DE19934427C1

DE19934427C1 - Hochgradienten-Magnetabscheider

Info

Publication number: DE19934427C1
Application number: DE19934427A
Authority: DE
Inventors: Matthias Franzreb; Wolfgang Hoell; Christian Hoffmann
Original assignee: Forschungszentrum Karlsruhe GmbH
Current assignee: Forschungszentrum Karlsruhe GmbH
Priority date: 1999-07-22
Filing date: 1999-07-22
Publication date: 2000-12-14
Anticipated expiration: 2019-07-23
Also published as: EP1198296A1; WO2001007167A1; ATE248024T1; US6688473B2; US20020088741A1; EP1198296B1; US20020074266A1; DE50003468D1

Abstract

Die Erfindung betrifft einen Hochgradienten-Magnetabscheider mit Separierungszone, bestehend aus einer Matrix aus mehreren in parallel in Ebenen angeordneter parallel zueinander stehender magnetisierbarer Drähte, wobei in jeder Ebene zwischen jeweils zwei Drähten ein parallel zu diesem angeordneten Kanal mit einer nicht-magnetischen Wandung verläuft, durch die ein Fluid mit magnetisierbaren Partikeln geleitet wird und im Einfluß eines magnetischen Feldes steht, welches senkrecht zu den Ebenen, die die in den Zeilen angeordneten Drähte und Kanäle bilden, verläuft. DOLLAR A Aufgabe der Erfindung ist es, die Kanäle im Bereich der Separierungszone derart zu gestalten, daß eine weitere Effizienzsteigerung gegenüber dem Stand der Technik realisiert wird. DOLLAR A Die Aufgabe wird dadurch gelöst, daß die Kanäle im Querschnitt rund oder elyptisch sind und bereichsweise mit Trennwänden versehen sind, welche in Strömungsrichtung des Fluids vor dem Austritt des Fluids aus dem Magnetfeld in die Kanäle parallel zu den Ebenen und senkrecht zu dem äußeren magnetischen Feld, eingesetzt sind und so gestaltet sind.

Description

Die Erfindung betrifft einen Hochgradienten-Magnetabscheider ge mäß dem Oberbegriff des ersten Patentanspruchs.

Einen generellen Überblick über verschiedene Bautypen von Mag netscheidern sowie deren Einsatzvbereiche findet sich in [1]. Danach lassen sich grobe stark magnetische Partikel, wie z. B. Magnetiterze mit Partikelgrößen < 75 µm, stark magnetische fei nere Partikel aus wäßrigen Suspensionen sogar bis zu einer Größe von ca. 10-20 µm bereits mit einfachen Trommel- oder Bandschei dern abtrennen. Für noch feinere Partikel im Mikrometerbereich kommt dagegen bisher nur die sogenannte Hochgradienten-Magnetse paration zum Einsatz, deren Funktionsprinzip auf der Generierung starker Feldstärkegradienten durch das Einbringen einer ferro magnetischen Matrixstruktur in ein äußeres Magnetfeld beruht. Die Matrixstruktur besteht in der Regel aus ungeordneter Stahl wolle bzw. geordneten Drahtnetzen oder profilierten Metallplat ten. Die Elemente der Matrixstruktur werden durch das äußere Feld aufmagnetisiert und bilden ihrerseits Magnetpole aus, die das äußere Feld stellenweise verstärken oder auch abschwächen. Durch die entstehenden, hohen Feldstärkegradienten resultiert eine starke Magnetkraft auf para- bzw. ferromagnetische Partikel in Richtung höherer Feldstärke. Die Partikel lagern sich an den induzierten Magnetpolen der Matrix an und sind damit aus dem Fluid abgeschieden.

In [2] wird ein weiterer Hochgradienten-Magnetseparator für die kontinuierliche Separierung von einem mit magnetisierbaren Par tikeln angereicherten Fluidstrom (im Beispiel: Erzschlämme) in Fluidteilströme, angereichert mit jeweils unmagnetisierbarer und magnetisierbarer Partikel beschrieben. Mit diesem Hochgradien ten-Magnetabscheider wird das zuvor aufbereitete partikelhaltige Fluid in ein nicht magnetisierbares Hüllrohr eingeleitet. Dieses führt in die Separierungszone, in der als matrixstruktur frei umströmbare magnetische Drähte in regelmäßigen Abständen zuein ander parallel zu dem Hüllrohr angeordnet sind. Durch ein Anle gen eines äußeren magnetischen Feldes, welches durch ein Perma nentmagnet, Elektromagnet, supraleitenden Magnet oder ein kryo technisches Magneten generiert werden kann, werden die Drähte magnetisiert, wobei sich zwangsläufig um die Drähte magnetische Kraftgradienten ausbilden. Konsequenterweise konzentrieren sich in diesem Feld die magnetischen Partikel im Fluidstrom im Be reich der höchsten magnetischen Feldstärke, und zwar direkt an den magnetischen Polen der Drähte. Dabei ist bei Dauerbetrieb ein Zusetzen des Separators aufgrund von an den magnetischen Po len der Drähte abgelagerten Partikeln zu erwarten. Direkt im An schluß an die Separierungszone wird das Fluid kurz vor Verlassen des äußeren Magnetfeldes in Kanalstruktur eingeleitet, deren Einlässe so angeordnet sind, daß der Fluidstrom in einen mit magnetisierbaren Partikeln angereicherten und den Reststrom un terteilt und separat aus der Vorrichtung ausgeleitet wird.

Eine Vorrichtung für eine kontinuierliche magnetische Separati onsmöglichkeit mit deutlich geringerer Zusetzungsneigung im Dau erbetrieb ist in [3] beschrieben. Entscheidend ist dabei, daß die Separierungszone mit länglichen Querschnitt, in die das par tikelhaltige Fluid eingeleitet wird, eine nicht magnetisierbare Wandung aufweist. Am Separator wird ein magnetisches Feld ange legt, dessen Feldlinien idealerweise senkrecht zu der Durch strömrichtung und senkrecht zu der längsten Symmetrieachse des Strömungsquerschnittes in der Separierungszone verlaufen. Um die für die magnetische Separarierung von ferro-, para- und diamag netischer Partikel erforderliche Magnetfeldgradienten zu gene rieren, ist parallel zu der Durchströmrichtung an einer Stirn seite des länglichen Querschnitts der Separierungszone ein ein zelner magnetisierbarer Draht angeordnet. Noch unter Einfluß des Magnetfeldes teilt sich die Separierungszone in mehrere Kanäle auf, die das Fluid in verschiedene Fraktionen, welche sich im Anteil an magnetisierbaren Partikeln unterscheiden aufteilt. Die Vorrichtung wird ferner in [4] beschrieben, wobei als ein zu sätzliches Ausführungsbeispiel die Anordnung von zwei magneti sierbaren Drähten (anstatt eines Drahtes) jeweils an den Stirn seiten des länglichen Querschnittes der Separierungszone paral lel zu der Strömungsrichtung dargestellt ist. Konstruktiv be dingt ist bei der beschriebenen Ausführung mit einer gewissen Baugröße zu rechnen, welche die Einsatzmöglichkeiten dieser Aus führung insbesondere für größere Fluiddurchsätze begrenzt.

Ein Hochgradienten-Magnetseparator der eingangs genannten Art mit einer sehr kompakten matrixförmigen Querschnittgestaltung der Separierungszone, welcher sich für real auftretende, d. h. größere Fluidströme eignet, ist dagegen in [5] beschrieben. Es wird vorgeschlagen, magnetisierbare Drähten im Wechsel mit pa rallel zu diesen angeordneten rechteckigen Kanälen zeilenförmig anzuordnen, wobei die einzelnen Zeilen durch paramagnetische Zwischenplatten voneinander getrennt sind. Für den Vorgang der Separierung wird ein Magnetfeld senkrecht zu den Zeilen und den Zwischenplatten angelegt. Eine praktische Erprobung des Konzep tes wird in [5] ebenso wenig beschrieben wie eine technische Lö sung für die Zu- und Ableitung des zu separierenden Fluides.

Aufgabe der Erfindung ist es, die Kanäle im Bereich der Separie rungszone derart zu gestalten, daß eine weitere Effizienzsteige rung gegenüber dem Stand der Technik realisiert wird. Ferner soll eine technisch realisierbare und auf die Teilströme des se parierten Fluides genau abgestimmte Ableitung für die Fluidteil ströme vorgesehen werden.

Die Aufgabe wird durch die kennzeichnenden Merkmale in Anspruch 1 gelöst; die hierauf bezogenen Unteransprüche beinhalten vor teilhafte Ausführungsformen dieser Lösung.

Im Bereich von Magnetfeldgradienten sind frei bewegliche magne tisierbare Partikel in einer Lösung grundsätzlich bestrebt, sich im Bereich der größten magnetischen Feldstärke anzureichern. Da bei wirken nicht nur die radial zu den magnetisierbaren Drähten ausgerichtete Anteile der magnetischen Kräfte auf diese Parti kel, sondern auch tangential zu den Drähten orientierte Kräfte. Diese tangentialen Magnetkraftkomponenten wurden bei der Gestal tung der Kanalquerschnitte in der Separierungszone des erfin dungsgemäßen Hochgradienten-Magnetabscheider berücksichtigt. Die Erfindung bewirkt die Realisierung von magnetischen Kraftgra dienten mit radialer und tangentialer Ausrichtung im Strömungs querschnitt derart, daß die im Fluidstrom enthaltenen magneti sierbaren Partikel während des Durchlaufs durch die Separie rungszone möglichst vollständig in einem kleinen Fluidteilstrom konzentriert werden können. Konsequenterweise weist der erfin dungsgemäße Hochgradienten-Magnetabscheider gegenüber dem zu letzt genannten Stand der Technik einen elliptischen oder kreis förmigen Querschnitt der Kanäle in der Separierungszone auf.

Ausgehend von einem Blick in Strömungsrichtung erfolgt die An reicherung magnetisierbarer Partikel in der Separierungszone in gegenüber der Zeilenstruktur um 90° gedrehten Segmenten der el liptischen oder kreisförmigen Kanäle. Noch vor Verlassen der Se parierungszone, d. h. des Magnetfeldes, werden in diesen Kanälen die Strömung unterteilende Trennwände erfindungsgemäß parallel zu den Zeilenstrukturen vorgesehen, welche den Fluidstrom in Teilströme mit und ohne magnetisierbare Partikel aufteilt.

Ein Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Hochgradienten-Ab stoßungsscheider wird im folgenden anhand von Figuren erläutert:

Fig. 1 zeigt schematisch die Seitenansicht des Hochgradienten- Magnetabscheider mit Zulauf, Separierungszone in Form eines Sepa ratorblocks, der getrennten Abläufe von zwei Fluidfraktionen so wie der Magnetisierungsvorrichtung.

Fig. 2 zeigt den Schnitt durch den Separatorblock senkrecht zu den ferromagnetischen Drähten und den Strömungskanälen.

Fig. 3 zeigt den Schnitt durch den Splitterblock nahe dem Sepa ratorblock (d. h. noch unter Magnetfeldeinfluß) senkrecht zu den ferromagnetischen Drähten und den Strömungskanälen, welche in diesem Bereich bereits die strömungsunterteilenden Trennwänden ausgestattet sind.

Fig. 4 zeigt den Schnitt durch den Splitterblock in Höhe der und parallel zu den Ableitungsbohrungen für den an magnetisierbaren Partikeln verarmten Fluidteilstrom.

Fig. 5 zeigt die Ansicht der Splitterplatte.

Fig. 6 zeigt eine alternative Gestaltungsmöglichkeit für die ge trennte Ableitung der einzelnen Fluidteilströme.

Fig. 7 zeigt eine alternative Ausführungsform eines aus Formele menten zusammengesetzten Separatorblocks 3 senkrecht zu den fer romagnetischen Drähten und den Strömungskanälen.

Fig. 1 zeigt den Aufbau mit allen Baugruppen des erfindungsgemä ßen Hochgradienten-Abstoßungsscheiders. Über den Zulauf 1 und den Vertreiler 2 gelangt der Fluidstrom a in die Separierungs zone, enthalten in dem Separatorblock 3. Die Aufteilung des Fluidstromes a idealerweise in je einen Teilstrom mit und ohne magnetisierbare Partikeln b bzw. c erfolgt im sog. Splitterblock 4, welcher auch die Abläufe 5 des Fluidteilstromes c (ohne magne tisierbaren Partikeln) enthält. Der Fluidteilstrom b (mit magne tisierbaren Partikeln) gelangt durch die Splitterplatte 6 zum Sammler 7, welcher mit der Endplatte 8 seinen konstruktiven Ab schluß findet und in den Ablauf 9 für den Fluidteilstrom b mün det. Der Separatorblock 3 sowie ein Teil des Splitterblocks 4 befindet sich zwischen den Polschuhen 10 eines Permanetmagnet systems, welcher in diesen Bereichen ein Magnetfeld H erzeugt. Die zuvor genannten Komponenten des Hochgradienten-Abstoßungs scheiders werden in der in Fig. 1 gezeigten Ausführungsform durch eine Spannvorrichtung 11 (beispielsweise durch Gewindest angen mit Spannmuttern) gegeneinander verspannt und abgedichtet werden. Ferner sind in Fig. 1 die Linien A, B, C und D darge stellt, die die Lage der in den Fig. 2 bis 4, 6 und 7 darge stellten Schnittebenen durch den beschriebenen Hochgradienten- Abstoßungsscheider definieren.

Den Schnitt durch den Separatorblock 3 gemäß der Ebene A in Fig. 1 zeigt Fig. 2. Der Separatorblock 3 besteht dabei aus einem un magnetischen Material und ist mit durchgängigen, matrixförmig in mehreren Zeilen parallel zueinander und senkrecht zur Schnittebene angeordneten Bohrungen versehen, in denen ferromag netische Drähte 13 eingesetzt sind. Mit Ausnahme der ersten und letzten Zeile sind in jeder Zeile zwischen jeweils zwei Drähten 13 parallel zu diesen je ein durch den gesamten Separatorblock 3 durchgängig verlaufender Strömungskanal 14 mit kreisförmigen Querschnitt angeordnet, wobei Strömungskanäle 14 und Drähte 13 durch das unmagnetische Material des Separatorblocks 3 voneinan der getrennt sind. Die Richtung des während des kontinuierlichen Betriebes erforderlichen Magnetfelds H (Pfeil in Fig. 2)verläuft senkrecht zu den Ebenen, welche durch die in den Zeilen angeord neten ferromagnetischen Drähten 13 und Kanälen 14 gebildet wer den. Ebenfalls in Fig. 2 sind die Bohrungen 12 im Separatorblock 3 für die Spannvorrichtung 11 zu erkennen.

Durch die Anordnung der Drähte 13 und der Kanäle 14 im äußeren magnetischen Feld H wird erreicht, daß die Bereiche in denen sich die magnetisierbaren Partikel konzentrieren, d. h. in denen die abstoßende Magnetkraft möglichst gering ist, relativ zu den Berührpunkten eines jeden Kanals 13 mit dem Draht 14 um 90° ver dreht liegen. Bei der beschriebenen Anordnung von Kanälen 14 und Drähten 13 zueinander im Magnetfeld H wird die Gefahr eines Zu setzens der Kanäle 14 durch Partikelanlagerungen im kontinuier lichen Betrieb weitgehend vermieden.

Fig. 3 zeigt den Querschnitt des Splitterblock 4 entlang der Schnittlinie B in Fig. 1, d. h. unmittelbar im Anschluß an den Separatoblock 3 und noch im Einfluß des magnetischen Feldes H. Konsequenterweise entspricht der Querschnitt des Splitterblocks 4 in diesem Bereich weitgehend dem des Separatorblocks 3 und un terscheidet sich nur dadurch, daß die Kanäle 14 zur Aufteilung des Fluidstromes a in die beiden Fluidteilströme b und c jeweils durch zwei senkrecht zum Magnetfeld H angeordnete Trennwände 17 in einen Zentralkanal 16 und zwei Seitenkanäle 15 aufgeteilt sind. Während der von magnetisierbaren Partikeln verarmte grö ßere Fluidteilstrom c über die Zentralkanäle 16 zum Ablauf 5 ab geleitet werden, fließt der mit magnetisierbaren Partikeln ange reicherte Fluidteilstrom b, dessen Volumenstrom in der vorlie genden Ausführung ca. 5 bis 30% dem des Fluidstromes a aus macht, durch die Seitenkanäle 15 durch die Splitterplatte 6 in den Sammler 7. Die Drähte 13, welche auch durch den Separator block 3 verlaufen, enden etwa in der Mitte im Splitterblock 4, d. h. bereits außerhalb des Magnetfeldes H. Entsprechend sind auch die die Drähte beherbergenden Bohrungen als Sacklochbohrun gen im Splitterblock 4 nur bis zu dieser Tiefe ausgeführt.

Den Querschnitt des Splitterblocks 4 in Höhe der Abläufe 5 ent lang der Schnittlinie C (siehe Fig. 1), d. h. außerhalb des Mag netfeldes H, zeigt Fig. 4. In diesem Bereich wird der an magne tisierbaren Partikeln verarmte Fluidteilstrom c aus den Zentral kanälen 16 durch die als seitliche Bohrungen ausgeführten Sam melkanälen 18 und die Abläufe 5 aus dem Hochgradienten-Magne tabscheider herausgeleitet, während der Fluidteilstrom b (mit den magnetisierbaren Partikeln) über die Seitenkanäle 15 aus dem Splitterblock abgeleitet wird. Während die Zentralkanäle 16 im Bereich zwischen den Sammelkanälen 18 und dem Übergang zu der Splitterplatte 6 oder an dieser enden, verlaufen die Seitenka näle 15 durch den gesamten Splitterblock 4.

Der Splitterblock 4 wird durch eine Splitter-Platte 6 (siehe Fig. 5) abgeschlossen. Diese weist an den Stellen, an denen die Seitenkanäle 15 enden, Schlitzöffnungen 19 auf. Hierdurch kann der Fluidteilstrom b von den Seitenkanälen 15 in den Sammler 7 gelangen und den Hochgradienten-Magnetabscheider über den Ablauf 9 verlassen. Die Zentralkanäle 16 werden dagegen durch die Splitterplatte 6 dicht verschlossen.

Fig. 6 zeigt eine alternative Gestaltung der Splitterblocks 4 mit den anschließenden Komponenten zur Ableitung der Fluidteil ströme b und c als Schnitt entlang der in Fig. 1 eingezeichneten Linie D. Der Grundaufbau des Splitterblocks unterscheidet sich in der zuvor genannten Ausführung darin, daß die Sammelkanäle 18 an deren Austritten aus dem Splitterblock durch Stopfen 20 ver schlossen sind und die Ableitung des mit den an magnetisierbaren Partikeln verarmten Fluidteilstromes c über von den Zentralkanä len 16 über die Sammelkanäle 18 zunächst in Verbindungsrohre er folgt, welche in die Verlängerung der in dieser Ausführung durch den gesamten Splitterblock 4 durchgehenden Bohrungen für die ferromagnetischen Drähte 13 eingesetzt sind, die entsprechend konstruktiv angepaßte Splitterplatte 25 sowie den Sammler 7 und die Platte 26 für den Fluidteilstrom b überbrücken und in einen nachgeschalteten gemeinsamen Lösungssammler 22 einmünden. Durch die Ableitung des Fluidteilstromes c über das Volumen des Lö sungssammlers 22 anstelle der Sammelkanäle 18 der in Fig. 4 dar gestellten Ausführung wird erreicht, daß in allen parallel ge schalteten Strömungskanälen 14 identische Strömungs- und Druck verhältnisse auftreten und damit die Optimierbarkeit von Ausle gung und Betrieb des Hochgradienten-Magnetabscheiders erheblich verbessert wird. Konstruktive Randbedingungen der genannten Ausführung veranlassen eine seitliche Anordnung der Abläufe 23 für den Fluidteilstrom b aus den Sammler 7.

Fig. 7 zeigt eine Prinzipskizze einer weiteren, alternativen Ausführungsform des Separatorblocks 3, bestehend aus einem un magnetischem Gehäuse 28, welches einen Stapel ebenfalls unmagne tischer Formelemente 27 als Führungselemente für die ferromagne tischen Drähte 13 enthält. Dabei werden die Kanäle 14 des Sepa ratorblocks 3 in die Formelemente 27 als Aussparungen eingear beitet. Die Ausführung der Formelemente 27 sind so konstruktiv so gestaltet, daß die Matrix um jede Zeile, bestehend aus ferro magnetischen Dähten 13 und Kanälen 14, mit zwei um jeweils um 180° Grad gedreht Formelementen 27 zusammengesetzt werden kann. Die Anordnung innerhalb des Stapels bedingt eine Raumerfüllung der Matrix mit unmagnetischem Material, die prinzipiell der zu vor genannten monolithischen Ausführungsform gemäß Fig. 2 ent spricht, jedoch aus wesentlich einfacher zu fertigenden Kompo nenten besteht.

Literatur

[1] J. Svoboda: Magnetic for the Treatment of Minerals, Elsevier Science Publishers, Amsterdam 1987, 325 ff
[2] US-4,261,815
[3] US-4,663,029
[4] M. Takayasu, E. Maxwell, D. R. Kelland: Continous Selective HGMS in the Repulsive Force Mode, IEEE Trans. Magn. MAG-20 (1983) 1186-1188
[5] C. de Latour, G. Schmitz, E. Maxwell, D. Kelland: Designing HGMS Matrix Arrays for Selective Filtration, IEEE Trans. Magn. MAG-19 (1983) 2127-2129

Claims

1. Hochgradienten-Magnetabscheider mit Separierungszone, beste hend aus
einer Matrix aus mehreren in parallel in Ebenen angeordneter parallel zueinander stehender magnetisierbarer Drähte (13), wobei
in jeder Ebene zwischen jeweils zwei Drähten ein parallel zu den Drähten angeordneter Kanal (14) mit einer nicht-magneti schen Wandung verläuft, durch die ein Fluid mit magnetisier baren Partikeln geleitet werden kann,
mit einer Einrichtung (10), die in der Matrix ein magneti sches Feld (H) derart erzeugt, daß das Feld senkrecht zu den Ebenen, die die in den Zeilen angeordneten Drähte (13) und Kanäle (14) bilden, verläuft,
dadurch gekennzeichnet, daß
die Kanäle (14) bereichsweise mit Trennwänden (17) versehen sind, wobei die Trennwände

- in Strömungsrichtung des Fluids vor dem Austritt des Fluids aus dem Magnetfeld (H) in die Kanäle (14) parallel zu den Ebenen und senkrecht zu dem äußeren magnetischen Feld, eingesetzt sind und
- so gestaltet sind, daß Ableitungen für partikelreiche und partikelarme Fluidteilströme entstehen.

2. Hochgradienten-Magnetabscheider nach Anspruch 1, dadurch ge kennzeichnet, daß die Kanäle (14) im Querschnitt rund oder elliptisch sind.

3. Hochgradienten-Magnetabscheider nach Anspruch 1, dadurch ge kennzeichnet, daß zur Bildung der Matrix ein massiver Block vorgesehen ist, der die Bohrungen enthält, die die Drähte (13) enthalten und die Kanäle (14) bilden.

4. Hochgradienten-Magnetabscheider nach Anspruch 1, dadurch ge kennzeichnet, daß die Matrix durch Formteile erzeugt ist.

5. Hochgradienten-Magnetabscheider nach Anspruch 1, dadurch ge kennzeichnet, daß die Ableitungen für den partikelarmen Flu idteilstrom (c) in Sammelkanäle (18) einmünden, welche aus den Hochgradienten-Magnetabscheider ausmünden.

6. Hochgradienten-Magnetabscheider nach Anspruch 1, dadurch ge kennzeichnet, daß die Ableitungen für den mit magnetisierba ren Partikeln angereicherten Fluidteilstrom (b) in einen ge meinsamen Sammler (7) ausmünden von dem eine Abflußleitung ausgeht.

7. Hochgradienten-Magnetabscheider nach Anspruch 1, dadurch ge kennzeichnet, daß die Ableitungen für den partikelarmen Flu idteilstrom (c) in einen gemeinsamen Lösungssammler (22) ausmünden von dem eine Abflußleitung ausgeht.

8. Hochgradienten-Magnetabscheider nach Anspruch 1, dadurch ge kennzeichnet, daß die Drähte (13) aus einem hartmagnetischen Material bestehen, die durch ein einmaliges Anlegen eines magnetischen Feldes (H) permanent magnetisiert worden sind.