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Verfahren und Vorrichtung zur Herstellung ungesättigter Kohlenwasserstoffe
durch unvollständige Verbrennung gasförmiger, gesättigter Kohlenwasserstoffe Die
vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung ungesättigter Kohlenwasserstoffe
durch unvollständige Verbrennung gasförmiger, gesättigter Kohlenwasserstoffe und
eine Vorrichtung zur Durchführung dieses Verfahrens, in der man Kohlenwasserstoffgemische
verbrennen kann, die so brennstoffarm oder brennstoffreich sind, so große Alengen
Verdünnungsmittel enthalten oder eine so hohe Geschwindigkeit aufweisen, daß eine
Verbrennung unter normalen Bedingungen unmöglich ist.
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Bei dem bekannten Verfahren zur Herstellung ungesättigter Kohlenwasserstoffe
durch partielle Verbrennung und Abkühlen werden ein Kohlenwasserstoff und ein Oxydationsmittel
vorerhitzt, vorgemischt und in den Verbrennungsraum durch ein Gitter eingeleitet,
das aus einer großen Anzahl von Durchgängen mit geringem Durchmesser besteht. Die
an den Austrittsrändern dieser Durchgänge stabilisierten Flammen sind notwendigerweise
kurz. Es hat sich infolgedessen als notwendig erwiesen, eine Verbrennungskammer
zu verwenden, deren Durchmesser wesentlich größer ist als ihre Länge. Wenn man versuchen
wollte, die Verbrennungsprodukte in eine Gasturbine einzuführen, würde die große
Fläche des Gitters eine Sammelleitung für die Verbrennungsprodukte erfordern. Eine
derartige Sammelleitung würde aber apparative Schwierigkeiten mit sich bringen und
darüber hinaus die Zeit verlängern, während der sich die Verbrennungsprodukte auf
einer hohen Temperatur befinden.
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Es ist auch eine Vorrichtung bekannt, bei der in einen länglichen
Behälter durch ein WIittelrohr der zu crackende Kohlenwasserstoff ohne Sauerstoff
eingeführt und durch vier unabhängige, mit Sauerstoff und Kohlenwasserstoff gespeiste
Flammen auf die Temperatur der thermischen Zersetzung erhitzt wird.
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Man hat auch schon versucht, den Kohlenwasserstoff in der Brennkammer
mit Sauerstoff zu vermischen und ohne Lockflamme zu verbrennen. Diese Vorrichtungen
haben sich aber nicht bewährt. da nur ein ganz bestimmtes bIichungsverhältnis zwischen
Kohlenwasserstoff und Sauerstoff verwendet werden konnte oder eine niedrige Strömungsgeschwindigkeit
erforderlich war.
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Aus den gleichen Gründen hat sich auch eine andere Vorrichtung nicht
bewährt, bei der ein erhitztes Kohlenwasserstofföl mit einem gasförmigell Kohlenwasserstoff
vermischt, in der Brennkammer zerstäubt und mit getrennt eingeleitetem Sauerstoff
gecrackt wird.
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Das Verfahren zur Herstellung ungesättigter Kohlenwasserstoffe durch
unvollständige Verbrennung gesättigter Kohlenwasserstoffe mit Luft oder Sauerstoff
besteht erfindungsgemäß darin, daß man ein
von den stöchiometrischen Verhältnissen
stark abweichendes, Kohlenwasserstoff und molekularen Sauerstoff enthaltendes Gemisch
mit großer Strömungsgeschwindigkeit durch eine Verbrennungskammer leitet, in der
die unvollständige Verbrennung durch eine unabhängige, vorzugsweise scheibenförmige
Flamme stabilisiert wird. Besonders zweckmäßig ist es für die stabilisierende Flamme,
den gleichen Kohlenwasserstoff zu verwenden, wie er im zu zersetzenden Gemisch vorhanden
ist, und diesen erst in der Verbrennungskammer mit Sauerstoff zu vereinigen.
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Die Vorrichtung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens
besteht aus einer länglichen Verbrennungskammer mit einer Flammstabili sierungseinrichtung,
die eine Düse zur Einführung von Brennstoff in die Verbrennungskammer parallel zu
ihrer Längsachse, eine Zuleitung zur getrennten Zufuhr von Sauerstoff und eine Prallwand
in der Strömungsrichtung des durch die Düse eingeführten Brennstoffs aufweist.
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Die Flammstabilisierungsvorrichtung kann aus einem Mischer bestehen,
der so angeordnet ist, daß er einen turbulenten Strom erzeugt, z. B. ein Konus,
der
mit seiner Achse parallel zur Längsachse der Verbrennungskammer angeordnet ist.
Man kann auch tnehrere Mischer, z. B. in Form von Stäben, in einer Ebene quer zu
der Längsachse der Verbrennungskammer anordnen. Als Wärmequelle kann z. B. eine
Lockflamme oder ein elektrisch geheizter Draht innerhalb der Verbrennungskammer
verwendet werden.
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Bekanntlich kann man durch periodisches Verbrennen eines vorgemischten
gasförmigen Brennstoffs und eines Oxdationsmittels in einer Vorrichtung, die eine
Verbrennungskammer mit wesentlich größerer Länge als ihrem Durchmesser enthält,
eine sehr schnelle Freisetzung von Wärme je Volumeinheit erreichen, wenn man den
gasförmigen Brennstoff in einem Verhältnis zu dem Oxydationsmittel verwendet, das
gleich oder kleiner als das stöchiometrische Verhältnis ist, und wenn die Verbrennungskammer
ei neu Austritt für die Verbrennungsprodukte aufweist, der nach außen geöffnet ist,
so daß der Verbrennungsprozeß annähernd bei Atmosphärendruck stattfindet. Eine derartige
Verbrennungskammer kann aus einem hitzefest ausgekleideten Rohr bestehen, in welches
die vorgemischten Reaktionsteilnehmer durch einen Einlaß in Form eines oder mehrerer
Kanäle mit geringem Durchmesser eingeführt werden, in denen die Gasgeschwindigkeit
größer ist als die Geschwindigkeit der Flammfortpflanzung in dem Gemisch. Die Verbrennung
in der Kammer kann man durch Einstellen der Arbeitsbedingungen periodisch verlaufen
lassen, wobei nicht verbrannte Reaktionsteilnehmer, die während einer Periode durch
das Rohr fließen, bei Vermischung mit heißen Verbrennungsprodukten der vorausgehenden
Periode entzündet werden, wonach die Flamme schnell durch das Rohr wandert, bis
sie am Einlaß ausgelöscht wird und so neue unverbrannte Reaktionsteilnehmer durch
das Rohr fließen läßt, die erneut entzündet werden.
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Die Frequenz der Perioden hängt von der Zusammensetzung des eingeführten
Gemisches der Reaktionsteilnehmer, ihrer Temperatur und ihrem Druck, den Ausmaßen
der Verbrennungskammer und dem Bau des Einlaßahschnittes ab.
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Es wurde festgestellt, daß mit dem erfindungsgemäßen Verfahren und
der dafür geeigneten Vorrichtung auch dann eine periodische Verbrennung leicht eingeleitet
und aufrechterhalten werden kann, wenn das Verhältnis der Reaktionsteilnehmer stark
vom stöchiometrischen abweicht.
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Die Flammstahilisierungsvorrichtung enthält vorzugsweise ein Mundstück
für den Brennstoff, mit dem man einen Strahl des Brennstoffs in die Verbrennungskammer
einspritzen kann, der parallel mit ihrer Längsachse verläuft. In der Bahn des Strahls
liefindet sich ein Hindernis, durch welches der Brennstoff zu einer dünnen Fläche
ausgebreitet wird.
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Ferner ist eine Verteilervorrichtung vorgesehen, durch die Luft oder
Sauerstoff in die Nähe des Hindernisses gebracht wird, d. h. in die unmittelbare
Nähe der dünnen Brennstoffschicht, damit diese verbrennt und in der Verbrennungskammer
ein Gebiet hoher Temperatur entstehen läßt und so die Verhrennung des vorvermischten
Verbrennungsgemi sches stabilisiert. Das Mundstück befindet sich im wesentlichen
in der Längsachse, und zwar in der Durchflußrichtung, oder ist ihr entgegengerichtet.
Bei derartigen Verbrennungskammern ist es schwierig, eine Lockflamme so anzuordnen,
daß sie ständig brennt, wenn die Gasgeschwindigkeit hoch ist.
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Bei einer bevorzugten Ausführungsform umfaßt die Verteilervorrichtung
ein Rohr, das axial mit dem
Brennstoffmundstück angeordnet ist. Dadurch wird ein
ringförmiger Auslaß für die Luft oder den Sauerstoff gebildet. Man kann gegebenenfalls
auch andere Anordnungen verwenden. Beispielsweise kann das Hindernis porös sein
und das durch die Poren eingeführte oxydierende Gas auch eine Kühlwirkung hervorrufen.
Diese Wirkung kann auch in anderen Teilen der Vorrichtung hervorgerufen werden,
z. B. bei einer Stütze für das Hindernis, indem man dieses aus porösem Material
herstellt und Brennstoff oder Oxydationsmittel hindurchleitet. Wenn die Gasgeschwindigkeit
in der Verbrennungskammer sehr hoch ist, ist es zweckmäßig, eine Stabilisierung
der Flamme gegen Verzerrung vorzusehen, indem man die Verteilervorrichtung so anordnet,
daß die Luft oder der Sauerstoff auf beide Seiten der dünnen Fläche des Brennstoffs
geleitet wird. Eine ähnliche Wirkung kann man erzielen, wenn das Mundstück und der
Verteiler gegen die Durchflußrichtung gerichtet sind, indem man die Geschwindigkeit
der Luft oder des Sauerstoffs vorsichtig einstellt. Andererseits kann man das Hindernis
so groß ausbilden, daß die gesamte dünne Fläche des Brennstoffs von seiner Oberfläche
getragen wird, wodurch die Flamme gleichzeitig mechanisch gegen eine Verzerrung
geschützt wird. Im letzteren Falle verhält sich das Hindernis wie ein stark erhitzter
Mischer für das Verbrennungsgemisch.
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Es sei erwähnt, daß der durch das Mundstück der Stabilisierungsvorrichtung
eingeführte Brennstoff mit dem durch den Einlaß für das vorgemischte Gemisch in
die Kammer eingeführten Brennstoff identisch sein kann. Es kann auch vorteilhaft
sein, Wasserstoff als Brennstoff für die Stabilisierungsvorrichtung zu verwenden,
da er bei Verbrennung mit Sauerstoff eine sehr hohe Temperatur ergibt und da der
entstandene Dampf ein inertes Verdünnungsmittel ist, das leicht aus den Verbrennungsprodukten
auskondensiert werden kann. Der Brennstoff kann gegebenenfalls erst in der Verbrennungskammer
mit zugeführtem Sauerstoff vereinigt werden.
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Mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung kann man z. B. Acetylen und
andere ungesättigte Kohlenwasserstoffe, wie Äthylen, aus einem als Brennstoff dienenden
Kohlenwasserstoffbrennstoff herstellen. und zwar unter Ausnutzung der Verbrennungswärme
des Brennstoffs mit Luft und/oder Sauerstoff. Alaun erreicht dadurch eine Pyrolyse
und/oder ein Cracken von überschüssigem Brennstoff. Die entstandenen gasförmigen
Produkte werden schnell auf eine Temperatur abgekühlt, bei der die ungesättigten
Kohlenwasserstoffe stabil sind (gewöhnlich unter 2000 C), so daß ein gekühltes Gemisch
gewonnen wird, das einen beträchtlichen Anteil ungesättigter Kohlenwasserstoffe
enthält. Beispielsweise kann der Auslaß für die Verbrennungsprodukte in Verbindung
mit einer Kühlvorrichtung stehen, in der die Verbrennungsgemische schnell abgekühlt
werden können.
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Vorzugsweise wird als Kühlvorrichtung eine Gasturbine verwendet, in
der sich die Verbrennungsprodukte adiabatisch ausdehnen und nutzbare Arbeit leisten
können. Die Verwendung einer Gasturbine zur schnellen Abkühlung heißer Gase ist
in der hritischen Patentschrift 711 208 beschrieben. Ein Zurückschlagen der Flamme
in den Einlaßabschnitt der Verbrennungskammer kann nicht nur dadurch verhindert
werden, daß man die Durchflußgeschwindigkeit des Gasgemisches innerhalh des Einlaßabschnittes
größer hält als die Fortpflanzungsgeschwindigkeit der Flamme in dem Gemisch, sondern
auch
dadurch, daß man am Eingang des Einlaßabschnittes eine Flammenfalle anbringt, um
eine weitere stromaufwärts gerichtete Wanderung der Flamme zu verhindern. In diesem
Fall braucht die Durchflußgeschwindigkeit im Einlaß abschnitt nicht größer sein
als die Fortpflanzungsgeschwindigkeit der Flamme.
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Das Verfahren kann in jeder bekannten Weise in Betrieb genommen werden,
z. B. durch Funkenzündung, durch einen Glühkopf oder durch absichtliches Zurücksehlagenlassen
einer anfangs stabilisierten Flamme an irgendeinem Auslaß des Systems. Es kann sich
dabei um einen normalen Auslaß oder einen zusätzlichen Auslaß handeln, der nur zum
Zünden verwendet und dann geschlossen wird.
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Die durch die Pyrolyse und/oder das Cracken erzielte Ausbeute ungesättigter
Kohlenwasserstoffe hängt von der Verweilzeit des Reaktionsgemisches in der Verbrennungskammer
bei der hoben Temperatur ab. Die Verweilzeit bei verschiedenen Versuchen kann als
die Zeit ausgedrückt werden, die das Gemisch benötigt, die Verbrennungskammer bei
Raumtemperatur und Atmosphärendruck zu durchschreiten. Bei einem Versuch unter Verwendung
einer zylindrischen Verbfennungskammer mit einem Verhältnis Durchmesser zu Länge
von 2 : 9 ergab eine Verweilzeit von etwa 30 Millisekunden eines Gemischers von
1,6 Volumteilen Methan und 1 Volumteil Sauerstoff eine optimale Ausbeute. Bei einer
Verweilzeit von weniger als 15 Millisekunden und mehr als 50 Millisekunden ergab
sich eine beträchtliche Ausbeuteverminderung. Diese Verbrennungskammer führte zu
ähnlichen Ergebnissen, wenn man die Verbrennung periodisch unter einem Druck von
1,7 Atm. durchführte. Eine beträchtliche Acetylenausbeute von 5°/o oder darüber
kann man bei höherem Druck bis mindestens 5 Atm., aber bei verminderter Verweilzeit
erhalten. Ein Vorerhitzen des einfließenden Gemisches wirkt sich ebenfalls günstig
auf die Ausbeute aus, insbesondere wenn man Druck anwendet.
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Die in Fig. 1 gezeigte Vorrichtung, die insbesondere bei hohen Gasgeschwindigkeiten
verwendet wird, besteht aus einer zylindrischen, keramischen Verbrennungskammer
1, durch die ein brennbares Gemisch mit hoher Geschwindigkeit vom Ende 4, an dem
sich der Durchmesser der Kammer zu um einen Einlaß vermindert, zum Auslaß B fließt.
Sie ist mit einem hitzefesten Querteil 2 versehen, der in der Längsachse der Kammer
einen zylindrischen Vorsprung 3 aufweist, welcher als Hindernis wirkt.
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Gegen das Hindernis ist ein Strahl eines Kohlenwasserstoffbrennstoffs
aus dem axialen Mundstück 4 gerichtet, das von außen über eine Leitung 5 gespeist
wird. Durch die Rohre 6 und 7 kann über die Leitungen 8, 9 und 10 Luft oder Sauerstoff
zugeführt werden. Sie sind um das Mundstück 4 und den zylindrischen Vorsprung 3
so angeordnet, daß sie ringförmige Austrittsöffnungen 11 und 12 bilden. Dadurch
wird Luft oder Sauerstoff auf beide Seiten der diinnen Brennstoffscheibe herangeführt.
die sich durch den auf dem Vorsprung 3 aufstoßenden Brennstoffstrahl bilden.
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Bei der in Fig. 2 gezeigten Vorrichtung für verhältnismäßig niedrige
Gasgeschwindigkeit ist eine rohrförmige, feuerfeste Verbrennungskammer21. die am
Endet geschlossen und am Ausgang B geöffnet ist. mit einem Querteil 22 versehen,
der einen axial gerichteten zylindrischen Vorsprung 23 aufweist. Er bildet ein Hindernis
und bewirkt die Ausbreitung des durch eine in einem Mundstück 25 endende TRi-
tung
24 zugeführten Brennstoffs zu einer dünnen Scheibe. Die Leitung ist axial in einem
weiten Rohr 26 angeordnet, das sich an seinem inneren Ende verjüngt, so daß ein
ringförmiger Auslaß 27 zur Verteilung von Luft und Sauerstoff über die Scheibe gebildet
wird. Zahlreiche Öffnungen zur Einführung eines vorgemischten Gemisches, die bei
28 in die Kammer führen, sind kreisförmig um das Mundstück 25 und den Auslaß 27
angeordnet. Gegebenenfalls kann man Gemische unterschiedlicher Zusammensetzungen
durch verschiedene der zahlreichen Öffnungen für die endgültige Vermischung in die
Kammer einleiten.
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Es sei darauf hingewiesen, daß man die Funktion des gegen das Hindernis
gerichteten Mundstücks und der Verteilervorrichtung, die Luft oder Sauerstoff der
dünnen Schicht zuführen soll, umkehren kann.
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Man kann die Vorrichtung auch so verwenden, daß man Luft oder Sauerstoff
durch das Mundstück leitet und zu einer dünnen Schicht ausbreitet, auf die der Brennstoff
aus der Verteilervorrichtung auftrifft.
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Bei der in Fig. 3 schematisch gezeigten Anordnung ist ein Vermischer
29 aus einem feuerfesten Stoff quer in der Verbrennungskammer 1 angebracht. Der
Vermischer hat die Gestalt eines Stabes, der einen kreisförmigen, einen rechteckigen
oder einen polygonalen Querschnitt aufweisen kann. Man kann auch mehrere, z. B.
ein Gitter bildende, parallel angeordnete Mischer verwenden.
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In der Fig. 4 ist ein hohler, konischer Mischer 30 gezeigt, der durch
die Stützen 31 von der Wand der Verbrennungskammer 1 getragen wird. Der Mischer
und die Stützen bestehen aus feuerfestem Stoff.
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In der Fig. 5 ist eine abgewandelte Form eines konischen Mischers
32 gezeigt, der ebenfalls an den Stützen 31 angebracht ist. Er ist massiv, besteht
aus feuerfestem Stoff und ist mit seiner Basis gegen den Strom des durch die Kammer
1 fließenden Verbrennungsgemisches angeordnet. Die Basis dieses Mischers kann das
erwähnte Hindernis darstellen und kann z. B. den Querteil 22 und den Vorsprung23,
die in Fig. 2 gezeigt sind, ersetzen. In den Anordnungen nach Fig. 2 können der
Querteil 22 und der Vorsprung 23 oder nach Fig 5 die Stütze 31 und der konische
Mischer 32 aus porösem Material hergestellt werden, durch das z. B. Sauerstoff,
Luft oder Brennstoff eingeleitet wird, um diese Gase zu der sich am Hindernis ausbildenden
Flamme zu befördern.
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Versuche mit einer Vorrichtung nach Fig. 2 haben die folgenden Ergebnisse
gezeitigt.
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Der größte Teil der Verbrennungskammer B hatte eine zylindrische
Gestalt, einen Durchmesser von 6,35 cm und eine Länge von 38,10cm. Es waren sieben
Zuleitungen 28 für den vorgemischten Kohlenwasserstoffbrennstoff und den Sauerstoff
vorgesehen.
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Der verwendete gasförmige Kohlenwasserstoff hatte folgende Zusammensetzung:
850/0 Methan, 7,50/0 Kohlendioxyd und 7,5 O/o Stickstoff. Bei einem Durchfluß von
etwa 92 m3 Kohlenwasserstoff je Stunde und etwa 47 m3 Sauerstoff je Stunde durch
die Verhrennungskammer bei etwa Atmosphärendruck und Raumtemperatur und einem Durchfluß
von etwa 8.7 m3 Kohlenwasserstoff je Stunde durch das Mundstück 25 und etwa 5,6
m3 Sauerstoff je Stunde durch den Auslaß 27 wurde eine stabile Verbrennung des Hauptgemisches
bei einem Volumenverhältnis von Brennstoff zu Sauerstoff wie 1,96 :1 erzielt.
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Die Ausbeute an Acetylen, bezogen auf die trockenen Verbrennungsprodukte,
betrug mehr als
6 Volnmprozent. Damit ist noch nicht das optimale
Mischungsverhältnis erreicht, das man unter Aufrechterhaltung stabiler Verbrennungsbedingungen
umsetzen kann. Auch stellen diese Angaben noch nicht eine optimale Ausbeute an Acetylen
dar. Die entstandenen Gase enthielten auch beträchtliche Mengen Wasserstoff und
Kohlenmonoxyd im Verhältnis 2 :1, die man als Synthesegas weiter verwenden konnte.
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PATENTANSPR OCHE 1. Verfahren zur Herstellung ungesättigter Kohlenwasserstoffe
durch unvollständige Verbrennung gasförmiger, gesättigter Kohlenwasserstoffe mit
Luft oder Sauerstoff, dadurch gekennzeichnet, daß man ein von den stöchiometrischen
Verhältnissen stark abweichendes, Kohlenwasserstoffe und molekularen Sauerstoff
enthaltendes Gemisch mit großer Strömungsgeschwindigkeit durch eine Verbrennungskammer
leitet, in der die unvollständige Verbrennung durch eine unabhängige, vorzugsweise
scheibenförmige Flamme stabilisiert wird.