DE4424719A1 - Filter - Google Patents
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Description
Die Erfindung betrifft einen Filter zum Abscheiden von Fest
stoffpartikeln aus einem Fluidmedium, in dem sie mitgenommen
sind. Der Filter ist insbesondere zum Abscheiden von Staub
partikeln, die in Gas, beispielsweise Atmosphärenluft, mitge
nommen sind, welche Partikel bei industriellen Herstellungs
verfahren erzeugt werden; die Erfindung ist jedoch nicht auf
diese Anwendung beschränkt.
Im wesentlichen steife, selbsttragende, poröse Filterelemente
sind wohlbekannt. Sie können durch Sintern von partikelförmi
gem Pulver aus beispielsweise Kunststoffmaterial, keramischem
Material oder Metall hergestellt werden, um die Partikel zur
Bildung eines porösen Körpers gewünschter Gestalt und Poro
sität für die beabsichtigte Endverwendung miteinander zu ver
binden.
Es ist auch bekannt, daß das Reinigen solcher Filterelemente
beispielsweise durch das gut bekannte "Umkehrimpuls"-Verfah
ren, nicht immer gänzlich erfolgreich ist. Einige der festen
Partikel, die aus dem Fluidstrom herausgefiltert und an der
äußeren Fläche des Filterelements eingefangen worden sind,
können tatsächlich innerhalb der Poren des Filterelements
eingefangen sein, wo sie schwierig zu entfernen sind. Darüber
hinaus besitzen diese Filterelemente häufig eine gewellte
oder andere nicht planare Gestalt, so daß sie Bereiche auf
weisen können, wo sich gefilterte Partikel sammeln und in
einem gewissen Ausmaß gegenüber den Umkehrimpulsen geschützt
sind.
Zur Überwindung dieser Probleme ist vorgeschlagen worden, die
Oberfläche des Filterelements, die dazu bestimmt ist, den zu
filternden Fluidstrom aufzunehmen, d. h. seine Einlaßfläche,
mit einer Schicht eines Pulvers mit einer Korngröße feiner
als die Größe der Oberflächenporen zu beschichten, wodurch
die Porengröße wirksam verkleinert wird. Beispielsweise ist
Polytetrafluorethylenpulver zur Abdeckung der Poren bei einem
Filterelement verwendet worden, das aus gesintertem Polyethy
lenpulver hergestellt ist. Das Polytetrafluorethylen (PTFE)
ist zweckmäßigerweise auf dem Polyethylenfilterelement auf ge
bracht, indem auf den Einlaßflächen des Elements eine
PTFE/Harz-Mischung aufgesprüht oder aufgepinselt wird, wo
durch die PTFE-Partikel in oder auf den Poren des Elements
gebunden werden. Hierdurch können sich die aus dem Fluidstrom
ausgefilterten Feststoffpartikel in den Poren des Filterele
ments nicht leicht festsetzen. Darüber hinaus kleben sie an
dem PTFE nicht gut an, und diese beiden Faktoren unterstützen
das Reinigen. Andere feinkörnige Materialien, einschließlich
beispielsweise Glasperlen, sind anstelle von PTFE vorgeschla
gen worden.
Es ist auch bekannt, daß es für bestimmte Anwendungen, wo der
auszufilternde Staub potentiell explosiv ist, notwendig ist,
daß das Filterelement antistatisch ist. Dies ist erreicht
worden, indem feine Kohlenstoffpartikel auf der Filterele
mentfläche aufgebracht werden. Die Kohlenstoffpartikel besit
zen eine Größe im wesentlichen im Untermikronbereich und wer
den in einer Mischung mit einem geeigneten Harz aufgebracht.
Wenn das Reinigen der antistatischen Filterelemente durch
Aufbringen der PTFE-Beschichtung wie oben beschrieben verbes
sert werden soll, müssen daher zwei separate Aufbringungen
auf der Filteroberfläche durchgeführt werden, was mit verlän
gerter Herstellungszeit und erhöhten Herstellungskosten ver
bunden ist.
Die Erfindung bezweckt die Herstellung eines Filters, der
sowohl antistatische Eigenschaften als auch gute Reinigungs
eigenschaften aufweist und zweckmäßiger und preiswerter als
bisher hergestellt werden kann.
Entsprechend sieht die Erfindung unter einem Aspekt einen
Filter zum Abscheiden von Feststoffpartikeln aus einem Fluid
medium vor, in dem sie mitgenommen sind, wobei der Filter
über ein poröses Element verfügt, dessen Einlaßfläche, durch
die das Fluid hindurchtreten muß, eine poröse Beschichtung
aus Kohlenstoffpartikeln mit einer Größe feiner als die Größe
der Einlaßflächenporen aufweist.
Die Beschichtung aus Kohlenstoffpartikeln füllt vorzugsweise
die Einlaßflächenporen nicht vollständig aus, jedoch sind die
Partikel von einer ausreichenden Größe derart, daß eine An
zahl von Partikeln jede Porenöffnung überbrücken kann, um
eine dünne Haut oder Beschichtungsschicht zu schaffen, die
die äußersten Poren nur teilweise füllt.
Unter einem anderen Aspekt sieht die Erfindung ein Verfahren
zum Herstellen eines Filters zum Abscheiden von Feststoffpar
tikeln aus einem Fluidmedium vor, in dem sie mitgenommen
sind, welches Verfahren umfaßt das Schaffen eines porösen
Filterelements und das Aufbringen einer Mischung aus Kohlen
stoffpartikeln in einem Bindemittel auf der Einlaßfläche,
durch die das Fluid hindurchtreten muß, wobei die Kohlen
stoffpartikel eine Größe feiner als die Größe der Einlaßflä
chenporen aufweisen, wodurch die Kohlenstoffpartikel an der
Einlaßfläche zur Bildung einer porösen Beschichtung gebunden
werden.
In bevorzugter Weise besitzt ein wesentlicher Anteil, bei
spielsweise mindestens 80%, der Kohlenstoffpartikel einen
Durchmesser zwischen 1 und 10 µm, insbesondere zwischen 2 und
9 µm und noch weiter insbesondere zwischen 3 und 5 µm. Somit
kann beispielsweise eine poröse Fläche mit einer Porengröße
von 30 bis 70 µm modifiziert werden, um eine wirksame Poren
größe von 3 bis 8 µm aufzuweisen.
Die Beschichtung aus Kohlenstoffpartikeln kann durch Aufsprü
hen und/oder Aufpinseln zu einer gewünschten Dicke aufge
bracht werden, und die gewünschte Dicke kann zweckmäßiger
weise durch Messung des Druckabfalls an dem Element vor dem
Aufbringen der Beschichtung und nach dem Trocknen der aufge
brachten Beschichtung für eine bestimmte Durchflußgeschwin
digkeit bestimmt werden. Beispielsweise wurde gefunden, daß
ein Druckabfall von 2 bis 3 mbar für eine Filtrationsge
schwindigkeit von 1,55 m/min einer bevorzugten Dicke ent
spricht.
Es ist einzusehen, daß es nicht notwendig ist, daß die Poren
größe der Oberflächenbeschichtung des Filters kleiner als die
Durchmesser der Partikel ist, die einzufangen sind. Wenn die
Filtrierung beginnt, werden die Filterporen mittels der Par
tikel überbrückt, die sich über den Poreneingängen verkeilen,
d. h. in einer Weise ähnlich der Bildung der oben beschriebe
nen bevorzugten Beschichtungsschicht. Dies findet statt, ob
wohl beispielsweise die Poren im Durchmesser 5 µm und die
Partikel nur 1 µm messen können. Wenn diese anfängliche Par
tikelablagerung an der Oberfläche des Filters stattgefunden
hat, findet eine weitere und wirksamere Filtrierung statt, da
der an der Filteroberfläche gebildete "Staubkuchen" aus Par
tikeln tatsächlich zu seinem eigenen Filtermedium wird. Die
anschließende Filtrierungsleistung hängt daher von der Poro
sität und Permeabilität dieses Filterkuchens ab, und das ur
sprüngliche Filtermedium wirkt nur als Stützstruktur.
Wie oben angegebenen worden ist, ist es wichtig, daß so wenig
Staubpartikel wie möglich in den Filterkörper wandern können,
wo es schwer ist, sie durch Umkehrimpulse zu beseitigen; die
Erfindung ist in dieser Hinsicht besonders wirksam.
Die erfindungsgemäß aufgebrachte Schicht aus Kohlenstoffpar
tikeln muß nicht notwendigerweise eine Schicht aus fortlau
fenden, sich berührenden Kohlenstoffpartikeln sein, sondern
die Kohlenstoffpartikel können in einem Gitter verfestigter
Stränge eines Bindemittels gehalten sein. Dies kann eine of
fenere Struktur mit guter Luftpermeabilität schaffen, während
die Undurchdringlichkeit für Staubpartikel aufrechterhalten
bleibt. Die Erfindung schafft in zweckmäßiger Weise ein Fil
terelement, das sowohl antistatisch ist als auch mit Hilfe
von Umkehrimpulsen oder anderweitig, beispielsweise durch me
chanisches Schlagen oder Schütteln, gereinigt werden kann.
Die Einlaßfläche des Filterelements ist infolge ihrer Kohlen
stoffbeschichtung ausreichend feinporig, um sogar sehr feine
Feststoffpartikel im Untermikronbereich, insbesondere feine
Staubpartikel, am Eindringen in das Filterelement zu hindern.
Die Filterablagerungen an der Filterfläche sind daher leicht
entfernbar, und das normale Reinigen kann durchgeführt wer
den, ohne den kontinuierlichen Filterbetrieb unterbrechen zu
müssen. Infolge seiner antistatischen Eigenschaften kann der
Filter sicher sogar mit potentiell explosivem Staub verwendet
werden, und ist es nicht notwendig, besondere antistatische
Eigenschaften zusätzlich zu den nicht-antistatischen Eigen
schaften des Filters vorzusehen. Darüber hinaus hat die Koh
lenstoffbeschichtung im Gegensatz zu PTFE keine nachteiligen
Eigenschaften, die eine Veraschung oder ein Recycling der be
seitigten Elemente verhindern könnten.
Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren hat es sich als vorteil
haft erwiesen, eine Dispergiermittelflüssigkeit in der Koh
lenstoffpartikel/Bindemittel-Mischung vorzusehen, um das Auf
sprühen der Mischung gleichmäßig über der porösen Oberfläche
des Filterelements zu unterstützen. Wasser ist eine bevor
zugte Dispergiermittelflüssigkeit, jedoch können andere
Dispergiermittelflüssigkeiten, beispielsweise Benzol, Toluol
und Methylisobutylketon in Abhängigkeit von der Art des Bin
demittels und des Filtermaterials, sofern gewünscht, verwen
det werden.
Das Bindemittel ist vorzugsweise ein Harz und sollte zum
Trocknen unter Bildung einer offenen Matrixstruktur mit den
Kohlenstoffpartikeln geeignet sein, wobei die Struktur gegen
über Luft permeable ist, jedoch geeignet ist, einen Kuchen
aus abgelagerten festen Partikeln, beispielsweise einen
Staubkuchen, zu tragen. Zu den geeigneten Harzbindemitteln
gehören die Epoxyharze.
Eine typische Beschichtungsmischung kann beispielsweise wie
folgt zusammengesetzt sein:
1 Liter Kohlenstoffpartikel mit einer Größe von etwa 5 µm
1 Liter Vinylacrylharz
14 Liter Wasser.
1 Liter Vinylacrylharz
14 Liter Wasser.
Diese Anteile können über einem großem Bereich verändert wer
den, beispielsweise von 50% bis 200% der vorstehend angegebe
nen Mengen. Die Mischung kann zweckmäßigerweise mit einem
Elektromischer gemischt und dann bis zur Verwendung gerührt
gehalten werden.
Die Erfindung ist auf eine große Vielfalt unterschiedlicher
Arten von Filterelementen anwendbar. Sie kann bei flexiblen
Filterbeuteln Anwendung finden, wird jedoch vorzugsweise bei
selbsttragenden Filterelementen angewandt. So kann die Be
schichtung auf irgendwelchen der obenangegebenen Filterele
mente aufgebracht werden, die durch Sintern von partikelför
migem Pulver aus Kunststoffmaterial, keramischem Material
oder Metall hergestellt sind. Sie kann gleichfalls aufande
ren Arten von selbsttragenden Filterelementen aufgebracht
werden, beispielsweise auf solchen, die Gewebematerialien
enthalten, die durch thermische und/oder Harzbehandlung aus
gesteift worden sind. Beispiele für Filterelemente dieser
Gattung sind in GB 2 220 588-A offenbart.
Die Filter der Erfindung besitzen eine große Anwendbarkeit.
Sie können zur Entfernung von Staub aus Gas strömen bei einer
großen Vielzahl von Industriezweigen und Herstellungsverfah
ren einschließlich jener zur Herstellung, Handhabung und Be
handlung von pulverförmigen und granulatförmigen Materialien
oder solchen, die Staub erzeugenden Maschinen Gebrauch ma
chen, verwendet werden. Sie können beispielsweise in Rauch
gaskaminen von Heizkesselanlagen, bei Veraschungsanlagen und
Auspuffanlagen von Fahrzeugmotoren verwendet werden. Sie kön
nen auch im Bergbau und in der Klimatechnik Anwendung finden.
Sie sind nicht auf die Verwendung in Verbindung mit Gasströ
men beschränkt und können gleichfalls Verwendung finden bei
der Entfernung von Feststoffverunreinigungen aus Flüssig
keitsströmen, beispielsweise aus Öl oder Wasser. Sie können
in einem sehr großen Temperaturbereich arbeiten, beispiels
weise von -40°C bis über 200°C, und in einem Bereich saurer
bis alkalischer Zustände.
Die erfindungsgemäßen Filter besitzen nicht nur gute antista
tische Eigenschaften, sondern sind auch leicht zu reinigen,
da die angesammelten Ablagerungen an der Kohlenstoffparti
kel/Harz-Beschichtung nicht gut anhaften. Die Beschichtungs
schicht ist preiswerter als die zuvor vorgeschlagene PTFE-
Schicht, und es ist, wie oben angegeben, lediglich eine ein
zige Beschichtungsschicht erforderlich, um die Aufgaben zu
erfüllen, für die bisher zwei separate Beschichtungen erfor
derlich waren.
Nachfolgend wird die Erfindung ausschließlich beispielhaft
und unter Bezugnahme auf die Zeichnungen beschrieben, in
denen zeigen:
Fig. 1 eine Draufsicht auf einen Filter mit abgenommener
Abdeckung;
Fig. 2 eine vergrößerte Draufsicht auf eine Art eines Fil
terelements zur Verwendung bei dem Filter der Fig.
1; und
Fig. 3 eine vergrößerte Ansicht des Bereichs III der
Fig. 2.
Der Filter 1 der Fig. 1 besitzt ein Gehäuse 11 mit einer An
zahl aufgehängter Filterelemente 12, mit einem Einlaß 13 für
zu filterndes, Partikel enthaltenes Gas und einen Auslaß 14
für das gefilterte Gas. Über den Filterelementen befindet
sich ein Verteiler 15, in dem das gefilterte Gas nach dem
Hindurchtritt durch ein Filterelement auf seinem Weg zum Aus
laß gesammelt wird.
Jedes Filterelement 16 besitzt eine im allgemeinen rechtec
kige, gewellte Grundrißgestalt gemäß Darstellung in Fig. 2.
Es besitzt einen hohlen Kern 17, der durch zwei parallele,
poröse, gewellte Wände 18 und zwei poröse Stirnwände 19 be
grenzt ist. Es ist durch Sintern von Polyethylenpartikeln in
einer in geeigneter Weise gestalteten Form mit einem Kern
hergestellt. Eine Mischung von Polyethylen hohen und niedri
gen Molekulargewichts und unterschiedliche Korngrößen können
verwendet werden, um die Eigenschaften des fertiggestellten
Elements zu optimieren.
Die Außenflächen der Wände des Filterelements sind mit einer
Kohlenstoffpartikel/Harz/Wasser-Mischung erfindungsgemäß be
schichtet, und die Beschichtung ist getrocknet gelassen. Eine
vergrößerte Einzelheit der porösen Oberfläche, die sich aus
dieser Behandlung ergibt, ist in Fig. 3 gezeigt. Partikel 20,
21, 22 aus Polyethylen sind zusammengesintert, um eine Struk
tur mit großen Poren 23 zu bilden. Kohlenstoffpartikel 24 ha
ben eine Oberflächenschicht darüber ausgebildet und besitzen
teilweise gefüllte Poren 23, wodurch die wirksame Oberflä
chenporengröße um einen Faktor von 5 bis 10 verkleinert wird.
Es ist einzusehen, daß die Erfindung auf einen großen Bereich
von Arten von Filterelementen und Filterverfahren anwendbar
ist. So können beispielsweise bei Anwendung auf die Filtrie
rung von Flüssigkeiten die Filterelemente die Form bekannter
Platten- oder Trommelarten aufweisen.
Ein herkömmlicher, gesinterter Polyethylenfilter wurde mit
einer Kohlenstoffpartikeloberflächenbeschichtung entsprechend
der Erfindung ausgestattet. Der Filter besaß eine Gesamtober
fläche von etwa 40 m². Luft wurde durch den beschichteten
Filter mit einer Strömungsgeschwindigkeit von 3.600 m³/h und
mit einer Einlaßstaubbeschickung von 50 g/nm³ hindurchge
führt. Die Auslaßemission betrug weniger als 1 mg/nm³, was
eine Wirksamkeit von 99,998% zeigt.
Die Impulsreinigung des Filters hielt einen Arbeitsdruckab
fall von 155 mm WS (Wassersäule) aufrecht. Die Messung des
Widerstands der Kohlenstoffbeschichtung zeigte einen Wert von
weniger als 100 Megaohm, was viel mehr ist als für die Entla
dung irgendeiner aufgebauten statischen Ladung notwendig ist.
Es ist daher einzusehen, daß die Erfindung einen Filter mit
einer Filtrierungswirksamkeit mindestens ebensogut wie bei
herkömmlichen Filtern schafft, während er die Vorteile der
leichten Herstellung, der guten antistatischen Eigenschaften
aufweist und der nach Ablauf seiner Brauchbarkeitszeit leicht
beseitigbar oder recycelbar ist.
Claims (25)
1. Filter zum Abscheiden von Feststoffpartikeln aus einem
Fluidmedium, in dem sie mitgenommen sind, dadurch
gekennzeichnet, daß der Filter (10) ein poröses Element (16)
aufweist, dessen Einlaßfläche (18, 19), durch die das Fluid
hindurchtreten muß, eine poröse Beschichtung aus Kohlenstoff
partikeln (24) mit einer Größe feiner als die Größe der
Einlaßflächenporen (23) aufweist.
2. Filter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die
Beschichtung aus Kohlenstoffpartikeln (24) jede
Einlaßflächenporenöffnung (23) des porösen Elements über
brückt, um eine dünne Beschichtungsschicht zu schaffen, die
die äußerste Poren nur teilweise ausfüllt.
3. Filter nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet,
daß mindestens 80% der Kohlenstoffpartikel (24) einen
Durchmesser zwischen 1 und 10 am aufweisen.
4. Filter nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die
Kohlenstoffpartikel (24) einen Durchmesser zwischen 2 und 9 µm
aufweisen.
5. Filter nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die
Kohlenstoffpartikel (24) einen Durchmesser zwischen 3 und
5 µm aufweisen.
6. Filter nach irgendeinem der vorhergehenden Ansprüche, da
durch gekennzeichnet, daß die Einlaßfläche (18, 19) des po
rösen Elements (16) eine Porengröße von 30 bis 70 mm aufweist
und daß die Kohlenstoffbeschichtung die wirksame Porengröße
auf 3 bis 8 µm verkleinert.
7. Filter nach irgendeinem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, daß die Beschichtung zu einem
Druckabfall von 2 bis 3 mbar an dem Element (16) bei einer
Filtrationsgeschwindigkeit von 1,55 m/min führt.
8. Filter nach irgendeinem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, daß die Beschichtung der
Kohlenstoffpartikel (24) die Form eines Gitters aus verfe
stigten Strängen eines Bindemittels aufweist, in dem die Koh
lenstoffpartikel gehalten sind.
9. Filter nach irgendeinem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, daß das poröse Element (16) aus einem
gesinterten, partikelförmigen Pulver eines Kunststoffmate
rials, keramischen Materials oder Metall hergestellt ist.
10. Filter nach irgendeinem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch
gekennzeichnet, daß das poröse Element (16) ein Gewebemate
rial enthält, das durch thermische und/oder Harzbehandlung
steif gemacht ist.
11. Filter nach irgendeinem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch
gekennzeichnet, daß das poröse Element (16) ein flexibler
Filterbeutel ist.
12. Filteranordnung mit einem Gehäuse (11) mit einem Einlaß
(13) für ein zu filterndes, Partikel enthaltendes Gas und mit
einem Auslaß (14) für das gefilterte Gas, dadurch
gekennzeichnet, daß das Gehäuse (11) einen oder mehrere Fil
ter (10) nach irgendeinem der vorhergehenden Ansprüche ent
hält.
13. Verfahren zur Herstellung eines Filters zum Abscheiden
von Feststoffpartikeln aus einem Fluidmedium, in dem sie mit
genommen sind, dadurch gekennzeichnet, daß es umfaßt Vorsehen
eines porösen Filterelements und das Aufbringen einer Mi
schung von Kohlenstoffpartikeln (24) in einem Bindemittel auf
dessen Einlaßfläche (18, 19), durch die das Fluid hindurch
treten muß, wobei die Kohlenstoffpartikel eine Größe feiner
als die Größe der Einlaßflächenporen aufweisen, wodurch die
Kohlenstoffpartikel an der Einlaßfläche zur Schaffung einer
porösen Beschichtung gebunden werden.
14. Verfahren nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß
mindestens 80% der Kohlenstoffpartikel (24) einen Durchmes
ser von 1 bis 10 µm aufweisen.
15. Verfahren nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, daß
die Kohlenstoffpartikel (24) einen Durchmesser von 2 bis 9 µm
aufweisen.
16. Verfahren nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, daß
die Kohlenstoffpartikel (24) einen Durchmesser von 3 bis 5 µm
aufweisen.
17. Verfahren nach irgendeinem der Ansprüche 13 bis 16, da
durch gekennzeichnet, daß die Beschichtung aus
Kohlenstoffpartikel (24) durch Aufsprühen und/oder Aufpinseln
zu einer gewünschten Dicke aufgebracht wird.
18. Verfahren nach irgendeinem der Ansprüche 13 bis 17, da
durch gekennzeichnet, daß eine Dispergiermittelflüssigkeit in
der Kohlenstoffpartikel/Bindemittel-Mischung enthalten ist.
19. Verfahren nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, daß
das Dispergiermittel Wasser ist.
20. Verfahren nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, daß
das Dispergiermittel Benzol, Toluol oder Methylisobutylketon
ist.
21. Verfahren nach irgendeinem der Ansprüche 13 bis 20, da
durch gekennzeichnet, daß das Bindemittel ein Harz ist, das
unter Bildung einer luftpermeablen Matrixstruktur mit den
Kohlenstoffpartikeln trocknet.
22. Verfahren nach Anspruch 21, dadurch gekennzeichnet, daß
das Harz ein Epoxyharz ist.
23. Verfahren nach irgendeinem der Ansprüche 13 bis 22, da
durch gekennzeichnet, daß die Beschichtungsmischung die
nachfolgende Zusammensetzung aufweist:
1 Liter Kohlenstoffpartikel mit etwa 5 mm
1 Liter Methylacrylharz und
14 Liter Wasser.
1 Liter Methylacrylharz und
14 Liter Wasser.
24. Verfahren nach irgendeinem der Ansprüche 13 bis 23, da
durch gekennzeichnet, daß die Beschichtungsmischung in einem
Elektromischer gemischt und dann bis zur Aufbringung auf dem
porösen Filterelement gerührt gehalten wird.
25. Filter, gekennzeichnet durch die Herstellung nach dem
Verfahren irgendeines der Ansprüche 13 bis 24.
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