DE3106172A1 - Verfahren zur realisierung und intensivierung des waerme- und/oder stoffaustausches zwischen fluessigkeiten sowie fluessigkeit und feststoff und mischdiffusor zur durchfuehrung des verfahrens - Google Patents
Verfahren zur realisierung und intensivierung des waerme- und/oder stoffaustausches zwischen fluessigkeiten sowie fluessigkeit und feststoff und mischdiffusor zur durchfuehrung des verfahrensInfo
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Description
I- 3 -
Verfahren zur Realisierung und Intensivierung des Wärme- und/oder Stoffaustausches zwischen
Flüssigkeiten sowie Flüssigkeit und Feststoff
und Mischdiffusor zur Durchführung des Verfahrens
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Realisierung und Intensivierung
des Wärme- und/oder Stoffaustausches zwischen Flüssigkeiten sowie Flüssigkeit und Feststoff und Mischdiffusor zur Durchführung
des Verfahrens als Anlagenelement.
Das erfindungsgemäße Verfahren und das Anlagenelement ermöglichen
die intensive Realisierung der Wärme- und/oder Materialübertragungsprozesse
zwischen Flüssigkeit-Flüssigkeit, sowie Flüssigkeit-Festphasen unter Anwendung eines herkömmlich verwendeten Autoklaven,
der als Basisanlage dient. Im Laufe des Verfahrens wird die intensive gegenseitige Berührung und Mischwirkung mit Hilfe
eines in dem Autoklaven eingesetzten, eine besondere Wirkung ausübenden Einsatzelementes und die intensive Wärmeübertragung mittels
eines frei wählbaren und dimensionierbaren äußeren Kühlers erreicht. Das Verfahren gewährleistet die günstigen Wirkungen
des Einsatzelements und die Verwirklichung der intensiven Wärmezufuhr bzw. des Wärmeentzuges durch die Zirkulation eines geeigneten
Teils der Flüssigkeitsphase mit einer entsprechenden Geschwindigkeit.
In der Technologie der chemischen Industrie kommen die folgenden Wärme- und MateriaVübertragungsprozesse zwischen Flüssigkeit-Flüssigkeit,
bzw. FVüssigkeit-F^stphase am meisten vor:
- Lösung, Extraktion,
- chemische Reaktionen in einer homogenen oder heterogenen Flüssigkeitsphase,
- Ausscheiden eines Feststoffes aus einer Lösung,
(Kristallisation, Niederschlagbildung, Aussalzen),
- desweiteren: Suspension- und Emulsionsbildung. In der gegenwärtigen Betriebspraxis werden diese
nachqerbchtJ
Arbeitsgänge - abgesehen von einigen Ausnahmen - In mit Heiz-
und Kühlmantel versehenen Mischbehältern, in Autoklaven realisiert.
Obzwar in den vergangenen Jahrzehnten bedeutende neue intensive Verfahren bekannt geworden sind, wie z.B. die
Flüldlsatlons-, Rotationcfilm-, Schaumkolonnen- und Geiserverfahren,
kann ihre Verbreitung in der Industrie nur als ein sporadi3chcQ Symptom betrachtet werden. Eine der Erklärungen
liegt darin, dass weder die chemischen Produzenten, noch die
'.O Hersteller der Verwandtenindustrien den bedeuten Mehrkootaufwand,
der zur Modernisierung eines bereits vorhandenen Betriebs erforderlich wäre, auf sich nehmen können. Die zeitgemiissen
Verfahren beanspruchen nämlich kontinuierlich arbeitende Anlagen, zu deren Bedienung die investitlonsbeanspruchende
L5 kostaufwendige Umgestaltung der gegenwärtigen, Im allgemeinen
auf einer intermittierenden Technologie beruhenden Anlagen unerlässlich wäre.
Obzwar die Hersteller die Vorteile der zeitgemüssen
intensiven Verfahren /hohe spezifische Kapazität, gleichinässlge
Produktenqualität usw./ bekennen, können die Produzenten solange die Kosten und das Risiko der Einführung nicht auf sich
nehmen, bis Irgendeiner Betrieb, wenn auch unter Anwendung eelnes
theoretisch unzeitgemässen Verfahrens, In der Hinsicht
der wirtschaftlichen Rentabilität noch funktionsfähig ist.
Besonders ist ein solcher Schritt bei den in aller Welt sich
meldenden Energieproblemen und wirtschaftlichen Schwierigkeiten zu überlegen.
Anderseits sind die Erhöhung der Produktivität und die
Verbesserung der Produktenqualttät von dem Standpunkt der Absatzfähigkett der Produkte der chemischen Industrie, insbesondere
der pharmazeutischen Industrie und gewisser landwirtschaftlicher Produkte auf dem Weltmarkt unbedingt erforder-
lieh, wobei die Entwicklung ausschliesslich mittels geeigneterweise
aanipulierbarer, gut regelbarer intensiver Prozesse möglich ist.
Um den gegensätzlichen Standpunkten genugtun zu können,
ist die Entwicklung solcher Verfahren bsw. Anlagen wünschenswert, die mit einem geringen Investitionckootenaufwand
und mit einer geringtaüssigen Umgestaltung der gegenxvlirtigen
Betriebstechnologien, jedoch mit einen hohen Wirkungsgrad arbeiten, womöglichst eine Energieursparung erzielen
und gleichzeitig die zeitgcmUssen Qualitiltsforderungen
befriedigen.
Die in den bereits erwähnten Industriezweigen der chemischen und der VerwandtIndustrien sind die am meisten
verbreiteten Anlagen die mit einem V/ärmeübertragungsmantel
"versehenen, mit einem Rührer ausgestatteten Bchiilter, d.h.
3 3
Autoklave mit einem Fassungsraum von 0,05 nr bis 10 m . Der
grösste Vorteil dieser Anlugen liegt eben in ihrer einfachen
Punktion und dem allgemeinen Charakter, da die erwlüintcn
Anlagen beinahe universell sur Realisierung von Prozessen,■ die mit Wdrme- und Materialübertragung, bzw. mit chemischen
Umwandlungen verbunden sind, verwendet werden können. Die Popularität dieser Anlagen ist eben auf diese Tatsache zurückzuführen,
da die Einfachheit und Anspruchlosigkeit jedenfalls
günstige Eigenschaften darstellen und werden auch in der Zukunft al3 günstige Charakteristiken betrachtet v/erden.
Leider ist diese Lösung auch mit den erwähnten vorteilhaften
Eigenschaften unwirtschaftlich und zur Durchführung präziser Arbeitsgänge ungeeignet. Die Gründe sind, wie folgt: mit
deren Volumen verglichen ist die wärmeübertragende Fläche gering. Y/iährend ein Duplikator mit einem Rauminhalt von
v+yjj u, eine v/lirraeüb ertragend β Fläche von 0,38 m , bzw. eine
2 3 spezifische würmeübertragende Fläche von 7>6 m /m aufweist,
kann einem Rauminhalt von 0,15 m^ bloss eine wärmeübertragende
Flttche von 0,8 m2, d.h. ein spezifischer V/ert von 5,3 m2/m3
zugeordnet werden. Mit einem zunehmenden Rauminhalt vermindert
uich die spezifische Oberfläche. Mit Hinsicht darauf, das3
5* dleae Anlagen mit einem sich mit einer niedrigen Umdrehungszahl
drehenden Rührer versehen sind - eine wirksame mechanische Mischung wird von technischen Faktoren begrenzt
- i3t die Bewegung der Lösung keineswegs befriedigend, dabei ist die Wärme verteilung auch nicht gleichmäßig. AI3 Erfolg
^O finden die Y/Urme- und Materialübertragungsprozesse mit einem
niedrigen Wirkungsgrad statt, dabei ist es nicht möglich
- sich aus der Konstruktion der Anlage ergebend - während
des Betriebes rasch und erfolgreich intervenieren zu können:
zwecks Veranschaulichung der konkreten Probleme geben wir
zwei Beispiele an:
- Bot einer mit Kühlung vorgenommenen Kristallisation ist die In der Nähe der Kühlfläche liegende Scttenschlcht
die kälteste, da hler der intenslveste Wärmeentzug vor
sich geht. AI3 Erfolg ist eine Kru3tenbildung d.h. eine.
auf der Kühlfläche stattfindende Kriotallausocheldung
fa3t unvermeidlich, wodurch die sowieso schwache V/Urffle-Ubertragung
In einem gesteigerten Masse verschlechtert wird. Anderseits kann eine die zeitgemässen Forderungen
befriedigende Kristallisation nur durch die Lenkung und Beherrschung der kinetischen Prozesse und durch Zustandebringen
einer Intensiven und regelbaren Berührung realisiert werden. Kur In diesem Fall kann ein Produkt
mit glelchirüsslger Kornqualität- und Grosse hergestellt
werden. Ua das gesetzte Ziel erreichen zu können i3t
die programraässige Änderung der Lö3ungstemperatur und
der Konzentration mit einer vorgegebenen Geschwindigkeit unerlässlich. Es liegt an der Hand, dass zu diesem
NAC
«GEREICHT
Zwecke das mit einem Rührwerk ausgestattete Autoklav nicht
eben die idealste Lösung darstellt.
- E3 ist eine wohlbekannte Tatsache, dass die
chemischen Reaktionen in homogenen oder heterogenen Phasen bei einer gegebenen Temperatur und gegebener
Geschwindigkeit stattfinden. In der Mehrheit sind
die Reaktionen w2x;nc er zeugend, d.h. exotherm. Eo
ist iiusoerst wichtig die entstandene Reaktionswärme
schnell und genau abzuleiten, widrigenfalls können weitere unerwünschte, eventuell gefährliche
Reaktionen sich in Gang setzen. Ss ist auch selbstvers
tödlich, dass in der Lösung die örtliche Überkühlung
bzw. Überhitzung vermieden werden müsse. Zu einem je vollkommeneren Ablauf der Zielreaktion
muss die intensive gegenseitige Berührung der in
Reaktion tretenden Phasen, die Ableitung des Produktes gewjihrleistet v/erden. Trotzdem werden
heute noch Autoklave als Reaktoren im weiten Kreise angewendet. Man probiert die erwähnten Sehwierigkeiten
durch die Gestaltung einer aus mehreren
Einheiten von geringerem Rauminhalt bestehenden Reaktorkaskade zu vermeiden, wobei diese Lösung
recht energieaufwendig ist.
Die Verwendung des erfindungsgeniiissen Verfahrens bietet
Uie Möglichkeit zur Behaltung der handelsüblichen, bzw. sich bereits im Betrieb befindenden Autoklave, als teuerster
Anlageelemente. Bei den Verfahren wird die Nantelheizung bzw·
-Kühlung als eine Temperierungsmöglichkeit verwendet, der eigentliche V/ärmeaustausch wird ausserhalb des Behälters, in
einem Zirkulationskreis, die Wärmeträgheit beseitigend, intensiv realisiert. Gleichzeitig- wird durch ein zweckmässig
bemessenes Einsatzelement von spezialer Wirkung die wirksame
NACHGEREICHT
Vermischung und gegenseitige Berührung der Phsen in dem
Behälter erreicht.
Das Prinzip des erfindungsgemässen Verfahrens und die
Wirkungsweise des 3pezialen Einsatzelements werden mit Hilfe der Beschreibung einer zu allgemeinen Zwecken zusammengestellten
Anlage erläutert; die schematische Anordnung ist in der Zeichnung dargestellt.
Ein nit einem Temperlermantel 1 versehene Behälter
dient zur Aufnahme der an dem Prozess teilnehmenden Flüssigkeiten
der Flüssigkeit-Flüssigkeit oder Flüssigkeit-Festphasen,
und hier werden die gegenseitige Berührung und die Reaktionen gefördert. Wenn zwei separate Phasen vorhanden
sind, befindet sich die Phase höherer Dichte in dem Raumteil "A" des Echalters 2. Die Temperierung des Behälters 2 wird
über die Rohrstutzen 3 vorgenommen.
Wird nun der Prozess in Gang gesetzt, presat die Pumpe 6 die über den Absaugstutzen 10 abgesogene Flüssigkeit
durch den V.lirmeaustauscher 7 hindurch, wo das durch den
Stutzen 9 eintretende V/i^irmeaustauschmedium die Flüssigkeit ·
auf die zum Prozess erforderliche Temperatur abkühlt bzw.
erwärmt. Die mit einer vorbestimmten Geschwindigkeit ankommende Flüssigkeitssäule gelangt zu dem Einsatzelenent
und verdrängt die im Einsatselement 8 vorhandene luft, aber
nur in solchem Masse, dass in dem sich ausbauchenden, in
Einklang mit dem gegebenen Prozess dinensioniertenTTeil
des Einsatzelements 8 die Luftblase 11 bzw. ein Gaskissen während der gesamten Dauer des Prozesses aufrechterhalten
werde, während die Flüssigkeit an der Innenwand des sich ausbauchenden Teils 12 des Einsatzelements 8, mit einer veränderten
Geschwindigkeit, in einer filmartigen Schicht in die Grenzschicht 13 ankommt.
Im Bedarfsfall kann das Gaskissen 11 durch die
MACHGEREICHT
Betätigung des Ventils 5 durch die Einführung eines inerten Gases von aussen her ausgestaltet werden. Das Volumen des
Gaskissens 11 kann durch die Betätigung des Ventils 5 nach
Bedarf variiert werden. In der Grenzschicht 13 ermöglichen
die qunsi-konstauten oder sich nach einer gegebenen Punktion
ändernden Temperatur- und Konzentrationoverhältnisse der von
oben und unten in die Schicht ankommenden Komponenten die
Intensifizicrung und Lenkbarkeit. de3 gewünschten Prozesr.es.
Die fortwährende Erneuerung der Grenzschicht 15 wird durch die kontinuierliche einstische Bewegung des Gaskissens 11 und die
kinetische Energie des an der Innenwand des sich ausbauchenden Teils 12 des Eincatzelementß 8 eintreffenden FlüssigkeitcfUras
erreicht. Auf deren gemeinsamer Wirkung kommt ein aus der Grenzschicht 13 nach aussen gerichteter "Flüssigkeitsstrom in
Gang, dor eine regelmä3sige Vermischung bzw. bei der Anwesenheit körniger Materialien eine Oeparation in dem ganzen
Behälter hervorzurufen fähig ist. Die Mischung genügt dazu, das3 bei Arbeit3gängen in einer Feststoff-FlUssigkeitsphase
/Lösung, Kristallisation/ die Körner in einer ständigen . Bewegung gehalten werden, \^odurch günstige Bedingungen zum
Verlauf de3 Materialübertragungcprozesses geschaffen v/erden,
bzw, bei chemischen Reaktionen in einer heterogenen Phase bei einer Flüssigkeit-Ilü33igkeit-Extrakticn der wirksame Kontakt
zwischen den sich miteinander nicht vermischenden Flüssigkeitsphasen
zustandekommt.
Das erzeugte Produkt kann über den Stutzen 4 von dem
Behälter 2 entnommen werden.
Ein Ausführungsbeispiel für die Lösung: Nach erfolgter Zufuhr der flüssigen und der festen
Phase in den Behälter 2 wird der Prozess durch Anlassen der
Pumpe 6 und die Gestaltung des Gaskissens 11 in Gang gesetzt.
Auf Wirkung der Differenz bei den spezifischen Gewichten ge-
NACHQEREICHTI
- 10 -
stalten sich die mehr oder weniger abgrenzt)aren Raumteile "A"
und "B", die in der Hinsicht des Feststoffgehalts unterschiedlich
Bind, und aus denen der Raumteil "A" in allgemeinen in Feststoff, in zu auflösenden Kristallen eher
' angereichert lot. Das über den Absaugstutzen 10 von der
Pumpe 6 au3 dem Raumteil "B" abgesogene Lösungsmittel erwärmt
sich in dem V,"drme au π tauscher 7 und kommt an der Innenwand des ·
sich ausbauchenden Teils 12 des Einsatzelement3 8 beschleunigt in die, von dem Gaskissen 11 intensiv bewegte, in Feststoff
^O angereicherte Grenzschicht 13 an, wo die Sättigung vor sich
geht. Der Prozess wird bis zur vollkommenen Auflösung der Pestpha3e fortgesetzt.
Ein Ausführungsbeispiel für die Kristallisation: Nach der Zufuhr der gesättigten Lösung in den Behalter
2, dem Anlassen der Pumpe 6 und Gestaltung des Gasktssens
11 kühlt sich der über den Absaugstutzen 10 abgesogene Flüssigkeitsstrom in dem ^lirme aus tauscher 7 ab; in der Abhängigkeit
der gewählten Funktionsparanieter kommt der abgekühlte Flüssigkeitsstrom in Fora eines Filmes über der-Innenseite
des sich ausbauchenden Teils 12, mit einer durch die Purapengeschwindigkeit bestimmten Geschwindigkeit in die,
' von dem Gaskissen 11 und der kinetischen Energie des eintreffenden
Films intensiv gemischte Grenzschicht 13 an, wo
der KristallZuwachs bis zu einem, von den Temperatur- und
Konzcntrationsverhiiltnissen bestimmten V/ert stattfindet.
Über die Temperatur- und Strömungsparameter kann die Grosse der sich bildenden Kristalle beeinflusst v/erden. Die
gebildeten Kristalle die Grenzschicht 13 bzw. deren unmittelbare
Umgebung verlassend erleiden eine gewisse Separation, indem die dichtere, die grösseren Körner enthaltende Suspension
sich in dem Raumteil "A" befindet, während der Raumteil 11B"
die dünne Phase, welche die sich bei einer von der Kreislauf-
nachgereioht]
punpe für den Behälter festgesetzten Strömungsgeschwindigkeit
nicht abeetztenden Kleinkörner enthält, aufhalten wird. Auf·
dieser V/eise kann durch Einstellen des Niveaus des Absaugetutzens
10 die untere Grenze des Korngrössebereichs des Kristallhaufwerks beeinflusst werden, da die abgesogenen
Kleinkörner in dem wiederholten Prozess zunehmen.
Über eine Zeitersparung kann auch hier nicht die Rede sein, da wir eben eine sorgfältig gewählte, langsame und
kontrollierte Kühlung zu realisieren beabsichtigen. Man kann ;jedoch die Qualität eines in einem traditionellen Duplikator
erzeugten Kalziumchloridproduktes mit jener de3 mit dem neuen Verfahren hergestellten Produktes vergleichen:
In einem Duplikator: ein Produkt mit heterogener
Korngrösseverteilung. Die Korngrösse ändert sich im Bereich zwischen 0,02 mm und 0,3 mm,
die Durchschnittsgrö3se beträgt 0,1 mm. Die Körner 'weisen ein unregelmLisaig entwickeltes ■
blätteriges Gefüge auf.
Beim neuen Verfahren: der wirksamen Mischung und dem gesteuerten KristallZuwachs entsprechend
weinen die Körner einen in allen Richtungen isometrischen /kubischen/ Habitus auf. Die
Korngrösse ändert 3ich zwischen 0,1 und 0,25 mm, die Durchschnittogrösse beträgt
0,16 mm. Die Vorteilung 1st daher viel
homogener.
- Ein Ausführungsbeispiel für die Lösung:
- Ein Ausführungsbeispiel für die Lösung:
Es wird da3 erflndungsgemii3se Verfahren mit dem
herkömmlichen, In einem mit einem Rührer ausgestatteten Duplikator durchgeführten Verfahren verglichen.
Es wird eine bei 60 C0 gesättigte Kaliumchlorid- '
lösung bereitet, undzwar derwelse, dass 450 g festes Salz und
- 12 -
1 Liter V/asser von 20 C° /oder deren Vielfache/ In den
Laboratoriumapparat eingefüllt werden. Sobald das Lösungsmittel sich erwärmt, findet die Auflösung kontinuierlich
statt und bein Erreichen der Temperatur von 60 C0 lot die
gesamte Fcst3toffmenge aufgelöst. Nehmen wir an, dnss In
beiden Apparaten die gleiche Menge, z.H. 4-4 Liter Lücuiig
enthalten π Ind. Zu dem Duplicator mit einem Fassungr.raura von
A 1 gehört eine wärnieübertrngende Fläche von 0,1 m
/duplizierter Veil/. J)cr den Gegenstand der Tirfindung
bildende Auflönebohülter hat ebenfalls einen Fasoungsraum
von 4 Liter, wobei der dazu gehörende, in dem äucceren Kreis
2 oich befindende Rohrwärmeauotauscher eine Fläche von 0,05 m
aufweist. In einem herkömmlichen Duplikator werden 4 Liter der
bei 60 C0 gesättigten Löcung unter starkem mechanischem
Rühren in 30 Minuten verfertigt. Ein Heizmittel gleicher Temperatur und Menge anwendend, betrügt diese Dauer in der neuen
Anlage blos3 20 Minuten. Die Zeitercparung lot auf die, in
der Anlage herrschenden guten Mlschverh.iltntsce und die
wirksamere, durch die Zirkulation hervorgerufene \.v-rnozufuhr
zurückzuführen. Eg ist wohlersichtlich., dass bei dem
erfindungsgemilcsen Verfahren die V/Urne zufuhr flache lediglich
der IlXLfte der Fläche der traditionellen Anlage gleich ist,
die zum Verlauf de3 Prozesses erforderliche Zelt kann trotzdem wesentlich verkürst werden.
Durch die analoge Verwendung der dargestellten Ausfuhrungsbeispiele
können sonstige, in homogener oder heterogener FlUsstgkeltsphase vor sich gehende Prosesse, wie
Z.J3. Extraktion, chemische Reaktionen usw. realisiert v/erden. Der erflndungsgemässe Mischdiffusor und das mit
dem Diffusor durchgeführte Verfahren weisen zahlreiche Vorteile auf:
- Intensive und fortlaufende Reaktionen können in
- 13 -
den einfachen und traditionellen doppelwandigen
Reaktoren verwirklicht werden, die in der chemischen Industrie ein hohes Risiko
mit sich bringende Erhöhung des Maßstabes - "engineering" erübrigt sich, da die Ströraungo- und
Eerührungoverhältnisse auf den gleichen Wert behalten und ausserhalb des Reaktors geregelt werden
können,
praktisch kann die Wartung in ihrer Gesamtheltausserhalb des Reaktors vorgenommen werden, da in
dem Reaktor weder ein Ansatz, noch eine Verstopfung vorkommt,
in einem traditionell intermittierenden Reaktor kann ein Dauerbetrieb mit in geeigneter Anzahl parallel
geschaltoten Wärmeaustauschern aufrechterhalten werden.
Leerseite
Claims (2)
1. Verfahren zur Realisierung und Intensivierung des Wärme- und/oder Stoffaustausches zwischen Flüssigkeiten sowie Flüssigkeit und Feststoff mit einem
/ nachgereicht]
Mischdiffusor als Reaktor, dadurch gekennzeichnet,
daß die Wärmeübertragung der gewünschten Reaktion optimal außerhalb des Reaktors stattfindet, wobei die Reaktionswärme gegebenenfalls
mittels eines innerhalb des Reaktors stattfindenden Wärmeaustausches aufrechterhalten
wird und die gegenseitige Berührung zwischen den reagierenden Medien dadurch erreicht wird, daß
im Inneren des in das eine im Reaktor befindliche
Flüssigkeitsmedium eingetauchten statischen Mischdiffusors
eine Filmschicht mit der anderen einströmenden Flüssigkeit mit Hilfe eines das Gleichgewicht
aufrechterhaltenden Gaskissens gebildet
wird, wobei in der Grenzschicht des Gaskissens, ferner des Flüssigkeitsfilms sowie des Flüssigkeitsspiegels eine intensive Vermischung zwischen den
pulsierenden und sich erneuernden Stoffoberflächen
stattfindet.
2. Mischdiffusor für einen Reaktor zur Durchführung
des Verfahrens nach Anspruch 1, d a d u r c h gekennzeichnet , daß der Mischdiffusor
als ein sich von oben nach unten erweiternder Hohlkörper (8) mit unten offenem Ende ausgebildet ist,
der mit öffnungen (5) für den Eintritt der miteinander reagierenden Medien sowie einem in das flüssige
Medium des Reaktors eintauchenden unteren Flansch (12) versehen ist.
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Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
HU80386A HU184241B (en) | 1980-02-20 | 1980-02-20 | Method and apparatus member for carrying out and intensifying processes of heat and/or material transfer between fluid-fluid, fluid-solid phases |
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ID=10949372
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DE (1) | DE3106172A1 (de) |
FR (1) | FR2475929A1 (de) |
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8139 | Disposal/non-payment of the annual fee |