CN109641762A - 用于从被污染的原水中分离产品水的设备和用于运行所述设备的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种用于分离产品水(P)的设备,所述产品水通过在冷凝器(14)中的冷凝获得。产品水从原水(R)中获得,所述原水由水和污物的混合物组成并且在蒸发器(13)中浓缩或者反萃取。按照本发明规定,蒸发器(13)和冷凝器(14)均确保直接的冷凝或者直接的蒸发,方式为将工艺气体循环(11)中的工艺气体分别从蒸发器(13)和冷凝器(14)的底部(22、30)向顶部(29、19)导引。由于应该在其间进行热交换的介质直接接触,所以有利地实现了设备的非常高效的运行,其中,通用件的使用也限制了部件成本。此外,可以有利地减小设备的暴露于原水的腐蚀性介质中的构件的数量。浓缩的或者反萃取的水被作为浓缩物(K)从所述设备中取出。本发明除了所述设备也涉及一种用于运行所述设备的方法。
Description
本发明涉及一种用于从由水和污物的混合物组成的原水中分离通过冷凝获得的产品水的设备。所述设备具有设置用于工艺气体的气体循环,用于原水的蒸发器和用于产品水的冷凝器串联连接到所述气体循环中,也就是分别交替地通过蒸发器和冷凝器。此外,蒸发器具有用于原水的输入结构和用于浓缩物的导出结构,其中,所述浓缩物相比原水具有更高浓度的待分离的污物。待分离的污物不具有低于水的沸点并且因此保留在原水中。在原水中也可能包含这样的污物,它们比水更易挥发并且保留在冷凝物中,但这些污物不能通过所述方法分离并且在以下当谈到污物的浓缩时不是指这些污物。但易挥发的污物仍然是技术上相关的,因为它们将产品水变为腐蚀性介质。产品水通过冷凝器的出口排出。
本发明还涉及一种用于从由水和污物的混合物组成的原水中分离通过冷凝获得的产品水的方法。在所述方法中,通过工艺气体运行气体循环,其中,用于原水的蒸发器和用于产品水的冷凝器串联连接在所述气体循环中。通过输入结构向蒸发器加载原水,并且通过蒸发器中的导出结构取出浓缩物,所述浓缩物相比原水具有更高浓度的待分离的污物。随即可以通过出口从冷凝器取出净化的产品水。
设备和适用于所述设备的净化方法是已知的并且例如由DE 10 2014 217281 A1可知。按照所述专利文献的设备和方法的工作方式也根据图1详细描述。所述方法按照以下原理工作,即水在降流式蒸发器中在相反指向地流动的空气中通过对流辅助蒸发。在蒸发器中向下游流动的水的温度从上向下降低,因为通过蒸发和向相反流动的空气的热传递提取水。水蒸气形式的干净产物随即冷凝在优选由原水冷却的冷凝器中,其中,在此释放的蒸发热量被输入原水。
潮湿的气体流例如可以输入壳管式热交换器,以便在该处冷却并且冷凝出产品水。这种设计方案允许直接将原水用作冷却介质,以确保内部的热量回收。然而,这样设计的热交换器由于原理而具有通过管壁的热传递,其由于在热交换器表面附近形成含水蒸气较少的气层而受到限制。此外,在管的表面上形成水层,所述水层可以形成附加的热阻力。取决于原水中的污物,还必须选择耐腐蚀的材料,这使得设备更昂贵。这既在于介质的较高的温度也在于介质较高的氧气含量。由于存在CO2,在冷凝物中还形成低于7的pH值,这进一步促进了腐蚀。如果污物包括小分子的有机酸或者氨,则预计腐蚀更强烈。因此,使用具有良好导热性能的基于铁或者基于铜的材料被视为是有问题的。
取而代之,可以使用基于塑料的冷凝器,然而这带来的缺点是明显更小的热传递。冷凝器由此必须设计得明显更大。
本发明所要解决的技术问题在于,对本文开头所述类型的设备和方法这样进行扩展设计,使得其一方面实现了产品水的高效冷凝,并且另一方面不易受到冷凝物的腐蚀特性的影响。
该技术问题按本发明通过本文开头所述的设备解决的方式是,冷凝器按照直接冷凝的构造原理设计。这意味着,产品水从气体流中直接冷凝,方式为在冷凝器中使冷却水与气体循环中的气体流直接接触。
为此目的,按照本发明设置产品水循环,冷凝器和用于冷却产品水的第一热交换器串联连接在所述产品水循环中。这意味着,被冷却的产品水本身用作冷却水。因此,针对产品水在冷凝器的顶部中设置入口并且在冷凝器的底部中设置出口。针对工艺气体在冷凝器中设置从冷凝器的底部向冷凝器的顶部(也就是与气体流相反指向)的流动方向。
因此类似地,所述技术问题也通过本文开头所述的方法解决,其中,设有产品水循环,冷凝器和用于冷却产品水的第一热交换器串联连接到所述产品水循环中,也就是交替地通过蒸发器和冷凝器。在冷凝器中由构造方式决定地执行直接的冷凝,方式为通过入口将冷的产品水输入冷凝器的顶部并且产品水在冷凝器的底部通过出口再次导出。工艺气体沿着从冷凝器的底部向冷凝器的顶部的方向流动,因此工艺气体在对流中被输入的液态产品水冷却并且在此从工艺气体中冷凝产品水。也就是从冷凝器中取出比输入更多的产品水。
如已经提到的那样,冷却水和潮湿的空气流或者冷凝物直接接触(直接冷凝原理)。因此,不需要通过分隔的介质进行热传递,由此有利地提高了冷却效率。此外,用于冷凝的表面通过产品水本身提供,由此可以排除腐蚀作用。
为了高效的物质交换和热量交换,必须如在蒸发器中那样提供尽可能大的表面。这能够按照本身已知的方式实现。冷却水例如可以喷射到冷凝器中和/或雾化。在此可以这样设置液滴尺寸,使得液滴足够小以提供足够用于热传递的表面,但足够大以不会在雾化时引起不必要的能费。另一可能性在于使用填料,如在蒸发器中也可以使用的填料。所述填料用于增大表面并且被加载产品水的膜,在向产品水中进行直接的热传递期间,所述产品水的膜保护填料的表面以防腐蚀。
置入冷凝器中的冷却水按照原理直接与由气体循环中冷凝的产品水接触。因此,冷却水必须具有至少相同的品质。这是按照本发明的冷却产品水并且在循环中作为冷却水提供给冷凝器的措施的原因。在此冷凝的产品水的量可以从循环中取出。
按照本发明的一种有利的设计方案,蒸发器以本身已知的方式按照一种构造原理设计,其中原水和气体循环的气体沿相反的方向流动,由此使原水部分蒸发并且在保留的原水中进行了污物的浓缩。在蒸发器的顶部中设有用于原水的输入结构,并且在蒸发器的底部中设有用于浓缩物的导出结构,以此方式可以将所述浓缩物从工艺中取出或者在循环中作为原水再次在顶部输入蒸发器中。然而,这种循环的方案并不是必要的。针对工艺气体在蒸发器中设置从蒸发器的底部向蒸发器的顶部的流动方向。按照本发明,气体循环还必须这样导引,使得冷凝器的顶部与蒸发器的底部相连,并且蒸发器的顶部与冷凝器的底部相连。由此确保了蒸发器和冷凝器由工艺气体分别从下向上地流过,从而使工艺气体可以经过从上向下流动或者下落的液体。因此气体流的走向能够被描述为“8”。
使用按照直接冷凝的构造原理的冷凝器的另一优点在于,可以将相同的或者至少相似的构件用于制造冷凝器和蒸发器。这简化了制造并且使制造更便宜并且因此具有经济优势。尽管因为使用直接冷凝而必须在产品水循环中设置另一热交换器,但这个增加的耗费有利地少于对冷凝器结构的简化,其中尤其可以减少昂贵材料的使用。
按照本发明的另一实施形式规定,所述第一热交换器与用于原水的管路连接,用以冷却产品水,其中,所述管路在穿过第一热交换器之后向蒸发器的输入结构导引。如已经提到的那样,所述管路可以是循环的部分,其中,原水在管路中至少部分地作为浓缩物从蒸发器中取出。在任何情况下,使用原水冷却产品水能够吸收至少部分所需的热量,从而使其能够在蒸发器中转化为气态的状态。在此必须施加所需的蒸发热量。
在所述管路中在第一热交换器与输入结构之间可以通过第二热交换器进行进一步加热。因此,在本发明的这种设计方案中,第一热交换器只用于预热原水,所述原水在第二热交换器中例如吸收作为废料在任意工艺中产生的工艺热量。所述废热例如可以在工业工艺或者在产生能量时形成,并且因此在执行按照本发明的方法或者使用按照本发明的设备时实现有利的能量平衡。
按照另一设计方案规定,在产品水循环中在第一热交换器与入口之间设有第三热交换器。所述第三热交换器有利地用于进一步冷却产品水,由此确保了来自蒸发器的原水与馈入冷凝器中的产品水之间的温度差可以增大。由此加速了在气体循环中运行的产品水回收工艺。有利的是,第三热交换器配有处于环境温度的介质,因为为了冷却所述介质不需要附加的能耗。
如果蒸发器和/或冷凝器多级式地构造,则获得本发明的一种特殊的设计方案。这意味着,在蒸发器和/或冷凝器的壳体中相叠地布置有多个层级。所述层级例如可以由填料组成,所述填料的表面用于供液态介质(原水或者产品水)滴流。在经过填料之后,水被聚集并且通过适当的装置均匀地分配,之后水流入处于下方的填料中。所述用于分配的装置也可以用于使液体雾化,其中,在这种情况下不需要填料。多级性有利地实现了产品水的中间加热或者气体的中间冷却。
按照按本发明的设备的一种特殊的设计方案规定,所述设备由多个层级构成,其中,多个蒸发器和冷凝器成对地分别配有产品水循环和气体循环。换而言之,每一个蒸发器和冷凝器形成至少两个成对的布置结构,它们能够分别在共同作用的产品水循环和气体循环中彼此独立地工作。每个层级在不同的运行温度中工作,其中,在使用多于两个层级时,相邻的层级在分级的运行温度中工作。相邻性按照产品水循环或者气体循环中的相应温度差定义并且不是由可能在位置上的相邻性定义。
此外,按照本发明规定,相邻层级的产品水循环通过第一连接管路连接,其中,在多于两个产品水循环时也设置多个第一连接管路。此外,在具有较低温度水平的层级的一个蒸发器的底部与具有较高温度水平的相邻层级的一个蒸发器的顶部之间还设有第二连接管路。在此,在使用多于两个层级的情况下也可以使用多个第二连接管路。
第一连接管路和第二连接管路有利地使得各个单独的层级能够相互交流,方式为产品水和冷凝物或者原水能够从具有较低温度水平的层级传递至具有较高温度水平的相邻层级。这具有的优点是,可以利用具有较高温度水平的层级中的相关流体的热能,因此不需要冷却或者至少不需要以像在具有较低温度水平的层级中所需的程度那样冷却。由此可以有利地进一步提高工艺的效率。
第二连接管路分别向蒸发器的顶部导引。如果针对原水设有循环,则连接管路的一部分也可以通过所述循环的管路系统形成。为此必须在循环中设置确保连接的适当馈入位置。
按照最后提到的变型的一种设计方案规定,在每个产品水循环中分别布置有第三热交换器,其中,相邻层级的第三热交换器通过第三连接管路连接。在此以所述方式也能够有利地确保用于冷却产品水的热传递介质首先馈入最冷的产品水循环的第三热交换器中并且随即分别逐级地馈入更热的产品水循环的第三热交换器中。热传递介质由此可以在每个第三热交换器中实现冷却作用。
按照最后提到的备选的另一设计方案规定,在每个向蒸发器导引的管路(它们可能是原水循环的部分)中分别布置有第二热交换器,其中,相邻层级的第二热交换器通过第四连接管路连接。通过所述第四连接管路可以有利地导引热传递介质,所述热传递介质例如将工业工艺的工艺热量排放至原水。第四连接管路有利地首先导引通过用于最热的原水的第二热交换器并且接着逐级地导引通过用于越来越冷的原水的第二热交换器。
本文开头所述的方法可以特别有利地在所述类型的设备上实施。与之相关的优点已经在对设备的阐述中提到。
以下根据附图描述本发明的其它细节。相同或者相应的附图元素分别配设有相同的附图标记并且只在各个单独附图之间存在区别时才多次阐述。在附图中:
图1以示意性框图示出按照现有技术的用于从原水中分离产品水的设备,在所述设备上运行用于从原水中分离产品水的方法;
图2以框图示出按照本发明的设备的一个实施例,在所述设备上运行按照本发明的方法的一个实施例并且
图3以框图示出按照本发明的具有两个层级的设备的一个实施例,在所述设备上运行按照本发明的多级式方法的一个实施例。
以下总是描述设备并且同时描述在所述设备上运行的方法。设备和方法分别相互紧密关联,因此所述的特征分别同时适用于设备和方法。
按照图1示出具有气体循环11和原水循环12的设备。在两个循环中,蒸发器13和冷凝器14串联连接,也就是蒸发器和冷凝器交替地被通过。在设备中,原水和工艺气体相反地循环,因此原水在蒸发器13中的蒸发反向地经过来自气体循环11的工艺气体。原水通过泵15在原水循环12中输送并且气体(优选空气)通过风扇16在工艺气体循环中输送。相应的流动方向通过箭头表示。
在原水循环12中,原水在冷凝器中用作冷却介质,其中,产品水在此从工艺气体中冷凝出并且由此加热原水。被加热的原水接着在第二热交换器17中被进一步加热,其中,通过连接管路18向第二热交换器供应导引工业工艺的工艺热量的热传递介质。由此加热的原水随即通过蒸发器13的顶部19馈入,其中,在顶部19中设有喷淋装置20,所述喷淋装置产生小液滴组成的雾21。以此方式向下游流动的原水的温度从蒸发器13的顶部19向底部20降低,因为通过产品水的蒸发和向产品水的热传递从原水中抽出了热量。因此,反向流动的工艺气体的温度从底部22向顶部19升高,但在以固定条件的稳定运行中分别在蒸发器13的相同高度处总是保持在原水的温度以下。工艺气体由此可以吸收更多的产品水的水蒸汽。原水和工艺气体因此形成对流热交换器,所述对流热交换器按照直接蒸发的原理工作。
原水通过输入结构23到达蒸发器中并且通过蒸发产品水使污物浓缩。原水聚集在蒸发器13的底部22中并且作为浓缩物通过导出结构24离开蒸发器。浓缩物作为浓缩物K能够可选地通过取出管路25从设备中抽出或者输入储存罐26中以便执行在原水循环12中进一步流通。经由供应管路27通过输入新的原水R可以替换抽出的浓缩物K或者蒸发的产品水。
原水接着用于冷凝器14的冷却。为了为此实现足够大的温度差,原水可以在输入冷凝器14之前通过第四热交换器28冷却。在冷凝器中,由馈入顶部29中的工艺气体冷凝出产品水。更干燥的工艺气体通过底部30离开冷凝器14,而产品水P通过冷凝器14中的出口31被取出并且通过取出管路32导出。
按照图2的设备的大部分与按照图1的设备相同地构造,这可以由相同附图标记的使用看出。然而重要的区别在于,设有另一循环,也就是由泵99运行的产品水循环33。冷凝器14连接入所述循环中,其中,产品水通过出口31从冷凝器14中取出并且在冷却之后通过冷凝器14的顶部29中的入口34再次输入。在此也如在蒸发器13中那样设有喷淋单元20,其中,工艺气体与喷淋的产品水相反指向地从冷凝器的底部30流向冷凝器14的顶部29。由此实现了在工艺气体中的产品水的直接冷凝,其中,冷凝的产品水聚集在底部30中。
因为来自产品水循环33的产品水在冷凝期间升温,所以必须在从出口31取出之后冷却该产品水。为此首先可以使用第一热交换器35,该第一热交换器35由原水循环12中的原水供应。以此方式,原水可以再次吸收由于在蒸发器13中的蒸发而从原水中抽取的热量。这有利地导致该方法效率的提高。在经过第一热交换器35之后,可以经过第三热交换器36,在所述第三热交换器中通过外部的冷却源进一步冷却产品水,之后使产品水通过入口34再次输入冷凝器14。根据所存在的温度差也可以考虑的是,首先在外部冷却原水,并且通过冷却的原水冷却冷凝物循环(未显示)。
与图1所示不同,蒸发器13和冷凝器14分别多级式地构造,其中,分别在蒸发器13和冷凝器14中使用两个依次连接的填料37。所述填料例如可以由非常耐化学腐蚀的塑料制造,因为由于直接的蒸发或者直接的冷凝而不需要通过材料传热。此外,所述材料的成本相对较低,因此使设备的制造更经济。在填料37之间分别设置水分配器38,所述水分配器分别接收产品水或者原水并且接着通过多个开口分配到蒸发器13或者冷凝器14的整个横截面上。取代图2所示的具有填料的结构,蒸发器13和冷凝器14的结构均按照图1所示的结构当然也是可行的,其中,液体按照图1喷淋或者雾化。
图3示出处于两个层级39a、39b中的设备的结构。当然也可以使用多于两个所示的层级,其中,以下所述也可以转用到三级或者多级式的设备上。为了清楚起见,省略了在图1和图2中所示的泵15、风扇16和储存罐26,但它们为了确保按照图3的设备的功能同样是存在的。在图1至3中所使用的阀没有详细阐述并且因此也没有配设附图标记。这些阀的打开和关闭与所述的相应功能状态相关并且因此自动地形成。
层级39a以及层级39b本身如按照图2的设备那样运行,即使在相应的蒸发器13a、13b和冷凝器14a、14b中分别只设置一个填料37。层级39a、39b分别具有原水循环12a、12b、气体循环11a、11b和产品水循环33a、33b。为了提高效率,原水循环12a和原水循环12b分别在蒸发器13a、13b之后通过第二连接管路40相互连接。因此,原水R通过供应管路27馈入原水循环12a并且浓缩地通过第二连接管路40离开原水循环,以便输入原水循环12b。在此,在蒸发器13b中对污物进行进一步浓缩,其中,所述浓缩物K通过取出管路25从设备中取出。
两个产品水循环33a、33b也通过第一连接管路41相互连接。在产品水循环33a中的第一热交换器35之后取出产品水,并且在产品水循环35b的第三热交换器36(或者第一热交换器35,未示出)之后再次输入产品水循环33b。以此方式,在冷凝器14a中获取的产品水离开产品水循环33a。通过取出管路32从产品水循环33b中取出产品水P。
产品水和原水通过第二连接管路40或者第一连接管路41的进一步导引有利地实现了,将原水或者产品水从具有整体上较低的运行温度的层级39a传递至具有整体上较高的运行温度的层级39b中,在所述层级中可以利用储存在产品水或者原水中的热能。这在总体上减少了与按照已经描述的方式冷却原水或者产品水相关的耗费。
此外,设置在原水循环12a、12b中的第二热交换器17可以这样通过第四连接管路18串联连接,使得首先经过较热的层级39b中的第二热交换器17并且随即经过较冷的层级39a(在多于两个层级时以此类推)中的第二热交换器17。同样地,第三热交换器36可以这样通过第三连接管路43在产品水循环33a、33b中串联连接,使得首先经过较冷的产品水循环33a中的第三热交换器36并且之后经过较热的产品水循环33b(在多于两个层级时以此类推)中的第三热交换器36。由此有利地最佳利用了热交换介质,方式为还将相应的余热和余冷排放到相邻的层级36a、36b中。
Claims (13)
1.一种用于从由水和污物的混合物组成的原水中分离通过冷凝获得的产品水的设备,其中,
·设有用于工艺气体的气体循环(11),用于原水的蒸发器(13)和用于产品水的冷凝器(14)串联连接到所述气体循环中,
·蒸发器(13)具有用于原水的输入结构(23)和用于浓缩物的导出结构(24),所述浓缩物相比原水在待分离的污物方面具有更高的浓度,
·冷凝器(14)具有用于产品水的出口(31),
其特征在于,
·设有产品水循环(33),冷凝器(14)和用于冷却产品水的第一热交换器(35)串联连接到所述产品水循环中,并且
·冷凝器(14)按照直接冷凝的构造原理设计,其中,在冷凝器(14)的顶部(29)中设有用于产品水的入口(34),并且在冷凝器(14)的底部(30)中设有用于产品水的出口(31),并且针对工艺气体设置从冷凝器(14)的底部(30)向冷凝器(14)的顶部(29)的流动方向。
2.按权利要求1所述的设备,
其特征在于,
·所述蒸发器(13)按照一种构造原理设计,其中在蒸发器(13)的顶部(19)中设有用于原水的输入结构(23),并且在蒸发器(13)的底部(22)中设有用于浓缩物的导出结构(24),并且针对工艺气体设置从蒸发器(13)的底部(22)向蒸发器(13)的顶部(19)的流动方向,并且
·气体循环(11)设计为,使得冷凝器(14)的顶部(29)与蒸发器(13)的底部相连,并且蒸发器(13)的顶部(19)与冷凝器(14)的底部(30)相连。
3.按前述权利要求之一所述的设备,
其特征在于,
所述第一热交换器(35)与用于原水的管路连接,用以冷却产品水,其中,所述管路在穿过第一热交换器(35)之后向蒸发器的输入结构(23)导引。
4.按权利要求3所述的设备,
其特征在于,
在所述管路中在第一热交换器(35)与输入结构(23)之间设有第二热交换器(17)。
5.按前述权利要求之一所述的设备,
其特征在于,
在产品水循环(33)中在第一热交换器(35)与入口(34)之间设有第三热交换器。
6.按前述权利要求之一所述的设备,
其特征在于,
蒸发器(13)和/或冷凝器(14)多级式地构造。
7.按前述权利要求之一所述的设备,
其特征在于,
所述设备由多个层级(39a、39b)构成,方式为多个蒸发器(13a、13b)和冷凝器(14a、14b)成对地分别配有产品水循环(33a、33b)和气体循环(11a、11b),其中,
·所述层级(39a、39b)能够在不同的温度中运行,
·相邻层级的产品水循环(33a、33b)通过第一连接管路(41)连接,并且
·在具有较低温度水平的层级(39a、39b)的一个蒸发器(11a、11b)的底部(22)与具有较高温度水平的相邻层级(39a、39b)的一个蒸发器(11a、11b)的顶部(19)之间设有第二连接管路(40)。
8.按权利要求7所述的设备,
其特征在于,
在每个产品水循环(33a、33b)中分别布置有第三热交换器(36),其中,相邻层级(39a、39b)的第三热交换器(36)分别通过第三连接管路(43)连接。
9.按权利要求7或8所述的设备,
其特征在于,
在每个向蒸发器(12a、12b)导引的管路中分别布置有第二热交换器(17),其中,相邻层级(39a、39b)的第二热交换器(17)分别通过第四连接管路(18)连接。
10.一种用于从由水和污物的混合物组成的原水中分离通过冷凝获得的产品水的方法,其中,
·通过工艺气体运行气体循环(11),用于原水的蒸发器(13)和用于产品水的冷凝器(14)串联连接到所述气体循环中,
·通过输入结构(23)向蒸发器(13)加载原水,并且通过蒸发器(13)的导出结构(24)取出浓缩物,所述浓缩物相比原水具有更高浓度的待分离的污物,
·通过出口(31)从冷凝器(14)取出产品水,
其特征在于,
·设有产品水循环(33),冷凝器(14)和用于冷却产品水的第一热交换器(35)串联连接到所述产品水循环中,并且
·在冷凝器(14)中实现直接的冷凝,其中,在冷凝器(14)的顶部(29)中通过入口(34)输入产品水,并且在冷凝器(14)的底部(30)中设有用于产品水(31)的出口(31),并且工艺气体沿着从冷凝器(14)的底部(30)向冷凝器(14)的顶部(29)的方向流动。
11.按权利要求10所述的方法,
其特征在于,
使用按权利要求1至6之一所述的设备。
12.按权利要求10所述的方法,
其特征在于,
所述方法在多个层级(39a、39b)中进行,方式为多个蒸发器(11a、11b)和冷凝器(14a、14b)成对地分别通过产品水循环(33a、33b)和气体循环(11a、11b)运行,其中,
·所述层级(39a、39b)在不同的温度中运行,
·相邻层级(39a、39b)的产品水循环(33a、33b)通过第一连接管路(41)连接,其中,产品水从较冷的层级向较热的层级(39a、39b)传输并且
·在具有较低温度水平的层级(39a、39b)的一个蒸发器(11a、11b)的底部(22)与具有较高温度水平的相邻层级(39a、39b)的一个蒸发器(11a、11b)的顶部(19)之间设有第二连接管路(40),其中,原水从较冷的层级向较热的层级(39a、39b)传输。
13.按权利要求12所述的方法,
其特征在于,
使用按权利要求7至9之一所述的设备。
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