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Die
Erfindung betrifft einen Hochgradienten-Magnetabscheider gemäß dem Oberbegriff
des ersten Patentanspruchs.
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Die
Abtrennung ferro-, ferri- oder paramagnetischer Partikel aus flüssigen oder
gasförmigen Fluiden
mittels Magnetscheider ist ein in zahlreichen Varianten genutztes
Grundprinzip der Verfahrenstechnik. Ein besonderer Vorteil des Prinzips
der Magnetscheidung liegt in der Möglichkeit, magnetische Partikel
aus einer Mischung mit anderen nicht magnetischen Partikeln selektiv
abzutrennen. Die Wahl des Magnetscheiders richtet sich dabei nach
der Größe und den
magnetischen Eigenschaften der Partikel.
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Grobe
stark magnetische Partikel, wie z.B. Magnetiterze mit Partikelgrößen > 75μm lassen sich danach bereits
mit einfachen Trommel- oder Bandscheidern abtrennen. Feinere stark
magnetische Partikel lassen sich aus wässrigen Suspensionen bis zu
einer Größe von ca.
10–20 μm ebenfalls
noch mittels spezieller Trommelscheider erfassen. Für noch feinere
Partikel im Mikrometerbereich (ca. 0,1 bis 20 μm) kommt dagegen bisher nur
sogenannte Hochgradienten-Magnetseparation zum Einsatz.
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Das
Funktionsprinzip von Hochgradienten-Magnetseparatoren beruht auf
der Generierung und Bündelung
starker Feldstärkegradienten
durch das Einbringen einer ferromagnetischen Matrix in ein äußeres Magnetfeld.
Die magnetisierbaren Elemente der Matrix bestehen meist aus ungeordneter
Stahlwolle bzw. geordneten Drahtnetzen oder profilierten Metallplatten.
Sie werden durch das äußere Feld
aufmagnetisiert und bilden ihrerseits Magnetpole aus, die das äußere Feld
stellenweise verstärken
oder auch abschwächen.
Durch die entstehenden, hohen Feldstärkegradienten resultiert eine
starke Magnetkraft auf para- bzw. ferromagnetische Partikel in Richtung
höherer
Feldstärke.
Die Partikel lagern sich an den induzierten Magnetpolen der Matrix
an und sind damit aus dem Fluid abgeschieden.
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Durch
die Möglichkeit
der Generierung sehr hoher Feldgradienten und somit entsprechend
hoher Magnetkräfte
in Verbindung mit einer feinmaschigen Matrix ist das Verfahren der
Hochgradienten-Magnetseparation sehr effektiv, wenn es darum geht,
geringe Mengen magnetischer Verunreinigungen aus einer Suspension
zu entfernen. Typische Einsatzbeispiele finden sich in der Kaolinitaufbereitung
oder in der Entfernung von Korrosionsprodukten aus Kondensatkreisläufen.
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Nach
einer bestimmten Betriebszeit sind jedoch die Beladung des Separators
mit abgeschiedenen magnetisierbaren Partikeln so hoch, dass die Aufnahmekapazität des Magnetabscheiders
erschöpft
ist und eine Matrixabreinigung erforderlich ist. Üblicherweise
erfolgt die Matrixabreinigung nach Abschalten des Magnetfelds mit
einem starken Wasserstrahl beziehungsweise einer Rückspülung mit hohen
Fluidgeschwindigkeiten im Filter. Bedingt durch Form und Aufbau
der Matrix, die beispielsweise aus Stahlwolle oder geschichteten
Drahtgeweben besteht und somit zahlreiche Zwischenräume aufweist,
kommt es im bereich der Matrix lokal zu sogenannten Totvolumina,
d.h. zu Bereichen, die nicht oder nur sehr langsam durchströmt werden.
Zudem begrenzen der Wunsch, das Volumen des anfallenden Spülkonzentrats
möglichst
gering zu halten sowie die maximale Förderleistung der Pumpen die Menge
des eingesetzten Spülfluids
und die erreichbare Fließgeschwindigkeit
während
des Spülvorgangs.
Als Folge wird nur eine unvollständige
Abreinigung erzielt. Insbesondere Partikel mit einer hohen Remanenzmagnetisierung
lassen sich nur schwer wieder entfernen. Die Konsequenz ist eine
weiterhin starke Haftung dieser Partikel an den Matrixdrähten, was
die Abreinigungseffizienz signifikant beeinträchtigt.
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Während zur
Thematik der Partikelabscheidung eine Vielzahl von Patenten und
Veröffentlichungen
vorhanden ist, liegen auf dem Gebiet der Filterrückspülung und Matrixabreinigung
nur sehr wenige Untersuchungen vor. Eine wirkungsvolle und vollständige Matrixabscheidung
ist aber wesentlich für viele
Anwendungen, allein auch um technischen, ökonomischen sowie ökologischen
Rahmenbedingungen gerecht zu werden. Insbesondere dann, wenn die
magnetische Abtrennung von magnetisierbaren Partikeln als wichtiger
Teilschritt in einen kontinuierlichen Gesamtprozess eingebunden
ist, verlangt ein optimaler Filterbetrieb eine Minimierung der Dauer
der Matrixabreinigung sowie der hierfür erforderlichen Spülfluidmenge.
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Bei
bestimmten Anwendungen, beispielsweise im Abwasserbereich, ist eine
vollständige
Matrixabreinigung nicht unbedingt notwendig, aber wünschenswert
und ökonomisch
geboten, um die Separatorkapazität
auszuschöpfen.
Die Matrixabreinigung erfolgt dabei durch Spülwasser mit hohen Fließgeschwindigkeiten
im Gegenstrom.
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In
der
US 5.019.272 wird
ein Hochgradienten-Magnetseparator mit einem in Rotation versetztes
Filtergehäuse
mit Matrix offenbart, wobei die Matrix im Einfluss eines Permanentmagneten
steht. Die Abreinigung der Filtermatrix erfolgt mittels einer Kombination
aus pulsierender Zulaufströmung,
Zentrifugalkräften
und einem magnetischen Wechselfeld. Die Rotationsbewegung ist bei
diesem Konzept allerdings zunächst
nicht zum Zweck des Energieeintrags für die Abreinigung vorhanden,
sondern zur Erzeugung eines magnetischen Wechselfeldes auf Permanentmagnetbasis.
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Ausgehend
davon ist es Aufgabe der Erfindung, einen Hochgradienten-Magnetseparator
vorzuschlagen, welcher eine mechanisch einfache, robuste, flexible
und kostengünstige
Vorrichtung zur effizienten Matrixabreinigung umfasst.
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Die
Aufgabe wird durch die kennzeichnenden Merkmale in Anspruch 1 gelöst; die
hierauf bezogenen Unteransprüche
beinhalten vorteilhafte Ausführungsformen
dieser Lösung.
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Die
Erfindung besteht aus einem Hochgradienten-Magnetabscheider zum selektiven Abscheiden magnetisierbarer
Partikel aus einer Suspension, umfassend eine in einem Magnetsystem
positionierbare Matrix als Separierungszone. Die Matrix wird durch plattenförmige magnetisierbare
und von der Suspension durchströmbare
Separationsflächen
in aneinander gereihte Teilvolumina unterteilt. Ferner weist sie Bereiche
auf, die als Zulauf oder als Ablauf der Suspension dienen, wobei
zwischen einem Zulauf und einem Ablauf mindestens zwei Separationsflächen angeordnet
ist. Vorzugsweise erstreckt sich die Matrix über ein abgeschlossenes Volumen,
wobei die Zuläufe
und Abläufe
durch konkrete Leitungen in dieses Volumen gebildet werden. Die
Separationsflächen werden
bevorzugt durch Drahtgewebe oder perforierte Metallfolien oder -bleche
gebildet und können
zum Auffangen der Kräfte
aus einer Fluidströmung
oder zum Einspannen und Befestigen mit Verstärkungsstrukturen versehen sein.
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Zum
selektiven Abscheiden magnetischer Partikel aus einer Suspension
wird diese als Fluidstrom über
den Zulauf in die Matrix und in dieser durch mindestens zwei Separationsflächen geleitet. Nach
Durchlaufen der Separationsflächen
verlässt der
Fluidstrom die Matrix durch einen Ablauf, wobei die magnetisierbaren
Partikel magnetisch auf den Separationsflächen zurückgehalten werden.
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Wesentliches
Gestaltungsmerkmal der Erfindung und mit besonders vorteilhafter
Wirkung bei einer Matrixabreinigung ist die Unterteilung der Separationsflächen in
mindestens zwei Gruppen. Die Separationsflächen jeder Gruppe sind mechanisch
beispielsweise über
ein Gehäuse,
einen Träger
oder eine Welle starr miteinander gekoppelt und im Hochgradienten-Magnetseparator entweder
fest eingesetzt oder beweglich gelagert. Bevorzugt sind die Separationsflächen in
zwei Gruppen unterteilt, wobei sich die Gruppenzugehörigkeit
der vorzugsweise parallel zueinander in der Matrix angeordneten
Separationsflächen
abwechselt. Dabei ist eine Gruppe fest im Gehäuse eingesetzt und die zweite
Gruppe gemeinsam auf einem beweglich gelagerten Träger aufgesetzt,
wobei eine abwechselnde Anordnung der Separationsflächen aus
den verschiedenen Gruppen in der Matrix vorgesehen ist. Der beweglich
gelagerte Träger
ist vorzugsweise motorisch oder aktorisch angetrieben, wobei die
ausführbare
Bewegung zyklisch ist, d.h. rotatorisch und/oder in eine oder mehrere Richtungen
translatorisch oszillierend. In einer bevorzugten Ausführungsform
umfasst der Träger
eine drehbar und/oder lateral bewegbar gelagerte Welle, um die sich
die Matrix und die Separationsflächen
rotationssymmetrisch erstrecken. Die Frequenz der Dreh- bzw. oszillierenden
Relativbewegung liegt je nach konstruktiver Gestaltung üblicherweise
zwischen 5 und 1000 Hz.
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Für das selektive
Abscheiden von magnetischen Partikeln aus einer Suspension sind
die vorgenannten zueinander bewegbaren Separationsflächengruppen
nicht unbedingt erforderlich. Eine moderate Relativbewegung benachbarter
Separationsflächen
zueinander fördert
allerdings die Durchmischung der Suspension und damit die gleichmäßigere Erfassung
des gesamten Suspensionsvolumens bei der Abscheidung sowie eine
gleichmäßigere Abscheidung
von magnetisierbaren Partikeln auf den zur Verfügung stehenden Separationsflächen. Ab
einer bestimmten Stärke
verhindern die Relativbewegungen ein stabiles Absetzen der Partikel
auf den Separationsflächen,
wirken somit kontraproduktiv und sind während der Abscheidung zu vermeiden.
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Für eine in
bestimmten Intervallen erforderliche Matrixabreinigung stellen die
vorgenannten zueinander bewegbaren Separationsflächengruppen jedoch eine signifikante
Verbesserung dar.
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Die
Matrixabreinigung erfolgt vorzugsweise nach dem Gegenstromprinzip
mit einem Spülfluid, wobei
die Relativbewegung von mindestens zwei der vorgenannten Separationsflächenfraktionen
zueinander im Spülfluid
Trägheitskräfte, Zentrifugalkräfte, Turbolenzen
und Scherkräfte
hervorruft, welche eine Ablösung
von magnetisierbaren Partikeln von den Separationsflächen auch
bei noch vorhandener magnetischen Remanenz oder auch im Einfluss
eines magnetischen Feldes signifikant verbessert oder auch erst
nur ermöglicht.
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Die
Erfindung wird im Folgenden an Ausführungsbeispielen anhand der
folgenden Figuren näher erläutert. Es
zeigen
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1 eine
prinzipielle Seitenansicht eines Ausführungsbeispiels mit Elektromagnet,
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2 eine
prinzipielle Seitenansicht eines Ausführungsbeispiels mit Permanentmagnet,
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3 eine
Schnittansicht eines Ausführungsbeispiels
mit fluidisch in Serie geschalteten Separationsringscheiben,
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4 eine
Schnittansicht eines Ausführungsbeispiels
mit fluidisch parallel geschalteten Separationsringscheibe sowie
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5 eine
Aufsichtdarstellung der Separationsringscheiben.
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Wie
in 1 und 2 dargestellt, befindet sich
der Hochgradienten-Magnetseparator 1 im unmittelbaren Wirkbereich
eines Magnetsystems 2, das als Feldquelle dient. Als Magnetfeldquelle
dienen vorzugsweise Elektromagnete (1), supraleitende Magnetsysteme
oder auch Permanentmagnetsysteme (2), wobei
der Hochgradienten-Magnetseparator 1 in die Magnetspulenöffnung bzw.
zwischen die Polschuhe 3 eingebracht wird.
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Der
eigentliche Hochgradienten-Magnetseparator umfasst mehrere Teileinheiten,
und zwar ein im Wesentlichen zylinderförmiges Gehäuse 5, welches mit
einem Deckel 6 und einem Boden 7 axial verschlossen
ist. Eine Welle 8 ist konzentrisch im Gehäuse, im
Ausführungsbeispiel
in entsprechenden Lagerungen 9 im Deckel und / oder Boden,
dichtend drehbar gelagert und über
eine Kupplung 10 mit einem Antrieb 11 verbunden.
Welle, Gehäuse,
Deckel- und Bodenplatte bestehen aus einem unmagnetischen Werkstoff.
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Kerneinheit
des Hochgradienten-Magnetseparators ist die Matrix, welche sich über das
vom Gehäuse 5,
Deckel 6 und Boden 7 eingeschlossene Innenraumvolumen
erstreckt und in dem die Abscheidung der magnetisierbaren Partikel
stattfindet. Die Suspension (Fluid) mit den abzutrennenden magnetischen
Partikeln tritt über
den Zulauf 4 in den Hochgradienten-Magnetseparator ein
und verteilt sich über
den Separatorquerschnitt. Die eigentliche Abtrennung erfolgt im
Bereich der Matrix an Separationsringscheiben 13 und 14.
Der aufgereinigte Fluidstrom verlässt den Hochgradienten-Magnetseparator über den
Ablauf 12. Zu- bzw. Ablauf bestehen aus mehreren Öffnungen
im Deckel 6 bzw. Boden 7 und weisen zur besseren
Strömungsverteilung
jeweils eine konische Form auf.
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Die
Matrix ist nach dem Rotor-Stator-Prinzip aufgebaut (vgl. 3 und 4)
und umfasst abwechselnd vorgenannte konzentrisch um die Welle angeordnete
und im Gehäuse 5 eingesetzte
festste hende und auf die Welle 8 aufgesetzte rotierende
Separationsringscheiben 13 bzw. 14, welche das
Innenraumvolumen in rotationssymmetrische und axial hintereinander
angeordnete Teilvolumina unterteilt.
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Die
Separationsringscheiben 13 und 14, im Detail in 5 dargestellt,
umfassen jeweils eine von der Suspension durchströmbare Separationsfläche 15 aus
magnetisierbarem Material, vorzugsweise einem Drahtgewebe oder einer
perforierte Metallfolie oder -blech. Die Separationsfläche 15 wird
jeweils von einem äußeren und
einem inneren Stabilisierungsring 16 bzw. 17 begrenzt.
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Die
rotierenden Separationsringscheiben 14 werden über die
inneren Stabilisierungsringe 17 wechselweise mit unmagnetischen
inneren Abstandshülsen 18 auf
die Welle 8 aufgezogen und mit einer Spannhülse 19 axial
verspannt. Ebenso werden die feststehenden Separationsringscheiben 13 über die äußeren Stabilisierungsringe 16 wechselseitig
mit unmagnetischen äußeren Abstandshülsen 20 in
das Gehäuse 5 eingesetzt
und über
eine Hülse 21 verspannt.
Die jeweilig nicht eingespannten inneren und äußeren Stabilisierungsringe 17 bzw. 16 bilden jeweils
zu inneren bzw. äußeren Abstandshülsen 18 bzw. 20 einen
Ringspalt (vgl. 3 und 4).
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3 zeigt
eine Ausführungsform
mit fluidisch hintereinander geschalteten Teilvolumina in der Matrix.
Dabei weisen sowohl die Hülse 21 am
Zulauf 4 als auch der Gehäuseteil, der am Ablauf 12 liegt, eine
strömungsoptimierte,
in erster Näherung
konische Form auf. Dies vermeidet mögliche Totvolumnina insbesondere
in den Eckbereichen der Matrix und damit mögliche Vermischungen durch
ein Zurückhalten
und zeitversetztes Wiedereinmischen einzelner Fluidfraktionen in
der Matrix.
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4 repräsentiert
ein alternatives Konzept mit fluidisch parallel geschalteten Teilvolumna
in der Matrix. Bei dieser Ausführungsform
erfolgt die Zuführung
der Suspension mit den abzutrennenden magnetischen Partikeln über eine
als Hohlwelle gestaltete Welle 8 und mehreren von dieser
abzweigenden radiale Zulaufbohrungen 22 als Suspensionsaustritte in
jedes zweite der Teilvolumina der Matrix. Der Ablauf des gereinigten
Fluidstroms erfolgt aus den Teilvolumina ohne direkte Zulaufbohrung über Ablaufbohrungen 23,
die in einen Sammelkanal 24, gebildet durch das Innere
eines doppelwandigen Gehäuses 25 einmünden. Zulauf-
und Ablaufbohrungen 22 bzw. 23 sind jeweils versetzt
angeordnet, sodass bei einem Durchströmen der Matrix mindestens eine
Separationsringscheibe durchströmt
wird.
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Eine
Matrixabreinigung erfolgt von Zeit zu Zeit vorzugsweise im Gegenstromverfahren.
Als Kriterium für
die Abreinigungsintervalle dient der Druckabfall im Separator, der
mit der Beladung der Sedimentrationsringscheiben korreliert und
bei Überschreitung
eines bestimmten Wertes die Notwendigkeit der Matrixabreinigung
anzeigt. Für
die Matrixabreinigung wird ein Spülfluid vom Ablauf durch die
Teilvolumina zum Zulauf geleitet, wobei die Welle 8 mit den
rotierenden Separationsringscheiben 13 mit hoher Drehzahl
(ca. 100 bis 500 U/min) gedreht werden. Durch die dabei entstehenden
Scherungen in der Fluidströmung
entstehen Verwirbelungen, welche die auf den Separationsringscheiben
abgelagerten magnetischen Partikel mitreißen. Die separierten Partikel
werden dann durch den überlagerten
Spülfluidstrom
aus der Matrix entfernt werden.
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Die
Effizienz der Abreinigung lässt
sich zusätzlich
dadurch verbessern, dass der Hochgradienten-Magnetseparator 1 hierzu
dem Einfluss eines magnetischen Feldes entzogen wird. Hierzu kann nun
das Magnetfeld abgeschaltet oder der Hochgradienten-Magnetseparator aus
dem Magnetfeld entfernt werden.
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Neben
einer Rotationsbewegung kann alternativ eine Oszillationsbewegung
auf die Welle 8 übertragen
werden. Eine zusätzliche
Kraft kann aufgebaut werden, wenn die Welle durch entsprechenden
Antrieb und Lagerung zusätzlich
zu einer Rotationsbewegung axial oszilliert.
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Neben
einer effizienten Abreinigungsleistung kann auch der Separationsvorgang
verbessert werden, da durch Überlagern
einer langsamen Rotationsbewegung während des Abscheidevorgangs
die Hydrodynamik im Filter beeinflussbar ist und somit eine Strömungskanalbildung
unterdrückt
wird.
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Der
im Rahmen der Ausführungsbeispiele vorgeschlagene
Aufbau der Matrix ermöglicht
einen modularen und flexiblen Aufbau des Hochgradiententen-Magnetseparators.
Allein durch einfachen Austausch der Abstandshülsen 18 und 20 können Anzahl
und Abstand der Teilvolumina und Separationsringscheiben in einfacher
Weise und, gemäß eines
Baukastenprinzips auch für
Teilbereiche der Matrix variiert werden. Zur Minimierung des Druckverlusts
ist zum Beispiel denkbar, im oberen Bereich des Hochgradienten-Magnetseparators
größere Abstände zwischen
den Matrixelementen zu wählen
und im unteren Bereich die Matrixelemente dichter zu packen.
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- 1
- Hochgradienten-Magnetseparator
- 2
- Magnetsystem
- 3
- Polschuh
- 4
- Zulauf
- 5
- Gehäuse
- 6
- Deckel
- 7
- Boden
- 8
- Welle
- 9
- Lagerung
- 10
- Kupplung
- 11
- Antrieb
- 12
- Ablauf
- 13
- feststehende
Separationsringscheibe
- 14
- rotierende
Separationsringscheibe
- 15
- Separationsfläche
- 16
- äußerer Stabilisierungsring
- 17
- innerer
Stabilisierungsring
- 18
- innere
Abstandshülse
- 19
- Spannhülse
- 20
- äußere Abstandshülse
- 21
- Hülse
- 22
- Zulaufbohrung
- 23
- Ablaufbohrung
- 24
- Sammelkanal
- 25
- doppelwandiges
Gehäuse