DE967973C - Process for carrying out endothermic chemical reactions - Google Patents
Process for carrying out endothermic chemical reactionsInfo
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Description
AUSGEGEBEN AM 2. JANUAR 1958ISSUED JANUARY 2, 1958
A 21846 IFa/ 12gA 21846 IFa / 12g
Bei endothermen, chemischen Reaktionen kann man die zur Durchführung der Reaktion erforderliche Wärme entweder durch die Wandungen des Reaktionsraumes hindurch oder aber mittels eines geeigneten Wärmeträgers direkt zuführen. Solche Wärmeträger können fest, flüssig oder gasförmig sein. Will man jedoch Reaktionen durchführen, die bei hohen Temperaturen ablaufen, wie dies insbesondere für Krackreaktionen zutrifft, bei denen eine hohe Ausbeute an gasförmigen Kohlenwasserstoffen, wie Acetylen, Äthylen oder Propylen usw., erwünscht ist, so bereitet die Zuführung der Wärme durch die Wandungen des Reaktionsraumes hindurch in zweifacher Hinsicht große technische Schwierigkeiten. Einmal kann die Temperatur des Heizmediums nicht so weit gesteigert werden, wie es im Interesse eines guten Wärmeübergangs zur Erzielung einer möglichst hohen Temperaturdifferenz (AT) zwischen Außen- und Innenwand des Reaktors erwünscht wäre, da die thermische Beständigkeit des Wandmaterials dies nicht zuläßt; zweitens ist eine gewisse Zeitspanne erforderlich, um das thermisch zu behandelnde Gut auf die gewünschte hohe Reaktionstemperatur aufzuheizen. Die für diese Aufheizung benötigte Zeit bedingt auch, daß längere Zeit hindurch Temperaturbereiche durchlaufen werden, in welchen unerwünschte Reaktionen auftreten können. Sind für solche Reak-In the case of endothermic chemical reactions, the heat required to carry out the reaction can either be supplied through the walls of the reaction space or directly by means of a suitable heat transfer medium. Such heat carriers can be solid, liquid or gaseous. However, if you want to carry out reactions that take place at high temperatures, as is particularly true for cracking reactions in which a high yield of gaseous hydrocarbons, such as acetylene, ethylene or propylene, etc., is desired, the supply of heat through the walls of the prepares Reaction space through great technical difficulties in two respects. On the one hand, the temperature of the heating medium cannot be increased as much as would be desirable in the interest of good heat transfer to achieve the highest possible temperature difference (AT) between the outer and inner walls of the reactor, since the thermal resistance of the wall material does not allow this; secondly, a certain period of time is required in order to heat the material to be thermally treated to the desired high reaction temperature. The time required for this heating also means that temperature ranges are passed through for a relatively long time in which undesired reactions can occur. Are for such rea-
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tionen, ζ. B. Krackreaktionen, extrem kurze Reaktionszeiten Voraussetzung, so ist diese Bedingung bei indirekter Heizung meist nicht erfüllbar. Es sind deshalb verschiedene "Verfahren vorgeschlagen worden, die diese Schwierigkeiten umgehen sollen. Einmal hat man versucht, die Wärme im Reaktionsgut selbst zu erzeugen, indem man einen Teil des Einsatzgutes njit einer gewissen Menge Luft oder Sauerstoff zur Verbrennung bringt und mit ίο der so erzeugten Wärme den Rest des Einsatzgutes umsetzt (autotherme Krackung bzw. Siachsse-Verfahren der Methanspaltung). Dieses Verfahren ist in wärmetechnischer Hinsicht ideal zu nennen; ihm haften jedoch auch nicht zu übersehende Nachteile an. Erstens wird ein gewisser Teil des Einsatzgutes als bloßes Heizmaterial verwendet, was bei wertvollen Rohstoffen schon einen wesentlichen wirtschaftlichen Nachteil bedeutet, zweitens aber wird das gewünschte Produkt durch die Verbrennungsao produkte CO, CO2, N2 mehr oder weniger stark verdünnt, so daß seine Reindarstellung schwierig wird und meist erhebliche Kosten verursacht. Führt man j edoch die Wärme mittels hocherhitzter, fester, inerter und katalytisch wirkender Wärmeträger ein, so wird zwar das gewünschte Endpro-c dukt nicht verdünnt, jedoch werden die technischen Schwierigkeiten, die sich aus der Aufheizung und dem Transport des hocherhitzten festen Wärmeträgermaterials ergeben, vergrößert. Es resultieren meist äußert kompliziert aufgebaute, reparaturanfällige Apparaturen von erheblicher Größe. Verwendet man jedoch einen gasförmigen Wärmeträger, so ist es erwünscht, daß dieser zwei Bedingungen erfüllt: Einmal muß er sich leicht wieder von dem Reaktionsprodukt abtrennen lassen, zum anderen soll er eine möglichst hohe spezifische Wärme besitzen, um mit einem Minimum an Wärmeträgervolumen ein Maximum an Wärmeenergie in den Reaktionsraum einbringen zu können. Es ergeben sich also folgende Forderungen: i. Das Einsatzgut ist so hoch als irgend angängig vorzuheizen und im wesentlichen nur die zur Durchführung der endothermen Reaktion er- j forderliche Wärme mit dem Wärmeträgergas einzubringen, um die Menge des Wärmeträgergases soweit als möglich zu reduzieren. Die getrennte Aufheizung von Wärmeträgergas und Einsatzgut erfordert jedoch wieder einen zusätzlichen apparativen Aufwand.functions, ζ. B. Cracking reactions, extremely short reaction times are a prerequisite, so this condition can usually not be met with indirect heating. Various "methods have therefore been proposed which are intended to circumvent these difficulties. One attempt was made to generate the heat in the reaction material itself by burning a part of the input material with a certain amount of air or oxygen and generating it in this way Heat converts the rest of the input material (autothermal cracking or Siachsse process of methane splitting). This process is ideal from a thermal point of view; however, there are also disadvantages that cannot be overlooked. Firstly, a certain part of the input material is used as a mere heating material, Which means a significant economic disadvantage for valuable raw materials, but secondly, the desired product is more or less diluted by the combustion products CO, CO 2 , N 2 , so that its pure preparation is difficult and usually causes considerable costs the warmth by means of highly heated, solid, inert and kata If a lytic heat transfer medium is used, the desired end product is not diluted, but the technical difficulties resulting from the heating and transport of the highly heated solid heat transfer material are increased. The result is usually extremely complex, repair-prone apparatuses of considerable size. If, however, a gaseous heat transfer medium is used, it is desirable that it meet two conditions: on the one hand, it must be easy to separate from the reaction product, on the other hand, it should have as high a specific heat as possible in order to achieve a maximum with a minimum of heat transfer volume To be able to bring thermal energy into the reaction chamber. The following requirements arise: i. The feed material is to be preheated as high as is possible and essentially only the heat required to carry out the endothermic reaction is to be introduced with the heat carrier gas in order to reduce the amount of heat carrier gas as much as possible. However, the separate heating of the heat carrier gas and the charge again requires additional equipment.
2. Jm Interesse dier Einhaltung kurzer Reaktionszeiten muß durch geeignete Ausgestaltung des Reaktionsraumes dafür gesorgt werden, daß eine möglichst schnelle und vollständige Mischung von Einsatzgut und Wärmeträgergas gewährleistet wird. 3. Zur Schonung des Wandmaterials ist dessen Temperatur möglichst niedrig zu halten.2. In the interest of maintaining short response times must be ensured by a suitable design of the reaction space that a The fastest and most complete possible mixing of charge and heat transfer gas is guaranteed. 3. To protect the wall material, its temperature must be kept as low as possible.
Es wurde nun gefunden, daß man diese drei Bedingungen, erstens die notwendige Vorheizung des Einsatzgutes, zweitens die ideale und spontane Durchmischung der Komponenten und drittens das Fernhalten hoher Temperaturen von den Wandungen des Reaktionsraumes, in einfachster Weise gleichzeitig erfüllen kann, indem man einen Reaktionsraum benutzt, der in der erfindungsgemäßen Weise, wie in Abb. 1 beispielsweise gezeigt, ausgestaltet ist, also einen Zyklon darstellt. In diesen tritt das flüssige, dampf- oder gasförmige Einsatzgut bei A in Form einer Schraubentangente ein und bildet eine an der Wandung gleitende Strömung aus. Diese Strömung bewegt sich mit ständig zunehmender Winkelgeschwindigkeit bis in die Spitze des Zyklons vor, Kehrt dort um und wirbelt im Kern des Zyklons bei C wieder aus. Führt man· nun z. B. bei B einen Strom des gas- bzw. dampfförmigen Wärmeträgergases in der Nähe des Umkehrpunktes der Zyklonströmung oder an demselben ein, so erreicht man 'einmal eine geradezu ideale Durchmischung zwischen Wärmeträgergas und Einsatzgut, zum anderen heizt der von B nach C fließende Gasstrom, in dem sich die gewollte Reaktion abspielt, dag kalt eintretende Einsatzgut weitgehend auf und kühlt sich dabei selbst in der Nähe des Austrittspunktes C so weit ab, daß unerwünschte weitere Reaktionen nicht mehr eintreten und das Gleichgewicht eingefroren wird. Hierdurch werden ganz wesentliche Vorteile gegenüber allen bisher bekannten Reäktortypen erreicht: r. Die Reaktionsdauer läßt sich in geradezu unbegrenzter Weise variieren, ohne daß der Reaktionsraum vergrößert oder verkleinert werden müßte, indem man a) unter Beibehaltung des Mengenverhältnisses Wärmeträgergas zu Einsatzgut sowie unter Beibehaltung der Temperatur des Wärmeträgergases die Gesamtdurchsatzmenge vergrößert oder verkleinert; b) die Temperatur des Wärmeträgergases herabsetzt und dafür dessen Menge erhöht, während die Menge des Einsatzgutes konstant gehalten wird; hierdurch wird nicht nur eine Verkürzung der Reaktionszeit erreicht, sondern auch gleichzeitig der Partialdruck, unter dem das Einsatzgut zur Reaktion kommt, erniedrigt, so daß bei Beibehaltung der Reaktionstemperatur, die Reaktion mehr in eine gewünschte Richtung gelenkt werden kann; c) umgekehrt kann man die Temperatur des Wärmeträgergases erhöhen und seine Menge verringern, während die Menge des Einsatzgutes konstant gehalten wird; hierdurch wird die Reaktionszeit wiederum unter Beibehaltung der Reaktionstemperatuf verlängert, während gleichzeitig der Partialdruck erhöht wird.It has now been found that these three conditions, firstly the necessary preheating of the feed, secondly the ideal and spontaneous mixing of the components and thirdly, keeping high temperatures away from the walls of the reaction chamber, can be met at the same time in the simplest way by using one reaction chamber , which is designed in the manner according to the invention, as shown in Fig. 1, for example, that is, represents a cyclone. The liquid, vapor or gaseous charge enters at A in the form of a screw tangent and forms a flow that glides on the wall. This flow moves forward to the top of the cyclone with constantly increasing angular velocity, where it reverses and swirls again in the core of the cyclone at C. If one now leads z. B. at B a flow of the gaseous or vaporous heat carrier gas in the vicinity of the reversal point of the cyclone flow or at the same, one achieves an almost ideal mixing between the heat carrier gas and the input material, on the other hand the gas flow flowing from B to C heats, in which the desired reaction takes place, that cold entering charge largely cools itself down in the vicinity of the exit point C to such an extent that undesired further reactions no longer occur and the equilibrium is frozen. This achieves very significant advantages over all previously known types of reactor: r. The reaction time can be varied in an almost unlimited manner without the reaction space having to be enlarged or reduced by a) increasing or decreasing the total throughput rate while maintaining the quantitative ratio of heat transfer gas to feed and while maintaining the temperature of the heat transfer gas; b) reduces the temperature of the heat transfer gas and increases its amount, while the amount of the input material is kept constant; this not only shortens the reaction time, but at the same time also lowers the partial pressure under which the feed material reacts, so that the reaction can be steered more in a desired direction if the reaction temperature is maintained; c) conversely, the temperature of the heat carrier gas can be increased and its amount reduced, while the amount of the input material is kept constant; this in turn extends the reaction time while maintaining the reaction temperature, while at the same time increasing the partial pressure.
2. Die Reaktionstemperatur kann variiert werden, indem man a) unter Beibehaltung der Temperatur des Wärmeträgergases dessen Menge im Verhältnis zum Einsatzgut erhöht oder erniedrigt, b) unter Beibehaltung des Mengenverhältnisses Wärmeträgergas zu Einsatzgut die Temperatur des Wärmeträgergases erniedrigt bzw. erhöht.2. The reaction temperature can be varied by a) maintaining the temperature of the heat transfer gas increases or decreases its amount in relation to the input material, b) while maintaining the quantitative ratio of heat carrier gas to charge, the temperature of the Heat transfer gas decreased or increased.
Es wird auf diese Weise möglich, die Reaktion in jede gewünschte Richtung zu lenken. So kann man z. B. in derselben Apparatur einen schweren Kohlenwasserstoff kracken und erhält a) bei hohen Temperaturen, kurzen Reaktionszeiten und geringem Partialdruck hohe Ausbeuten an gasförmigen Kohlenwasserstoffen, -wie Acetylen, Äthylen, Propylen und Butylen; b) bei tieferen Temperaturen, längeren Reaktionszeiten und höherenIn this way it becomes possible to direct the reaction in any desired direction. So can one z. B. crack a heavy hydrocarbon in the same apparatus and get a) at high Temperatures, short reaction times and low partial pressure, high yields of gaseous Hydrocarbons such as acetylene, ethylene, propylene and butylene; b) at lower temperatures, longer response times and higher
Partialdrucken weniger gasförmige und mehr flüssige Produkte, unter anderem hocharomatische Benzine mit guten Oktanzahlen.Partial printing of less gaseous and more liquid products, including highly aromatic products Gasoline with good octane ratings.
3. Die Wand des Reaktionsraumes wird durch die an der Wand gleitende, relativ kalte Strömung des Einsatzgutes gekühlt. Die Folge ist, daß der Reaktor nicht aus einem besonders ausgewählten kostspieligen, hoch thermisch beständigen Material erbaut werden muß und daß - ferner die äußere Isolation des Reaktionsraumes infolge geringerer Temperaturdifferenz nach außen weniger Schwierigkeiten bereitet und die Wärmeverluste geringer werden.3. The wall of the reaction space is created by the relatively cold flow sliding on the wall of the input material is cooled. The consequence is that the reactor is not specially selected expensive, highly thermally resistant material must be built and that - also the external Insulation of the reaction space due to the lower temperature difference to the outside less difficulties and the heat losses are lower.
4. Das Einsatzgut wird ohne jede Wärmeübertragung durch Wände hindurch so weit erforderlich verdampft und Gas bzw. Dampf etwa bis zu der Temperatur aufgeheizt, bei der die Reaktion beginnen soll.4. The charge is required so far without any heat transfer through walls evaporates and the gas or steam is heated approximately up to the temperature at which the reaction begins target.
5. Enthält das Einsatzgut Bestandteile oder bilden sich solche, die bei der gewollten Reaktions:5. Does the input material contain components or such are formed during the intended reaction:
temperatur nicht verdampfbar sind (z. B. Kohlenstoff bei der Krackung von schweren ölen oder Erdölrückständen), so kann man diese Stoffe auf einfache Weise bei Punkt B an der Zyklonspitze austragen. In diesem Falle muß das Wärmeträgergas durch ein besonderes, bei B in den Reaktionsraum hineinragendes Zentral rohr eingeführt werden. Besonderes Kennzeichen der Erfindung ist, daß durch die Art der Zyklbnströmung eine Trennung von Einsatzgut und Wärmeträgergas ohne jede Scheidewand so lange erreicht wird, bis am Umkehrpunkt spontane Durchmischung und Beginn des Reaktionsablaufs erfolgt. An das Einsatzgut wird zu dessen Vorheizung nur der Strahlungsanteil der Wärme abgegeben, der sonst zum Teil verlorengegeben werden müßte.temperature cannot be evaporated (e.g. carbon from the cracking of heavy oils or petroleum residues), these substances can easily be removed from point B at the tip of the cyclone. In this case, the heat transfer gas must be introduced through a special central tube protruding into the reaction chamber at B. A special feature of the invention is that the type of cyclic flow separates the charge and the heat transfer gas without any partition until spontaneous mixing occurs at the turning point and the reaction begins. In order to preheat it, only the part of the radiation of the heat that would otherwise have to be lost is given to the input material.
Der Spitzenwinkel des Zyklonkegels richtet sich nach der Art der gewünschten Reaktion, insbesondere nach der gewollten Reaktionsdauer und der Tatsache, ob feste oder flüssige Produkte auszutragen sind. Er kann zwischen o° (Zylinderform, wie Abb. 2) und etwa 900 variieren und beträgt vorzugsweise 300. Die in Apparaturen der erfindungsgemäßen Form zu erreichenden Wärmeausbeuten sind außerordentlich hoch und erreichen nahezu 100%. Das bei vielen Reaktionen erforderliche Abschrecken, · etwa zum Zwecke des Einfrierens des Gleichgewichtes, erfolgt schon durch das Einsatzgut selbst und kommt so direkt der ")O Wärmebilanz der Gesamtreaktion zugute. Bei den meisten bisher bekannten Verfahren muß die Abschreckung in einem zweiten Apparat mit einem besonderen Kühlmedium vorgenommen werden. Die an dieses Kühlmedium abgegebene Wärme läßt sich dann nur sehr unvollkommen und mit erneutem apparativem Aufwand wiedergewinnen, sie ist praktisch verloren.The apex angle of the cyclone cone depends on the type of reaction desired, in particular on the desired duration of the reaction and the fact whether solid or liquid products are to be discharged. It can be between o ° (cylindrical shape, as shown in Fig. 2) and may vary from about 90 0, and is preferably 30 0. The heat yields to be achieved in apparatuses of the form according to the invention are extraordinarily high and reach almost 100%. The quenching required in many reactions, for example for the purpose of freezing the equilibrium, is already carried out by the feedstock itself and is thus directly beneficial to the heat balance of the overall reaction The heat given off to this cooling medium can then only be recovered very imperfectly and with renewed expenditure on apparatus, it is practically lost.
Wenn zur Erzielung besonderer Effekte die Anwendung eines Katalysators geboten erscheint, so kann dieser entweder in Form eines Netzes oder auf einer porösen Unterlage in der Nähe der Mischungsstelle auf der Reaktionsstrecke B-C angeordnet werden. Besonders günstig kann es auch sein, staubförmige Katalysatoren mit dem Strom des Wärmeträgergases oder durch eine besondere 6§ Zuleitung bei D einzuwirbeln, während der Reaktionsdauer mit dem Einsatzgut in Kontakt zu belassen und in einem nachgeschalteten Abscheider, z. B. Zyklon, wieder auszuschleusen.If the use of a catalyst appears necessary to achieve special effects, this can either be arranged in the form of a network or on a porous support near the mixing point on the reaction zone BC . It can also be particularly advantageous to swirl in powdered catalysts with the flow of the heat carrier gas or through a special 6§ feed line at D , to leave them in contact with the feed during the reaction time and to separate them in a downstream separator, e.g. B. cyclone to discharge again.
In einem gemäß Abb. 1 oder 2 gestalteten Reaktionsraum werden bei A pro Stunde 300 kg eines Leichtbenzins vom Siedebereich ο bis 1050 eingedüst. Dieses verdampft durch Strahlung sofort beim Austritt aus der Düse. Der Kohlenwasserstoffdampf heizt sich auf seinem Weg an der Wand entlang auf etwa 4000 auf und tritt bei B in den Strom von 400 kg/h auf 12000 überhitzten Wasserdampf ein. Auf dem Weg von B nach C gibt der Dampf seine Wärme an den Kohlenwasserstoff ab, wodurch dieser in bei normaler Temperatur gasförmige Paraffine, Olefine und Wasserstoff umgesetzt wird. Das austretende Gemisch wird in üblicher Weise gekühlt und der Dampf kondensiert. 8g Der gasförmige Anteil besteht gewichtsmäßig ausIn a reaction chamber designed according to Fig. 1 or 2, 300 kg of a light petrol from the boiling range ο to 105 0 are injected per hour at A. The radiation evaporates as soon as it emerges from the nozzle. The hydrocarbon vapor heats up on its path along the wall 400 to about 0 on and occurs at B in the stream of 400 kg / h to 1200 0 superheated steam. On the way from B to C , the steam gives off its heat to the hydrocarbon, which converts it into paraffins, olefins and hydrogen which are gaseous at normal temperature. The emerging mixture is cooled in the usual way and the steam is condensed. 8g In terms of weight, the gaseous component consists of
47% Acetylen + Äthylen
24% Propylen ■+ Butylen
12% Methan47% acetylene + ethylene
24% propylene + butylene
12% methane
4% Äthan + Propan + Butan 10% Kohlenwasserstoffe C5 und höher 3% Wasserstoff4% ethane + propane + butane 10% hydrocarbons C 5 and higher 3% hydrogen
100%,100%,
er wird in an sich bekannter Weise getrennt und daraus die wertvollen Olefine gewonnen.it is separated in a manner known per se and the valuable olefins are obtained therefrom.
Es ist bereits bekannt, daß man in einem Reaktionsgefäß eine schraubenförmige Strömung aufrechterhalten kann, wenn man das Einsatzgut tangential an einer oder mehreren Stellen in den Reaktionsraum einführt. Diese Verfahren dienen im allgemeinen dazu, eine gute und intensive Durchmischung der Reaktionsteilnehmer ohne Anwendung einer Rührung zu gewährleisten.It is already known that there is a helical flow in a reaction vessel can be maintained if you tangentially at one or more points in the charge Introduces reaction space. These procedures are generally used to ensure a good and intense Ensure thorough mixing of the reactants without the use of stirring.
Dabei stellt sich im allgemeinen ein gleichmäßiges Temperaturniveau (Mischtemperatur) im gesamten Reaktion--raum ein. Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist es jedoch, durch geeignete Führung der Teilströme (Zyklonströmung) die Reaktion wandunabhängig im freien Mittelraum des zyklonförmigen Reaktors ablaufen zu lassen. Hierdurch werden einmal etwa mögliche schädliche katalytische Einflüsse des Wandmaterials und auch Wandreaktionen ausgeschaltet, zum anderen wird die Wand des Reaktionsraumes selbst relativ kalt gehalten, so daß Reaktionen, die bei hohen Temperaturen ablaufen, in Materialien durchgeführt werden können, die an sich derartigen Temperaturen nicht gewachsen sind.This generally results in a uniform temperature level (mixed temperature) in the entire reaction space. Subject of the present However, it is the invention by suitable guidance of the partial flows (cyclonic flow) Allow the reaction to proceed independently of the wall in the free central space of the cyclone-shaped reactor. As a result, there are possibly harmful catalytic influences on the wall material and also Wall reactions are switched off, and on the other hand the wall of the reaction space itself becomes relatively cold held so that reactions that take place at high temperatures are carried out in materials that cannot cope with such temperatures per se.
Claims (1)
2. Verfahren nach Anspruch i, dadurch gekennzeichnet, daß als Wärmeträgergas überhitzter Wasserdampf benutzt wird.The reactor is fed and a suitable heat carrier gas is introduced into the reactor in a counter-current flow near the reversal point of the cyclone flow.
2. The method according to claim i, characterized in that superheated steam is used as the heat carrier gas.
Belgische Patentschrift Nr. 506697;
deutsche Patentschriften Nr. 879091, 578710; USA.-Patentschriften Nr. 2 582 246, 2582710; deutsche Patentanmeldung ρ 48265 I a/241 (bekanntgemacht am 5. März 1953).Considered publications:
Belgian Patent No. 506697;
German Patent Nos. 879091, 578710; U.S. Patent Nos. 2,582,246, 2582710; German patent application ρ 48265 I a / 241 (published March 5, 1953).
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
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DEA21846A DE967973C (en) | 1955-01-03 | 1955-01-04 | Process for carrying out endothermic chemical reactions |
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DEA21846A DE967973C (en) | 1955-01-03 | 1955-01-04 | Process for carrying out endothermic chemical reactions |
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DEA21846A Expired DE967973C (en) | 1955-01-03 | 1955-01-04 | Process for carrying out endothermic chemical reactions |
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DE (1) | DE967973C (en) |
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- 1955-01-04 DE DEA21846A patent/DE967973C/en not_active Expired
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