Umwelttechnik-Abluftreinigung

  1. Was ist Emission?
    Austrag, Ausstoß von Störfaktoren in die Umwelt
  2. Was ist Immission?
    Eintrag, Einwirkung an bestimmten Ort, Person oder Lebewesen
  3. Definition von Abluft?
    "Verbrauchte Luft" chemisch betrachtet ähnlich Luft + einige abzutrennende Stoffe (insbesondere Lösungsmittel z.B. aus Beschichtungen, Farbschichten, Klebstoffen)
  4. Welche Möglichkeiten zur Abluftreinigung gibt es?
    • Absorption
    • Adsorption
    • Kondensation
    • Oxidation
  5. Welche Schwierigkeiten treten bei der Abluftreinigung auf?
    Lösungsmittel ist leichtflüchtig (Hoher Dampfdruck), d.h. es verdunstet ohne Aufheizung, was das Einfangen erschwert
  6. Nach welchen Kriterien wird das Verfahren ausgewählt?
    • Stoffart
    • Menge
    • Konzentration
    • Temperatur
    • kontinuierlicher oder diskontinuierlicher Anfall
  7. Welche Oxidativen Verfahren gibt es?
    • Thermische Nachverbrennung (TNV) 
    • Katalytische Nachverbrennung (KNV)
    • Biologische Oxidation mit Biowäscher
    • Biologische Oxidation durch Biolfilter
  8. Thermische Nachverbrennung 
    Welchen Effekt nutzt es? 
    Wie lautet die Reaktionsgleichung?
    Welche Bedingung gibt es?
    • Die meisten organischen Verbindungen (C,H) lassen sich bei temperaturen 750-1000° zu CO2 und H2O oxidieren 
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    • Oxidationsbedingung: Lange genug, bei ausreichen hoher Temperatur (Stoffabhängig)
  9. TNV-Vorgehensweise für kleine Konzentrationen 
    Stützfeuerung
    • Erforderliche Zündtemperatur und damit die Aktivierungsenergie der TNV wird durch Stützfeuerung und /oder Vorwärmung erreicht 
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    • Abluft wird im Wärmetauscher vorgewärmt (Auf ca. 790°C) und dann im Ofen mit zusätzlichem Stützfeuer auf 800°C erhitzt
    • Das heiße Reingas dient dann wiederum dem Aufwärmen der Abluft im Wärmetauscher und wird dann mit einer Temperatur von ca. 30°C an die Umwelt abgegeben. 

    • Stützfeuerung ist vor allem am Anfang wichtig
    • Große Energieeinsparung durch Vorwärmen mit aufgeheizter Luft
  10. Welche Schadstoffkonzentrationen y benötigt man für einen autothermen Betrieb? 
    Was besagt die Faustformel?
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    • Faustformel: 1g organisches Lösemittel/Nm^3 führt zu einer Temperaturerhöhung um 30K , d.h. für eine Ofentemperatur von 770°C würde man 25g Lösemittel pro Normkubikmeter Abluft benötigen 
    • Aber: MAK Zahlen z.B. für Ethanol = 960mg/Nm^3 und Explosionsgefahr bei zu hohen Konzentrationen
  11. Vorteile und Nachteile der TNV
    • Vorteile:
    • Einfaches Prinzip
    • Einfacher Anlagenaufbau und günstiger Preis
    • gute Reinheitsgrade
    • Flexibel bezüglich der Stoffart, Konzentration und Volumenschwankungen

    • Nachteile:
    • Hohe Temperaturen=Teuer weil Thermospannungen bei Werkstoffauswahl berücksichtig werden müssen
    • Ungünstige Nebenprodukte z.B, mit Schwefel, Stickstoff und Chlor
    • Keine Rückgewinnung des Lösungsmittels möglich
  12. Was ist die Katalytische Nachverbrennung KNV?
    • Einbringung von Katalysatoren bewirkt....
    • Absenkung der Temperatur auf 300-400°C--> Weniger Brennstoff notwendig
    • Erhöhen der Reaktionsgeschwindigkeit durch herabsetzen der Aktivierungsenergie
    • Bilden von Zwischenprodukten mit Reaktanden und Freisetzung dieser bei Bildung der Endprodukte
    • Schadstoffe werden an die Katalysatoroberfläche transportiert und dort gebunden
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  13. Welche Anforderungen an Katalysatoren gibt es?
    • Preis, Verfügbarkeit, Menge
    • Selektivität
    • Lebensdauer/Regenerierbarkeit
    • Umweltfreundlichkeit
    • Niedrige Anspring- und Arbeitstemperatur (T=350-450°C)
    • Unempfindlichkeit für Katalysatorgifte
    • Mechanische Stabilität
    • unerwünschte chemische Reaktionen verhindern (Korrosion durch Säuren)
    • Thermisch stabil (ohne Verzinkung)
  14. Apparativer Aufbau der KNV
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  15. Vorteile und Nachteile der KNV
    • Vorteile: 
    • einfacher apprarativer Aufbau bleibt
    • Energiebedarf geringer (ohne Vorwärmer-Wärmetauscher möglich)
    • Weniger NOx-Bildung 

    • Nachteile: 
    • Kosten für Katalysator
    • Spezifische Wirksamkeit-->Empfindlich für Inhaltsstoffveränderungen
    • kein Rückgewinnung bleibt 
    • Empfindlich gegenüber Katalysatorgiften
  16. Biologische Oxidation 
    Für welche Bereich eignet sie sich? 
    Was passiert?
    • Biologische Verfahren eignen sich für kleine Abluftbeladungen und wasserlösliche Stoffe. 
    • In biologischen Abluftreinigungsanlagen werden mesophile Mikroorganismen eingesetzt, die im Temeraturbereich von 5-40°C aktiv sind und überwiegend Kohlenstoff abbauen
    • Der optimale Temperaturbereich liegt zwischen 25 und 35°C
    • Ein feuchtes Mileu ist ausschlaggebend, da sie nur gelöste Schadstoffe aufnehmen

    • Fazit
    • Biologische Prozess mit Verstoffwechslung der Schadstoffe durch Mikroorganismen (es entsteht CO2 und H2O)
    • Da sie nur gelöste Stoffe aufnehmen, muss man die Abluft vorher in Wasser Lösen
  17. Aufbau Biowäscher
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    • Unterscheidung zwischen Belebtschlammverfahren mit separater Waschmittelreinigung im externen Reaktor und dem Tropfkörperverfahren mit integrierter Waschwasserreinigung
  18. Welche Vor- und Nachteile hat der Biowäscher?
    • Vorteile: 
    • Verweilzeit in beiden Apparaten unabhängig
    • Puffer bei schwankendem Volumenstrom und Gasbeladung
    • Geringerer Platzbedarf als Biolfilter

    • Nachteile: 
    • 2 Apparaten und Pumpen notwendig
  19. Wie funktionieren Biolfilter?
    • In Biolfiltern wird das Abgas durch eine feuchte biologisch aktive Schicht geleitet
    • Mikroorganismen sind auf der Oberfläche des Filtermaterials angesiedelt und setzen die durch Adsorption und Absorption angelagerten Schadstoffe zu CO2 und H2O um
    • Die Schütthöhe des Filters legt die Verweilzeit fest (ca. 1m) 
    • Haufwerke dienen als Trägermaterial auf dem sich biologischer Rasen bildet
    • Dieses wird von der Abluft durchsrömt und muss feucht gehalten werden 
    • Trägermaterial: Zweige, Rindenstücke, grober Kompost
    • Abbau ist aerob
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  20. Welche Bedingungen und welche Einsatzgebiete der biologischen Oxidation gibt es?
    • Schadstoff muss wasserlöslich sein 
    • Schadstoff muss biologisch abbaubar sein
    • Abluft darf keine für Mikroorganismen toxischen Stoffe enthalten
    • Benötigt spezifische Bakterienpopulation

    • in Lebensmittelherstellung (Filtern von Geruchsstoffen)
    • in Kompostwerken
    • Tierkörperverwertungsanlagen
  21. Vor und Nachteile biologische Oxidation?
    • Vorteile: 
    • Geringer Energiebedarf
    • Niedrige Temperatur (kaum thermische Belastung)
    • Umweltfreundlich
    • günstig, einfache Anlagen 
    • Nachzüchten der Bakterien leicht 

    • Nachteile: 
    • Entsorgung/Verwertung der Abfallstoffe (Schlamm)
    • Hoher Platzbedarf, große Verweilzeiten
    • Limitiert auf Wasserlösliche und biologisch abbaubare Schadstoffe
    • Vorsichtige Behandlung der Organismen motwendig
    • keine Rückgewinnung
    • Nur für kleine Volumenströme und Gasbeladungen, da sehr langsame Oxidation
    • keine Schwankungen der Volumenströme möglich
  22. Was sind regenerative Verfahren? 
    Welche gibt es?
    Verfahren mit Rückgewinnung des Schadstoffes im flüssigen oder festem Zustand

    • Kondensation: Dampf unter Taupunkt abkühlen -->aufnehmende flüssige Phase besteht nur aus diesem Stoff
    • Physikalische Absorption: Zusätzliche aufnehmende Phase (flüssig)
    • Chemische Absorption: Zusätzliche aufnehmende Phase, enthält Bestandteile, die chemische Reaktion ermöglichen
  23. Kondensation
    Was ist relevant? 
    Ermittlung der notwendigen Temperatur? 
    Wann wird es eingesetzt?
    • Relevante Stoffwerte: Siedetemperatur und Dampfdruck
    • Notwendige Temperatur: Ablesbar aus Dampfdruckkurve
    • Partialdruck sinkt mit Kondensation 

    Einsatz: bei kleinen, hochkonzentrierten Abluftströmen, insofern das Lösemittel sehr preisintensiv ist oder bei der Oxidation unerwünschte Nebenprodukte erzeugt würden 

    Bsp: Geschlossener Trocknerkreislauf
  24. Apparative Gestaltung der Kondensationsanlage
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    • Kühlung notwendig um Taupunkt zu erreichen und um Kondensationswärme abzuführen
    • Unterscheidung in direkte und indirekte Kondensation
  25. Indirekte Kondensation-Apparativer Aufbau
    • Lösemittelhaltiger Gasstrom wird mit Kühlsohle oder Kältemittel gekühltSättigungsgrenze wird überschritten und ein Teil des Lösemittels auskondensiertje tiefer gekühlt wird, desto mehr Lösemittel werden verflüssigt
    • Bsp.: Rohrbündelwärmeübertrager
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    • Abluft strömt durch die Rohre von oben nach unten und wird mantelseitig gekühlt mit verdampfenden Kältemittel
    • Das Auskondensierte Lösemittel läuft ab in die Vorlage
    • Reinigung bei Partikeln oder Polimerisationsreaktionen
    • Bildung von Wasser
  26. Direkte Kondensation
    • Auch "kalte Wäsche" genannt
    • Die im Abluftstrom enthaltenden Lösemitteldämpfe werden im direkten Kontakt mit kalter Flüssigkeit kondensiert
    • z.B. Sprudelkühler, Blasensäule, KolonnenkühlerImage Upload 10
  27. Einteilung der Kondensationsart nach Temperaturniveau
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  28. Vorteile und Nachteile der Kondensation
    • Vorteile:
    • Rückgewinnung des Lösemittels
    • keine unerwünschten Reaktionsprodukte
    • Kompensation von Teilen des Energiebedarfs durch Prozessintegration 

    • Nachteile:
    • Hoher Energiebedarf
    • Nur für hohe Gasbeladungen 
    • Vereisung und Verblockungsgefahr

    Apparativer Aufwand ist stark von der Art der Anlage abhängig, weswegen er keinem der oberen beiden zugeordnet werden kann
  29. Beschreibe die Abluftreinigung durch Adsorption 
    Nomenklatur?
    • Adsorptiv: Stoff der adsorbiert wird
    • Adsorbens: Oberfläche des Festkörpers
    • Adsorbat: Teilchen auf der Oberfläche
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    • Bei der adsorptiven Abluftreinigung wird meistens Aktivkohle als Adsorbens eingesetzt
    • Abluft durchströmt abwechselnd die beiden Adsorber
    • Die Lösemittel werden an der großen Oberfläche der Aktivkohle adsorbiert
    • Die Regeneration erfolgt häufig mit Dampf zum Aufheizen und Ausstrippen der Lösemittel
    • Danach wird mit Heißluft getrocknet und mit Kaltluft gekühlt
  30. Beschreibe den Adsorptionsvorgang (bei turbulenter Kernströmung außen)
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    • 1. Stofftransport durch Grenzschicht an Kornoberfläche (Filmdiffusion) 
    • 2. Stofftransport in den Poren (Korndiffusion)
    • 3. Adsorption (und Kondensation-->Kapillarkondensation durch Adhäsionskräfte möglich) exotherm an innerer Oberfläche
    • Wärmetransport im Korn
    • Wärmetransport durch Grenzschicht an ungebundenes Gas

    Desorption ist umgekehrte Schrittfolge
  31. Korndiffusion
    Welche Arten der Poren gibt es?
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    • Die Mehrzahl der Adsorbentien besitzen Poren mit Durchmessern in allen 3 Größenbereichen
    • In den wenigsten Fällen ist die Porengröße homogen
    • Makro und Mesoporen: Moleküle bewegen sich mit
    • Freie Gasdiffusion λ<Porenweite --> Stöße untereinander dominieren
    • Knudsendiffusion λ>Porenweite --> Stöße mit Porenwänden dominieren
    • Mikroporen: Diffusion als aktivierter Vorgang entlang der Oberfläche mögliich
  32. Welche Arten der Adsorptiven Trenneffekte gibt es? 
    Beschreibe sie
    • GGW Effekt: Unterschiedliche Stärke der WW-Energie zwischen Adsorptionsmittel und Übergangskomponente durch unterschiedlicher GGW-Beladung führt dazu, dass einige Komponenten wesentlich stärker gebunden werden
    • Kinetischer Effekt: Diffusionsgeschwindigkeit in Poren ist unterschiedlich
    • Eine Komponente wird wesentlich schneller vom Adsorbens adsorbiert als die andere
    • Effektive Diffusionskoeffizienten der Gase sind sehr unterschiedlich
    • Molekularsiebeffekt (sterischer Effekt): Trennung nach der Molekülgröße durch Adsorptionsmittel mit einheitlicher, sehr engen Größenverteilung der Poren
    • Moleküldurchmesser der zu trennenden Gase müssen unterschiedlich sein 
    • Molekularsiebe auf Basis von Zeolithen oder Kohlenstoffe sehr gut
  33. Was gibt es für Adsorptionsmittel? 
    Wovon hängt die Wahl ab?
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  34. Welche Eigenschaften sollte das Adsorptionsmittel haben?
    • Spezifische Oberfläche hoch (Unterscheidung zwischen Innerer- und Äußerer-Spezifischen-OF...äußere ist vernachlässigbar)
    • Kostengünstig
    • chemisch, thermisch und mechanisch stabil
    • Druckverlust
    • Desorbierbarkeit
    • Selektivität
    • GGW-Beladung
  35. Was bedeutet Durchbruch im Adsorber?
    • Der Durchbruch ist eine Kenngröße der Adsorption. Damit wird der Konzentrations-Anstieg einer ausgewählten Komponente auf der Abströmseite eines Adsorbers über eine willkürlich gewählte Größe bezeichnet. Das Durchbruchsverhalten unter verschiedenen Randbedingungen wird mithilfe von Durchbruchskurven beschrieben. Diese beschreiben den Verlauf der Konzentration eines Adsorptivs am Ausgang eines Adsorbers aufgetragen über die Zeit.
    • Von einem Durchbruch wird dann gesprochen, wenn die Konzentration der abzuscheidenden Komponente am Adsorberausgang eine willkürlich gewählte Konzentration übersteigt.

    Nach dem Durchbruch wird Bett regeneriert, deshalb benötigt man immer 2 Apparate im Wechsel
  36. Adsorptionswärme
    • Übergang von fluider zur festen Phase durch Wärmefreisetzung
    • Adsorptionsenthalpie ist 1-3 x Kondensationswärme
    • Gefahr von Hot Spots an schlecht durchströmten Stellen, da Kühlwirkung des Gases entfällt
    • Selbstentzündung der Aktivkohle oder des Koks möglich
  37. Welche Möglichkeiten gibt es eine Desorption durchzuführen?
    • Desorption in Gasphase: Druckwechseladsorption (p senken) oder Temperaturwechseladsorption (T steigern)
    • Desorption in Flüssigphase: Fluten oder berieseln des Adsorptionsmittels mit Lösungsmittel
    • Reaktivierende Desorption: Selektive Vergasung für starke Bindungskräfte und Zersetzungsprodukte
  38. Vorteile der Adsorption
    • Gute und einfache Ablfutreinigung für nicht wasserlösliche Komponenten
    • Anlagerung des Schadstoffes an Feststoffoberfläche
    • Rückgewinnung mit guter Reinheit (Gerine Restkonzentrationen erreichbar)
    • Volumenstrom und Gasbeladungsschwankungen möglich
  39. Nachteile der Adsorption
    • Hoher apparativer Aufwand
    • eher langsam
    • Preis des Adsorptionsmittels je nach Wechselhäufigkeit 
    • Energieaufwand für Desorption 
    • Aufwand der MSR-Technik und Störanfälligkeit 
    • Lösemittel-Wasser-Gemische sind schwierig aufzubereiten wenn Lösemittel wasserlöslich und Azeotrope bilden 
    • Brandgefahr durch die Adsorptions- und Reaktionswärme (MEK)
    • Chemische Umsetzung
    • Verstopfung durch Abluft mit klebrigen Feststoffen oder Fasern
  40. Was ist Absorption?
    • Ist die Aufnahme und das Lösen von Gasen und Dämpfen in einer Flüssigkeit
    • Einteilung nach Bindungskräften zwischen den Übergangskomponenten
  41. Physikalische und chemische Absorption
    • Physikalisch: Rein physikalische Löslichkeit
    • Van der Waals Kräfte
    • Relativ lockere Bindung
    • Chemisch: Chemische Reaktion mit zumindest einer Komponente des Absorptionsmittels 
    • neuer Stoff entsteht
    • relativ feste Bindung
  42. Physikalische Absorption
    Welche 3 Desorptionsvarianten gibt es?
    • Druck senken: als alleinige Variante bei Abluftreinigung meist nicht ausreichend, da der Gesamtdruck meist 1 bar und damit Vakuum nötig wäre
    • Temperaturerhöhung: häufig mehrstufige Destillation/Rektifikation 
    • Strippgas/-dampf: Dampf ist eher auskondensierbar, zusätzlich Temperaturerhöhung nötig
  43. Physikalische Absorption
    Schema einer Absorptions-Desorptions-Anlage
    Apparative Umsetzung durch welche Apparate?
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    • Füllkörperkolonne
    • Bodenkolonne
    • mehrstufiger Sprühwäscher
    • Rotationswäscher
  44. Physikalische Absorption
    Auswahlkriterien Absorptionsmittel
    • Preis/Verfügbarkeit
    • Selektivität
    • Umweltfreundlichkeit/ungiftig
    • Kinetik
    • Sicherheitsaspekte (Brennbarkeit, Korrosivität)
    • Thermisch und chemisch Stabil
    • gute Regenerierbarkeit
    • Entsorgung
    • Viskosität
    • Hohe Beladbarkeit bei geringer Gasanteil
    • geringer Dampfdruck
  45. Waschmittel für physikalische Absorption
    • H2O-Dampf: gute Löslichkeit für polare Lösemittel (Alkohole, Ketone)
    • Kohlenwasserstoffewaschöle: Abscheidung von unpolaren Dämpfen
    • hoher Dampfdruck :( 
    • Glykolether: löst polare und unpolare Stoffe 
    • niedrige Viskosität :) 
    • niedriger Dampfdruck :) 
    • erhöhter Regenerationsaufwand :( 
    • Silikonöle: Geringer Dampfdruck :) 
    • hohe Viskosität :(
    • Wasserdampfstrippen unter Normaldruck für Desorption
  46. Vorteile der Physikalischen Absorption
    • Rückgewinnung mit hoher Reinheit 
    • günstig
    • Volumenstrom- und Gasbeladungsschwankungen möglich
    • für hohe Gasbeladungen und VOlumenströme geeignet
    • kontinuierlicher Betrieb möglich 
    • hohe Betriebssicherheit
    • Für viele üblichen Lösemittel ist ein Waschmittel vorhanden
  47. Nachteile der Physikalischen Absorption
    • Strenge Reingasanforderungen kaum erfüllbar, evtl nachgeschaltetes Verfahren notwendig
    • Hilfsstoffe erforderlich (Waschmittel)
    • Waschmittel Emission ins Reingas
    • Hoher Regenerationsaufwand
    • CO-Absorption physikalisch nicht selektiv
  48. Welche 2 Schritte hat die chemische Absorption?
    • 1) physikalisches Lösen der Übergangskomponente in Waschmittel
    • 2) chemische Reaktion von Übergangskomponente und einem Bestandteil des Waschmittels

    Gelöste Übergangskomponente reagiert ständig weg und wird dem physikalischem GGW damit entzogen

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  49. Chemische Absorption 
    Allgemeine Reaktion 
    Massenwirkungsgesetz (MWG)
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    • Reaktion ist eine GGW Reaktion und wird durch Temperaturerhöhung rückgängig gemacht 
    • Auch der Verbrauch des Waschmittels ud das Entstehen eines nicht regerierbaren Produkts möglich /(Entsorgung oder Verwendung)
  50. Kinetik 
    Vergleich physikalische-chemische Absorption
    • Bei chemischer Absorption ist eine geringere Verweilzeit ausreichend
    • Physikalische Absorption: Lösemittelmoleküle lösen sich an Phasengrenze in Waschmitteltropfen und diffundieren langsam durch laminare Grenzschicht in den Kern hinein
    • chemische Absorption: Reaktionspartner diffundieren von innen in die Grenzsschicht hinein 
    • auf "halben Weg" treffen sie sich und reagieren meist schnell
    • Entfernung aus dem Physikalischen GGW
    • nächstes Lösemittelmolekül erfährt selbe hohe Triebkraft
    • Chemische Absorption hat eine schnellere Kinetik
  51. chemische Absorption
    Apparativer Aufbau? 
    Desorption?
    • Aufbau wie bei physikalischer Absorption aber...!
    • Ausnahme: Entstehung von Feststoffen ---> Verblechungsgefahr bei Füllkörper/Packungskolonnen...hier ist ein Sprüh- oder Strahlwäscher besser
    • Desorption: Wenn regenerierbar dann durch Temperaturerhöhung
  52. Chemische Absorption
    Welche Waschmittel werden eingesetzt?
    • häufig H2O mit chemisch aktiver Komponente wie
    • Natronlauge: organische Säuren, Phenole, Chlor
    • Schwefelsäure: Amine, Ammoniak, Ethylenoxid
    • Kalkmilchwäscher: SO2
  53. Vor- und Nachteile chemische Absorption
    • Vorteile: 
    • selektiv
    • geringere Kolonnenhöhe (Kosten)
    • geringere Restkonzentration erreichbar

    • Nachteile: 
    • Verblechungsgefahr bei Feststoffbindung
    • Unerwünschte Nebenprodukte (Waschmitteldegradation, Korrosion)
    • Betriebskostenerhöhung wegen Energiebedarf der Regeneration 
    • Gasbeladungsschwankungen problematisch
Author
Tabbe
ID
341791
Card Set
Umwelttechnik-Abluftreinigung
Description
Abluftreinigung
Updated