DE19931931A1

DE19931931A1 - Verfahren und Vorrichtung zum Trennen von Partikeln mittels Aufladen durch Reibung

Info

Publication number: DE19931931A1
Application number: DE1999131931
Authority: DE
Inventors: Willem S Schmoutziguer; James J Mcgovern
Original assignee: Outokumpu Castform Oy
Current assignee: Luvata Castform Oy
Priority date: 1998-02-20
Filing date: 1999-07-08
Publication date: 2001-01-11
Also published as: GB2351928A; GB2351928B; US6034342A; GB9916436D0

Abstract

Verfahren und Vorrichtung, um ein Gemisch von zwei Arten elektrisch geladener Partikel einem intensiven körperlichen Kontakt durch eine pneumatische Beförderung auszusetzen, deren Weg durch turbulente Strömung und Wegunterbrechungen abgeändert ist, um auf den Partikeln elektrische Oberflächenladung zu erzeugen und die geladenen Partikel zu trennen, um Partikel mit derselben Ladung aufzufangen. Ein Versetzen mit einem wiederverwendbaren Katalysator kann ebenso stattfinden wie die Ausbildung des Wegs des Gemischs aus einer der beiden Arten elektrisch neutraler Partikel. Die Wegunterbrechungen können abrupte Richtungswechsel, gewundene Pfade, Prallflächen, induzierte Wirbel und andere mechanische Einrichtungen sein.

Description

HINTERGRUND DER ERFINDUNG

Es gibt viele Anlässe, bei denen ein Gemisch von Partikeln verschiedener Arten getrennt werden muß, beispielsweise bei der Erzgewinnung oder der Abfallsortierung. Die verschiedenen magnetischen Eigenschaften der Materialien können ein Trennen dadurch ermöglichen, daß die Partikel durch ein magnetisches Feld geleitet werden. Sind die Materialien jedoch nicht magnetisch anziehend, werden andere Trenntechniken erforderlich. Viele Materialien, insbesondere Kunststoffe, sind elektrisch neutral und bleiben von magnetischer Ladung unbeeinflußt. Damit ist ein Trennen, das auf Magnetwirkung beruht, nicht machbar. Ein Trennen, das auf den verschiedenen spezifischen Gewichten basiert, ist ebenfalls, dort wo es möglich ist, weit verbreitet. Im Falle von Kunststoff sind sich die spezifischen Gewichte verschiedener Materialien häufig zu ähnlich, um eine Basis für solch ein Trennen darzustellen. Nun wurde herausgefunden, daß solche elektrisch neutralen Materialien mit einer temporären Oberflächenladung versehen werden können, die ausreichend stark und anhaltend ist, ein Trennen zu ermöglichen, das auf den unterschiedlichen Ladungen beruht, die von verschiedenen Materialien angenommen werden können.

Es ist eine Aufgabe dieser Erfindung, ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Trennen von Gemischen von zwei oder mehr Arten von Partikeln elektrisch neutralen Materials vorzusehen. Eine weitere Aufgabe dieser Erfindung ist es, ein Verfahren und eine Vorrichtung vorzusehen, die ein Zufuhrgemisch von elektrisch neutralen Partikeln aus Kunststoffmaterial in turbulenter Strömung einer Reihe von Richtungsänderungen und Berührungen der Partikel untereinander aussetzen, um Partikel mit temporärer Oberflächenladung zu erzeugen und diese Partikel aufgrund ihrer Oberflächenladungen zu trennen. Weitere Aufgaben werden aus der nachfolgenden, genaueren Beschreibung ersichtlich.

ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren und eine Vorrichtung, elektrisch neutrale Partikel eine elektrische Oberflächenladung annehmen zu lassen und die oberflächengeladenen Partikel ihren entsprechenden Ladungen nach zu trennen, um Partikel gleicher Ladung zu erhalten. Das Verfahren dieser Erfindung beinhaltet, elektrisch neutrale Partikel eine elektrische Oberflächenladung annehmen zu lassen, indem die Partikel einer turbulenten Strömung ausgesetzt werden, die eine physikalische Berührung der Partikel untereinander und abrupte Richtungsänderungen mit sich bringt, und die sich daraus ergebenden oberflächengeladenen Partikel einem elektrischen Feld auszusetzen, um eine Trennung zwischen den Partikeln je nach ihren Ladungen hervorzurufen.

Die Vorrichtung der vorliegenden Erfindung umfaßt eine Partikeltrennvorrichtung wie diejenige der US-Patentschrift 5,251,762 von Taylor and Jackson, bei dem elektrisch geladene Partikel vertikal zwischen rotierende zylindrische Elektroden geleitet werden, um am Ausgang der Trennvorrichtung eine Trennung zwischen den Partikeln unterschiedlicher Ladung (d. h., negative oder positive Ladung) zu bewirken. Zu Zwecken dieser Erfindung ist die Vorrichtung des Patents so abgewandelt, daß sie eine Zufuhr elektrisch neutraler Partikel aufnimmt und sie Triboelektrisierung aussetzt, die manchmal "Reibungsladung" genannt wird, damit sich die Partikel auf ihren Oberflächen temporär durch Reibung aufladen, und sie dann dem Trennprozeß dieses Patents zu unterziehen, um so eine Trennung zwischen positiv und negativ geladenen Partikeln hervorzurufen.

Eine besonders nützliche Vorrichtung, um elektrisch neutralen Partikeln Oberflächenladungen zu verleihen, ist eine Kammer, die Windungen oder Querschnittsänderungen entlang ihres Längsverlaufs enthält. Wenn Partikel dazu gebracht werden, unter Bedingungen turbulenter Strömung durch das Rohr zu strömen, ergeben sich bei hoher Geschwindigkeit zahlreiche Kollisionen zwischen den Partikeln, die wiederum auf den kollidierenden Partikeln Oberflächenladungen hervorrufen, und es sind diese Ladungen, die ausreichen, um eine Trennung in einer Vorrichtung wie derjenigen der zuvor genannten US- Patentschrift 5,251,762 zu ermöglichen. Wo es zweckmäßig ist, wird die Kammer vorzugsweise dieselbe chemische Struktur wie eine der Komponenten der kollidierenden Partikel haben. Falls das nicht machbar ist, kann das Verhältnis der Komponenten in dem Gemisch der kollidierenden Partikel durch "Versetzen" oder dem Zusatz von Festpartikeln verändert werden, die als Katalysator eingesetzt werden, um weiter auf das Aufladen des Partikelstroms einzuwirken. Der Katalysator kann vor der physikalischen Trennung der elektrisch neutralen Partikel entfernt und wiederverwendet werden. Die Kraft zur Erzeugung der turbulenten Strömung im Partikelstrom kann durch positiven Druck hinter dem Partikelstrom erzeugt werden oder durch Induktion eines Vakuums vor dem Partikelstrom.

KURZBESCHREIBUNG DER VERSCHIEDENEN ZEICHNUNGSANSICHTEN

Die neuen Merkmale, die als charakteristisch für die vorliegende Erfindung angesehen werden, werden insbesondere in den beigefügten Ansprüchen dargelegt. Die Erfindung selbst kann jedoch, sowohl was ihren Aufbau als auch ihre Funktionsweise und weitere Aufgaben und Vorteile davon betrifft, am besten mit Bezug auf die folgende Beschreibung zusammen mit den begleitenden Zeichnungen verstanden werden. Darin zeigen:

Fig. 1 eine Aufrißansicht der Front einer Partikeltrennvorrichtung, die mit einer Gebläseeinrichtung zur Erzeugung von turbulenter Strömung in einem Strom elektrisch neutraler Partikel ausgestattet ist, um auf den Partikeln Oberflächenladung zu erzeugen, kurz bevor die Partikel einer elektrostatischen Trennung ausgesetzt werden, um gemäß einer ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung geladene Partikel einer Art von geladenen Partikeln einer anderen Art zu trennen;

Fig. 2 eine Aufrißansicht der Front einer Partikeltrennvorrichtung, die mit einer Unterdruckeinrichtung zur Erzeugung von turbulenter Strömung in einem Strom elektrisch neutraler Partikel ausgestattet ist, um so auf den Partikeln Oberflächenladung zu erzeugen, kurz bevor die Partikel einer elektrostatischen Trennung ausgesetzt werden, um gemäß einer zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung geladene Partikel einer Art von geladenen Partikeln einer anderen Art zu trennen;

Fig. 3 einen Seitenaufriß der Trennvorrichtung von Fig. 2;

Fig. 4 einen Seitenaufriß einer Vorladeeinrichtung ähnlich der, die in Fig. 1 dargestellt ist;

Fig. 5 einen Seitenaufriß einer Vorladeeinrichtung, die gemäß einer dritten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ein Vakuum umgibt;

Fig. 6 eine Draufsicht der Einrichtung von Fig. 5;

Fig. 7 einen Seitenaufriß einer mit Prallflächen versehenen Vorladeeinrichtung gemäß einer vierten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;

Fig. 8 einen Aufriß des Endabschnitts der Einrichtung von Fig. 7; und

Fig. 9 einen Frontaufriß einer Partikeltrennvorrichtung ähnlich Fig. 1 mit einem Katalysator, der gemäß einer fünften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zum "Versetzen" des Partikelstroms elektrisch neutraler Partikel hinzugefügt wurde.

GENAUE BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG

Die vorliegende Erfindung ist im einzelnen in den beigefügten Zeichnungen dargestellt. In Fig. 1 ist ein Speichertrichter 10 gezeigt, der beweglich ist, um Partikel elektrisch neutralen Materials, zum Beispiel zerkleinerte Plastikplatten, Teppichmaterial usw., an den Fördertisch oder das Förderband 11 abgeben zu können, der/das wiederum diese Partikel in den Zuführtrichter 12 leitet. Das Gebläse 13 bläst Druckluft durch die Kammer oder die Leitung 14 in Richtung des Pfeils 15. Diese Druckluft nimmt die Partikel mit, die aus dem Zuführtrichter 12 in die Leitung 14 fallen. Die Leitung 14 durchläuft eine Reihe im allgemeinen rechtwinklige Windungen 16A-H, bevor sie sich in eine Trennschleuder 17 entleert, die die aufgeladenen elektrisch neutralen Partikel an den Trichter 30 abgibt, der sich, ähnlich dem des US-Patents 5,251,762, am Oberteil einer elektrostatischen Trennvorrichtung befindet und an deren unterem Ende die getrennten geladenen und ungeladenen Partikel auffängt. Der Partikel- und Luftstrom durch Leitung 14 muß turbulent sein. Ferner müssen genügend Rechtswindungen 16 in der Leitung 15 vorhanden sein, um eine temporäre Oberflächenladung der Partikel zu erzeugen. Turbulente Strömungsbedingungen gibt es im allgemeinen dann, wenn die Strömung nicht geradlinig verläuft. Sie werden mit einer Reynoldszahl angegeben, die für Fluidflußberechnungen wohlbekannt ist.

Die Größe der Kammer oder Leitung 14 und die Anzahl der Windungen oder Querschnittsänderungen sind nicht maßgeblich, vorausgesetzt, die aus der Kammer austretenden Partikel weisen an ihren Oberflächen eine elektrische Ladung auf. Diese Ladungen sind insofern temporär, als sie nicht andauern, wenn das Material im Ruhezustand ist. Die Aufladungen entstehen durch Kollisionen mit anderen Partikeln in einem Fluidstromsystem, insbesondere dann, wenn dieser Strom in einer, den Fachleuten der Strömungsflußmechanik als "turbulente Strömung" bekannten Form auftritt. Bestehen solche Bedingungen, nehmen die Partikel in der turbulenten Strömungsanlage Oberflächenladung an, die dazu verwendet werden kann, geladene von ungeladenen Partikeln zu trennen.

In den Fig. 2 und 3 sind Merkmale eines Systems dargestellt, die dem oben beschriebenen ähneln, mit der Ausnahme, daß die Partikel nicht durch den Druck eines Gebläses angetrieben sind, sondern dadurch, daß sie abrupt einer Vakuumkammer ausgesetzt werden. In den Fig. 2 und 3 ist eine Vakuumkammer 20 durch ein Rohr 21 an eine Trockenkammer 22 angeschlossen. Die Partikelzufuhr erfolgt von Trichter 23 zum Band 24 und läuft unter Wärmelampen 25 hindurch zu einem Sammelbehälter 26, bis sie fertig für den Eintritt in Kammer 20 ist. Wenn der Zeitpunkt gekommen ist, die Partikel in die Kammer 20 einzuspeisen, geschieht dies durch Ansaugen durch Leitung 27. Die Saugpumpe 28 erhält in der Kammer 20 über die Leitung 29 und den dorthin führenden Anschlüssen ein Vakuum aufrecht. Wenn die Oberflächenladung vollständig eingetreten ist, werden die Partikel durch den Trichter 30 oben in eine elektrostatische Trennvorrichtung wie derje nigen des US-Patents 5,251,762 eingespeist, wobei die getrennten Partikel am Auslaßende der Trennvorrichtung aufgefangen werden.

Fig. 4 verdeutlicht die gebräuchlichste und bevorzugte Vorrichtung zum Aufladen von Partikeln. Die Leitung 35 ist der Leitung 14 von Fig. 1 ähnlich, die an mehreren Stellen entlang ihres Längsverlaufs gebogen ist, um eine Anzahl im allgemeinen rechtwinkliger Windungen auszubilden. Die Größe des Rohrs und die Anzahl der Windungen sind nicht maßgeblich, vorausgesetzt, die aus dem Rohr austretenden Partikel weisen an ihren Oberflächen eine elektrische Ladung auf.

Die Fig. 5 und 6 beschreiben eine andere Vorladeeinrichtung, bei der eine Leitung 36 an mehreren Stellen entlang ihres Längsverlaufs zur Ausbildung einer Anzahl von Windungen gebogen ist. Die Größe des Rohrs und die Anzahl der Windungen sind nicht maßgeblich, vorausgesetzt, die aus dem Rohr austretenden Partikel weisen an ihren Oberflächen eine elektrische Ladung auf. Diese Vorrichtung kann dort zum Einsatz kommen, wo ein häufiges Reinigen der Vorrichtung vonnöten und eine Demontage unzweckmäßig ist. Diese Leitung 36 kann dann erforderlich sein, wenn beispielsweise das Gemisch elektrisch neutraler Partikel auch einen leitfähigen Schmutzstoff enthält. Durch das Bewerkstelligen ausreichenden, jedoch nicht unbedingt optimalen Vorladens, erleichtert diese Konfiguration das Reinigen, um einen leitfähigen Belag aus dem Inneren der Leitung 36 zu entfernen. Einige elektrisch neutrale Ströme können leitfähige Schmutzstoffe enthalten, die die Vorladeeinrichtung mit der Zeit mit einem Belag versehen können, wodurch dessen Leistungsfähigkeit verringert wird. Die Leitung 36 sieht turbulente Strömungsbereiche vor, und gleichzeitig kann eine manuelle Reinigung der flachen Winkelwindungen ohne Demontage vorgenommen werden.

Die Fig. 7 und 8 beschreiben eine verlängerte Leitung 37, die mehrere innere Prallflächen 38, 39 hat, die entlang ihres Längsverlaufs beabstandet angeordnet sind. Die Prallflächen sorgen für Fließunterbrechungen und abrupte Richtungsänderungen und verstärken die Kontaktaufladung der Partikel. Die Größe des Rohrs, die Anzahl der Prallflächen und deren Abstände sind nicht maßgeblich, vorausgesetzt, die aus dem Rohr austretenden Partikel weisen an ihren Oberflächen eine elektrische Ladung auf. Die Prallflächen 38, 39 nötigen die Partikel zu wiederholten und schnellen Wechseln sowohl der Richtung, als auch der Geschwindigkeit, und dies über eine kurze Entfernung. Diese Prallflächen 38, 39 erhöhen den Strömungswiderstand in der Beförderungsanlage beträchtlich und sind wahrscheinlich nur in Anwendungen von Vorteil, bei denen eingeschränkte Platzverhältnisse herrschen.

Fig. 9 beschreibt eine Verbesserung derer von Fig. 1, mit der Ausnahme, daß dem Partikelstrom Pellets 40 zugesetzt sind. Die Pellets 40 werden der Partikelzufuhr im Trichter 1 zugesetzt. Die Partikelzufuhr und die Pellets werden auf ihrem Weg durch die Beförderungsanlage 2 und 3 vermischt. Nachdem die Oberflächenladung vollständig erfolgt ist, wird das Gemisch von Pellets und Partikeln durch ein Sieb 4 getrennt. Die Pellets 40 werden beispielsweise bei 41 für eine Wiederverwendung durch die Rückleitung 5 zum Zuführtrichter 1 ausgesiebt. Die geladenen Partikel werden durch den Trichter 6 oben in eine elektrostatische Trennvorrichtung wie derjenigen des US-Patents 5,251,762 eingespeist, wobei die getrennten Partikel vom Auslaßende des Trenngeräts aufgefangen werden. Die Pellets 40 bestehen aus derselben chemischen Zusammensetzung wie eine der Komponenten des Partikelstroms. Die Partikelgröße im Strom der elektrisch neutralen Partikel unterscheidet sich absichtlich von der Größe der Pellets 40. Der Größenunterschied erleichtert das Trennen der Pellets 40 vom Strom, beispielsweise durch Sieb 41, wenn die zu trennenden Partikel erst einmal oberflächlich aufgeladen wurden.

Claims

1. Verfahren zum Trennen eines Gemischs verschiedener elektrisch neutraler Partikel, welches umfaßt, das Partikelgemisch einer turbulenten Luftströmung durch einen geschlossenen Raum auszusetzen, der durch Wände geschlossen ist; das Gemisch an Partikeln, die eine Oberflächenladung haben, aufzufangen; und die oberflächengeladenen Partikel einem elektrostatischen Trennprozeß zu unterziehen, um positiv geladene Partikel von negativ geladenen Partikeln zu trennen.

2. Verfahren nach Anspruch 1, bei dem die turbulente Strömung zumindest teilweise durch abrupte Fließrichtungsänderung der Partikel in dem geschlossenen Raum hervorgerufen wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1, bei dem der geschlossene Raum ein Rohr ist und die turbulente Strömung dadurch erzeugt wird, daß die in der Luft schwebenden Partikel durch das Rohr geleitet werden, das eine Reihe aufeinanderfolgender Richtungsänderungen aufweist, wobei die turbulente Strömung von einem Gebläse erzeugt wird, das Luft mit Geschwindigkeit in das Rohr hineinbläst.

4. Verfahren nach Anspruch 1, bei dem die turbulente Strömung dadurch erzeugt wird, daß an einem Ausgang des geschlossenen Raums ein Vakuum vorgesehen ist und die Partikel dazu veranlaßt werden, von einem Eingang des geschlossenen Raums auf ihrem Fluß zu dem Ausgang einen Bereich mit Richtungsänderungen zu durchlaufen.

5. Verfahren nach Anspruch 1, bei dem die turbulente Strömung durch eine Vielzahl an voneinander beabstandeten Prallflächen erzeugt wird, die quer zur Fließrichtung der Partikel in dem geschlossenen Raum angeordnet sind, und die die Partikel dazu veranlassen, während des Fließens abrupt die Richtung zu wechseln.

6. Verfahren nach Anspruch 1, bei dem die Wände dieselbe chemische Struktur wie eine der Partikelhauptkomponenten des Gemischs haben.

7. Verfahren nach Anspruch 6, bei dem die turbulente Strömung zumindest teilweise durch abrupte Fließrichtungsänderungen der Partikel in dem geschlossenen Raum hervorgerufen wird.

8. Verfahren nach Anspruch 6, bei dem der geschlossene Raum ein Rohr ist und die turbulente Strömung dadurch erzeugt wird, daß die in der Luft schwebenden Partikel durch das Rohr geleitet werden, das eine Reihe aufeinanderfolgender Richtungsänderungen aufweist, wobei die turbulente Strömung von einem Gebläse erzeugt wird, das Luft mit Geschwindigkeit in das Rohr hineinbläst.

9. Verfahren nach Anspruch 6, bei dem die turbulente Strömung dadurch erzeugt wird, daß an einem Ausgang des geschlossenen Raums ein Vakuum vorgesehen ist und die Partikel dazu veranlaßt werden, von einem Eingang des geschlossenen Raums auf ihrem Fluß zu dem Ausgang einen Bereich mit Richtungsänderungen zu durchlaufen.

10. Verfahren nach Anspruch 6, bei dem die turbulente Strömung durch eine Vielzahl an voneinander beabstandeten Prallflächen erzeugt wird, die quer zur Fließrichtung der Partikel in dem geschlossenen Raum angeordnet sind, und die die Partikel dazu veranlassen, während des Fließens abrupt die Richtung zu wechseln.

11. Verfahren zum Trennen eines Gemischs verschiedener elektrisch neutraler Partikel, welches umfaßt, das Partikelgemisch einer turbulenten Luftströmung durch einen geschlossenen Raum auszusetzen, der durch Wände geschlossen ist, die im wesentlichen dieselbe chemische Struktur wie eine der Partikelhauptkomponenten des Gemischs haben; das Gemisch an Partikeln, die eine Oberflächenladung haben, aufzufangen; und die oberflächengeladenen Partikel einem elektrostatischen Trennprozeß zu unterziehen, um positiv geladene Partikel von negativ geladenen Partikeln zu trennen.

12. Verfahren nach Anspruch 11, bei dem die turbulente Strömung zumindest teilweise durch abrupte Fließrichtungsänderungen der Partikel in dem geschlossenen Raum hervorgerufen wird.

13. Verfahren nach Anspruch 11, bei dem die turbulente Strömung dadurch erzeugt wird, daß die in der Luft schwebenden Partikel durch ein Rohr geleitet werden, das eine Reihe aufeinanderfolgender Richtungsänderungen aufweist, wobei die turbulente Strömung von einem Gebläse erzeugt wird, das Luft mit Geschwindigkeit in das Rohr hineinbläst.

14. Verfahren nach Anspruch 11, bei dem die turbulente Strömung durch ein Vakuum an einem Ausgang aus dem geschlossenen Raum erzeugt wird und die Partikel dazu veranlaßt werden, von einem Eingang des geschlossenen Raums auf ihrem Fluß zu dem Ausgang einen Bereich mit Richtungsänderungen zu durchlaufen.

15. Verfahren nach Anspruch 11, bei dem die turbulente Strömung durch eine Vielzahl an voneinander beabstandeten Prallflächen erzeugt wird, die seitlich der Fließrichtung der Partikel in dem geschlossenen Raum angeordnet sind, und die die Partikel dazu veranlassen, während des Fließens abrupt die Richtung zu wechseln.

16. Verfahren nach Anspruch 11, das ferner umfaßt, das Gemisch mit anderen Partikeln eines Typs einer chemischen Struktur in dem Gemisch zu versetzen.

17. Verfahren nach Anspruch 16, bei dem die anderen Partikel diesen einen Typ zu einer Hauptkomponente des Gemischs machen.

18. Verfahren zum Trennen eines Gemischs verschiedener elektrisch neutraler Partikel, das ein Versetzen des Gemischs mit anderen Partikeln eines Typs chemischer Struktur in dem Gemisch umfaßt, um diesen einen Typ zu einer Hauptkomponente des Gemischs zu machen und das Gemisch aller Partikel zur Erzeugung von Oberflächenladung einer turbulenten Strömung auszusetzen; die anderen Partikel und das Gemisch an Partikeln mit elektrischer Oberflächenladung aufzufangen und die oberflächengeladenen Partikel einem elektrostatischen Trennprozeß zu unterziehen, um positiv geladene Partikel von negativ geladenen Partikeln zu trennen.

19. Verfahren nach Anspruch 18, bei dem die anderen Partikel größer sind als die Partikel, die das Gemisch bilden und die durch Sortierung nach Größe aufgefangen werden, nachdem die das Gemisch bildenden Partikel elektrische Oberflächenladung annehmen.

20. Verfahren nach Anspruch 18, bei dem die anderen Partikel mit dem Gemisch in einen Zuführtrichter eingeführt und mit Luft durch die turbulente Strömung befördert werden.