DE102018113358B4 - Vorrichtung und Verfahren zur kontinuierlichen separaten Entnahme von magnetisch anziehbaren und magnetisch abstoßbaren Teilchen aus einem strömenden Fluid - Google Patents

Abstract

Vorrichtung zur kontinuierlichen separaten Entnahme von magnetisch anziehbaren und magnetisch abstoßbaren Teilchen aus einem elektrisch leitfähigen oder nichtleitfähigen, aber nichtferromagnetischen strömenden Fluid, umfassend:• einen Behälter (7) aus einem nichtferromagnetischen Material mit einer am Behälterdeckel zentrisch angeordneten Eintrittsöffnung (8) und mindestens drei am Behälterboden angeordneten Austrittsöffnungen (12, 13, 14), wobei mindestens eine erste Austrittsöffnung (12) zur Entnahme eines mit magnetisch anziehbaren Teilchen hochbeladenen Materialstroms am Behälterbodenumfang, eine zweite Austrittsöffnung (13) zur Entnahme eines mit magnetisch abstoßbaren Teilchen hochbeladenen Materialstroms im Behälterbodenzentrum und mindestens eine dritte, von der ersten und der zweiten Austrittsöffnung beabstandete Austrittsöffnung (14) zur Entnahme eines von magnetisch anziehbaren und magnetisch abstoßbaren Teilchen freien Fluidstroms angeordnet ist, und• ein magnetfelderzeugendes System (1), umfassend einen magnetischen Rückschluss (2) aus weichmagnetischem Material mit mindestens zwei an dessen Innenwand voneinander beabstandet angeordneten Magneteinheiten aus schraubenlinienförmig angeordneten, radial magnetisierten Permanentmagnetsegmenten (1a), wobei das magnetfelderzeugende System (1) um den Behälter (7) drehbar gelagert ist.

Description

• Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung und ein damit realisierbares Verfahren zur kontinuierlichen separaten Entnahme von diamagnetischen Partikeln (im Folgenden auch magnetisch abstoßbare Teilchen genannt) und von para-, superpara-, und ferro- oder ferrimagnetischen Partikeln, Kolloiden, chemischen Komplexen und Metallionen (im Folgenden auch magnetisch anziehbare Teilchen genannt) aus einem strömenden elektrisch leitfähigen oder nichtleitfähigen, aber nichtferromagnetischen Fluid mittels magnetischer Felder, die außerhalb des Fluids mit Magnetsystemen erzeugt werden und das Fluid so durchdringen, dass Kraftdichteverteilungen auf die im Fluid befindlichen magnetisch abstoßbaren und anziehbaren Teilchen generiert werden, die zur Trennung der magnetisch abstoßbaren von den magnetisch anziehbaren Teilchen sowie deren Separation aus dem Fluid führen.
• Die magnetische Separation ist eine alt bekannte Standardtechnologie zum Trennen ferro- und / oder ferrimagnetischer Materialien von dia- und / oder paramagnetischen Materialien in der Montan- und Recyclingindustrie sowie bei der Wasseraufbereitung [1, 2].
• Neue Anwendungen sind in der Biotechnologie zum Aufreinigen von Zellen, Viren, Proteinen und Nukleinsäuren sowie bei der magnetischen Pharmakotherapie und gezielten Wirkstofffreisetzung zu finden [2, 3].
• Aber hier werden nur magnetisch anziehbare Teilchen, z.B. in Form von magnetischen oder magnetisierbaren Metallpartikeln mit Größen von 1 nm bis 30 µm in Körperflüssigkeiten ( WO 02/ 026 292 A1 ), von magnetisch markierten Substanzen ( US 5 466 574 A ), von paramagnetischen Ionen oder Komplexen in heißen oder kalten Elektrolyten ([4, 5, 6, 7, 8], DE 10 2006 022 147 B4 ), von eisenhaltigen Verunreinigungen in geschmolzenen Nichteisenmetallen oder -legierungen, wie z.B. Aluminium- oder Magnesiumlegierungsschmelzen ( DE 10 2012 222 434 A1 ), von ferromagnetischen Teilchen aus Slurries, die beispielsweise bei der Erzaufbereitung durch Nassmahlprozesse entstehen ( DE 10 2010 017 957 A1 , DE 10 2008 047 842 A1 ), kontrolliert magnetisch mehr oder weniger aufwendig separiert.
• Allerdings können diamagnetische Teilchen (=magnetisch abstoßbare Teilchen), die in oben dargestellten Teilchenströme ebenfalls enthalten sind, nicht kontrolliert separiert werden. Vielmehr fließen sie mit den von den magnetisch anziehbaren Teilchen mehr oder weniger separierten Fluidströmen ab oder verbleiben in den separierten Teilchenströmen.
• Ursachen dafür sind, dass einerseits der von den vorgeschlagenen Magnetsystemen aufgebaute, eindimensionale Feldgradient, $$\nabla \overrightarrow{B}=\frac{dB}{dz}{\overrightarrow{e}}_z,$$

  

  mit B = magnetische Flussdichte, z = Ortskoordinate und Strömungsrichtung und $$

  

  Einheitsvektor in z-Richtung, nur eine auf die magnetisch anziehbaren Teilchen abgestimmte Kraftverteilung $${\overrightarrow{ƒ}}_M\left(z\right)=\frac{X_m}{{\mu }_0}\left(\overrightarrow{B}\cdot \nabla \right)\overrightarrow{B}=\frac{X_m}{{\mu }_0}\cdot B\cdot \frac{dB}{dz}{\overrightarrow{e}}_z$$

  

  mit χ_m = magnetische Suszeptibilität des oder der zu separierenden Teilchen und µ₀ = absolute Permeabilität, erzeugt und andererseits die Suszeptibilitäten χ_m von diamagnetischen Teilchen negativ und ihre Beträge in der Regel um Größenordnungen kleiner als die von magnetisch anziehbaren Teilchen sind, sodass die anderen Teilchenwechselwirkungen (Van-der-Wals, Elektrostatik, Schwerkraft) nicht überwunden werden und keine Aufkonzentration der magnetisch abstoßbaren Teilchen im Prozessraum stattfindet.
• In Tabelle 1 sind die Suszeptibilitäten χ_m und Dichten ρ_m ausgewählter diamagnetischer (magnetisch abstoßbar) und para, ferro- und ferrimagnetischer Teilchen (magnetisch anziehbar) gegenübergestellt, wobei die Suszeptibilitäten von ferro- und ferrimagnetischen Stoffen jeweils von der Feldstärke und Temperatur abhängig sind. Dagegen werden die Suszeptibilitäten von diamagnetischen Teilchen von diesen Parametern nicht beeinflusst. Diese Beispiele belegen, dass die Suszeptibilitäten χ_m magnetisch anziehbarer Teilchen um Größenordnungen größer als die der magnetisch abstoßbaren Teilchen sind.
• Weitere bekannte magnetische Separatoren ( US 2011 / 0 163 015 A1 , DE 36 10 303 C1 , US 4 941 969 A ) und Verfahren sind nur zum Recyceln, Sortieren oder Reinigen von Sekundärrohstoffen für Schrott und geschredderte bzw. zerkleinerte Materialien in der Metallurgie geeignet [9, 10] - nicht aber für die Trennung von feinsten Teilchen unterschiedlichen magnetischen Verhaltens und ihre Separation aus fließenden Fluiden, da die generierten magnetischen Kräfte zu gering sind.
• In der US 4 663 029 A wird eine Anordnung und ein Verfahren für die kontinuierliche Trennung von paramagnetischen und diamagnetischen Partikeln in Slurries beschrieben. Um große Feldgradienten zu erzeugen, wird hier der magnetische Fluss durch ferromagnetische Drähte geleitet, die an der schmalen Seite eines rechteckförmigen Kanals aus nichtferromagnetischem Material angeordnet sind, durch den der Slurry fließt. Allerdings sind die realisierbaren Flussdichten hierbei gering, da aufgrund des geringen Drahtquerschnittes die Sättigungsinduktion des Drahtmaterials schnell erreicht ist. Somit sind nicht ausreichend große Vektorgradienten $\left(\overrightarrow{B}\cdot \nabla \right)\overrightarrow{B}$

  

  im Kanal erreichbar.
• Weiterhin wird in der WO 2015/ 075 317 A1 ein Verfahren zur Wiedergewinnung von Seltenerden aus Abfallsulfaten, die bei der Phosphatproduktion anfallen, vorgeschlagen. Dabei sollen die Sulfate (vorrangig Kalziumsulfate) mittels chemischer und/ oder Bioreduktion in Metallsulfide umgewandelt werden und dann das gefällte Metallsulfid, das aufgrund der enthaltenden Seltenerdemetalle, wie z.B. Neodym, welches eine Suszeptibilität von mindestens 1000 oder mehr aufweist, mit einem nicht näher beschriebenen Magnetseparator von dem Abfall getrennt werden. Die Effizienz dieser Methode ist allerdings gering, da die Seltenerdeinhalte in den Sulfaten im mg/kg-Bereich liegen und die Anreicherung mittels Reduktion und Fällung unzureichend ist.
• Wesentliche Nachteile der bekannten magnetischen Separatoren sind also, dass sie nur einen eindimensionalen Magnetfeldgradienten gemäß Gl. (1) mit unzureichend großer Kraftwirkung auf magnetisch abstoßbare Teilchen realisieren und deshalb nur große magnetisch anziehbare Teilchen in metallischer Form mit ferromagnetischen Verhalten und / oder auch magnetisch anziehbare Teilchen geringer Größe, die aber hinreichend große magnetische Suszeptibilitäten aufweisen müssen, aus den Prozessräumen separieren können und / oder die Vorrichtungen hinsichtlich ihrer Konstruktion und die Verfahren hinsichtlich ihrer Effizienz sehr aufwendig und nicht für industrielle Materialdurchsätze geeignet sind.
• Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es deshalb, eine Vorrichtung und ein Verfahren zur kontinuierlichen separaten Entnahme von diamagnetischen (magnetisch abstoßbaren) Partikeln und von para-, superpara-, ferro- oder ferrimagnetischen (magnetisch anziehbaren) Partikeln, Kolloiden, chemischen Komplexen und Metallionen (Teilchen) und deren Separation aus strömenden, elektrisch leitfähigen oder nichtleitfähigen, aber nichtferromagnetischen Fluiden mittels magnetischer Felder bereitzustellen, mit denen magnetisch abstoßbare Teichen und magnetisch anziehbare Teilchen voneinander getrennt werden und nach einer ausreichenden Verweilzeit in der Vorrichtung, die das Fluid durchströmt, in separaten Bereichen des Prozessraumes der Vorrichtung aufkonzentriert werden, sodass ein von magnetisch abstoßbaren und magnetischen anziehbaren Teilchen freier Fluidstrom sowie ein mit magnetisch abstoßbaren Teilchen hochbeladener Materialstrom und ein mit magnetisch anziehbaren Teilchen hochbeladener Materialstrom entstehen, die die Vorrichtung kontrolliert verlassen.
• Erfindungsgemäß gelingt die Lösung dieser Aufgabe vorrichtungsseitig mit den Merkmalen des ersten Patentanspruchs und verfahrensseitig mit den Merkmalen des achten Patentanspruches. Vorteilhafte Ausgestaltungen der erfindungsgemäßen Lösung sind in den Unteransprüchen angegeben.
• Insbesondere wird vorgeschlagen, dass das mit magnetisch abstoßbaren und magnetisch anziehbaren Teilchen bis zu einer Größe von einigen Nanometern beladene Fluid, in einen vorzugsweise zylindrischen Prozessraum aus nichtferromagnetischen Materialien mit radial nach innen gerichteten Stegen, die sogenannte Teilchenfallen für die von den magnetisch abstoßbaren getrennten magnetisch anziehbaren Teilchen bilden, eingeleitet wird, der von einem rotierenden, aus auf Schraubenlinien angeordneten Permanentmagnetsegmenten bestehenden Magnetsystem umgeben ist, welches ein Magnetfeld erzeugt, das den Prozessraum durchdringt und sich außen axial über einen magnetischen Rückschluss aus weichmagnetischen Material schließt, sodass über die Höhe der Vorrichtung mindestens zwei den Prozessraum durchsetzende Feldwirbel entstehen, die durch die Rotation des Magnetsystems um den Prozessraum in demselben eine radiale (r) nach außen und in Strömungsrichtung (z) gerichtete Vektorgradientverteilung $\left[\left(\overrightarrow{B}\cdot \nabla \right)\overrightarrow{B}\right]\left(r,z\right)$

  

  im Prozessraum erzeugen, woraus eine ortsabhängige Kraftverteilung ${\overrightarrow{ƒ}}_M\left(r,z\right)$

  

  generiert wird, die die magnetisch abstoßbaren von den magnetisch anziehbaren Teilchen trennt sowie die magnetisch abstoßbaren Teilchen im Prozessraumzentrum und die magnetisch anziehbaren Teilchen in Richtung der Prozessrauminnenwand und gleichzeitig in Strömungsrichtung bewegt.
  Die magnetisch abstoßbaren Teilchen konzentrieren sich im Prozessraumzentrum, wo der Vektorgradient minimal bzw. Null ist. Demzufolge wirkt auch keine magnetische Kraft in z-Richtung auf die magnetisch abstoßbaren Teilchen, so dass diese mit dem strömenden Fluid, gegebenenfalls unterstützt von am Prozessraumaustritt angeordneten Unterdruck erzeugenden Vorrichtungen und / oder einem Wanderfeldgenerator mit einem entgegengesetzt zur Strömungsrichtung wirkenden Wanderfeld, abtransportiert werden können.
• Die Erfindung wird im Folgenden anhand der Figuren näher erläutert, die die Erfindung jedoch nicht einschränken.
• 1 zeigt in Schnittdarstellungen (Längsschnitt: (1a) und Schnitt A-A) den Aufbau des Magnetsystems (1) sowie in 1a die radiale Verteilung B(r) in dem Längsschnitt (1a) bei φ=0 und die daraus resultierende Richtung des Vektorgradienten $\left(\overrightarrow{B}\cdot \nabla \right)\overrightarrow{B}.$

  
• Das Magnetsystem (1) umfasst einen zylindrischen magnetischen Rückschluss (2), für dessen Realisierung weichmagnetisches Material mit einer Wandstärke, die eine magnetische Flussdichtebelastung bis maximal 80% der Sättigungsinduktion des Materials gewährleistet, zu verwenden ist, und auf der Innenwand des magnetischen Rückschlusses (2) mindestens 2 Magneteinheiten, die aus schraubenlinienförmig angeordneten Permanentmagnetsegmenten (1a) bestehen.
  Die Magnetisierungsrichtungen (3) der Permanentmagnetsegmente (1a) der Magneteinheiten sind immer radial und bezüglich der Richtung identisch, jedoch von Magneteinheit zu Magneteinheit mit wechselndem Vorzeichen: Sind die Magnetisierungsrichtungen (3) der Permanentmagnetsegmente (1a) der ersten (oberen) Magneteinheit beispielsweise, wie in 1 dargestellt, radial nach außen gerichtet, dann müssen die Magnetisierungsrichtungen (3) der Permanentmagnetsegmente (1a) der zweiten (darunterliegenden) Magneteinheit radial nach innen gerichtet sein.
• Die Mittenabstände a_P der Magnetanordnungen sind zweckmäßig der Steigung der schraubenlinienförmigen Magneteinheiten anzupassen, d.h. im Längsschnitt muss die obere Magneteinheit immer da enden, wo gegenüberliegend die darunterliegende Magneteinheit beginnt. Die Steigung der schraubenlinienförmigen Magneteinheiten beträgt $$tan\alpha =\frac{2a_P}{\pi \cdot d_P},$$

  

  wobei a_P der Mittenabstand und d_P der Innendurchmesser der jeweiligen Magneteinheit ist.
• Die Bogenlänge I_PS der Permanentmagnetsegmente (1a) ist vom Innendurchmesser d_P des Magnetsystems (1) und der Herstellbarkeit der Permanentmagnetsegmente (1a) abhängig. Anzustreben ist, dass die radiale Komponente der azimutalen Flussdichteverteilung B_r(φ) entlang der schraubenlinienförmigen Magneteinheiten nahezu stetig verläuft.
• Die Länge L_P einer Magneteinheit ergibt sich aus: $$L_P=\sqrt{{\left(\pi d_P\right)}^2+4a_P^2)}$$

  
• Das von einem derartigen Magnetsystem (1) erzeugte Magnetfeld schließt sich an jeder Stelle (φ,z) mit 2 Feldlinienwirbeln (4) über die jeweils gegenüberliegenden, hinsichtlich der Magnetisierungsrichtung radial gleich magnetisierten Permanentmagnetsegmente (3) und dem magnetischen Rückschluss (2). Im zylindrischen Prozessraum des Behälters (7) entsteht an jeder Stelle φ die in 1a dargestellte, aber jeweils in z-Richtung um Δz = - a_p·sinΔφ versetzte Flussdichteverteilung B(r) mit einem starken, radial vom Prozessrauminnern nach außen gerichteten Vektorgradienten, aus dem Kräfte resultieren, die die magnetisch abstoßbaren (13b) von den magnetisch anziehbaren (12b) Teilchen trennen und die magnetisch abstoßbaren Teilchen (12b) in das Prozessraumzentrum und die magnetisch anziehbaren Teilchen (13b) in Richtung der Magnetanordnungen bewegen.
• Bei Drehung des Magnetsystems (1) um φ entsteht gleichzeitig zusätzlich eine in z-Richtung wirkende magnetische Kraft, die die magnetisch anziehbaren Teilchen (12b), die sich den Magnetanordnungen genähert haben, in Strömungsrichtung z bewegt. Die z-Komponente der Geschwindigkeit beträgt $$u_z=2a_P\cdot n_P$$

  

  mit n_P als Drehzahl des Magnetsystems.
• Der daraus resultierende Mitnahmeeffekt für die magnetisch anziehbaren Teilchen (12b) wird, wie es die 2 und 3 zeigen, durch radiale Stege (34), die an der Innenwand des Behälters (7) im Prozessraum des Magnetsystems (1) gemäß 1 angeordnet sind, unterstützt. Die darin „gefangenen“ magnetisch anziehbaren Teilchen (12a) können somit im Behälter (7) nicht mehr der Drehung des Magnetsystems in φ-Richtung folgen. Die magnetisch abstoßbaren Teilchen (13b), die sich bereits in Prozessraummitte befinden oder sich infolge des auf sie einwirkenden Vektorgradienten dahin bewegen, werden davon nicht beeinflusst. Allerdings muss dazu der Fluidstrom (30) zentrisch, wie in den Ausführungsbeispielen der 2 und 3 dargestellt, in den Prozessraum des Behälters (7) des Magnetsystems (1) eingeleitet werden.
• Die 2 und 3 zeigen in Längsschnitten (oben) und in A-A sowie B-B geschnittene Draufsichten (unten) zwei Ausführungsbeispiele zur Bewegung des Magnetsystems (1), zur Gestaltung der Eintrittsöffnung (8) des Fluides in den magnetisch aktiven Bereich des Behälters (7) und zur kontinuierlichen magnetischen Trennung von magnetisch abstoßbaren (13b) und anziehbaren (12b) Teilchen und deren Separation aus strömenden Fluiden (30) mit einer Durchflusssteuerung über die Druckdifferenzen.
• Die Rotation des Magnetsystems (1) kann, wie in 2 dargestellt, direkt über einen starren Verbindungsmechanismus (6) des Antriebs (9) mit dem Magnetsystem (1) oder indirekt über einen Übertragungsmechanismus (31) entsprechend 3 erfolgen.
• Beim Ausführungsbeispiel gemäß 2 sind Antriebs- und Magnetsystemdrehzahl identisch. Es gilt: $$n_P=n$$

  

  Ihre Steuerung bzw. Regelung kann abhängig von der Antriebsart Strom, Frequenz, Drehmoment und / oder Drehzahl geführt mit entsprechenden elektronischen Vorrichtungen erfolgen.
• Beim indirekten Antrieb des Magnetsystems (1) über einen Übertragungsmechanismus (31) entsprechend 3 wird die Drehzahl des Magnetsystems (1) zusätzlich vom Übersetzungsverhältnis des Übertragungsmechanismus (31) bestimmt. Es gilt: $$n_P=\ddot{u}\cdot n,$$

  

  mit ü das Übersetzungsverhältnis des Übertragungsmechanismus (31) ist.
• Derartige Ausführungsformen mit ü < 1 sind bei hohen, erforderlichen Drehmomenten - also großen Anlagen - zu nutzen. Hierfür ist auch vorteilhaft, das Magnetsystem (1) mit Lagerungen zur radialen (32a) und / oder axialen (32b, 33c) Kraftaufnahme bzw. Positionierung zu führen.
• In den 2 und 3 sind weiterhin beispielhaft unterschiedliche Gestaltungsmöglichkeiten des Eintrittsbereiches (8) des mit magnetisch anziehbaren und abstoßbaren Teilchen beladenen Fluidstromes (30) in den magnetisch wirksamen Bereich (Prozessraum (7a) des Behälters (7)) dargestellt. In beiden Fällen wird abgesichert, dass der Fluidstrom (30) zentrisch in den Prozessraum eintritt.
• Ebenso werden in den 2 und 3 beispielhaft zweckmäßige Ausführungen zur Abführung der Teilströme vorgeschlagen.
• Zur Abführung der separierten magnetisch anziehbaren Teilchen (12b) ist am Umfang des Bodens des Behälters (7) ein äußerer Kollektor (12d) ausgebildet, der an der am Umfang des Kollektors (12d) tiefsten Stelle mit einer Austrittsöffnung 12 in ein Austrittsrohr (12a) übergeht.
• Ein weiterer innerer Kollektor (14d) am Prozessbehälterboden sammelt das Fluid (14b) ohne magnetisch anziehbare und abstoßende Teilchen ein und führt es über ein an der tiefsten Stelle am Umfang des inneren Kollektors (14d), das eine Austrittsöffnung 14 aufweist, angeordneten Austrittsrohr (14a) ab.
• Die separierten magnetisch abstoßbaren Teilchen werden mittig am Boden des Behälters (7) angeordneten Austrittsöffnung (13) über ein weiteres Austrittsrohr (13a) abgeführt. Zur Unterstützung der Abführungen der Teilchenströme können um den äußeren Kollektor (12d) und auch um das Austrittsrohr (13a) für magnetisch abstoßbare Teilchen (13b) solenoidale Wanderfeldgeneratoren angebracht worden. Die Wanderfeldrichtungen der Generatoren müssen dabei den magnetischen Eigenschaften der separierten Teilchen und die Wanderfeldgeschwindigkeiten den Strömungsgeschwindigkeiten der Teilchenströme angepasst werden. Die Wanderfeldrichtung (11) des Generators (10) ist, wie in 2 und 3 gezeigt, identisch mit der Bewegungsrichtung (12c) der magnetisch anziehbaren Teilchen (12b). Dagegen muss die Wanderfeldrichtung (nicht gezeigt) des Generators (nicht gezeigt) um das Austrittsrohr (13a) entgegen der Bewegungsrichtung (13c) der separierten magnetisch abstoßbaren Teilchen (13b) sein.
• Schließlich ist in den 2 und 3 auch eine mögliche Durchflusssteuerung / -regelung für die erfindungsgemäße Vorrichtung mit Hilfe der Druckdifferenzen p₁-p₂, p₁-p₃ und p₁-p₄ dargestellt, wobei p₁ den Druck auf der Einströmseite der Vorrichtung und p₂ bis p₄ die Drücke in den Gasreservoirs (24, 25 und 26) und somit in den Speicherbehältern (21, 22 und 23) beschreiben. Während in der Regel der Eintrittsdruck p₁ am Prozessbehältereintritt (8) dem Umgebungsdruck entspricht, werden die Drücke p₂, p₃ und p₄ in den Gasreservoirs (24, 25 und 26) mit den Drucksensoren (27, 28, 29) gemessen und von Steuersystemen (im Weiteren Drucksteuersystem, nicht gezeigt) gestellt oder geregelt und danach die Durchflussraten der separierten Teilchen (12b bzw. 13b) und des gereinigten Fluidstroms (14b), ermittelt mit den Durchflussmessern (15, 16 bzw. 17), in die Speicherbehälter (21, 22 bzw. 23) über die Ventile (18, 19, 20) gesteuert oder geregelt. Die Drücke p₂, p₃ und p₄ hängen bei gegebenen Durchflüssen von den Festkonzentrationen in den Teilströmen ab und dürfen zuvor bestimmte, dann festgelegte Limits nicht überschreiten. Andernfalls werden die Durchflussraten mit den Steuersystemen (nicht gezeigt) über die Druckdifferenzen p₁-p₂, p₁-p₃ und p₁-p₄ mit Hilfe der Ventile (18,19, 20) gedrosselt.
• Die erfindungsgemäße Vorrichtungen und das dazugehörige Verfahren können vorteilhaft:
• • für die Gewinnung von Edelmetallteilchen und anderen Wertstoffen aus Slurries aufbereiteter Abfallmaterialien,
• • für die Aufreinigung von Dispersionen durch Separation von magnetisch anziehbaren und abstoßbaren Teilchen, die über die Ausgangsstoffe der Dispersion hinzugefügt wurden und / oder während der Herstellung der Dispersion als Verschleißpartikel entstanden sind (z. B. Zerkleinerungsprodukte, Schleif-/ Polierslurries),
• • bei der mehrdimensionalen Fraktionierung von technischen Feinstpartikelsystemen (Partikelgröße, magnetische Eigenschaften) zur Herstellung von hochwertigen Industrieprodukten,
• • zur Verhinderung / Reduzierung / Kontrolle von Fouling oder Verkrustungen und Ablagerungen in Zentrifugen, Pumpen, Kesseln, Wärmeübertragern, Rohrleitungen, die von wässrigen Lösungen (Laugen, Trink- oder Betriebswasser) und Suspensionen (Abwässer, Klärschlämme) durchströmt werden, durch elektromagnetische Kontrolle des Lösungs- und Kristallisationsverhalten,
• • für die Aufreinigung von Dispersionen oder Aufkonzentration von Bestandteilen (Partikel, Kolloide, chemischen Komplexe und Metallionen) in physiko-chemischen und biochemischen Prozessen, sowie
• • für die magnetische Trinkwassergewinnung aus Meerwasser
verwendet werden.
• Ein entscheidender Vorteil bei Anwendung der erfindungsgemäßen Vorrichtung und des dazugehörigen Verfahrens besteht darin, dass die magnetische Separation kontaktlos, das heißt ohne mechanische und / oder anderweitige Hilfsmittel realisiert wird. Tabelle 1

  Diamagnetische Teilchen	Au	Ag	ZrO 2
  χm [10-6]	-34	-24	-8
  ρm [g/cm3]	19,3	10,5	5,68
  paramagnetische Teilchen	Nd	Sm	Pt
  χm [10-6]	3435	1143	19
  ρm [g/cm3]	7,007	7,536	21,5
  ferromagnetische Teilchen	Fe	Co	Ni
  χm [10-6]	...10+14	...2·10+8	(3...25)·10+8
  ρm [g/cm3]	7,87	8,9	8,91
  ferrimagnetische Teilchen	Fe 3 O 4	Mn x Zn (1-x) Fe 2 O 4	SrFe 12 O 19
  χm[10-6]	...5·10+11	...10+10	ca. 0,2·10+6
  ρm [g/cm3]	5,17	4,8	5,12

• Literaturliste
1. 1 Jan Svoboda, Magnetic methods for the treatment of minerals. Amsterdam [u.a.], 5 Elsevier, 1987
2. 2 Cafer T. Yavuz, Arjun Prakash, J. T. Mayo, Vicki L. Colvin, Magnetic separations: From steel plants to biotechnology. Chemical Engineering Science, 64, pp. 2510-2521,2009
3. 3 Jincan He, Meiying Huang, Dongmei Wang, Zhuomin Zhang, Gongke Li, Magnetic 10 separation techniques in sample preparation for biological analysis: A review. Journal of Pharmaceutical and Biomedical Analysis, Volume 101, pp. 84-101, December 2014
4. 4 Bernd Halbedel, Uwe Krieger, Influence of Low AC Magnetic Field on Glass Melts with Paramagnetic Ions. International Journal Magnetohydrodynamics, Vol. 42, No. 2-3. pp. 339-346, 2006 15
5. 5 Bernd Halbedel, Uwe Schadewald, Manipulation von lonenverteilungen in Glasschmelzen mittels magnetischer Feldkräfte - Experiment und Simulation, Teilprojekt: Experiment. Abschlussbericht zum DFG Forschungsvorhaben HA 2338/4-1, TU Ilmenau, Fakultät für Maschinenbau, FG Anorganisch-nichtmetallische Werkstoffe, Förderzeitraum 01.09.2009 - 31.09.2012, 12.11.2012 20
6. 6 Schadewald, U.; Halbedel, B.: Migration of paramagnetic Ions in Glass Melts under Influence of a magnetic Field. Journal of Iron and Steel Research International, vol. 19, Supplement 1-2, pp. 1068-1071, October 2012
7. 7 Margitta Uhlemann, Kristina Tschulik, Annett Gebert, Gerd Mutschke, Jochen Fröhlich, Andreas Bund, Xuegeng Yang, Kerstin Eckert, Structured electrodeposition in 25 magnetic gradient fields. Eur. Phys. J. Special Topics, vol. 220, no. 1, pp. 287-302, 2013
8. 8 Xuegeng Yang, Kristina Tschulik, Margitta Uhlemann, Stefan Odenbach, Kerstin Eckert, Magnetic Separation of Paramagnetic Ions from Initially Homogeneous Solutions. IEEE Transactions on Magnetics, vol. 50, no. 11, November 2014, 30
9. 9 Bernd Friedrich, Christoph Kräutlein, Melt Treatment of Copper and Aluminium - The complex Step before Casting. MJoM Metalurgija - Journal of Metallurgy, no. 4, vol. 12, pp.251-265, 2006
10. 10 H. R. Manouchehri, Looking at Shredding Plant Configuration and Its Performance for Developing Shredding Product Stream. Report, JK 88011, 03. September 2007
• Bezugszeichenliste

1

Magnetsystem

1a

Permanentmagnetsegmente

2

zylindrischer magnetischer Rückschluss

3

Magnetisierungsrichtung der Permanentmagnetsegmente

4

magnetische Feldlinie

5

Richtung des magnetischen Vektorgradienten

6

Starre Verbindungsmechanismus des Antriebes (9) mit dem Magnetsystem (1)

7

Behälter mit zylindrischem Prozessraum (7a)

8

Eintrittsöffnung

9

Antrieb

10

Wanderfeldgenerator

11

Richtung des Wanderfeldes

12

Austrittsöffnung für magnetisch anziehbare Teilchen

12a

Austrittsrohr für magnetisch anziehbare Teilchen

12b

magnetisch anziehbare Teilchen

12c

Bewegungsrichtung der separierten magnetisch anziehbaren Teilchen

12d

Äußerer Kollektor zur Sammlung der separierten magnetisch anziehbaren Teilchen

13

Austrittsöffnung für magnetisch abstoßbare Teilchen

13a

Austrittsrohr für separierte magnetisch abstoßbare Teilchen

13b

magnetisch abstoßbare Teilchen

13c

Bewegungsrichtung der separierten magnetisch abstoßbaren Teilchen

14

Austrittsöffnung für Fluid ohne magnetisch abstoßbare und anziehbare Teilchen

14a

Austrittsrohr für Fluid ohne magnetisch abstoßbare und anziehbare Teilchen

14b

Fluid ohne magnetisch abstoßbare und anziehbare Teilchen

14c

Bewegungsrichtung des Fluides ohne magnetisch abstoßbare und anziehbare Teilchen

14d

innerer Kollektor zur Sammlung des Fluides ohne magnetisch abstoßbare und anziehbare Teilchen

15, 16, 17

Durchflussmesser

18, 19, 20

Ventile

21, 22, 23

Speicherbehälter

24, 25, 26

Gasreservoirs

27, 28, 29

Drucksensoren

30

Fluidstrom mit magnetisch abstoßbaren und anziehbaren Teilchen

31

Übertragungsmechanismus

32a

Lagerung des Prozessbehälters mit vorzugsweise radialer Kraftaufnahme

32b

Lagerung des Prozessbehälters mit vorzugsweise axialer Kraftaufnahme

32c

Lagerschale für Lagerung (32b) starr verbunden mit Magnetsystem (1)

33

Teilchenfalle für magnetisch anziehbare Teilchen (12b)

34

Stege der Teilchenfallen (33)

S1, S2

Schraubenlinien (Helices) auf denen die Permanentmagnetsegmente (1a) auf der Innenseite des magnetischen Rückschlusses (2) angeordnet sind.

aP

Mittenabstand der Permanentmagnetanordnungen

dP

Innendurchmesser des Permanentmagnetsystems

Ips

Bogenlänge eines Permanentmagnetsegmentes (1a)

n

Drehzahl des Antriebes

nP

Drehzahl des Magnetsystems

p1,

Druck im Eintrittsbereich

p2, p3, p4

Drücke in den Gasreservoirs (24, 25, 26)

r, φ, z

Zylinderkoordinaten

uz

z-Komponente der Geschwindigkeit

ü

Übersetzungsverhältnis des Übertragungsmechanismus (31)

B

Magnetische Flussdichte $\left(\overrightarrow{B}\cdot \nabla \right)\overrightarrow{B}$



Vektorgradient des magnetischen Feldes

Claims (12)

1. Vorrichtung zur kontinuierlichen separaten Entnahme von magnetisch anziehbaren und magnetisch abstoßbaren Teilchen aus einem elektrisch leitfähigen oder nichtleitfähigen, aber nichtferromagnetischen strömenden Fluid, umfassend: • einen Behälter (7) aus einem nichtferromagnetischen Material mit einer am Behälterdeckel zentrisch angeordneten Eintrittsöffnung (8) und mindestens drei am Behälterboden angeordneten Austrittsöffnungen (12, 13, 14), wobei mindestens eine erste Austrittsöffnung (12) zur Entnahme eines mit magnetisch anziehbaren Teilchen hochbeladenen Materialstroms am Behälterbodenumfang, eine zweite Austrittsöffnung (13) zur Entnahme eines mit magnetisch abstoßbaren Teilchen hochbeladenen Materialstroms im Behälterbodenzentrum und mindestens eine dritte, von der ersten und der zweiten Austrittsöffnung beabstandete Austrittsöffnung (14) zur Entnahme eines von magnetisch anziehbaren und magnetisch abstoßbaren Teilchen freien Fluidstroms angeordnet ist, und • ein magnetfelderzeugendes System (1), umfassend einen magnetischen Rückschluss (2) aus weichmagnetischem Material mit mindestens zwei an dessen Innenwand voneinander beabstandet angeordneten Magneteinheiten aus schraubenlinienförmig angeordneten, radial magnetisierten Permanentmagnetsegmenten (1a), wobei das magnetfelderzeugende System (1) um den Behälter (7) drehbar gelagert ist.
2. Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei der Behälter (7) einen zylindrischen Prozessraum (7a) aufweist und der magnetische Rückschluss (2) zylinderförmig ausgeführt ist.
3. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 oder 2, wobei die Mittenabstände a_P der mindestens zwei Magneteinheiten an die Steigung der schraubenlinienförmig angeordneten Permanentmagnetsegmente (1a) derart angepasst sind, dass das Ende der ersten Magneteinheit und der Anfang der zweiten Magneteinheit gegenüberliegend zusammenfallen.
4. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei die Permanentmagnetsegmente (1a) ringsegmentförmig mit einer Bogenlänge I_PS derart ausgebildet sind, dass die radiale Komponente der azimutalen Flussdichteverteilung B_r(φ) entlang der schraubenlinienförmig angeordneten Permanentmagnetsegmente (1a) stetig ist.
5. Vorrichtung nach Anspruch 2, wobei der Behälter (7) nach innen gerichtete, am Umfang verteilte Stege (34) aus nichtferromagnetischem Material aufweist, die vorzugsweise gleichmäßig an einem Prozessraumumfang verteilt und sich über mindestens ein Drittel der axialen Ausdehnung des Prozessraums (7a) erstrecken.
6. Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei die mindestens erste Austrittsöffnung (12) und die zweite Austrittsöffnung (13) jeweils mit von einem solenoidalen Wanderfeldgenerator (10) umgebenen Austrittsrohr (12a, 13a) verbunden ist.
7. Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei die Austrittsöffnungen (12, 13, 14) mit einem Drucksteuersystem fluidisch verbunden sind und das Drucksteuersystem eine Steuereinheit und für jede Austrittsöffnung einen Durchflussmesser (15, 16, 17), einen Drucksensor (27, 28, 29), ein Gasreservoir (24, 25, 26) und einen Speicherbehälter (21, 22, 23) umfasst.
8. Verfahren zur kontinuierlichen separaten Entnahme von magnetisch anziehbaren und magnetisch abstoßbaren Teilchen aus einem elektrisch leitfähigen oder nichtleitfähigen, aber nichtferromagnetischen strömenden Fluid mit einer Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, bei dem der Behälter (7) von einem mit magnetisch anziehbaren und magnetisch abstoßbaren Teilchen beladenen Fluid durchströmt wird, wobei das magnetfelderzeugende System (1) um den Behälter (7) rotiert und die magnetisch anziehbaren Teilchen an einer Behälterinnenwand gesammelt und in Strömungsrichtung des Fluids durch die erste Austrittsöffnung (12), die magnetisch abstoßbaren Teilchen in einem Prozessraumzentrum gesammelt und in Strömungsrichtung des Fluids durch die zweite Austrittsöffnung (13) und das von magnetisch abstoßbaren und magnetisch anziehbaren Teilchen freie Fluid durch die dritte Austrittsöffnung (14) separat entnommen werden.
9. Verfahren nach Anspruch 8, wobei das magnetfelderzeugende System direkt oder über einen Übertragungsmechanismus (31) rotatorisch angetrieben wird.
10. Verfahren nach einem der Ansprüche 8 oder 9, wobei die Entnahme der magnetisch anziehbaren Teilchen mittels eines in Fließrichtung des Fluids gerichteten Wanderfeldes, die Entnahme der magnetisch abstoßbaren Teilchen mittels eines entgegen der Fließrichtung des Fluids gerichteten Wanderfeldes und / oder mittels eines Drucksteuersystems realisiert wird.
11. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei die Entnahme des teilchenentladenen Fluids mittels eines Drucksteuersystems realisiert wird.
12. Verwendung von kaskadenartig fluidisch verbundenen Vorrichtungen nach einem der Ansprüche 1 bis 7 für die separate Entnahme von magnetisch anziehbaren und magnetisch abstoßbaren Teilchen aus einem elektrisch leitfähigen oder nichtleitfähigen, aber nichtferromagnetischen strömenden Fluid mit unterschiedlichen Suszeptibilitäten und Teilchengrößen, wobei die einzelnen magnetfelderzeugenden Systeme (1) Magnetfelder mit unterschiedlichen Magnetfeldverteilungen generieren.

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