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Die Erfindung betrifft das Aufheizen und/oder das Abkühlen
von Behältern, insbesondere Behältern, die von einer
Zugröhre bewegt werden.
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Schlämme-enthaltende Behälter müssen bewegt werden, um ein
Setzen der festen Phase zu verhindern. Dies wird oftmals
durch Pumpen des Schlamms aufwärts oder abwärts in einer
Zugröhre erreicht.
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Zusätzlich zur Bewegung benötigen temperatursensitive
Prozesse eine Heizquelle oder ein Becken zur Regulierung der
Temperatur durch Abkühlen oder Aufheizen des
Prozeßschlammes. Beispielsweise ist es in einern mehrstufigen Fällprozeß,
der eine Reihe von als Ausfälltanks bekannte Behälter
verwendet, nötig, die Prozeßflüssigkeit in einem Stadium der
Übersättigung aufrechtzuerhalten, so daß die Ausfällung kon
tinuierlich die Form von Saatkristallen bildet. Zur
Aufrechterhaltung der Prozeßflüssigkeit in jedem Stadium in
einem übersättigten Stadium muß die Hitze kontinuierlich von
dern Schlamm abgeführt werden, wenn dieser sich stromabwärts
bewegt. Bei Verfahren mit geringen Quantitaten ist der
Hitzeverlust aufgrund der Strahlung und Konvektion von der
Oberfläche der Behälter ausreichend, den Auswählprozeß zu
unterstützen, ohne daß dies in teuren Verweilzeiten
resultiert. Jedoch verursacht in großmaßstäbigem Betrieb, wie
dies in kommerziellen Anlagen unter Verwendung des Bayer-
Prozesses zur Ausfällung von Aluminiumhydrat aus Bauxit
gefunden werden kann, das totale Verlassen auf Strahlung und
Konvektion von den Oberflächen der Ausfälltanks zur
Erreichung eines wesentlichen Gesamttemperaturabfalls eine hohe
Verweilzeit für den Prozeß und in Konsequenz eine große
Nummer von Tanks. Für einen typischen Behälter kommerzieller
Größe von etwa 4 Millionen Liter ist der auf Strahlung und
Konvektion basierende Hitzeverlust, obwohl abhängig von
deren atmosphärischen Bedingung, typischerweise 0,5ºC bis
1,0ºC pro Behälter. Daher sind bei einem Temperaturabfall
von 80ºC auf 50ºC 40 Behälter nötig.
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Während die langsame Abkühlungsrate viele Prozeßvorteile
aufweist, ist der Temperaturabfall pro Behälter in
Abhängigkeit zu Strahlungs- und Konvektionsverlusten gering, was in
hohen Kapitalaufwendungen resultiert. Als Kompromiß ist es
normale Praxis geworden, sich auf Zwischenschrittkühlung in
dem Ausfällkreislauf zu verlassen, um so die Anzahl der
Tanks zu verkleinern. In der Zwischenschrittkühlung wird der
Prozeßschlamm zwischen Schritten des Ausfällungskreislaufs
in einem externen Kühlsystem durch Schockkühlung oder in
einem Wärmetauscher gekühlt.
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Konventionell erreichen die kommerziell operierenden
Zwischenschritt-Kühlungssysteme eine Kühlung des
Prozeßschlammes von 5ºC bis 15ºC an nur zwei bis drei ausgewählten
Punkten in dem Ausfällkreislauf. Jedoch ist das in
Ausfällprozessen mit Temperaturabfällen dieses Ausmaßes das
Temperaturprofil weit vom Optimum entfernt, was in einem Verlust
der Ausbeute und in geringer Produktgualität resultiert.
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Um ein hohes Maß der Kontrolle über die Qualität und
Ausbeute der Ausfällungsformung aufrechtzuerhalten, ist es
wünschenswert, eine Kontrolle über den Temperaturabfall
zwischen jedem Schritt und der Abkühlungsrate in jedem Schritt
zu besitzen. Bei Verwendung einer konventionellen Kühlung in
dieser Weise wären die Kapitalkosten des zusätzlichen
Pumpensystems und der Wärmetauscher erheblich.
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Die DE-A-16 19 777 beschreibt eine Vorrichtung zum
kontinuierlichen Ausfällen von kristallinen Materialien aus
Lösungen,
wobei die Vorrichtung einen zylindrischen
Kristallisationsbehälter aufweist, der mit wärmetauschenden Mitteln in
Form einer internen Zugröhre, welche mit einem Wärmetauscher
ausgestattet ist, versehen ist. Der Wärmetauscher erstreckt
sich um die Peripherie der Zugröhre. Zirkulierende Mittel
zur Zirkulierung der Lösung aufwärts oder abwärts durch die
Zugröhre sind vorgesehen.
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Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung eine verbesserte
Vorrichtung zur Aufheizung oder Abkühlung von Material in
einem Prozeßbehälter zu schaffen, welcher von einer Zugröhre
bewegt wärd.
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Die vorliegende Erfindung schafft eine Vorrichtung zur
Abkühlung oder Aufheizung einer Partikellösung in einem
Prozeßbehälter, welcher aufweist: eine Zugröhre mit einem
Zugabschnitt und einem verlängerten zylindrischen Abschnitt,
und einem Mittel in dem Zugabschnitt zur Zirkulierung der
Suspension durch die Zugröhre bei einer Geschwindigkeit, die
ausreichend ist, im wesentlichen die Partikelsuspension in
dern Behälter aufrechtzuerhalten, und einem
Wärmeaustauschmittel in einer wesentlichen Proportion der Länge des
zylindrischen Abschnitts der Zugröhre zur Abfuhr oder Zufuhr
von Wärme zu der durch die Röhre zirkulierenden Suspension,
wobei jeweils die Suspension in dem Behälter gekühlt oder
aufgeheizt wird, und dadurch gekennzeichnet ist, daß das
Wärmetauschermittel zwei oder mehr Platten-Wärmetauscher
aufweist, die innerhalb der Flußpassage der Suspension in
der Zugröhre angeordnet sind.
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Wie oben dargestellt, wird der Schlamm zur Verhinderung des
Absetzens in eine feste Phase in einem Prozeßbehälter durch
die Zugröhre bei hoher Geschwindigkeit gepumpt,
typischerweise mit mehr als 1 m pro Sekunde. In vielen Fällen ist die
Geschwindigkeit genügend hoch um turbulente Konditionen in
der Zugröhre zu schaffen. Die Anmelderin hat bestimmt, daß
wenn eine Hitzetransferoberfläche in einen Strom dieser
Geschwindigkeit plaziert wird, effiziente
Hitzetransferbedingungen präsent sind.
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Durch Schaffen von Hitzeaustauschmittel in dem zylindrischen
Abschnitt der Zugröhre profitiert die Erfindung von dem
hohen Geschwindigkeitsfluß und daher von vorteilhaften
Hitzetransferbedingungen auf der Schlammseite der
Wärmetransferoberfläche Die Schaffung der Wärmetauschermittel über
eine beträchtliche Länge des zylindrischen Abschnitts der
Zugröhre erlaubt den Einsatz von zu entfernenden oder
ansetzbaren Wärmeaustauschmitteln über eine möglichst große
Fläche, ohne den Gesamttemperaturabfall zu beeinflussen oder
den Behälter zu vergrößern. In Konsequenz ist die
Abkühlungs- oder Erwärmungsrate der Prozeßflüssigkeit langsamer
als wenn all die eingesetzten Mittel über eine kleinere
Fläche eingesetzt würden. Die langsamere Kühl- oder
Heizungsrate ist in hohem Maße in Prozessen, wie das Kühlen von
übersättigten Prozeßflüssigkeiten erwünscht.
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Die Wärmetauschermittel umfassen zwei oder mehr
Plattenwärmetauscher, welche in der Flußpassage in der Zugröhre
positioniert sind. Wenn eine Mehrzahl von Plattenwärmetauschern
verwendet werden, können die Tauscher in Paaren axial
entlang der Länge der Zugröhre beabstandet sein, so daß diese
sukzessive axial beabstandeten Tauscher sich in rechten
Winkeln zueinander befinden. Die axial beabstandeten Tauscher
sind bevorzugterweise in Serie miteinander und mit den
sukzessiv axial beabstandeten Tauschern verbunden. Das
Hitzetransferfluid kann Wasser oder jede geeignete
Prozeßflüssigkeit sein.
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Das Vorangegangene und weitere Merkmale und Vorteile der
Erfindung werden aus der nachfolgenden Beschreibung einer
bevorzugten Ausführungsform deutlich und aus der Zeichnung, in
welcher dargestellt ist:
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Figur 1: ein Schnitt durch eine Vergleichsvorrichtung
mit einem gebogenen Wärmetauscher, der so geformt ist, um
sich den Konturen der inneren Wand des zylindrischen
Abschnitts der Zugröhre anzupassen,
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Figur 2: ein Querschnitt durch die Vorrichtung aus
Figur 1 entlang der Linie A/A,
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Figur 3: ein Schnitt durch einen Behälter gemäß
vorliegender Erfindung,
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Figur 4: ein nicht maßstabsgerechter Schnitt durch das
Ausführungsbeispiel entlang dem Schnitt A/A aus Figur 3,
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Figur 5 ein Querschnitt durch die Ausführungsform
entlang der Linie B/B aus Figur 3;
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Figur 6: ein Querschnitt durch die Ausführungsform
entlang der Linie C/C aus Figur 3,
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Figur 7: ein Querschnitt durch die Ausführungsform
entlang der Linie D/D aus Figur 3,
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Figur 8: ein Querschnitt durch die Ausführungsform
entlang der Linie E/E aus Figur 3; und
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Figur 9: ein Diagramm, das die Ausfällkühlkurven für
nicht externes Kühlen (A), Zwischenschrittkühlen (B) und
Zugröhrenkühlen (C1 und C2) für die Vorrichtung aus Figur 1
zeigt.
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Gemäß Figur 1 wird der Schlamm in dem Behälter 1 durch eine
konventionelle Zugröhre 2 mit einem Zugabschnitt 2A und
einem verlängerten zylindrischen Abschnitt 2B bewegt. Der
Schlamm gelangt durch die öffnung 3 in den Zugabschnitt 2A
an der Spitze der Zugröhre 2 und wird in der Zugröhre durch
nicht dargestellte Zugmittel, wie ein Pumpenrad,
beschleunigt.
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Der Schlamm passiert dann den verlängerten zylindrischen
Abschnitt 2B der Röhre und verläßt den Boden 4 der Röhre und
schafft einen Aufzug in dem Schlamm in der kreisförmigen
Region 5 des Behälters 1. Zur Aufrechterhaltung des Schlamms
als Suspension sollte daher die Geschwindigkeit des Schlamms
in der Zugröhre 2 genügend hoch sein, um den nötigen Aufzug
zu schaffen. In einem typischen
Bayer-Prozeßausfällungsbehälter ist die Geschwindigkeit des Schlamms durch die
Zugröhre zwischen etwa 1 m pro Sekunde und 2 m pro Sekunde. Im
Fall einer Zugröhrenblockierung, verursacht beispielsweise
durch einen Kraftabfall, ist die typische Zugröhre mit
Resuspensierungsschlitzen 6 versehen, die eine
Wiedersuspensierung von festen Körpern ermöglichen. Die Betriebsweise
solcher Schlitze ist dem Fachmann gut bekannt.
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Im Bayer-Prozeß und im allgemeinen bei der Ausfällung von
übersättigten Flüssigkeiten reduziert eine langsame Kühlrate
die Möglichkeit von Kembildungen und die daraus
resultierende Produktion von exzessiven feinen Hydraten oder
Ausfällungen.
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In der in Figur 1 dargestellten Vorrichtung ist ein
Wärmetauscher 7 an die interne Oberfläche des zylindrischen
Abschnitts der Zugröhre angelegt. Für einen vorbestimmten
Temperaturabfall von einem Behälter zum nächsten weist der
Wärmetauscher benötigte Wärmetauschereigenschaften auf. Um zu
gewährleisten, daß die ansteigende Kühlrate des Schlammes,
der in Kontakt mit der Wärmetauscheroberfläche ist, so
gering wie möglich ist, erstreckt sich die
Wärmetauscheroberfläche über eine breite Proportion der internen Oberfläche,
um so einen maximalen Kontakt zwischen der Wärmetauscher
oberfläche und dem Schlamm zu schaffen. Da der Zugabschnitt
2A der Zugröhre 2 an der Spitze der Zugröhre darin
eingearbeitete Zugmittel aufweist, bedeutet dies eine praktische
Begrenzung der Höhe der Wärmetauscheroberfläche. Diese
praktische Begrenzung erlaubt der Wärmetauscheroberfläche die
Erstreckung bis zu den und gerade unterhalb der Zugmittel.
Durch Schaffung einer Wärmetauscheroberfläche über fast den
gesamten internen Umfang des zylindrischen Abschnitts der
Zugröhre wird die Fläche, über die die Hitze zu den
Wärmetauschern transferiert wird, maximiert.
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Um den Wiedersuspensionsschlitzen die Durchführung ihrer
Funktion zu gestatten, sind die Wärmetauscher 7 mit
Einsätzen 8 ausgestattet, wie in Figur 2 dargestellt, um um die
Schlitze herum zu passen.
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Da die Geschwindigkeit des Schlammes in der Zugröhre
typischerweise größer als 1 m pro Sekunde ist, werden turbulente
Bedingungen in dem zylindrischen Abschnitt 2B der Zugröhre
geschaffen, welche das Vorhandensein von exzellenten
Wärmetauscherbedingungen gestattet.
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In der Vorrichtung nach Figur 1 umfaßt der Wärmetauscher
eine Mehrzahl von Plattenwärmetauschern, die in die Wand des
zylindrischen Abschnittes 2B der Zugröhre 2 eingesetzt sind.
Dies stellt sicher, daß die Plazierung der Wärmetauscher
einen minimalen Anstieg des Druckabfalls durch die Zugröhre
2 verursacht. Kühlflüssigkeit wie beispielsweise Wasser oder
irgendeine andere geeignete Prozeßflüssigkeit, wird über den
Einlaß 10 und die Röhre 9 in den Tauschereinlaß 10
eingespeist. Die Kühlflüssigkeit passiert dann jeden in Serie
geschalteten Plattenwärmetauscher, bevor sie aus dem
Tauscherauslaß 11 über die Röhre 12 und den Auslaß 11 entfernt wird.
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Die Oberflächen der Plattenwärmetauscher können aus jedem
geeigneten Material hergestellt sein, welche Korrosions- und
Abriebsangriffe von den festen Körpern und Flüssigkeiten in
dem Schlamm und in den Reinigungsflüssigkeiten widersteht.
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In der in Figur 3 dargestellten Ausführungsform vorliegender
Erfindung weisen die Wärmeaustauschermittel Paare von
Plattenwärmetauschern auf, die um die Achse der in einem
Behälter 1 angeordneten Zugröhre 2 positioniert sind, wie in Fig.
1 dargestellt. Die Paare von Wärmetauschern sind
bevorzugterweise doppelseitig, in Serie verbunden und vertikal in
der Zugröhre 2 angeordnet. Die Paare von
Wärmetauscheroberflächen sind gestapelt, um Abkühlung oder Aufwärmung über
eine wesentliche Länge der Zugröhre 2 zu ermöglichen,
wodurch ein progressiver Transfer der Hitze aus dem Schlamm zu
schaffen, wenn dieser die Zugröhre 2 passiert.
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Wie in Figur 4 dargestellt, wird die Kühlflüssigkeit dem
ersten Paar 21 in der Serie von Wärmetauschern über den
Einlaß 20, der Röhre 19 und dem Tauschereinlaß 20a von einer
externen Quelle (nicht dargestellt) zugeführt. Die
Kühlflüssigkeit wird in einem Kühlflüssigkeitstransferkanal 22
gesammelt, der sich um die Zugröhre 2 erstreckt, und wird
dann, wie in Fig. 5 dargestellt, den Wärmetauschern 23
zugeführt. Die Kühlflüssigkeit fließt durch Wärmetauscher 23 in
der dargestellten Richtung und in einen zweiten
Kühlflüssigkeitstransferkanal 24, welcher sich um die Zugröhre 2
erstreckt.
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Wie in Fig. 6 dargestellt, speist der zweite Transferkanal
24 den Wärmetauscher 25 und Kühlflüssigkeit fließt in
Pfeilrichtung zum dritten Kühlflüssigkeitstransferkanal 26. Auf
ähnliche Weise fließt die Kühlflüssigkeit durch den Kanal
26, durch den Wärmetauscher 27, durch den vierten
Kühlflüssigkeitstransferkanal 28, durch den Wärmetauscher 29 zum
Wärmetauscherauslaß 30, wie in Figur 7 und 8 dargestellt
ist, und fließt dann über die Begrenzung des Behälters über
die Röhre 31 und den Auslaß 32.
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Da jede Vergrößerung des Druckabfalls durch die Zugröhre in
einer korrespondierenden Vergrößerung des Energieverbrauchs
der Zugmittel korrespondiert, ist es wichtig, in diesem
Ausführungsbeispiel, daß die Wärmetauscherplatten so
positioniert sind, daß jeglicher Druckabfallanstieg minimiert wird.
Daher sind die Wärmetauscherplatten in gestapelten Paaren
angeordnet, um so die Querschnittsfläche der von den Platten
eingenommenen Zugröhre zu minimieren und um den damit
verbundenen Druckabfallanstieg zu begrenzen.
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Bevorzugterweise beanspruchen die plattenwärmetauscher nicht
mehr als 2 % der internen Querschnittsfläche der Zugröhre.
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Darüber hinaus, da die Aufnahme von Wärmetauscherplatten
gemäß dem Ausführungsbeispiel der Figuren 3 bis 8 vorliegender
Erfindung in einer Reduktion der Querschnittsfläche von
nicht mehr als 2 % resultiert, werden die
Energieanforderungen der Zugmittel zur Aufrechterhaltung der Zirkulationsrate
der Suspension nicht wesentlich erhöht und befinden sich im
Rahmen von nicht mehr als 1 %.
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Eine Anwendung, welche die Nützlichkeit vorliegender
Erfindung demonstriert, ist das Kühlen von Ausfällbehältern im
Bayer-Prozeß zur Ausfällung von Aluminiumtrihydrat aus einer
basischen Sodalösung. Wie oben dargestellt, ist es
wünschenswert, die übersättigte oder beladene Flüssigkeit durch
wachsende Wechsel der Behältertemperatur im
Ausfällungskreislauf herabzukühlen. Dies gestattet die Kontrolle des
Ausfällungsprozesses und daher des Ausfällungsproduktes,
ohne daß eine große Anzahl von Tanks nötig wäre.
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Fur einen Ausfällungsbehälter von 14 m internem Durchmesser,
einer lichten Höhe von 29 m und mit einer Zugröhre von 4,4 m
internem Durchmesser wird typischerweise eine
Schlammgeschwindigkeit von 1,22 bis 1,28 m pro Sekunde verwendet. Die
Zugröhre ist etwa 25 m lang, von welchen 5 m der
Zugabschnitt 2a ist.
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Jeder der der Zugröhre angepaßten
Wärmetauscherkonfigurationen entfernt Energie in der Größenordnung von 8000 bis 9000
kcal pro Schlammdurchlauf. Für diese entfernte Hitzemenge
ist der resultierende Temperaturabfall des Schlamms pro
Durchlauf durch den Zugkühler zwischen 0,005ºC bis 0,15ºC,
und ist typischerweise um 0,009ºC.
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Daher wird der Temperaturbfall mit vorliegender Erfindung
für einen Behälter bis zu einem Maximum von 5ºC betragen,
aber wird bevorzugterweise nicht 3ºC übersteigen.
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Tabelle 1 illustriert die Unterschiede der Behälteranzahl
und Ausgangstemperaturen für einen Ausfällungsprozeß unter
Verwendung von: keiner externen Kühlung,
Zwischenstufenkühlung (ISC) und Zugröhrenkühlung (DTC) der in Figur 1
dargestellten Konfiguration.
TABELLE 1
keine externe Kühlung
Start- Temperatur
Tank 1
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Figur 9 stellt die Ausfällungs-Kühlungskurven für: keine
xterne (A), Zwischenstufen (B) und zwei Raten des
Zugröhrenkühlens (C1 und C2) dar, und stellt diagrammartig die in
Tabelle 1 gegebenen Informationen dar.
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Daraus kann entnommen werden, daß unter Verwendung von
Zugröhrenkühlung die totale Anzahl der zur Reduzierung der
Temperatur der übersättigten oder angereicherten Flüssigkeit
durch Einbau von Kühlung reduziert werden kann, und zwar
ohne gegenläufige Effekte auf den Ausfällungsprozeß, wobei
insbesondere der durch lange Kühlschritte verursachte
Produktionsqualitätsabfall vermieden werden kann.
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Da unter Verwendung vorliegender Erfindung der Druckabfall
durch die Zugröhre im wesentlichen der gleiche ist wie bei
einem Behälter ohne externe Kühlung, ist ein bemerkbarer
Anstieg des Kraftverbrauchs der Zugmittel nicht zu erwarten.
Daher kann die Zirkulationsrate des Schlammes durch die
Zugröhre bei selben Raten aufrechterhalten werden, wie bei
einem Behälter mit keiner externen Kühlung.