EP1616627B1 - Hochgradienten-Magnetabscheider - Google Patents

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EP1616627B1
EP1616627B1 EP05008969.7A EP05008969A EP1616627B1 EP 1616627 B1 EP1616627 B1 EP 1616627B1 EP 05008969 A EP05008969 A EP 05008969A EP 1616627 B1 EP1616627 B1 EP 1616627B1
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EP
European Patent Office
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gradient magnetic
magnetic separator
matrix
separation
separator according
Prior art date
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EP05008969.7A
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English (en)
French (fr)
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EP1616627A1 (de
Inventor
Matthias Dr. Franzreb
Christian Reichert
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Karlsruher Institut fuer Technologie KIT
Original Assignee
Karlsruher Institut fuer Technologie KIT
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Publication date
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Publication of EP1616627A1 publication Critical patent/EP1616627A1/de
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    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B03—SEPARATION OF SOLID MATERIALS USING LIQUIDS OR USING PNEUMATIC TABLES OR JIGS; MAGNETIC OR ELECTROSTATIC SEPARATION OF SOLID MATERIALS FROM SOLID MATERIALS OR FLUIDS; SEPARATION BY HIGH-VOLTAGE ELECTRIC FIELDS
    • B03C—MAGNETIC OR ELECTROSTATIC SEPARATION OF SOLID MATERIALS FROM SOLID MATERIALS OR FLUIDS; SEPARATION BY HIGH-VOLTAGE ELECTRIC FIELDS
    • B03C1/00—Magnetic separation
    • B03C1/02—Magnetic separation acting directly on the substance being separated
    • B03C1/025—High gradient magnetic separators
    • B03C1/031—Component parts; Auxiliary operations
    • B03C1/033—Component parts; Auxiliary operations characterised by the magnetic circuit
    • B03C1/0332—Component parts; Auxiliary operations characterised by the magnetic circuit using permanent magnets
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B03—SEPARATION OF SOLID MATERIALS USING LIQUIDS OR USING PNEUMATIC TABLES OR JIGS; MAGNETIC OR ELECTROSTATIC SEPARATION OF SOLID MATERIALS FROM SOLID MATERIALS OR FLUIDS; SEPARATION BY HIGH-VOLTAGE ELECTRIC FIELDS
    • B03C—MAGNETIC OR ELECTROSTATIC SEPARATION OF SOLID MATERIALS FROM SOLID MATERIALS OR FLUIDS; SEPARATION BY HIGH-VOLTAGE ELECTRIC FIELDS
    • B03C1/00—Magnetic separation
    • B03C1/02—Magnetic separation acting directly on the substance being separated
    • B03C1/025—High gradient magnetic separators
    • B03C1/029—High gradient magnetic separators with circulating matrix or matrix elements
    • B03C1/03—High gradient magnetic separators with circulating matrix or matrix elements rotating, e.g. of the carousel type
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B03—SEPARATION OF SOLID MATERIALS USING LIQUIDS OR USING PNEUMATIC TABLES OR JIGS; MAGNETIC OR ELECTROSTATIC SEPARATION OF SOLID MATERIALS FROM SOLID MATERIALS OR FLUIDS; SEPARATION BY HIGH-VOLTAGE ELECTRIC FIELDS
    • B03C—MAGNETIC OR ELECTROSTATIC SEPARATION OF SOLID MATERIALS FROM SOLID MATERIALS OR FLUIDS; SEPARATION BY HIGH-VOLTAGE ELECTRIC FIELDS
    • B03C1/00—Magnetic separation
    • B03C1/02—Magnetic separation acting directly on the substance being separated
    • B03C1/025—High gradient magnetic separators
    • B03C1/031—Component parts; Auxiliary operations
    • B03C1/032—Matrix cleaning systems

Definitions

  • the invention relates to a high-gradient magnetic separator according to the preamble of the first claim.
  • the separation of ferro-, ferri- or paramagnetic particles from liquid or gaseous fluids by means of magnetic separators is a basic principle of process technology used in numerous variants.
  • a particular advantage of the principle of magnetic separation is the ability to selectively separate magnetic particles from a mixture with other non-magnetic particles.
  • the choice of the magnetic separator depends on the size and the magnetic properties of the particles.
  • Coarse strong magnetic particles e.g. Magnetic ores with particle sizes> 75 ⁇ m can then be separated with simple drum or belt separators. Fine, strongly magnetic particles can also be detected from aqueous suspensions up to a size of about 10-20 ⁇ m by means of special drum separators. For even finer particles in the micrometer range (about 0.1 to 20 microns), however, so far only so-called high-gradient magnetic separation is used.
  • the functional principle of high-gradient magnetic separators is based on the generation and bundling of strong field strength gradients by introducing a ferromagnetic matrix into an external magnetic field.
  • the magnetizable elements of the matrix usually consist of disordered steel wool or ordered wire nets or profiled metal plates. They are magnetized by the external field and in turn form magnetic poles that reinforce or weaken the outer field in places.
  • the resulting, high field strength gradients result in a strong magnetic force on para- or ferromagnetic particles in the direction of higher field strength.
  • the Particles attach themselves to the induced magnetic poles of the matrix and are thus separated from the fluid.
  • the loading of the separator with separated magnetizable particles are so high that the capacity of the magnetic separator is exhausted and a matrix cleaning is required.
  • the matrix cleaning is carried out after switching off the magnetic field with a strong water jet or a backwash with high filter speeds. Due to the shape and structure of the matrix, which consists for example of steel wool or layered wire mesh and thus has numerous spaces, so-called dead volumes occur in the area of the matrix, ie areas which are not or only very slowly flowed through.
  • the desire to keep the volume of the resulting rinse concentrate as low as possible and the maximum flow rate of the pump, the amount of flushing fluid used and the achievable flow rate during the flushing process. As a result, only incomplete cleaning is achieved. In particular, particles with a high remanent magnetization are difficult to remove again. The consequence is a further strong adhesion of these particles to the matrix wires, which significantly affects the cleaning efficiency.
  • complete matrix cleaning is not absolutely necessary, but desirable and economically desirable to utilize the separator capacity.
  • the matrix cleaning is carried out by rinsing water at high flow rates in countercurrent.
  • the invention consists of a high-gradient magnetic separator for the selective deposition of magnetisable particles from a suspension, comprising a matrix which can be positioned in a magnet system as a separation zone.
  • the matrix is subdivided into plate-shaped partial volumes by plate-shaped magnetizable separation surfaces through which the suspension can flow. Furthermore, it has areas that serve as an inlet or as a drain of the suspension, wherein at least one, more preferably two separation surfaces are preferably arranged between an inlet and a drain.
  • the matrix preferably extends over a closed volume, the inlets and outlets being formed by concrete lines into this volume.
  • the separation surfaces are preferably formed by wire mesh or perforated metal foils or sheets, and may be provided with trapping structures for trapping forces from fluid flow or for clamping and securing.
  • the selective separation of magnetic particles from a suspension it is passed as a fluid flow via the inlet into the matrix and through this in at least one, preferably two separation surfaces. After passing through the separation surfaces of the fluid flow leaves the matrix through a drain, wherein the magnetizable particles are magnetically retained on the separation surfaces.
  • An essential design feature of the invention and with a particularly advantageous effect in matrix cleaning is the subdivision of the separation surfaces into at least two groups.
  • the separation surfaces of each group are mechanically, for example via a housing, a carrier or a shaft rigidly coupled together and stored in the high gradient magnetic separator either fixed or movably mounted.
  • the separation surfaces are preferably subdivided into two groups, wherein the group membership of the separation surfaces, which are preferably arranged parallel to one another in the matrix, alternates.
  • a group is firmly inserted in the housing and the second group is jointly provided on a movably mounted carrier wherein an alternating arrangement of the separation surfaces of the different groups in the matrix.
  • the movably mounted carrier is preferably motor-driven or actuator-driven, with the executable movement being cyclic, ie rotational and / or translationally oscillating in one or more directions.
  • the carrier comprises a rotatably and / or laterally movably mounted shaft around which the matrix and the separation surfaces extend rotationally symmetrically.
  • the frequency of the rotary or oscillating relative movement is usually between 5 and 1000 Hz, depending on the structural design.
  • the abovementioned mutually movable separation surface groups are not absolutely necessary.
  • a moderate relative movement of adjacent separation surfaces to one another promotes the thorough mixing of the suspension and thus the more uniform detection of the entire suspension volume during the deposition and a more uniform separation of magnetizable particles on the available separation surfaces. From a certain strength, the relative movements prevent a stable settling of the particles on the separation surfaces, thus counterproductive and should be avoided during the deposition.
  • the matrix cleaning is preferably carried out according to the countercurrent principle with a flushing fluid, wherein the relative movement of at least two of the aforementioned separation surface fractions to each other in the flushing fluid causes inertial forces, centrifugal forces, turbulence and shear forces, which detachment of magnetizable particles from the separation surfaces even in the presence of magnetic remanence or in the Influence of a magnetic field significantly improved or even only possible.
  • the high-gradient magnetic separator 1 is in the immediate range of action of a magnet system 2, which serves as a field source.
  • the magnetic field source is preferably electromagnets ( Fig. 1 ), superconducting magnet systems or even permanent magnet systems ( FIG. 2 ), wherein the high-gradient magnetic separator 1 is introduced into the magnet coil opening or between the pole shoes 3.
  • the actual high-gradient magnetic separator comprises a plurality of subunits, namely a substantially cylindrical housing 5, which is axially closed with a lid 6 and a bottom 7.
  • a shaft 8 is mounted concentrically in the housing, in the embodiment in corresponding bearings 9 in the lid and / or bottom, sealingly rotatable and connected via a coupling 10 with a drive 11.
  • Shaft, housing, cover and base plate are made of a non-magnetic material.
  • the core unit of the high-gradient magnetic separator is the matrix, which extends over the enclosed space enclosed by the housing 5, cover 6 and bottom 7 and in which the deposition of magnetizable particles takes place.
  • the suspension (fluid) with the magnetic particles to be separated enters the high-gradient magnetic separator via the inlet 4 and is distributed over the separator cross-section. The actual separation takes place in the region of the matrix on Separationsringusionn 13 and 14.
  • the purified fluid stream leaves the high-gradient magnetic separator on the flow 12.
  • inlet and outlet consist of several openings in the lid 6 and bottom 7 and have for better flow distribution in each case one conical shape.
  • the matrix is constructed according to the rotor-stator principle (cf. Fig. 3 and 4 ) and alternately comprises the aforementioned concentric arranged around the shaft and inserted in the housing 5 fixed and placed on the shaft 8 rotating separation ring discs 13 and 14, which divides the interior volume into rotationally symmetrical and axially successively arranged partial volumes.
  • the separation ring disks 13 and 14, in detail in FIG Fig. 5 each comprise a separation surface 15 of magnetizable material, preferably a wire mesh or a perforated metal foil or sheet, which can be flowed through by the suspension.
  • the separation surface 15 is bounded by an outer and an inner stabilizing ring 16 and 17, respectively.
  • the rotating Separationsringsayn 14 are mounted on the inner stabilizing rings 17 alternately with non-magnetic inner spacers 18 on the shaft 8 and clamped axially with a clamping sleeve 19.
  • the fixed Separationsringin 13 are alternately inserted via the outer stabilizing rings 16 with non-magnetic outer spacer sleeves 20 in the housing 5 and clamped by a sleeve 21.
  • the respective non-clamped inner and outer stabilizing rings 17 and 16 respectively form inner and outer spacer sleeves 18 and 20 an annular gap (see. Fig. 3 and 4 ).
  • Fig. 3 shows an embodiment with fluidly connected in series subvolumes in the matrix.
  • Fig. 4 represents an alternative concept with fluidically connected Operavolumna in the matrix.
  • the feeding of the suspension with the magnetic particles to be separated takes place via a designed as a hollow shaft shaft 8 and a plurality of these branching radial inlet holes 22 as suspension outlets in each second of the partial volumes of the matrix.
  • the flow of the purified fluid flow takes place from the partial volumes without direct inlet bore via drain holes 23, which open into a collecting channel 24, formed by the interior of a double-walled housing 25.
  • Inlet and drain bores 22 and 23 are each arranged offset, so that when flowing through the matrix at least one separation ring disk is flowed through.
  • a matrix cleaning is done from time to time, preferably in countercurrent process.
  • the criterion for the cleaning intervals is the pressure drop in the separator, which correlates with the loading of the sedimentation ring disks and indicates the need for matrix cleaning when exceeding a certain value.
  • a flushing fluid is passed from the flow through the partial volumes to the inlet, the shaft 8 are rotated with the rotating separation ring disks 13 at high speed (about 100 to 500 rev / min). The resulting shearing in the fluid flow creates turbulences which entrain the magnetic particles deposited on the separation ring disks. The separated particles will then be removed from the matrix by the superimposed purge fluid stream.
  • the efficiency of the cleaning can be further improved by the fact that the high-gradient magnetic separator 1 is deprived of the influence of a magnetic field.
  • the magnetic field can now be switched off or the high-gradient magnetic separator can be removed from the magnetic field.
  • an oscillation movement can alternatively be transmitted to the shaft 8.
  • An additional force can be built up if the shaft oscillates axially by corresponding drive and bearing in addition to a rotational movement.
  • the hydrodynamics in the filter can be influenced and thus a flow channel formation is suppressed.
  • the structure of the matrix proposed in the exemplary embodiments enables a modular and flexible construction of the high-gradient magnetic separator.
  • the number and spacing of the sub-volumes and separation ring disks can be varied in a simple manner and, according to a modular principle, also for subregions of the matrix.

Landscapes

  • Centrifugal Separators (AREA)

Description

  • Die Erfindung betrifft einen Hochgradienten-Magnetabscheider gemäß dem Oberbegriff des ersten Patentanspruchs.
  • Die Abtrennung ferro-, ferri- oder paramagnetischer Partikel aus flüssigen oder gasförmigen Fluiden mittels Magnetscheider ist ein in zahlreichen Varianten genutztes Grundprinzip der Verfahrenstechnik. Ein besonderer Vorteil des Prinzips der Magnetscheidung liegt in der Möglichkeit, magnetische Partikel aus einer Mischung mit anderen nicht magnetischen Partikeln selektiv abzutrennen. Die Wahl des Magnetscheiders richtet sich dabei nach der Größe und den magnetischen Eigenschaften der Partikel.
  • Grobe stark magnetische Partikel, wie z.B. Magnetiterze mit Partikelgrößen > 75µm lassen sich danach bereits mit einfachen Trommel- oder Bandscheidern abtrennen. Feinere stark magnetische Partikel lassen sich aus wässrigen Suspensionen bis zu einer Größe von ca. 10-20 µm ebenfalls noch mittels spezieller Trommelscheider erfassen. Für noch feinere Partikel im Mikrometerbereich (ca. 0,1 bis 20 µm) kommt dagegen bisher nur sogenannte Hochgradienten-Magnetseparation zum Einsatz.
  • Das Funktionsprinzip von Hochgradienten-Magnetseparatoren beruht auf der Generierung und Bündelung starker Feldstärkegradienten durch das Einbringen einer ferromagnetischen Matrix in ein äußeres Magnetfeld. Die magnetisierbaren Elemente der Matrix bestehen meist aus ungeordneter Stahlwolle bzw. geordneten Drahtnetzen oder profilierten Metallplatten. Sie 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.
  • Durch die Möglichkeit der Generierung sehr hoher Feldgradienten und somit entsprechend hoher Magnetkräfte in Verbindung mit einer feinmaschigen Matrix ist das Verfahren der Hochgradienten-Magnetseparation sehr effektiv, wenn es darum geht, geringe Mengen magnetischer Verunreinigungen aus einer Suspension zu entfernen. Typische Einsatzbeispiele finden sich in der Kaolinitaufbereitung oder in der Entfernung von Korrosionsprodukten aus Kondensatkreisläufen.
  • Nach einer bestimmten Betriebszeit sind jedoch die Beladung des Separators mit abgeschiedenen magnetisierbaren Partikeln so hoch, dass die Aufnahmekapazität des Magnetabscheiders erschöpft ist und eine Matrixabreinigung erforderlich ist. Üblicherweise erfolgt die Matrixabreinigung nach Abschalten des Magnetfelds mit einem starken Wasserstrahl beziehungsweise einer Rückspülung mit hohen Filtergeschwindigkeiten. Bedingt durch Form und Aufbau der Matrix, die beispielsweise aus Stahlwolle oder geschichteten Drahtgeweben besteht und somit zahlreiche Zwischenräume aufweist, kommt es im bereich der Matrix lokal zu sogenannten Totvolumina, d.h. zu Bereichen, die nicht oder nur sehr langsam durchströmt werden. Zudem begrenzen der Wunsch, das Volumen des anfallenden Spülkonzentrats möglichst gering zu halten sowie die maximale Förderleistung der Pumpen die Menge des eingesetzten Spülfluids und die erreichbare Fließgeschwindigkeit während des Spülvorgangs. Als Folge wird nur eine unvollständige Abreinigung erzielt. Insbesondere Partikel mit einer hohen Remanenzmagnetisierung lassen sich nur schwer wieder entfernen. Die Konsequenz ist eine weiterhin starke Haftung dieser Partikel an den Matrixdrähten, was die Abreinigungseffizienz signifikant beeinträchtigt.
  • Während zur Thematik der Partikelabscheidung eine Vielzahl von Patenten und Veröffentlichungen vorhanden ist, liegen auf dem Gebiet der Filterrückspülung und Matrixabreinigung nur sehr wenige Untersuchungen vor. Eine wirkungsvolle und vollständige Matrixabscheidung ist aber wesentlich für viele Anwendungen, allein auch um technischen, ökonomischen sowie ökologischen Rahmenbedingungen gerecht zu werden. Insbesondere dann, wenn die magnetische Abtrennung von magnetisierbaren Partikeln als wichtiger Teilschritt in einen kontinuierlichen Gesamtprozess eingebunden ist, verlangt ein optimaler Filterbetrieb eine Minimierung der Dauer der Matrixabreinigung sowie der hierfür erforderlichen Spülfluidmenge.
  • Bei bestimmten Anwendungen, beispielsweise im Abwasserbereich, ist eine vollständige Matrixabreinigung nicht unbedingt notwendig, aber wünschenswert und ökonomisch geboten, um die Separatorkapazität auszuschöpfen. Die Matrixabreinigung erfolgt dabei durch Spülwasser mit hohen Fließgeschwindigkeiten im Gegenstrom.
  • In der US 5.019.272 wird ein Hochgradienten-Magnetseparator mit einem in Rotation versetztes Filtergehäuse mit Matrix offenbart, wobei die Matrix im Einfluss eines Permanentmagneten steht. Die Abreinigung der Filtermatrix erfolgt mittels einer Kombination aus pulsierender Zulaufströmung, Zentrifugalkräften und einem magnetischen Wechselfeld. Die Rotationsbewegung ist bei diesem Konzept allerdings zunächst nicht zum Zweck des Energieeintrags für die Abreinigung vorhanden, sondern zur Erzeugung eines magnetischen Wechselfeldes auf Permanentmagnetbasis.
  • Ausgehend davon ist es Aufgabe der Erfindung, einen Hochgradienten-Magnetseparator vorzuschlagen, welcher eine mechanisch einfache, robuste, flexible und kostengünstige Vorrichtung zur effizienten Matrixabreinigung umfasst.
  • Die Aufgabe wird durch die kennzeichnenden Merkmale in Anspruch 1 gelöst; die hierauf bezogenen Unteransprüche beinhalten vorteilhafte Ausführungsformen dieser Lösung.
  • Die Erfindung besteht aus einem Hochgradienten-Magnetabscheider zum selektiven Abscheiden magnetisierbarer Partikel aus einer Suspension, umfassend eine in einem Magnetsystem positionierbare Matrix als Separierungszone. Die Matrix wird durch plattenförmige magnetisierbare und von der Suspension durchströmbare Separationsflächen in aneinander gereihte Teilvolumina unterteilt. Ferner weist sie Bereiche auf, die als Zulauf oder als Ablauf der Suspension dienen, wobei vorzugsweise zwischen einem Zulauf und einem Ablauf mindestens eine, weiter bevorzugt zwei Separationsflächen angeordnet sind. Vorzugsweise erstreckt sich die Matrix über ein abgeschlossenes Volumen, wobei die Zuläufe und Abläufe durch konkrete Leitungen in dieses Volumen gebildet werden. Die Separationsflächen werden bevorzugt durch Drahtgewebe oder perforierte Metallfolien oder - bleche gebildet und können zum Auffangen der Kräfte aus einer Fluidströmung oder zum Einspannen und Befestigen mit Verstärkungsstrukturen versehen sein.
  • Zum selektiven Abscheiden magnetischer Partikel aus einer Suspension wird diese als Fluidstrom über den Zulauf in die Matrix und in dieser durch mindestens eine, vorzugsweise zwei Separationsflächen geleitet. Nach Durchlaufen der Separationsflächen verlässt der Fluidstrom die Matrix durch einen Ablauf, wobei die magnetisierbaren Partikel magnetisch auf den Separationsflächen zurückgehalten werden.
  • Wesentliches Gestaltungsmerkmal der Erfindung und mit besonders vorteilhafter Wirkung bei einer Matrixabreinigung ist die Unterteilung der Separationsflächen in mindestens zwei Gruppen. Die Separationsflächen jeder Gruppe sind mechanisch beispielsweise über ein Gehäuse, einen Träger oder eine Welle starr miteinander gekoppelt und im Hochgradienten-Magnetseparator entweder fest eingesetzt oder beweglich gelagert. Bevorzugt sind die Separationsflächen in zwei Gruppen unterteilt, wobei sich die Gruppenzugehörigkeit der vorzugsweise parallel zueinander in der Matrix angeordneten Separationsflächen abwechselt. Dabei ist eine Gruppe fest im Gehäuse eingesetzt ist und die zweite Gruppe gemeinsam auf einem beweglich gelagerten Träger wobei eine abwechselnde Anordnung der Separationsflächen aus den verschiedenen Gruppen in der Matrix vorgesehen ist. Der beweglich gelagerte Träger ist vorzugsweise motorisch oder aktorisch angetrieben, wobei die ausführbare Bewegung zyklisch ist, d.h. rotatorisch und / oder in eine oder mehrere Richtungen translatorisch oszillierend. In einer bevorzugten Ausführungsform umfasst der Träger eine drehbar und / oder lateral bewegbar gelagerte Welle, um die sich die Matrix und die Separationsflächen rotationssymmetrisch erstrecken. Die Frequenz der Dreh- bzw. oszillierenden Relativbewegung liegt je nach konstruktiver Gestaltung üblicherweise zwischen 5 und 1000 Hz.
  • Für das selektive Abscheiden von magnetischen Partikeln aus einer Suspension sind die vorgenannten zueinander bewegbaren Separationsflächengruppen nicht unbedingt erforderlich. Eine moderate Relativbewegung benachbarter Separationsflächen zueinander fördert allerdings die Durchmischung der Suspension und damit die gleichmäßigere Erfassung des gesamten Suspensionsvolumens bei der Abscheidung sowie eine gleichmäßigere Abscheidung von magnetisierbaren Partikeln auf den zur Verfügung stehenden Separationsflächen. Ab einer bestimmten Stärke verhindern die Relativbewegungen ein stabiles Absetzen der Partikel auf den Separationsflächen, wirken somit kontraproduktiv und sind während der Abscheidung zu vermeiden.
  • Für eine in bestimmten Intervallen erforderliche Matrixabreinigung stellen die vorgenannten zueinander bewegbaren Separationsflächengruppen jedoch eine signifikante Verbesserung dar.
  • Die Matrixabreinigung erfolgt vorzugsweise nach dem Gegenstromprinzip mit einem Spülfluid, wobei die Relativbewegung von mindestens zwei der vorgenannten Separationsflächenfraktionen zueinander im Spülfluid Trägheitskräfte, Zentrifugalkräfte, Turbolenzen und Scherkräfte hervorruft, welche eine Ablösung von magnetisierbaren Partikeln von den Separationsflächen auch bei noch vorhandener magnetischen Remanenz oder auch im Einfluss eines magnetischen Feldes signifikant verbessert oder auch erst nur ermöglicht.
  • Die Erfindung wird im Folgenden an Ausführungsbeispielen anhand der folgenden Figuren näher erläutert. Es zeigen
    • Fig. 1 eine prinzipielle Seitenansicht eines Ausführungsbeispiels mit Elektromagnet,
    • Fig. 2 eine prinzipielle Seitenansicht eines Ausführungsbeispiels mit Permanentmagnet,
    • Fig. 3 eine Schnittansicht eines Ausführungsbeispiels mit fluidisch in Serie geschalteten Separationsringscheiben,
    • Fig. 4 eine Schnittansicht eines Ausführungsbeispiels mit fluidisch parallel geschalteten Separationsringscheibe sowie
    • Fig. 5 eine Aufsichtdarstellung der Separationsringscheiben.
  • Wie in Fig. 1 und 2 dargestellt, befindet sich der Hochgradienten-Magnetseparator 1 im unmittelbaren Wirkbereich eines Magnetsystems 2, das als Feldquelle dient. Als Magnetfeldquelle dienen vorzugsweise Elektromagnete (Fig. 1), supraleitende Magnetsysteme oder auch Permanentmagnetsysteme (Fig. 2), wobei der Hochgradienten-Magnetseparator 1 in die Magnetspulenöffnung bzw. zwischen die Polschuhe 3 eingebracht wird.
  • Der eigentliche Hochgradienten-Magnetseparator umfasst mehrere Teileinheiten, und zwar ein im Wesentlichen zylinderförmiges Gehäuse 5, welches mit einem Deckel 6 und einem Boden 7 axial verschlossen ist. Eine Welle 8 ist konzentrisch im Gehäuse, im Ausführungsbeispiel in entsprechenden Lagerungen 9 im Deckel und / oder Boden, dichtend drehbar gelagert und über eine Kupplung 10 mit einem Antrieb 11 verbunden. Welle, Gehäuse, Deckel- und Bodenplatte bestehen aus einem unmagnetischen Werkstoff.
  • Kerneinheit des Hochgradienten-Magnetseparators ist die Matrix, welche sich über das vom Gehäuse 5, Deckel 6 und Boden 7 eingeschlossene Innenraumvolumen erstreckt und in dem die Abscheidung der magnetisierbaren Partikel stattfindet. Die Suspension (Fluid) mit den abzutrennenden magnetischen Partikeln tritt über den Zulauf 4 in den Hochgradienten-Magnetseparator ein und verteilt sich über den Separatorquerschnitt. Die eigentliche Abtrennung erfolgt im Bereich der Matrix an Separationsringscheiben 13 und 14. Der aufgereinigte Fluidstrom verlässt den Hochgradienten-Magnetseparator über den Ablauf 12. Zu- bzw. Ablauf bestehen aus mehreren Öffnungen im Deckel 6 bzw. Boden 7 und weisen zur besseren Strömungsverteilung jeweils eine konische Form auf.
  • Die Matrix ist nach dem Rotor-Stator-Prinzip aufgebaut (vgl. Fig. 3 und 4) und umfasst abwechselnd vorgenannte konzentrisch um die Welle angeordnete und im Gehäuse 5 eingesetzte feststehende und auf die Welle 8 aufgesetzte rotierende Separationsringscheiben 13 bzw. 14, welche das Innenraumvolumen in rotationssymmetrische und axial hintereinander angeordnete Teilvolumina unterteilt.
  • Die Separationsringscheiben 13 und 14, im Detail in Fig. 5 dargestellt, umfassen jeweils eine von der Suspension durchströmbare Separationsfläche 15 aus magnetisierbarem Material, vorzugsweise einem Drahtgewebe oder einer perforierte Metallfolie oder -blech. Die Separationsfläche 15 wird jeweils von einem äußeren und einem inneren Stabilisierungsring 16 bzw. 17 begrenzt.
  • Die rotierenden Separationsringscheiben 14 werden über die inneren Stabilisierungsringe 17 wechselweise mit unmagnetischen inneren Abstandshülsen 18 auf die Welle 8 aufgezogen und mit einer Spannhülse 19 axial verspannt. Ebenso werden die feststehenden Separationsringscheiben 13 über die äußeren Stabilisierungsringe 16 wechselseitig mit unmagnetischen äußeren Abstandshülsen 20 in das Gehäuse 5 eingesetzt und über eine Hülse 21 verspannt. Die jeweilig nicht eingespannten inneren und äußeren Stabilisierungsringe 17 bzw. 16 bilden jeweils zu inneren bzw. äußeren Abstandshülsen 18 bzw. 20 einen Ringspalt (vgl. Fig. 3 und 4).
  • Fig. 3 zeigt eine Ausführungsform mit fluidisch hintereinander geschalteten Teilvolumina in der Matrix. Dabei weisen sowohl die Hülse 21 am Zulauf 4 als auch der Gehäuseteil, der am Ablauf 12 liegt, eine strömungsoptimierte, in erster Näherung konische Form auf. Dies vermeidet mögliche Totvolumnina insbesondere in den Eckbereichen der Matrix und damit mögliche Vermischungen durch ein Zurückhalten und zeitversetztes Wiedereinmischen einzelner Fluidfraktionen in der Matrix.
  • Fig. 4 repräsentiert ein alternatives Konzept mit fluidisch parallel geschalteten Teilvolumna in der Matrix. Bei dieser Ausführungsform erfolgt die Zuführung der Suspension mit den abzutrennenden magnetischen Partikeln über eine als Hohlwelle gestaltete Welle 8 und mehreren von dieser abzweigenden radiale Zulaufbohrungen 22 als Suspensionsaustritte in jedes zweite der Teilvolumina der Matrix. Der Ablauf des gereinigten Fluidstroms erfolgt aus den Teilvolumina ohne direkte Zulaufbohrung über Ablaufbohrungen 23, die in einen Sammelkanal 24, gebildet durch das Innere eines doppelwandigen Gehäuses 25 einmünden. Zulauf- und Ablaufbohrungen 22 bzw. 23 sind jeweils versetzt angeordnet, sodass bei einem Durchströmen der Matrix mindestens eine Separationsringscheibe durchströmt wird.
  • Eine Matrixabreinigung erfolgt von Zeit zu Zeit vorzugsweise im Gegenstromverfahren. Als Kriterium für die Abreinigungsintervalle dient der Druckabfall im Separator, der mit der Beladung der Sedimentrationsringscheiben korreliert und bei Überschreitung eines bestimmten Wertes die Notwendigkeit der Matrixabreinigung anzeigt. Für die Matrixabreinigung wird ein Spülfluid vom Ablauf durch die Teilvolumina zum Zulauf geleitet, wobei die Welle 8 mit den rotierenden Separationsringscheiben 13 mit hoher Drehzahl (ca. 100 bis 500 U/min) gedreht werden. Durch die dabei entstehenden Scherungen in der Fluidströmung entstehen Verwirbelungen, welche die auf den Separationsringscheiben abgelagerten magnetischen Partikel mitreißen. Die separierten Partikel werden dann durch den überlagerten Spülfluidstrom aus der Matrix entfernt werden.
  • Die Effizienz der Abreinigung lässt sich zusätzlich dadurch verbessern, dass der Hochgradienten-Magnetseparator 1 hierzu dem Einfluss eines magnetischen Feldes entzogen wird. Hierzu kann nun das Magnetfeld abgeschaltet oder der Hochgradienten-Magnetseparator aus dem Magnetfeld entfernt werden.
  • Neben einer Rotationsbewegung kann alternativ eine Oszillationsbewegung auf die Welle 8 übertragen werden. Eine zusätzliche Kraft kann aufgebaut werden, wenn die Welle durch entsprechenden Antrieb und Lagerung zusätzlich zu einer Rotationsbewegung axial oszilliert.
  • Neben einer effizienten Abreinigungsleistung kann auch der Separationsvorgang verbessert werden, da durch Überlagern einer langsamen Rotationsbewegung während des Abscheidevorgangs die Hydrodynamik im Filter beeinflussbar ist und somit eine Strömungskanalbildung unterdrückt wird.
  • Der im Rahmen der Ausführungsbeispiele vorgeschlagene Aufbau der Matrix ermöglicht einen modularen und flexiblen Aufbau des Hochgradiententen-Magnetseparators. Allein durch einfachen Austausch der Abstandshülsen 18 und 20 können Anzahl und Abstand der Teilvolumina und Separationsringscheiben in einfacher Weise und gemäß eines Baukastenprinzips auch für Teilbereiche der Matrix variiert werden. Zur Minimierung des Druckverlusts ist zum Beispiel denkbar, im oberen Bereich des Hochgradienten-Magnetseparators größere Abstände zwischen den Matrixelementen zu wählen und im unteren Bereich die Matrixelemente dichter zu packen.
    • Bezugszeichenliste:
    • 1
    Hochgradienten-Magnetseparator
    2
    Magnetsystem
    3
    Polschuh
    4
    Zulauf
    5
    Gehäuse
    6
    Deckel
    7
    Boden
    8
    Welle
    9
    Lagerung
    10
    Kupplung
    11
    Antrieb
    12
    Ablauf
    13
    feststehende Separationsringscheibe
    14
    rotierende Separationsringscheibe
    15
    Separationsfläche
    16
    äußerer Stabilisierungsring
    17
    innerer Stabilisierungsring
    18
    innere Abstandshülse
    19
    Spannhülse
    20
    äußere Abstandshülse
    21
    Hülse
    22
    Zulaufbohrung
    23
    Ablaufbohrung
    24
    Sammelkanal
    25
    doppelwandiges Gehäuse

Claims (9)

  1. Hochgradienten-Magnetabscheider (1) zum selektiven Abscheiden magnetisierbarer Partikel aus einer Suspension, umfassend eine in einem Magnetsystem (2) positionierbare Matrix als Separierungszone mit mindestens einem Zulauf (4, 22) und mindestens einem Ablauf (12, 23) für die Suspension, wobei die Matrix durch plattenförmige magnetisierbare und von der Suspension durchströmbare Separationsflächen (15) in aneinander gereihte Teilvolumina unterteilt ist,
    dadurch gekennzeichnet, dass
    die Separationsflächen (15) abwechselnd fest und beweglich angeordnet sind, wobei die beweglichen Separationsflächen auf einem bewegbar gelagerten Träger (8) fixiert sind, wobei im Betrieb eine Relativbewegung von mindestens zwei der vorgenannten Separationsflächen zueinander im zugefügten Spülfluid Trägheitskräfte, Zentrifugalkräfte, Turbulenzen und Scherkräfte hervorruft.
  2. Hochgradienten-Magnetabscheider nach Anspruch 1 umfassend einen motorischen oder aktorischen Antrieb (10, 11) für den bewegbar gelagerten Träger.
  3. Hochgradienten-Magnetabscheider nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Separationsflächen (15) ein Drahtgewebe oder eine perforierte Metallfolie oder ein perforiertes Metallblech umfassen.
  4. Hochgradienten-Magnetabscheider nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Träger eine drehbar oder lateral bewegbar gelagerte Welle (8) umfasst und die Matrix und die Separationsflächen (15) sich rotationssymmetrisch um die Welle erstrecken.
  5. Hochgradienten-Magnetabscheider nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Separationsflächen Teil von Separierungsringscheiben (13, 14) sind.
  6. Hochgradienten-Magnetabscheider nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Matrix sich in einem Innenraumvolumen eines zylinderförmigen Gehäuses (5) mit einem Boden (7) und einem Deckel (6) erstreckt, wobei im Boden oder im Deckel mindestens eine dichtende Lagerung (9) für die Welle (8) angeordnet ist.
  7. Hochgradienten-Magnetabscheider nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass der mindestens eine Zulauf und der mindestens eine Ablauf ausschließlich im Deckel (6) oder im Boden (7) angeordnet sind.
  8. Hochgradienten-Magnetabscheider nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass das Gehäuse ein doppelwandiges Gehäuse (25) mit einen Sammelkanal (24) ist, von diesem radial nach innen verlaufende Ablaufbohrungen (23) die Abläufe bilden, sowie die Welle (8) eine Hohlwelle ist, welche im Erstreckungsbereich der Matrix mindestens eine als Zulauf dienende radiale Zulaufbohrung (22) aufweist.
  9. Hochgradienten-Magnetabscheider nach einem der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen dem mindestens einen Zulauf (4, 22) und dem mindestens einen Ablauf (12, 23) mindestens eine der Separationsflächen (15) angeordnet ist.
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