DE19847788A1 - Hochgradienten-Magnettrennung - Google Patents

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein verbessertes Verfahren für die Hoch­ gradienten-Magnettrenntechnik, die häufig HGMS abgekürzt wird.

Das HGMS-Verfahren ist das wirksamste von allen magnetischen Trenn­ techniken, daher wird sie für die schwierige Abtrennung von sehr feinen schwach magnetischen Verunreinigungen aus Industriemineralien wie Kaolin, Calcium, Carbonat, Talk, Mica, Siliziumdioxid, Wollastonit und Nephelinsyenit eingesetzt.

Eine der wichtigsten und gut eingeführten Anwendungen der HGMS ist die Auf­ bereitung von Kaolinschlämmen. Hierbei wird dieses Verfahren zur Entfernung von eisen- und titandioxidhaltigen Mineralteilchen eingesetzt, deren Größe im allgemeinen kleiner als 10 µm ist und manchmal im Submikronbereich liegt. Zur erfolgreichen Abtrennung werden große Magneten mit großen Feldstärken be­ nötigt, die üblicherweise bei 2 Tesla oder darüber arbeiten. Ein Entwicklungs­ schwerpunkt dieser Technologie in den letzten 10 Jahren ging daher in Richtung zunehmender Magnetfeldstärken bis zu 5 Tesla, wobei die Supraleitfähig­ keitstechnologie verwendet worden ist. So hat eine Anzahl von Kaolinherstellern die herkömmlichen magnetischen Kupferspulen gegen supraleitende Spulen ausgetauscht, die eine Erhöhung der Feldstärke von 2 Tesla auf 2,5 Tesla er­ laubten, um insgesamt eine erhöhte Trennwirkung und/oder die Entfernung von höheren Verunreinigungsanteilen zu erzielen.

Bei allen magnetischen Trennverfahren wird eine Mischung aus magnetischen und nichtmagnetischen Teilchen wenigstens zwei Kräften ausgesetzt, wovon eine eine magnetische Kraft ist und daher nur auf die magnetischen Teilchen wirkt. Ist die magnetische Kraft, die auf die magnetischen Teilchen einwirkt, stärker als die zweite Kraft, die Schwerkraft, ein Fluidstrom, Zentripetalkraft oder eine beliebige Kombination davon sein kann, findet eine Auftrennung statt.

Die magnetische Kraft (Fm), die auf ein Teilchen einwirkt, kann in guter Nähe­ rung durch folgende Gleichung beschrieben werden:

Fm = M(d/dx)H (1)

wobei: M = induzierte Magnetisierung des Teilchens (d/dx)H = magnetischer Feldgradient.

Für ferromagnetische Teilchen ist die Magnetisierung (M) stark aber nicht linear abhängig von dem angewendeten Feld, d. h. eine nicht lineare Funktion des angewendeten Feldes, mit einer Sättigung, die typischerweise bei einem Wert auftritt, der äquivalent ist zu einem Hintergrund von etwa 0,4 bis 0,5 Tesla. Bei paramagnetischen Teilchen ist die Magnetisierung wesentlich schwächer aber linear abhängig vom angewendeten Feld, d. h. sie ist eine lineare Funktion da­ von. Daher kann die Gleichung (1) umgeschrieben werden zu

Fm = Vs(d/dx)H (2)

wobei: V = Teilchenvolumen
s = magnetische Suszeptibilität der Teilchen
H = magnetische Feldstärke.

Der Großteil der Teilchen, die während der Kaolinverarbeitung entfernt werden müssen, ist paramagnetisch.

Für Kaolinschlämme ist die wichtigste konkurrierende Kraft für die HGMS ein Fluidstrom, der annäherungsweise über folgende Gleichung beschrieben werden kann:

Fd = ndV (3)

wobei: Fd = Kraft des Fluidstroms
n = Schlammviskosität
d = Teilchendurchmesser
V = Fließgeschwindigkeit des Schlammes.

Es hat sich in der Praxis gezeigt, daß typische Fließgeschwindigkeiten des Schlammes, die eine Abtrennung erlauben, in einem Bereich von 1 cm/sec für Magneten mit 2 Tesla und 2 bis 3 cm pro Sekunde für Magneten mit 5 Tesla liegen. Bei diesen sehr niedrigen Fließgeschwindigkeiten zeigt sich jedoch be­ reits ein bemerkbarer Einfluß der Schwerkraft (oder der Teilchensedimentation). Beispielsweise ist die natürliche Sedimentationsgeschwindigkeit eines 40 µm Teilchens mit einer Dichte von 2,5 gm/cm³ (was ein typischer Wert für viele Mineralien einschließlich Kaolin ist) 1 mm/sec und für 100 µm Teilchen beträgt die Sedimentationsgeschwindigkeit 1 cm/sec.

Für die Bereitstellung der erforderlichen Kombination aus einem starkem Hinter­ grundfeld und einem großen Feldgradienten (die nach Gleichungen (1) und (2) erforderlich sind) enthält das HGMS-Basissystem einen solenoidalen Elektro­ magneten, der ein ausreichend homogenes Magnetfeld liefert, in einem Zylin­ dervolumen, das wiederum einen Behälter beherbergt, der mit einem feinen ferromagnetischen Material gepackt ist, das üblicherweise als Matrix bezeichnet wird. Diese Matrix kann Drahtwolle, Stahlkugeln, ein Streckgitter oder ein belie­ biger anderer poröser ferromagnetischer Körper sein. Eine in der Kaolinverar­ beitung bevorzugte Matrix ist ferromagnetische rostfreie Stahlwolle, die in Faserdurchmesserbereichen erhältlich ist, die für die Korngrößenverteilung der Kaolinzufuhr geeignet ist. Der große Feldgradient wird durch die Matrix erzeugt, indem sie die magnetischen Feldlinien in ihrer Nachbarschaft konzentriert. Dies ist in Fig. 1 veranschaulicht. Folglich konzentriert sich die magnetische Bin­ dungskraft in zwei entgegengesetzten Bereichen auf oder nahe der Oberfläche der Matrixfasern.

Trotz der vergleichsweisen Einfachheit des HGMS-Verfahrens erfolgte dessen Entdeckung und anschließende Entwicklung für die Kaolinverarbeitung erst in den späten 60iger und frühen 70iger Jahren dieses Jahrhunderts als erkannt wurde, daß es dafür drei grundlegende Erfordernisse gab. Diese sind das Be­ treiben des Magneten mit großer Feldstärke (üblicherweise 2 Tesla), die Ver­ wendung von sehr feinen Stahlwollematrixes mit typischen Durchmessern von 30 bis 100 µm und sehr niedrige Verfahrensgeschwindigkeiten in der Größen­ ordnung von 1 cm/sec.

Die anspruchsvollste Aufgabe bestand in dem Erfordernis nach einem starkem Magnetfeld und die gesamte grundlegende Patentliteratur verweist auf Ma­ gnetfelder in einem Bereich von 1,5 bis 2,0 Tesla als einen Schlüsselparameter.

Die Kraft der magnetischen Teilchen ist sowohl stark abhängig von deren Ab­ stand vom Draht als auch vom Durchmesser des Drahtes. Daher ist die Chance, daß ein Teilchen zurückgehalten und am Draht haften bleibt, stark abhängig von dessen Lage als auch von dessen magnetischen Eigenschaften und den Ein­ flüssen des Fluidstroms. Das bedeutet, daß das System nicht gut für die Trennung von zwei Materialien mit nur geringfügig verschiedenen magnetischen Eigenschaften geeignet ist, d. h. es ist nicht sehr selektiv. Zudem kann ein stark magnetisches Material, wenn es einmal von der Matrix angezogen worden ist, nur schwer entfernt werden.

Das heutzutage benutzte Standardsystem für die HGMS ist in Fig. 2 gezeigt. Die Spule kann entweder aus wassergekühltem Kupfer oder einem supra­ leitenden Solenoid bestehen. Dabei können mit letzterem, obwohl es komplexer ist, stärkere Felder (bis zu 3 oder 3,5 Tesla) bei beträchtlich geringerem Ener­ gieverbrauch erzeugt werden. Die Spule und der Matrixbehälter sind von einem schweren Eisenrahmen umgeben, um die Magnetwirksamkeit zu erhöhen und um dadurch den Strombedarf der Spule zu verringern. Das HGMS-Verfahren läuft im Betrieb in folgenden Schritten ab, die eine aufeinanderfolgende Kon­ trolle der Ventile und der Stromzufuhr zum Magneten beinhalten:

• 1. Magnetfeld: Bei sauberer Matrix wird dem Magneten Strom zugeführt.
• 2. Wasserverdrängung: Kaolinschlamm wird durch den Matrix­ behälter nach oben geleitet. Kurz nachdem der Kaolinlevel das obere Ende des Be­ hälters erreicht hat, wird das Produktventil geöffnet und das Abflußventil geschlossen.
• 3. Verarbeitung: Der Kaolinschlamm wird weiter durch die magnetisierte Matrix geführt, wobei magne­ tische Teilchen zurückgehalten werden. In der Folge werden die verfügbaren Bin­ dungsstellen belegt und die Produktqualität nimmt bis zum untersten akzeptablen Ni­ veau ab. Zu diesem Zeitpunkt wird das Kao­ linzufuhrventil geschlossen und das Wasserventil geöffnet.
• 4. Kaolinverdrängung: Wasser wird mit einer Fließgeschwindigkeit, die ähnlich oder gleich der des Kaolins ist, durchgeleitet, so daß auch das letzte ver­ bleibende Behältervolumen an Kaolin ver­ drängt wird, ohne daß zurückgehaltene ma­ gnetische Teilchen entfernt werden. Sobald der größte Anteil an Kaolin verdrängt wor­ den ist, wird das Produktventil geschlossen.
• 5. Ausschalten des Magneten: Die Stromzufuhr zum Magneten wird unter­ brochen.
• 6. Spülung: Die Matrix wird mit einem Wasserstrom von hoher Geschwindigkeit (bis zu 7 oder 8 cm pro Sekunde) sauber gespült. Es gibt ver­ schiedene Spülabläufe, die von den ver­ schiedenen Betreibern verwendet werden. Die gebräuchlichste Flußabfolge ist Gegen­ strom-Gleichstrom-Gegenstrom bezogen auf die ursprüngliche Kaolinflußrichtung.

Von den einzelnen Betreibern werden bestimmte Abänderungen dieses stufen­ weisen Verfahrens bevorzugt. Beispielsweise werden die Stufen (1) und (2) oft kombiniert, da wie bei jedem Induktor der Großteil des Feldes in weniger als der Hälfte der Zeit, die für das gesamte Feld benötigt wird, erzeugt wird, und so die Einbuße an Produktqualität nur minimal ist. Manchmal wird ein Luftstrom (Ge­ bläse) eingesetzt, um den Spülprozeß zu unterstützen. Auch führen manche Betreiber den Kaolinschlamm in Abwärtsrichtung.

Ein alternatives HGMS-Verfahren, das einige Beachtung erzielt hat, basiert auf dem sogenannten Wechselbehälterprinzip und ist in den Fig. 3A und 3B ge­ zeigt. Bei diesem Verfahren steht der Magnet permanent unter Strom und die Trennung findet abwechselnd in zwei mechanisch miteinander verbundenen Matrixbehältern 11 statt. Dabei kann in vergleichsweise kurzer Zeit (10 bis 20 Sekunden) von einem zu dem anderen Behälter gewechselt werden, auch ist die Verfahrenseffizienz geringfügig verbessert, da gespült werden kann, während der andere Behälter in Betrieb ist. Da hierbei die Zeit, die benötigt wird, um den Magneten unter Strom zu setzen, keinen Einfluß auf den Verarbeitungszyklus hat, können sehr starke Magneten verwendet werden, so daß diese Vor­ richtungen heutzutage bei 5 Tesla arbeiten.

In Fig. 3B sind die einzelnen Verfahrensschritte eines Wechsel-HGMS- Systems mit zwei Matrixbehältern oder aktiven Behältern 11 gezeigt.

In einem ersten Schritt ist ein Behälter magnetisiert und Kaolinschlamm wird durchgeleitet, der zweite nicht magnetisierte Behälter wird zur Entfernung von anhaftenden magnetischen Teilchen gespült (1. Abbildung).

Nach dem Durchleiten des Schlamms wird das noch im Behälter verbleibende Kaolin mittels Waschwasser ausgeschwemmt (2. Abbildung).

Anschließend wird der Magnet zum Beispiel mittels eines Antriebs von dem ersten zu dem zweiten Behälter bewegt und der zweite Behälter wird magne­ tisiert und mit Kaolinschlamm beschickt während der erste Behälter zur Entfer­ nung der magnetischen Teilchen gespült wird (3. Abbildung).

Das Wechselkonzept beinhaltet jedoch einige Einschränkungen und erfordert Kompromisse. Einer davon ist der Einsatz einer Vielzahl von Matrixbehältern mit sehr geringer Bettiefe, was kurze Durchlaufzeiten zur Folge hat.

In den wichtigsten Punkten gleichen sich die Verfahrensstufen 2 bis 4 des her­ kömmlichen An-/Abschalt-HGMS-Systems und des Wechsel-HGMS-Systems, obwohl die tatsächlichen Arbeitszeiten in der Praxis vollkommen verschieden sind. In Tabelle 1 sind typische Arbeitszeiten für die Stufen von HGMS-Vorrich­ tungen im Schaltmodus gezeigt.

Tabelle 1

Typische Arbeitszeiten für die Schaltmodus-HGMS

Im wesentlichen arbeitet der HGMS-Separator als eine Art Magnetfilter, der ma­ gnetische Verunreinigungen, die in Kaolin oder in einem anderen zugesetzten Material enthalten sind, einfängt und zurückhält. In periodischen Abständen, wenn der Filter gesättigt ist, muß er gespült und der Prozeß neu gestartet wer­ den.

Für ein herkömmliches Filter erwartet man, daß die magnetischen Produkte auf der Vorderseite des Filters zurückgehalten werden. Sobald diese gesättigt ist, sollten dann die Teilchen weiter unten zurückgehalten werden, bis das gesamte Bett mit magnetischen Teilchen gesättigt ist und sich die Trennleistung zu diesem Zeitpunkt rasch verschlechtert.

In der Kaolinherstellung ist es üblich, den Weißgrad des Produkts oder dessen Reinheit, d. h. den Grad der Entfernung an magnetischen Teilchen, als eine Funktion der Zeit oder des Produktes, das den Filter passiert, aufzutragen. Die für einen herkömmlichen Filter zu erwartende Kurve ist in Fig. 4A wiederge­ geben. In der Praxis jedoch ist die Kurve, die bei der Kaolin-HGMS erhalten wird, vollkommen verschieden davon.

Die für das HGMS-Verfahren typische Minderungskurve oder Familie von Minde­ rungskurven für verschiedene Fließgeschwindigkeiten von Kaolin ist in Fig. 4B gezeigt. Es findet sich eine schnelle anfängliche Abnahme der Produktqualität. Die Ordinate zeigt die Produktqualität ausgedrückt als Weißgrad des Produkts. Eine ähnliche Kurve würde erhalten werden, wenn dieser durch den Prozentsatz an Verunreinigungen (Fe₂O₃ + TiO₂) ersetzt werden würde. Zur Verbesserung der Produktqualität kann ein Kaolinhersteller entweder die Fließgeschwindigkeit verringern oder die Durchlaufzeit kürzen. Beides jedoch hat eine Verringerung der Produktionsrate zur Folge.

Es gab zahlreiche Versuche, den Kurvenverlauf im Hinblick auf die Partikel­ dynamik und die beteiligten Kräfte zu erklären. Das erfolgreichste Modell ist das, das von Prof. J.H.P. Watson vorgeschlagen und in World Filtration Congress IV, Ostend, Belgien, 22. bis 25. April 1986 beschrieben worden ist: "Magnetic filtration of Polydisperse Particle Systems". In diesem Modell hat Watson ge­ zeigt, daß zurückgehaltene stark magnetische Teilchen eine erhöhte Anzahl an Bindungsstellen für sehr feine und sehr schwach magnetische Verunrei­ nigungen liefern. In dem Modell ist gezeigt, daß bei der Analyse des HGMS- Verfahrens der Umstand berücksichtigt werden muß, daß der Schlamm, der der Trennung unterzogen werden soll, eine Korngrößenverteilung aufweist und daß die magnetischen Teilchen aus Teilchen bestehen, die eine Verteilung der Teil­ chengröße und der magnetischen Suszeptibilität aufweisen. Es wird ange­ nommen, daß durch die Gegenwart von vergleichsweise groben stark magne­ tischen Teilchen die Entfernung von schwach magnetischen Teilchen gefördert wird, indem zwischen den groben Teilchen wirksame Bindungsstellen gebildet werden. Dieses Modell zeigt als erstes, daß die Tiefe des Matrixbehälters nicht nur für den Trennleistungsfaktor, sondern auch für die tatsächliche Trenn­ leistung eine wichtige Rolle spielt, wobei als ein Verfahren zur Erhöhung der Abtrennung von schwach magnetischen Verunreinigungen durch die HGMS vorgeschlagen wird, den Effekt der groben stark magnetischen Teilchen, die "vermehrte" Bindungsstellen liefern, durch Impfung der Kaolinschlämme mit stark ferromagnetischen Teilchen zu verstärken.

Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung eine verbesserte Hochgradienten- Magnettrenntechnik zur Verfügung zu stellen.

Gemäß einem Aspekt der vorliegenden Erfindung wird ein HGMS-Verfahren zur Verfügung gestellt, daß mindestens zwei Stufen umfaßt, wobei in der ersten Stufe die Trennung bei geringerer Feldstärke als in der zweiten Stufe durchge­ führt wird.

Die hier gegebene Lehre basiert auf der Entdeckung, daß entgegen den Er­ wartungen eine der eigentlichen Behandlung mit großer Feldstärke vorge­ schaltete Trennstufe mit geringer magnetischer Feldstärke nicht nur die erzielte Gesamttrennung verbessert und/oder insgesamt einen stärkeren Separator er­ möglicht, sondern zudem eine Reihe vorteilhafter Effekte auf die Verfahrens­ durchführung bei großer Feldstärke (zweite Stufe) ausübt. Diese Vorteile sind unter anderem: Verbesserung des energetischen Wirkungsgrades, verringerte Reibung der Komponenten, geringere Instandhaltungskosten, geringerer Wasserverbrauch und geringere Verdünnung des Produkts. Folglich wird mit diesem Verfahren eine elegante Lösung für die Kapazitätserhöhung von her­ kömmlichen Separatoren zur Verfügung gestellt. Weiter ermöglicht das Zwei- Stufen-Verfahren eine neue Anordnung von HGMS-Anlagen, die die Kom­ plexität der Anordnung und Betriebsweise von Separatoren mit großer Feld­ stärke (zweite Stufe) verringert.

Nachfolgend wird anhand eines Beispiels unter Bezugnahme auf die anlie­ genden Abbildungen eine erfindungsgemäße Ausführungsform erläutert, wobei:

Fig. 1 die Konzentrierung des Magnetflusses durch eine ferromagne­ tische Matrixfaser zeigt;

Fig. 2 eine schematische Ansicht eines Querschnitts durch ein her­ kömmliches Schaltmodus-HGMS-System ist;

Fig. 3A und 3B schematische Ansichten eines Querschnitts durch ein herkömm­ liches Wechsel-HGMS-System zeigen;

Fig. 4A und 4B Graphen sind, die den Wirkungsgrad von herkömmlichen Syste­ men zeigen; und

Fig. 5 ein Graph ist, der den Wirkungsgrad der beschriebenen Ausfüh­ rungsform eines HGMS-Systems zeigt.

Vorstehend ist gezeigt worden, daß gemäß dem gegenwärtigen Wissensstand die Kaolinverarbeitung starke Magnetfelder von typischerweise zwei Tesla oder mehr erfordert und die Trennung durch die Gegenwart von vergleichsweise gro­ ben magnetischen Partikeln verbessert wird. Die bevorzugte Ausführungsform basiert auf der Erkenntnis, daß eine HGMS-Behandlung von Kaolinschlämmen bei geringerer magnetischer Feldstärke (bei nominal 0,75 Tesla) einen maßgeb­ lichen Effekt auf die folgende Minderungskurve eines zweiten HGMS-Durch­ ganges bei großer Feldstärke hat. In Übereinstimmung mit bereits früher be­ richteten Beobachtungen zeigt das Produkt, das bei dem ersten Durchgang mit geringer Feldstärke erhalten wird, im Vergleich zu dem zugeführten Material nur eine geringfügige Verbesserung des Weißgrades. Wird jedoch dieses Produkt nochmals bei üblichen großen magnetischen Feldstärken von 2 bis 5 Tesla be­ handelt, kann eine nahezu flache Minderungskurve erhalten werden.

Als Beispiel sind in Fig. 5 die Ergebnisse der Behandlung von Kaolin in Fein­ papier-Streichqualität von der Art gezeigt, die in Mittel-Georgia oder Brasilien hergestellt wird. Kurve A1 zeigt die Minderungskurve nach einem einzigen Durchgang bei 5 Tesla und 1 cm/sec Schlammgeschwindigkeit. Wird dasselbe Material bei derselben Geschwindigkeit bei 0,75 Tesla bearbeitet, wird lediglich ein Weißgradzuwachs von 1,6 Punkten erhalten, dies genügt jedoch nicht den Minimalanforderungen für Kaolin für eine Papierstreichmasse.

Wird jedoch dieses bei geringer Feldstärke erhaltene Produkt nochmals bei 5 Tesla nachbehandelt, wird die nahezu flache Minderungskurve (A2) erhalten. Der gleiche Effekt wird bei einer Verarbeitungsgeschwindigkeit von 1,7 cm/sec erzielt, wie in den Kurven B1 und B2 gezeigt ist.

Vorzugsweise wird für das erfindungsgemäße Zwei-Stufen-Verfahren die Tren­ nung in der ersten Stufe bei einer Feldstärke von 1 Tesla oder weniger oder bei einer Feldstärke durchgeführt, die der Hälfte der Feldstärke für die zweite Stufe oder weniger entspricht.

Es hat sich gezeigt, daß bei Anwendungen des Zwei-Stufen-Verfahrens bei gleichbleibender Produktqualität die Durchlaufzeiten erhöht werden können. Insbesondere kann bei einer Erhöhung der Durchlaufzeit von einer Zeit x in einem Ein-Stufen-Verfahren auf eine Zeit 1,3x in der zweiten Stufe des erfin­ dungsgemäßen Zwei-Stufen-Verfahrens bei ansonsten gleichen Verfahrens­ parametern eine Verbesserung der Abtrennung von magnetischen Teilchen erzielt werden.

Diese Ergebnisse zeigen deutlich, daß mit dem Zweistufenverfahren nicht nur eine höhere Produktqualität als bei einer einzigen Behandlung bei großer Feld­ stärke erhalten werden kann, sondern daß aufgrund der nunmehr möglichen längeren Durchlaufzeit bei ansonsten gleichbleibenden Verfahrenskonstanten weitere Vorteile erhalten werden, wie sie zum Beispiel nachfolgend aufgezählt sind:

• 1. Durch eine längere Durchlaufzeit wird für den Separator mit großer Feldstärke ein höherer Leistungsfaktor erzielt. Eine vorsichtige Abschätzung ergibt einen Anstieg des Leistungsfaktors von 67% auf 85%, dies entspricht einem Anstieg der Produktionsrate um nahezu 27%.
• 2. Die "Wasserverdrängung"- und "Kaolinverdrängung"-Stufen des HGMS-Zyklus verursachen eine Verdünnung des Produkts, da die Grenzfläche zwischen dem Kaolinschlamm und dem Wasser nicht scharf ist. Für das Produkt einer Wechseltyp-HGMS ist die Verdünnung ein Problem, das zur Zeit nur unter In­ kaufnahme eines Verlustes an Kaolinprodukt in den Abwasserstrom minimiert werden kann. Die Anwendung einer Vorbehandlung bei geringer Feldstärke kann für jeden Separatortyp den Produktverlust um 50% oder mehr verringern. Zur Erzielung eines möglichst großen Vorteils, sollte die Spülstufe für beide Ma­ gneten mit einer Luftstromspülung abschließen, um einen Großteil des Wassers auszutreiben, so daß der Kaolinschlamm anfangs durch eine nahezu trockene Matrix fließt.
• 3. Der Ventilbetrieb wird um die Hälfte oder mehr verringert, was einer Verdopp­ lung der Ventilstandzeit entspricht.

Das Zweistufenverfahren kann auf viele Arten durchgeführt werden, wobei jede abhängig von der örtlichen Begebenheit Vorteile hat. Beispielsweise kann für Schaltmodus-HGMS-Systeme die erste Stufe (geringe Feldstärke) inline und in Reihe mit der zweiten Stufe erfolgen. Alternativ kann die erste Stufe in einer gesonderten Einheit durchgeführt werden. Letzteres ermöglicht größere Frei­ heiten in Bezug auf die Zykluszeiten, ist jedoch weniger effizient, da gesonderte Pumpen und Tanks erforderlich sind.

Es kann auch eine Mischung aus beiden eingesetzt werden, wobei für einen Teil oder Teile des Zyklus' die zwei Stufen inline (und in Reihe) und zu anderen Zeiten getrennt durchgeführt werden. Beispielsweise kann die Kaolinver­ drängungsstufe der ersten Stufe isoliert sein und das Kaolin vom Magneten ab­ tropfen gelassen und in den Einspeisungstank zurückgepumpt werden, wohin­ gegen in der zweiten Stufe die Kaolinverdrängung mit Wasser wie üblich erfolgt. Mit dieser Modifizierung läßt sich die Produktverdünnung verringern, die mit der ersten HGMS-Stufe verbunden ist. Wie bereits vorstehend bemerkt, kann die Verdünnung des Produktes während der Wasserverdrängungsstufe verringert werden, indem das Wasser am Ende des Spülzyklus' mit einem Luftgebläse ausgeblasen wird.

Der Vollständigkeit halber ist anzumerken, daß unabhängig davon, ob die zweite Stufe mit einer Schaltmodus- oder einer Wechsel-HGMS betrieben wird, die erste Stufe entweder mit Schaltmodus- oder Wechsel-HGMS betrieben werden kann.

Nachdem die Vorteile der Zweistufentrennung aufgezeigt worden sind, wobei die erste Stufe bei geringeren Feldstärken als die zweite durchgeführt wird, kann nun die Anordnung und Arbeitsweise für die Wechsel-HGMS verbessert werden. Bei Wechsel-HGMS-Systemen sind die zwei aktiven Matrixbehälter 11 zwischen drei magnetisch ausbalancierten inaktiven Behälter 12 angeordnet, die manchmal "Dummybehälter" genannt werden. Diese inaktiven Behälter dienen zur Zeit nur dazu, den Matrixwechsel mit einem Minimum an Antriebs­ kraft zu ermöglichen, und zur Verringerung der Beanspruchung des Solenoid­ magneten durch magnetisches Ungleichgewicht.

Wie vorstehend bereits erwähnt, werden zur Zeit für die Wechsel-HGMS Felder von 5 Tesla eingesetzt. Dies bedeutet, daß die inaktiven Behälter 12 ein Vo­ lumen beanspruchen, in dem sich ein Feld von nahezu 0 bis 5 Tesla erstreckt. Zur Zeit wird dieses magnetisierte Volumen nicht zur Trennung benutzt. Berück­ sichtigt man, daß sich dieser magnetisierte Bereich über eine Strecke von ty­ pischerweise zwischen 50 cm und 1 m über die aktiven Behälter 11 hinaus er­ streckt, in denen die Verarbeitung erfolgt, wird klar, daß diese inaktiven Behälter 12 so ausgestaltet werden können, daß sie für die erste Stufe eingesetzt werden können.

In Fortführung dieser Entwicklung wurde eine Reihe von Tests mit der Zwei­ stufen-HGMS mit primären Kaolin durchgeführt, das gegenwärtig in einer euro­ päischen Kaolinanlage abgebaut wird. Wie zuvor wurde die Trennung in der ersten Stufe bei 0,75 Tesla und in der zweiten Stufe bei 5 Tesla durchgeführt. Die analytischen Daten liegen zur Zeit noch nicht vor. Jedoch wurde der Test mit einer Modifikation durchgeführt, wobei versucht wurde, in der zweiten Stufe die Spülung bei vollstromführenden Magneten durchzuführen. Es hat sich ge­ zeigt, daß mit einer Standardspülwasserzusammensetzung bei einem Fluß von nominal 6 cm/sec kombiniert mit einem Luftgebläse eine vollständige Spülung der Matrix erzielt werden konnte. Bei einer zweiten Spülsequenz, wobei der Magnet nicht unter Strom stand, trat kein Material mehr aus dem Matrixbehälter hervor, wodurch bewiesen ist, daß die Spülung bei vollem Feld (5 Tesla) absolut erfolgreich war. Versuche die Matrix bei 5 Tesla ohne einen ersten Durchgang bei geringem Feld zu spülen, ergaben sogar bei extrem aggressiver Spülung keine saubere Matrix. Die Ergebnisse dieser Tests liefern die Basis für weitere Verbesserungen des HGMS-Verfahrens.

Wie vorstehend angemerkt, gehen der Trend bei der HGMS-Entwicklung in Richtung immer stärkerer Magnetfelder. Für die supraleitende Schaltmodus- HGMS erfordert die zusätzliche Energie, die in die Hochgeschwindigkeits­ magnetisierung und Entmagnetisierung der großen Solenoide gesteckt wird, eine komplizierte Tieftemperaturausgestaltung mit flüssigem Stickstoff und Heliumverflüssigern. Aufgrund der Eliminierung der Notwendigkeit des häufigen Anfahrens des Magneten kann die Komplexität der Tieftemperaturkühlung we­ sentlich verringert werden. Das vorgeschlagene Zweistufen-Verfahren hat im wesentlichen die Tieftemperaturvorteile des Wechselsystems (wobei der Magnet permanent unter Strom ist) ohne jedoch die Nachteile des komplexen Wechsel­ systems mit zwei Behältern aufzuweisen.

Bezugszeichenliste

1

Magnetfeldlinie

2

Schnitt durch Matrixfaser

3

magnetischer Eisenrahmen

4

Magnetspule

5

Matrix

6

Wechselmatrixzug

7

Vakuumbehälter

8

Eisenjoch

9

supraleitende Spule

10

Schubantrieb

11

aktiver Behälter

12

Dummybehälter

Claims (6)

1. Hochgradienten-Magnettrenntechnikverfahren mit wenigstens zwei Stufen, dadurch gekennzeichnet, daß die Trennung in der ersten Stufe bei geringerer Feldstärke als in der zweiten Stufe durchgeführt wird.

2. Hochgradienten-Magnettrenntechnikverfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Trennung in der ersten Stufe bei 1 Tesla oder weniger ausgeführt wird.

3. Hochgradienten-Magnettrenntechnikverfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Trennung in der ersten Stufe bei der halben Feldstärke oder we­ niger als in die zweite Stufe eingesetzt wird, ausgeführt wird.

4. Hochgradienten-Magnetentrenntechnikverfahren nach einem der Ansprüche 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß die zweite Stufe ohne Abschalten für einen Spülvorgang durchgeführt wird.

5. Hochgradienten-Magnettrenntechnikverfahren nach einem der vorher­ gehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Durchlaufzeiten der zweiten Stufe von einer Zeit x auf wenigstens eine Zeit 1,3x ausgeweitet wird unter Erzielung einer vergleichbaren oder besseren Entfernung von magnetischen Teilchen im Vergleich zu einem Einstufen-Verfahren mit einer Durchlaufzeit x und unter Beibehaltung aller anderen Parameter der zweiten Stufe.

6. Trennbehälter für Wechsel-Hochgradienten-Magnettrenntechniksysteme, mit magnetisch ausgewogenen Behältern, die bei der Trennung als eine Vorstufe zur Trennung in den aktiven Behältern beteiligt sind.