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Die Erfindung betrifft ein Magnetmodul zur magnetbasierten Separation eines sauerstoffhaltigen Mischfluides in ein sauerstoffangereichertes Nutzfluid und ein sauerstoffabgereichertes Restfluid, eine Vorrichtung zur magnetbasierten Fluidseparation sowie ein Verfahren zur Herstellung eines sauerstoffangereicherten Nutzgases. Die Vorrichtung und das Verfahren eignen sich für die Herstellung sauerstoffreicher Gase aus Luft oder luftähnlichen Gasgemischen bei Produktionsraten im Bereich einer täglichen Produktionsmenge von bis zu 100 Tonnen des sauerstoffreichen Gases.
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Ausgangspunkt der Herstellung reinen Sauerstoffs oder hochsauerstoffhaltiger Gase sind im Allgemeinen sauerstoffhaltige Fluide, vor allem Luft oder luftähnliche Gase bzw. Gasgemische. Die Prozesse zur Trennung der Luft in ihre Bestandteile, insbesondere in die Gase Stickstoff, Sauerstoff und Argon, bzw. in die mit diesen Elementen ab- oder angereicherten Gase werden gewöhnlich als Luftzerlegung bezeichnet. Das bekannteste Luftzerlegungsverfahren zur Gewinnung sauerstoffreicher Gase bzw. Fluide mit einem Sauerstoffgehalt von mindestens 90 Vol.-% ist die kryogene Destillation bzw. Rektifikation, die bei Temperaturen deutlich unterhalb von 155 K vorgenommen wird. Weitere etablierte Luftzerlegungsverfahren sind zum Beispiel die Verfahren der Druckwechseladsorption oder die Verfahren unter Verwendung von lonentransportmembranen. Alle diese Verfahren weisen bei kleinen bis mittleren Produktionsraten, d. h. bei einer täglichen Produktionsmenge von bis zu 100 Tonnen des sauerstoffreichen Gases, einen hohen spezifischen Energiebedarf auf.
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Sauerstoffhaltige Mischfluide bzw. Gasgemische können neben diesen bekannten Verfahren zudem durch magnetbasierte Separation in sauerstoffangereicherte Nutzfluide bzw. Nutzgase und sauerstoffabgereicherte Restfluide bzw. Restgase zerlegt werden. Diese Verfahren basieren auf den unterschiedlichen magnetischen Eigenschaften der Stoffanteile des als Ausgangsstoff dienenden Mischfluides bzw. des Gasgemisches: während Sauerstoff nämlich paramagnetisch ist, sind die meisten anderen in sauerstoffhaltigen Gasgemischen enthaltenen Stoffe diamagnetisch. Bei Exposition des Mischfluides in einem inhomogenen Magnetfeld reichern sich die paramagnetischen Sauerstoffmoleküle und die diamagnetischen Reststoffe in Abhängigkeit der lokalen Magnetfeldstärke in unterschiedlichen Magnetfeldbereichen an. Ein auf diesem Effekt basierendes Verfahren zur Separation des paramagnetischen Sauerstoffs von den diamagnetischen Reststoffen ist zum Beispiel in
DE 197 53 795 A1 beschrieben.
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Die Aggregate, in denen die magnetbasierte Separation sauerstoffhaltiger Mischfluide stattfindet, werden im Folgenden als Magnetmodule bezeichnet. Ein solches Magnetmodul kann zum Beispiel einen durchströmten Kanal bzw. ein Strömungsrohr aufweisen, auf das das Magnetfeld so einwirkt, dass die Sauerstoffmoleküle während der Durchströmung von den diamagnetischen Reststoffen getrennt werden. Bei Raumtemperatur betriebene Magnetmodule dieser Art, die genutzt werden, um Luft im gasförmigen Zustand zu zerlegen, beschreiben beispielsweise
DE 10 2007 024 305 A1 und
US 7 771 509 B1 . Die hierin offenbarten Magnetmodule besitzen jeweils ein gerades, in einem inhomogenen Magnetfeld angeordnetes, luftdurchströmtes Strömungsrohr, an dessen Ausströmbereich die strömende Luft über Abzweigungen als sauerstoffangereichertes Gas einerseits und sauerstoffabgereichertes Gas andererseits ausgeleitet wird. Die Anreichung des Sauerstoffs ist jedoch bei diesen Verfahren nur begrenzt möglich, da die intermolekularen Stöße zwischen den Sauerstoffmolekülen und den Reststoffatomen bzw. -molekülen dem magnetischen Trenneffekt entgegenwirken.
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Ferner sind auch Verfahren zur magnetbasierten Separation flüssiger Luft bekannt, zum Beispiel aus
WO 2017/147260 A1 . Die als Ausgangsstoff dienende gasförmige Luft wird zunächst in bekannter Art und Weise mittels eines Verdichters verflüssigt und im Anschluss durch einen von speziell geformten Magneten umgebenen Kanal mit x-förmigen Querschnitt geleitet. Der Sauerstoff wird nach magnetischer Separation des Sauerstoffs in der strömenden flüssigen Luft durch Aussparungen im x-förmigen Kanal ausgeleitet und als flüssiger Sauerstoff aufgefangen. Die Magnete und der x-förmigen Kanal sind bei diesem Magnetseparator vergleichsweise kompliziert und aufwendig gestaltet.
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US 1 056 043 A offenbart ein Magnetmodul zur magnetbasierten Separation verflüssigter Luft in Sauerstoff und Stickstoff. Das Magnetmodul weist ein in einem Magnetfeld angeordnetes Strömungsrohr mit Ein- und Ausströmbereich auf, wobei am Mantel des Strömungsrohrs zwei gegenpolige, mit einem Elektromagneten gekoppelte Polschuhe angeordnet sind.
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Aufgabe der Erfindung ist es, ein einfach gestaltetes Magnetmodul zur magnetischen Mischfluidseparation sowie mit diesem Magnetmodul arbeitende Vorrichtungen und Verfahren bereitzustellen, die es ermöglichen, sauerstoffangereicherte Fluide (vor allem Gase) mit mindestens 90 Vol.-% Sauerstoffgehalt herstellen zu können. Der Energieeinsatz zur Produktion des sauerstoffangereicherten Fluids soll - insbesondere bei kleinen bis mittleren Produktionsraten - geringer sein als bei den herkömmlichen Verfahren der Luftzerlegung.
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Diese Aufgabe wird durch ein Magnetmodul nach Anspruch 1, durch eine Vorrichtung zur magnetbasierten Fluidseparation nach Anspruch 5 sowie ein Verfahren zur Herstellung eines sauerstoffangereicherten Nutzgases nach Anspruch 8 gelöst. Zweckmäßige Weiterbildungen der Erfindung sind in den Ansprüchen 2 bis 4, 6, 7 und 9 aufgeführt.
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Nach Maßgabe der Erfindung weist das Magnetmodul, das zur magnetbasierten Separation eines sauerstoffhaltigen Mischfluides in ein sauerstoffangereichertes Nutzfluid und ein sauerstoffabgereichertes Restfluid dient, mindestens ein vorzugsweise gerades, in einem Magnetfeld angeordnetes Strömungsrohr auf. Das Strömungsrohr besitzt einen Einströmbereich und einen Ausströmbereich. Das Mischfluid wird bei bestimmungsgemäßer Benutzung über den Einströmbereich in das Strömungsrohr eingeleitet, durchströmt das Strömungsrohr unter Einwirkung des Magnetfeldes und wird schließlich im Ausströmbereich als das sauerstoffangereicherte Nutzfluid und das sauerstoffabgereichertes Restfluid ausgeleitet. Das Magnetmodul kann auch mehrere, zueinander parallel angeordnete Strömungsrohre mit den beschriebenen Merkmalen aufweisen.
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Das sauerstoffhaltige Mischfluid im Sinne dieser Offenbarung ist ein fluidisches Gemisch aus gasförmigen und/oder flüssigen Stoffanteilen, wobei einer der Stoffanteile Sauerstoff und die anderen Stoffanteile weitestgehend diamagnetische Stoffe sind. Vordergründig handelte sich bei dem sauerstoffhaltigen Mischfluid um Luft oder ein luftähnliches Gemisch.
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Das Magnetfeld ist innerhalb des Strömungsrohrs zwischen einem magnetischen Pol und einem magnetischen Gegenpol, die sich beide am Mantel des Strömungsrohrs befinden, inhomogen ausgebildet. D. h., zwischen Pol und Gegenpol besitzt das Magnetfeld einen Magnetfeldgradienten bzw. eine räumlich zu- bzw. abnehmende lokale Magnetfeldstärke. Der magnetische Pol liegt dem magnetischen Gegenpol am Umfang des Strömungsrohrmantels gegenüber. Das Magnetfeld im Strömungsrohr ist folglich primär senkrecht zur Achse des Strömungsrohrs sowie zu der axial des geraden Strömungsrohrs verlaufenden Strömungsrichtung ausgerichtet.
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Erfindungsgemäß ist die umfängliche Ausdehnung des Gegenpolschuhs am Mantel des Strömungsrohrs (bzw. in Mantelnähe) größer als die des Polschuhs; insbesondere beträgt die umfängliche Ausdehnung des Gegenpolschuhs am Mantel des Strömungsrohrs mindestens das Fünffache der umfänglichen Ausdehnung des Polschuhs am Mantel des Strömungsrohrs. Das inhomogene Magnetfeld im Strömungsrohr besitzt demzufolge in den Querschnittsebenen des Strömungsrohrs eine näherungsweise als fächerartig beschreibbare Struktur der Magnetfeldlinien mit verdichteten Magnetfeldlinien im Bereich des Polschuhs und geweiteten Magnetfeldlinien im Bereich des Gegenpolschuhs.
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Im Ausströmbereich des Strömungsrohrs besitzt das Magnetmodul eine polseitig angeordnete Nutzfluid-Zweigleitung zur Ausleitung des sauerstoffangereicherten Nutzfluids und eine gegenpolseitig angeordnete Restfluid-Zweigleitung zur Ausleitung des sauerstoffabgereicherten Restfluids. D. h., das Mischfluid wird über die beiden Zweigleitungen im Ausströmbereich in den sauerstoffangereicherten Teilstrom des Nutzfluides und den sauerstoffabgereicherten Teilstrom des Restfluides gespalten. Die Zweigleitungen können auch jeweils aus mehreren kleinen Kapillaren bestehen, die sich nach Verlassen des Ausströmbereichs vereinigen.
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Das erfindungsgemäß auf kryogene Temperaturen gekühlte Magnetmodul weist mindestens einen Magneten auf, der zur Erzeugung des Magnetfeldes dient. Kryogene Temperaturen im Sinne dieser Offenbarung sind Temperaturen von 0 K bis zu 155 K; der bevorzugte Betriebstemperaturbereich des gekühlten Magnetmoduls liegt zwischen 50 K und 155 K. Der bzw. die Magnete können Permanentmagnete, Elektromagnete oder auch supraleitende Elektromagnete sein.
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Am Mantel des vorzugsweise aus einem nichtmagnetischen Material bestehenden Strömungsrohrs sind polseitig ein sich axial des Strömungsrohrs erstreckender Polschuh und gegenpolseitig ein sich ebenfalls axial des Strömungsrohrs erstreckender Gegenpolschuh angeordnet. D. h., der Pol- und der Gegenpolschuh liegen mit ihrer jeweiligen mittleren Längsachse an gegenüberliegenden Mantellinien am Strömungsrohr an (oder zu mindestens nahe dieser Mantellinien).
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Der Polschuh und der Gegenpolschuh bestehen vorzugsweise aus einem weichmagnetischen Material und sind zur magnetischen Polung mit dem Magnet gekoppelt; sie dienen zur Führung und Formung des durch den Magnet erzeugten Magnetfeldes innerhalb des Strömungsrohrs. Das weichmagnetische Material ist ein Werkstoff, der sich leicht magnetisieren lässt und eine Koerzitivfeldstärke von weniger als 1000 A/m besitzt; weichmagnetische Materialien sind zum Beispiel niedrig legierte Stähle oder Nickel-Eisen-Legierungen, wie das sogenannte Mu-Metall.
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Das erfindungsgemäß auf kryogene Temperaturen gekühlte Magnetmodul eignet sich, das sauerstoffangereicherte Nutzfluid mit einem Zielgehalt von 50 Vol.-% bis 95 Vol.-% Sauerstoff zu produzieren. Hochsauerstoffreiche Fluide mit einem Sauerstoffgehalt von mindestens 90 Vol.-% sind unproblematisch herstellbar.
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Die magnetische Separation im Strömungsrohr des Magnetmoduls verläuft bei kryogenen Temperaturen infolge der verminderten Molekülbewegungen deutlich effektiver als bei Raumtemperatur und erfordert keine sonderlich hohen Betriebsdrücke. Das Magnetmodul zeichnet sich nicht zuletzt aus diesen Gründen im Bereich kleiner bis mittlerer Produktionsraten durch eine höhere Wirtschaftlichkeit aus, als die sonst gebräuchlichen Luftzerlegungsverfahren.
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Die umfängliche Ausdehnung des Polschuhs und des Gegenpolschuhs kann über die Erstreckung des Strömungsrohrs variabel sein. Beispielsweise kann vom Einströmbereich hin zum Ausströmbereich die umfängliche Ausdehnung des Gegenpolschuhs am Mantel des Strömungsrohrs größer und/oder die umfängliche Ausdehnung des Polschuhs am Mantel des Strömungsrohrs kleiner werden, wodurch sich der Magnetfeldgradient vom Einströmbereich zum Ausströmbereich hin verändert. Die umgekehrte Gestaltung ist ebenfalls anwendbar.
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Vorzugsweise liegt die Achse des Strömungsrohrs in einer zwischen dem Polschuh und dem Gegenpolschuh aufgespannten Magnetfeldmittelebene, wobei die Ausrichtung dieser Magnetfeldmittelebene maximal ± 10° von der Lotrechten abweicht. Hierbei sind der Polschuh an der entsprechend der Lotrichtung ausgebildeten Unterseite des Strömungsrohrs und der Gegenpolschuh an der entsprechend der Lotrichtung ausgebildeten Oberseite des Strömungsrohrs angeordnet. In dieser Anordnung bzw. Ausrichtung unterstützt die Schwerkraft die magnetische Separation, da die Gravitation auf Sauerstoffmoleküle stärker wirkt als zum Beispiel auf Stickstoffmoleküle. Zudem kann in dieser Ausgestaltung des Magnetmoduls vorgesehen sein, dass der eingeschlossene Winkel zwischen der axial des Strömungsrohrs verlaufenden Strömungsrichtung und der Lotrichtung im Bereich von über 0° bis 90° (vorzugsweise 50° bis 90°) liegt. D. h., das Strömungsrohr ist in Strömungsrichtung abwärts geneigt. Der besonders bevorzugte Winkel zwischen der Strömungsrichtung und der Lotrichtung liegt bei 70° ± 5° (bzw. 20° ± 5° gegenüber der Horizontalen). Durch die Abwärtsneigung des Strömungsrohrs wird die magnetische Fluidseparation zusätzlich verstärkt.
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Die erfindungsgemäße Vorrichtung zur magnetbasierten Fluidseparation umfasst mindestens eines der beschriebenen Magnetmodule sowie einen (rekuperativen) Wärmeübertrager, einen Kälteerzeuger und eine Wärmeisolationskammer. Das Magnetmodul und der Wärmeübertrager befinden sich innerhalb der Wärmeisolationskammer und sind durch diese von der Umgebung wärmeisoliert. Die Wärmeisolationskammer kann zum Beispiel eine mittels einer Vakuumpumpe evakuierte Unterdruckkammer sein.
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Das Magnetmodul, d. h. insbesondere dessen Strömungsrohr und/oder der Einströmbereich des Strömungsrohrs, ist mit dem Kälteerzeuger zur kryogenen Kühlung des Magnetmoduls sowie des Mischfluides über geeignete Verbindungen thermisch gekoppelt. Der Kälteerzeuger (bzw. die Kältequelle) kann zum Beispiel ein Joule-Thomson-Kühler, eine Expansionsmaschine, ein Flüssigstickstoffkühlaggregat, ein Pulsrohrkühler oder ein Gifford-McMahon-Kryokühler sein.
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Am Magnetmodul ist mindestens ein Magnetmodul-Heizer zur Steuerung und/oder Regelung der Betriebstemperatur des Magnetmoduls und/oder des Mischfluides angebracht. Der bzw. die Magnetmodul-Heizer dienen der Feinabstimmung der Betriebstemperatur des kryogen gekühlten Magnetmoduls und/oder des Mischfluides.
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Die Vorrichtung verfügt ferner über vorzugsweise druck- und/oder durchflussregelbare Fluidleitungen, die das Mischfluid über den Wärmeübertrager dem Einströmbereich des Strömungsrohrs zuleiten und das Nutz- sowie das Restfluid vom Ausströmbereich des Strömungsrohrs über den Wärmeübertrager ableiten. Der Wärmeübertrager ist zur rekuperativen Übertragung von Wärme vom zuströmenden Mischfluid auf das abströmende Nutz- und Restfluid ausgebildet. Der Wärmeübertrager ist beispielsweise ein Spiralrohr-, ein Platten- oder ein hybrider Wärmeübertrager; er kann auch additiv gefertigt (3D-gedruckt) werden.
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Um die Strömung bzw. den Durchfluss sowie den Druck der Fluide in den Fluidleitungen zu steuern bzw. zu regeln, besitzen die einzelnen Fluidleitungen zum Beispiel Regelventile. Diese können sowohl innerhalb als auch (bevorzugt) außerhalb der Wärmeisolationskammer angeordnet sein.
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Vorzugsweise ist in die das Mischfluid zum Wärmeübertrager führende Fluidleitung ein Vorreiniger zur Reinigung des Mischfluids von Feststoffen und/oder kryogen ausfrierenden Stoffen integriert. Der Vorreiniger ist beispielsweise ein Druckluftreiniger, der das Mischfluid von Wasser, Kohlendioxid und Feststoffpartikeln befreit.
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Die Vorrichtung kann mehrere der Magnetmodule aufweisen. Durch eine Reihenschaltung der Magnetmodule kann die Ausbeute (d. h. das Verhältnis des Massestroms des Sauerstoffs im Nutzfluid zum Massestrom des Sauerstoffs im Mischfluid) des im Mischfluid enthaltenen Sauerstoffs bei, im Vergleich zur Verwendung eines einzelnen Magnetmodules, gleichbleibendem oder höherem Sauerstoffanteil im Nutzfluid sukzessive gesteigert werden, wodurch Nutzfluide mit Sauerstoffgehalten über 95 Vol.-% herstellbar sind. Durch eine Parallelschaltung der Magnetmodule lässt sich die Produktionsrate des Nutzfluides wirksam steigern.
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Das erfindungsgemäße Verfahren zur Herstellung eines sauerstoffangereicherten Nutzgases durch magnetbasierte Separation aus einem sauerstoffhaltigen Gas wird unter Verwendung der zuvor beschriebenen Vorrichtung durchgeführt.
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Als Ausgangsstoff dient das sauerstoffhaltige Gas, zum Beispiel Luft, aus der durch Verdichten das sauerstoffhaltige Mischfluid gebildet wird. Das Verdichten des sauerstoffhaltigen Gases kann mittels eines geeigneten Verdichters, zum Beispiel eines Kompressors oder eines Gebläses, vorgenommen werden; alternativ ist eine Direktversorgung mit Druckgas bzw. Druckluft möglich, zum Beispiel aus Druckgasflaschen.
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Das Mischfluid wird anschließend unter Abgabe von Wärme durch den Wärmeübertrager geleitet und mittels der im Nutz- und Restfluid gespeicherten Kälteenergie vorzugsweise auf kryogene Temperaturen, d. h. auf Temperaturen \≤ 155 K, gekühlt.
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Danach wird das Mischfluid während der Zuleitung in und/oder während der Durchströmung des Strömungsrohrs durch Wärmeentzug mittels des thermisch mit dem Magnetmodul gekoppelten Kälteerzeugers zusätzlich gekühlt, um die Temperatur im kryogenen Temperaturbereich zu halten, zum Beispiel, um unvermeidbare Wärmeeinträge in die Komponenten innerhalb der Wärmeisolationskammer zu kompensieren. Die Feineinstellung der Betriebstemperatur des Magnetmoduls und/oder des Mischfluides erfolgt durch gezielte, gleichzeitige Steuerung oder Regelung des Magnetmodul-Heizers.
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Im Magnetmodul erfolgt während der Durchströmung des Strömungsrohrs die magnetisches Separation des sauerstoffhaltigen Mischfluides in das sauerstoffangereicherte Nutzfluid und das sauerstoffabgereicherte Restfluid. Das sauerstoffangereicherte Nutzfluid wird über die Nutzfluid-Zweigleitung und das Restfluid über die Restfluid-Zweigleitung aus dem Magnetmodul ausgeleitet.
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Danach werden das Nutzfluid und das Restfluid durch den Wärmeübertrager geleitet, wobei beide Fluide Wärme vom Mischfluid aufnehmen und - sofern sie nicht bereits im gasförmigen Zustand vorliegen - spätestens nun in den gasförmigen Zustand übergehen.
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Schließlich werden das Nutzfluid als das sauerstoffangereicherte Nutzgas sowie das Restfluid als ein sauerstoffabgereichertes Restgas aus der Vorrichtung ausgeleitet.
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Gemäß einer Ausgestaltung werden bei der Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens die Parameter des sauerstoffhaltigen Mischfluides, d. h. dessen Druck und dessen Temperatur, so eingestellt, dass das Mischfluid beim Einströmen in das Strömungsrohr und/oder beim Durchströmen des Strömungsrohrs zweiphasig als Gemisch aus flüssiger und gasförmiger Phase oder einphasig in einem Bereich nahe des Zweiphasengebiets vorliegt. Der Betrieb im bzw. nahe des Zweiphasengebietes ermöglicht eine besonders effektive Separation der Fluidbestandteile.
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Die Erfindung ist nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen und mit Bezug auf die schematischen Zeichnungen näher erläutert; dazu zeigen
- 1: eine Ausführung der Vorrichtung zur magnetbasierten Fluidseparation mit einem Magnetmodul,
- 2: das Magnetmodul im Längsschnitt,
- 3: eine Ausführung der Vorrichtung zur magnetbasierten Fluidseparation mit zwei in Reihe geschalteten Magnetmodulen,
- 4: das Magnetmodul gemäß einer ersten Ausführung des Polschuhs und des Gegenpolschuhs in perspektivischer Ansicht,
- 5: das Magnetmodul gemäß einer zweiten Ausführung des Polschuhs und des Gegenpolschuhs in perspektivischer Ansicht,
- 6: das Magnetmodul gemäß einer dritten Ausführung des Polschuhs und des Gegenpolschuhs in perspektivischer Ansicht, und
- 7: die Magnetfeldlinien des inhomogenen Magnetfeldes innerhalb des Strömungsrohrs im Querschnitt durch das Strömungsrohr.
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Die schematische Darstellung gemäß 1 verdeutlicht den prinzipiellen Aufbau der Vorrichtung zur magnetbasierten Fluidseparation sowie dessen Funktionsweise. Das sauerstoffhaltige Mischfluid 16 wird der Vorrichtung als verdichtete Luft oder verdichtetes sauerstoffhaltiges Gasgemisch zugeführt. Vor dem Eintritt in die Wärmeisolationskammer 9 werden die Feststoffpartikel und die kryogen ausfrierenden Stoffe aus dem zuströmenden sauerstoffhaltigen Mischfluid 16 mittels des Vorreinigers 12 entfernt.
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Die Wärmeisolationskammer 9 ist eine mittels der Vakuumpumpe 14 evakuierte Unterdruck- bzw. Vakuumkammer.
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Im Wärmeübertrager 8 wird dem Mischfluid 16 Wärme entzogen und das Mischfluid 16 auf kryogene Temperaturen gekühlt; das Mischfluid 16 strömt anschließend zum Magnetmodul 1, das über den thermisch gekoppelten Kälteerzeuger 10 weiter gekühlt und dessen Betriebstemperatur mittels des Magnetmodul-Heizers 11 feinjustiert wird.
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Nach der magnetischen Separation des Mischfluides 16 in das sauerstoffangereicherte Nutzfluid 17 und das sauerstoffabgereicherte Restfluid 18 im Magnetmodul 1, werden das Nutzfluid 17 und das Restfluid 18 zum Wärmeübertrager 8 geleitet. Im Wärmeübertrager 8 wird die Wärme aufgenommen, die das fluidisch getrennt durch den Wärmeübertrager 8 strömende Mischfluid 16 abgibt.
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Das Nutzfluid 17 und das Restfluid 18 werden schließlich im gasförmigen Zustand ausgeleitet.
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Die Steuerung bzw. Regelung der Fluidflüsse und -drücke in den Fluidleitungen erfolgt mittels der außerhalb der Wärmeisolationskammer 9 angeordneten Regelventile 13.
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Die schematische Längsschnittdarstellung nach 2 verdeutlicht die Wirkungsweise des Magnetmoduls 1. Die Strömungsrichtung des strömenden sauerstoffhaltigen Mischfluides 16 ist entgegen der z-Richtung des angegebenen Koordinatensystems gerichtet. Die x-Richtung entspricht der Lotrichtung bzw. der Richtung der Schwerkraftwirkung. Entsprechend der Lotrichtung ist der Gegenpolschuh 6 oberhalb des Strömungsrohrs 2 und der Polschuh 5 unterhalb des Strömungsrohrs 2 angeordnet. Das Strömungsrohr 2 verzweigt sich im Ausströmbereich in die polseitige Nutzfluid-Zweigleitung 3 und die gegenpolseitige Restfluid-Zweigleitung 4.
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Während der Durchströmung des Strömungsrohrs 2 wandern die Sauerstoffmoleküle bevorzugt zur Seite des Polschuhs 5, während sich die diamagnetischen Reststoffe am Gegenpolschuh 6 anreichern. Die Ausleitung des sauerstoffangereicherten Nutzfluides 17 erfolgt über die Nutzfluid-Zweigleitung 3 und die des sauerstoffabgereicherten Restfluides 18 über die Restfluid-Zweigleitung 4.
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Die Variante der Vorrichtung zur magnetbasierten Fluidseparation nach der 3 besitzt zwei in Reihe geschaltete Magnetmodule 1.1, 1.2. Beide Magnetmodule 1.1, 1.2 werden gemeinsam durch den Kälteerzeuger 10 gekühlt. Die Feineinstellung der Betriebstemperatur erfolgt für das Magnetmodul 1.1 (1. Stufe) mittels des Magnetmodul-Heizers 11.1 und für das Magnetmodul 1.2 (2. Stufe) separat mittels des Magnetmodul-Heizers 11.2. Hierdurch ist die Betriebstemperatur des jeweiligen Magnetmoduls 1.1, 1.2 individualisiert einstellbar.
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Bei dieser Ausführung der Vorrichtung gemäß der 3 wird das aus dem Magnetmodul 1.1 (1. Stufe) austretende sauerstoffangereicherte Fluid in das Magnetmodul 1.2 (2. Stufe) zur Verbesserung der Ausbeute des im Mischfluid enthaltenen Sauerstoffs bei gleichbleibendem oder höherem Sauerstoffanteil im Nutzfluid eingeleitet. Im Übrigen entsprechen der Aufbau und die Wirkungsweise der Vorrichtung nach der 3 der der Vorrichtung nach der 1.
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Die 4, 5 und 6 zeigen Magnetmodule 1 mit unterschiedlicher Ausführung des Polschuhs 5 und des Gegenpolschuhs 6. Der am Mantel des Strömungsrohrs 2 angrenzende Bereich des Polschuhs 5 ist erfindungsgemäß umfänglich jeweils schmaler ausgebildet als der des Gegenpolschuhs 6, d. h., der Gegenpolschuh 6 umschließt einen deutlich größeren Umfangsbereich des Strömungsrohrs 2 als der Polschuh 5. Durch das weichmagnetische Material des Polschuhs 5 und des Gegenpolschuhs 6 wird das durch den oder die Magnete 7 gebildete Magnetfeld so geführt und geformt, dass es zwischen dem Polschuh 5 und dem Gegenpolschuh 6 über die gesamte Erstreckung des Strömungsrohrs 2 in jeder Querschnittsebene inhomogen ausgebildet ist.
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Das sauerstoffhaltige Mischfluid 16, das in Strömungsrichtung (entgegengesetzt der z-Richtung des in der jeweiligen Figur eingetragenen Koordinatensystems) strömt, ist somit über die gesamt Erstreckung des Strömungsrohrs 2 dem magnetischen Separationseffekt ausgesetzt. Gemäß der bevorzugten Ausrichtung des Magnetmoduls 1 entspricht die Lotrichtung bzw. Schwerkraftrichtung der x-Richtung des in der jeweiligen Figur eingetragenen Koordinatensystems.
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Die durch diese Anordnungen hervorgerufene typische Verdichtung der Magnetfeldlinien 15 in der Nähe des Polschuhs 5 und deren Auffächerung hin zum Gegenpolschuh 6 veranschaulicht stark vereinfacht die 7. Bezüglich der Ausrichtung des Magnetmoduls 1 entspricht in der 7 die Lotrichtung bzw. Schwerkraftrichtung wiederum der x-Richtung des in der 7 eingetragenen Koordinatensystems.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Magnetmodul
- 1.1
- Magnetmodul, 1. Stufe
- 1.2
- Magnetmodul, 2. Stufe
- 2
- Strömungsrohr
- 3
- Nutzfluid-Zweigleitung
- 4
- Restfluid-Zweigleitung
- 5
- Polschuh
- 6
- Gegenpolschuh
- 7
- Magnet(e)
- 8
- Wärmeübertrager
- 9
- Wärmeisolationskammer
- 10
- Kälteerzeuger
- 11
- Magnetmodul-Heizer
- 11.1
- Magnetmodul-Heizer, 1. Stufe
- 11.2
- Magnetmodul-Heizer, 2. Stufe
- 12
- Vorreiniger
- 13
- Regelventil
- 14
- Vakuumpumpe
- 15
- Magnetfeldlinien
- 16
- sauerstoffhaltiges Mischfluid
- 17
- sauerstoffangereichertes Nutzfluid
- 18
- sauerstoffabgereichertes Restfluid
