Rohöl oder beim Auftrennen von anderen viskosen.Flüssigkeiten und weniger viskosen Flüssigkeiten am Endpunkt einer Rohrleitung. Das durch Brechen der Emulsion abgetrennte Wasser, welches für die Kernströmung verwendet wird, ist freies Wasser und setzt sich ab, vrenn die Strömung in einem Vorratsbehälter oder Tank unterbrochen wird. 'Der Engergieaufwand für die üblichen Heiz-Behandlungsvorrichtungen zum · Aufbrechen von viskosen Wasser-in-Öl Emulsionen wird stark verringert.

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Weiterhin wird mit Hilfe des erfindungsgemäßen Verfahrens das Problem gelöst, wie ein Kernstromsj^stem' durch Öldruckverstärkerpumpen in Rohrleitungen geführt werden soll, ohne vorher die weniger viskose Flüssigkeit von der viskosen Flüssigkeit abzutrennen oder zusätzliche weniger viskose Flüssigkeit hinter der Oldruckverstärkerpumpe einzuspritzen. Die in Zentrifugalpumpen vorhandenen sehr starken Turbulenz-Scherkräfte oder die in Verdrängerpumpen vorhandenen weniger starken Scherkräfte neigen dazu, den Mantel aus weniger viskoser Flüssigkeit zu dispergieren und manchmal zu emulgieren innerhalb der viskosen Flüssigkeit. Aus der US-PS 2 821 205 ist bekannt, daß Öl und Wasser voneinander getrennt v/erden müssen vor dem Durchgang durch die Öldruckverstärker (Booster ) Pumpe, um ein solches Emulgieren zu verhindern. Die alternative Lösung hierzu besteht darin, daß man neues Wasser oder andere weniger viskose Flüssigkeit hinter der Oldruckverstärkerpumpe zugibt, um die Kernströmung einer Emulsion fortzusetzen. Mit Hilfe des erfindungsgemäßen Verfahrens wird die Notwendigkeit eliminiert, entweder eine Trennung von Wasser und Öl durchzuführen oder zusätzliches Wasser zuzugeben, weil das erfindungsgemäße Verfahren die Bildung bzw. erneute Bildung von Kernströmung selbst beim Durchgang durch Pumpen ermöglicht, die dazu neigen, Wasser in Öl zu emulgieren oder zu dispergieren.

Beispiele

Das erfindungsgemäße Verfahren wurde in einem Stahlrohr mit Innendurchmesser 12,7 mm und Länge 135,9 cm durchgeführt. Das Rohr stand mit einem Druckbehälter und einer Kraftmeßdose in Berührung. Die Kraftmeßdose diente dazu, die Fließ- oder Strömungsgeschwindigkeit anzugeben. Die Emulsion wurde in den Druckkessel gespeist; an diesen wurde Druck in dem gewünschten Ausmaß angelegt und die Strömung durch Öffnen eines Auslaßventils in Gang gesetzt. Es wurde eine Reihe von Versuchen durchgeführt mit einer Emulsion und beginnend bei niederem Druck; der Druck wurde so lange gesteigert, bis die Kernströmung hergestellt war, In manchen Versuchen wurde anschließend der Druck wieder verringert, um zu zeigen, daß die Kernströmung weiterhin erhalten blieb.

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Verwendet wurde jeweils Midway-Sunset Rohöl mit einem Wassergehalt von 10 Vol.-%.

	Emulsion:	Test 1	cSt	* laminar(Shear Thinni
	Druck im Vo tank kg/cm	Viskosität : 5 200 spez. Gewicht: 0,97	rrats- Strömungsgeschwin- Strömungs-Bedingung digkeit (cm/s)	laminar "
Versuch	0,35		3,22	laminar "
1	0,42	4,15	1aminar "
2	0,49	5,56	laminar "
3	0,56	7,15	Unterbrochene(inter mittierende Kern strömung)
4	0,63	8,86	Stetige Kernströmung
5	0,70	10,82-112,10
6	0,77	199,30
7

Test 2

Emulsion: Viskosität: 45 000 cSt spez.Gewicht: 0,984

Versuch Druck im Vorrats- Strömungsgeschwin- Strömungs-Bedingung tank kg/cmr digkeit (cm/s)

1 1,40 0,94 laminar(Shear Thinning

2 1,75 1,29 Laminar »

3 2,81 2,13 laminar

4 3,86 3,24 Laminar "

5 4,92 4,30-26,47 Unterbrochene(inter

mittierende Kernströmung)

6 3,86 27,80 Stetige Kernströmung

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Test 3

Emulsion: Viskosität: 80 000 cSt spez.Gewicht: 0,985

Versuch Druck im Vorrats- Strömungsgeschwin- Strömungs-Bedingung tank kg/cm² digkeit (cm/s)

laminar(Shear Thinning Laminar " laminar " laminar "

Unterbrochene(Intermittierende Kernströmung) Stetige Kernströmung Stetige Kernströmung

*Shear Thinning laminar bezeichnet die Erscheinung, daß bei zähflüssigen Rohölen infolge der Einwirkung von Scherkräften der Strömungswiderstand abnimmt. Im Falle von Öl/Wasser Emulsionen bewirkt die Einwirkung von Scherkräften auf die laminare Leitungsströmung, daß Wassertröpfchen in Richtung Leitungswand v/andern, woraus sich eine Verdünnung ergibt.

Patentansprüche:

1	0,63	0,32
2	1,89	1,12
3	2,10	1,35
4	2,81	1,78
5	3,51	2,46-35,20
6	1,75	20,20
7	1,05	23,37

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Claims

Patentansprüche

1. Verfahren zum Erzeugen einer Kernströmung einer Emulsion aus einer viskosen Flüssigkeit und einer weniger viskosen Flüssigkeit ,insbesondere mit einer Viskosität von etv/a 100 bis etwa 1 000 000 cSt in einer Leitung, dadurch g e k e η nzeichnet, daß man die in der Leitung strömende Emulsion einer hohen Schergeschwindigkeit ausreichend lang unterwirft, um die Emulsion zu brechen und eine mit weniger viskoser Flüssigkeit angereicherte Zone in der Nähe der Leitungswand

zu erzeugen.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch g e k e η n.z e ic h net, daß die Emulsion etwa 5 bis etwa 60 Vol.-% V/asser enthält, " -

3. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß man die Schergeschwindigkeit, bezogen auf Viskosität bei Scherbeanspruchung O, bei etwa 2 bis etwa 5 000 l/s, vorzugsweise bei etwa 5 bis etwa 500 l/s, hält.

4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet , daß man die Emulsion in der die Kernwährend

Strömung erzeugenden Leitung etwa 0,1 bis 200 s, vorzugsweise

von 2 bis etwa 100 s, hält.

5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch g e- kennze ichnet , daß man zur Überführung der Kernströmung aus der Leitung in eine anders bemessene Leitung einen Diffusor oder einen Umkehrdiffusor anwendet.

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1A-45 501

6β Verfahren nach Anspruch 5, dadurch g e k e η η ze'ichnet, daß man einen Diffusor mit einem Winkel von etwa 1° bis etwa 30°, vorzugsweise von etwa 1° bis etwa 9°, anwendet.

7· Anwendung des Verfahrens nach Anspruch 1 bis 6 zum Trennen einer weniger viskosen Flüssigkeit von einer viskoseren Flüssigkeit.

8₀ Anwendung nach Anspruch 7 zum Transport von Rohöl aus der Fördersonde bis zur Abtrennung des Wassers,

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