PT822862E - Um metodo e aparelho para separacao elecrostatica - Google Patents

Description

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MEMÓRIA DESCRITIVA “UM MÉTODO E APARELHO PARA SEPARAÇÃO ELECTROSTÁTICA”

Antecedentes da Invenção

Campo da Invenção A presente invenção refere-se a melhorias nos processos de separação e de equipamento da contracorrente tipo correia electrostática. Em particular a presente invenção refere-se a uma montagem de um gradiente de voltagem a ser utilizado nos separadores electrostáticos.

Discussão da Referida Arte

Partículas de cinza derivadas da combustão do carvão contem muitas vezes resíduos de carvão não queimados, de partículas de carvão as quais queimaram durante a passagem através da zona de combustão da caldeira. Recentemente, os resíduos de carvão não queimados têm sido exacerbados pelas mudanças na operação da caldeira as quais têm sido implementadas afim de reduzir as emissões de NOx. Um potencial uso para tais partículas de cinza é um aditivo pozolânico em betão. Partículas de cinza em betão reagem com cal livre para formar produtos cimentados os quais produzem uma força adicional no betão tratado. Outras propriedades do betão melhorado incluem um baixo nível de água, baixo calor de hidratação, baixo custo, fácil fluidez, e baixa permeabilidade. No entanto, os resíduos de carbono não queimados, e as partículas de cinza derivadas da combustão do carvão, são indesejáveis para a reutilização das partículas de cinza em tais aplicações de betão. O carvão não queimado em partículas de cinza limita o uso benéfico das partículas de cinza no betão.

Enquanto o carvão é de longe um bom isolador, o carbono derivado da pirólise do carvão é um bom condutor. Com uma resistividade bem abaixo dos 1 ohm/cm. As partículas do carbono nas partículas de cinza são derivadas de partículas de carvão as quais foram pirolisadas e parcialmente queimadas. Durante esta pirólise e combustão parcial, são desenvolvidos voláteis do carvão, as partículas do carbono residual possuem uma densidade de volume bastante baixa e são bastante porosos. A quantidade de partículas de cinza no carbono 1 típico estão nos 7 a 12%, e muitos estão abaixo dos 15%. A especificação ASTM C-618 para as partículas de cinza como pozolana para fins de betão requer menos que 6% de Perda de Ignição (PNI). Esta especificação é uma medida do conteúdo do carbono porque o carbono queima durante a ignição aos 750 centígrados. Muitos projectos de engenharia possuem especificações para as partículas de cinza que são ainda mais rigorosos que a especificação ASTM, por exemplo o grande projecto de engenharia civil que é o metro de Boston, o Boston Harbor Central Artery Project necessita de menos que 3% LOI.

Além disto, o carbono não queimado possui um valor de combustível, e pode ser produtivamente queimado na caldeira que gerou a cinza em primeiro lugar. O uso eficiente deste carbono como combustível requer que seja concentrado o mais possível para evitar a sobrecarga no tanque de precipitação electrostático e erosão dos tubos convencionais.

Carbono em partículas de cinza é um exemplo de uma matéria de partículas condutoras numa matéria não condutora. A condutibilidade de tal composto depende da conectividade da fase condutora. Em referência à Fig. 1, da teoria da percolação, a resistividade (o inverso da condutibilidade) de um sistema composto desce com a coordenação de partículas condutoras de uma com a outra, e quando essa coordenação excede um determinado valor, a resistividade do composto desce dramaticamente com um volume pequeno de aumento da matéria condutora. Isto ocorre a cerca de 37% por volume de matéria condutora. Abaixo deste nível, existem ligações insuficientes entre as partículas para formar uma ponte contígua de uma superfície para a outra. Abaixo deste nível existem partículas adjacentes suficientes para formar uma ponte contígua de uma superfície para a outra. Esta percolação é o limite para resistividade (condutibilidade) está bem documentado e descrito por J. Girland em Transactions of the Metallurgical society do volume ΑΙΜΕ 236, página 642-646 Maio de 1966. A percolação limita um volume de 37% de mais matéria condutora é representante de muitos sistemas, aqui deriva sobretudo de considerações geométricas.

Em partículas de cinza derivadas de carvão, o carbono possui uma gravidade específica muito mais baixa que a matéria da cinza mineral. Isto reduziu a densidade e traduz-se num volume específico maior e, portanto, para um volume de 37% de carbono em partículas de cinza ocorre em aproximadamente 10% do peso do carbono nas partículas de cinza. Esta percolação limita em 10% por peso do carbono dificuldades presentes substanciais na separação do carbono da partícula de cinza. No entanto, descrições anteriores de separadores electrostáticos de tipo cinto mencionaram o potencial de separar partículas condutoras, não foram especificamente dirigidas a matérias condutoras específicas. As patentes U.S. 4.839.032 e 4,874.507, divulgam um separador o qual é aplicável à separação triboeléctrico/ 2 electrostático de diversas misturas de partículas, incluindo partículas condutoras. Em princípio, este tipo de separador consegue separar essencialmente todos os materiais os quais possuem contacto triboeléctrico de propriedades de carga, incluindo condutores. Este tipo de separador electrostático de contracorrente tipo cinto demonstrou, em laboratório, uma capacidade para separar diversas misturas de partículas.

Um outro tipo de separador de tipo semelhante é conhecido da patente FR 940389.

Um método de separação a nível electrostático de componentes diferentes de uma mistura de partículas numa câmara de separação é também conhecida na patente WO 89/09092 e compreende os passos de: entrada da mistura na câmara de separação, a câmara de separação possuindo eléctrodos com superfícies de confronto.

Um aparelho para separação triboeléctrica electrostática da mistura de partículas é também conhecida da patente WO 89/09092 e compreende pelo menos um cinto de transporte apoiado entre pelo menos dois apoios que simultaneamente agitam e transportam a mistura de partículas entre os primeiros e os segundo eléctrodos, em pelo menos duas correntes de rede de carga contrária.

Enquanto que em princípio, as partículas condutoras podem ser separadas, e a separação de partículas condutoras tem sido demonstrada, em laboratório, o uso comercial a longo termo de um separador contracorrente tipo cinto, tal como divulgado nas patentes U.S. 4.839.032 e 4.874.507, em misturas contendo partículas condutoras é problemático devido à construção de depósitos condutores entre regiões de potencial eléctrico diferente no interior do separador. A Fig. 2 ilustra uma estrutura do separador contracorrente tipo cinto 100, e como descrito nas patentes U.S. 4.839.032 e 4.874.507, as quais utilizam um campo eléctrico forte para mover partículas carregadas de forma triboeléctrica de um fluxo em movimento para um outro fluxo adjacente em movimento numa direcção oposta. O campo eléctrico é formado por dois eléctrodos paralelos 9 e 10 através dos quais os segmentos do cinto 8A e 8B e onde os fluxos de partículas se movem. Para conter as partículas e para apoiar os eléctrodos, é necessário proporcionar uma ligação mecânica entre os dois eléctrodos, ao longo das suas extremidades longitudinais e perpendiculares aos eléctrodos 9, 10 e segmentos do cinto 8A, 8B. É nesta região que partículas de carbono condutor pode recolher e causar uma ligação de condutor natural entre os eléctrodos 9,10 e então um curto circuito de eléctrodos. Este curto circuito dos eléctrodos 9, 10 3 causa uma redução no campo eléctrico e uma degradação global no processo de separação 100.

Em princípio, podíamos simplesmente usar uma fonte mais poderosa em termos de voltagem, com uma capacidade maior de corrente para compensar a degradação do campo eléctrico devido este efeito de curto circuito local. No entanto, para algumas aplicações isto não é viável. Por exemplo, uma camada de carbono com um corte transversal de 1 mm2 possui uma resistência de cerca de 100 ohms/cm. Com uma abertura de 1 cm 5 entre os eléctrodos 9 e 10 e uma voltagem aplicada de 10 kV, o lmm2 de carbono iria conduzir 100 amperes e dissipar um megawatt de potência. Isto não pode ser tolerado.

Uma aproximação para atenuar o problema acima referido é que porções de eléctrodos 9, 10 podem ser extintos e substituídos com regiões de, matéria não condutora, a qual pode ser varrida pelo cinto. Esta aproximação irá aumentar o comprimento da trajectória sobre o qual uma trajectória condutora deve formar, e reduzir a semelhança da formação da trajectória condutora. No entanto, em regiões onde o eléctrodo é substituído com um dialéctrico, não existe um campo eléctrico para separação, e desta forma a eficiência do separador é reduzida. Além disto, um problema com tal abordagem é que ao longo das extremidades do separador, há uma ausência do campo eléctrico de separação o qual conduz ao cinto de matérias em movimento o qual não é separado. Esta matéria não separada irá contaminar os dois produtos separados e reduzir a eficiência do separador. Também, apesar do comprimento da trajectória sobre a qual uma trajectória condutora deve formar é mais longa, a contaminação com partículas condutoras irá continuar a conduzir às camadas condutoras erguidas, e eventualmente caírem na abertura, a qual irá mais tarde conduzir ao alinhamento e erosão das superfícies dieléctricas.

Em referência à Fig. 2, de acordo com uma estrutura do separador 100, quando o separador 100 é operado os segmentos do cinto em movimento 8 A, 8B conduzem as matérias separadas num estado fluído. Como qualquer outro fluído, as matérias separadas movem-se e entram em quaisquer brechas que estejam disponíveis. Ao longo das extremidades do separador (por exemplo os lados longitudinais dos eléctrodos 9 e 10, e pontos de alimentação 3, e os pontos de saída 4,7) existem superfícies imóveis. Dependendo do regime mecânico do fluido a ser operado, existe uma camada limite imóvel de alguma espessura. Quando as partículas condutoras recolhem nesta camada limite, a camada de condução e de alinhamento são a inevitável consequência de operar com partículas condutoras.

Alguns dos efeitos podem ser parcialmente atenuados operando a uma produtividade reduzida. Estas quantidades para reconhecer que a matéria é na realidade um sistema de três fases com duas fases sólidas, uma das quais é 4 condutora, e o ar é um excelente isolador. De acordo, o aumento da concentração de ar, que é reduzir a porção de volume de matéria sólida que é no separador irá reduzir o volume de condutor. Infelizmente isto não elimina o problema da partícula condutora, e também não reduz a capacidade do separador. Outras partículas podem ainda ser erguidas em qualquer superfície imóvel até que seja formada uma camada condutora. Este comportamento é mais evidente quando uma das espécies a ser concentrada é por si mesma condutora, como o caso do carbono nas partículas de cinza.

As patentes U.S. 4.839.032 e 4.874.507 divulgam o uso de uma barreira dieléctrica 6 entre os segmentos do cinto em movimento 8 A e 8B. Esta barreira pode ser colocada ao longo das extremidades do separador, de forma a aumentar o comprimento da trajectória sobre a qual uma trajectória condutora deve ser formada, a fim de cortar os eléctrodos 9,10. No entanto, bloqueando o campo e o movimento das partículas de um fluxo para o outro fluxo oposto, e também, previne a separação. Além do mais, a estabilidade a longo termo de tal folha de barreira é difícil de assegurar.

Além do mais, uma matéria prática a ser usada como barreira 6 deve ser flexível, a fim de resistir à vibração e movimento dos cintos 8A e 8B sem quebrar. Esta necessidade de flexibilidade impede o uso de materiais de cerâmica rígidos e requer módulos de materiais dieléctricos baixos, como os materiais poliméricos. No entanto, um problema com o material polimérico é que são substancialmente macios, e desta forma, podem vir a ser cravados com as partículas condutoras, ou seja podem tomar-se condutores. Além disto, quando a ignição ocorre, os materiais poliméricos resistem somente a temperaturas relativamente baixas, e como não resistem à erosão da ignição tão bem como os materiais de cerâmica. Como divulgado nas patentes US 4.839.032 e 4.874.507, quando a barreira é colocada ao longo do separador 100, entre os eléctrodos 9,10, cargas movem-se até um campo colocado através do dieléctrico. Então, quando o dielétrico faz faísca, existe uma carga substancial e energia armazenada nas cargas dos lados opostos da barreira dieléctrica é dissipada na ignição, conduzindo à erosão e alinhamento do material polimérico.

Existe ainda um outro problema com o separador 100 da Fig. 2 é que uma trajectória aumentada não impede a quebra da faísca devido a um campo de corrente eléctrica directa, mesmo quando a média do campo eléctrico seja bastante abaixo da quebra. Quando ocorre uma faísca eléctrica, o canal da faísca é altamente ionizado e toma-se muito condutor. Como um material altamente condutor, a faísca toma-se uma superfície equipotencial. Se a faísca acende num eléctrodo, e propaga-se, então o período de ignição, o canal da faísca é ao mesmo tempo potencial como o eléctrodo. O campo eléctrico na ponta da faísca é então o gradiente em potencial entre o eléctrodo e a região local imediatamente para além da ponta condutora da faísca. O forte campo 5 eléctrico e campo gradiente na ponta da faísca pode alinhar as partículas e conduzi-las a outro alinhamento e ignição. Quando uma faísca ocorre gera uma região local de plasma enérgico muito alto, o qual pode desgastar e decompor materiais poliméricos, resultando em formação carbónica, e alinhamento. Este carbono é bastante condutor e pode provocar futuras quebras.

Assim, a operação de um separador tipo cinto de partículas condutoras é problemático, e os métodos usados para permitir a separação dos materiais condutores são limitados e não são completamente satisfatórios para operações a longo termo de um processo industrial. O método de separação por forma electrostática dos diferentes componentes de uma mistura de partículas de acordo com a presente invenção é descrita pela fase de controlo de uma diferença de voltagem entre os eléctrodos com pelo menos uma montagem de um gradiente de voltagem, esta montagem de pelo menos um gradiente de voltagem incluindo elementos condutores alternativos e elementos dieléctricos, nos quais os respectivos elementos condutores são ligados aos respectivos nós de uma voltagem de circuito baixo de forma a limitar uma diferença de potencial máximo entre qualquer dos dois elementos condutores.

Com esta disposição, os efeitos da condução da superfície e alinhamento devido às partículas condutoras recolhendo em regiões imóveis do separador são reduzidas e desta forma o separador contracorrente de tipo cinto pode ser operado a uma capacidade de produtividade mais elevada, com uma maior eficiência, e pode ser utilizado para separar grandes concentrações de matérias condutoras de uma mistura. O aparelho para a separação de triboeléctrica electrostática de uma mistura de partículas de acordo com a presente invenção é descrita por uma montagem de um gradiente de voltagem incluindo elementos condutores e dieléctricos alternativos, a montagem de gradientes de voltagem de união são de pelo menos um dos eléctrodos, onde os respectivos elementos condutores são unidos electricamente aos nós de uma voltagem de circuito dividido o qual limita uma diferença de potencial máxima entre qualquer dos dois elementos condutores.

Com esta disposição, os efeitos das superfície de condução e alinhamento devido à recolha de partículas condutoras em regiões imóveis do separador são reduzidos e desta forma o separador contracorrente de tipo cinto pode ser operado a uma capacidade de produtividade maior, com uma maior eficiência, e pode ser utilizada para separar grandes concentrações de matérias condutoras de uma mistura. 6

Numa estrutura preferencial, a montagem de gradiente de voltagem é formado de um composto plástico prensado contendo tanto as regiões condutoras e não condutoras do plástico como também elementos dieléctricos não condutores. Este composto de plástico prensado é ligado a pelo menos a um circuito impresso a voltagem de circuito dividido.

Com esta disposição, o separador contracorrente tipo cinto requer pouca manutenção e é resistente ao desgaste da constante interacção com o movimento dos cintos.

As estruturas da invenção serão agora descritas unicamente como forma de exemplo, com referência às Figuras 3 à 8 dos desenhos apensos, nos quais: A Fig. lé um gráfico de resistividade contra a percentagem de volume de um composto de matéria separada como é demonstrado na arte anterior; A Fig. 2 é uma ilustração esquemática de um aparelho separador de partículas de acordo com a arte relatada; A Fig. 3 é uma ilustração de corte transversal de uma montagem de um gradiente de voltagem de acordo com a presente invenção; A Fig. 4 é um diagrama esquemático de uma estrutura de circuito de voltagem baixa de acordo com a presente invenção; A Fig. 5 é um diagrama esquemático de uma outra estrutura de um circuito de voltagem baixa de acordo com presente invenção; e A Fig. 6 é um gráfico da curva da corrente da voltagem de varistores não lineares como utilizados na estrutura de voltagem dividida demonstrada na Fig. 5. A Fig. 7A e 7B ilustram uma montagem de gradiente de voltagem co-prensada de acordo com uma das estruturas da presente invenção as Fig. 7A e 7B são um plano superior e da extremidade; e A Fig. 8 é um corte transversal de um circuito impresso do circuito de voltagem baixo de uma das Fig. 4 e 5 e possui uniões para ligação à retaguarda da montagem do gradiente de voltagem co-prensada das Figs. 7A e 7B.

Na operação de alta voltagem, equipamento de corrente directa (CD) numa atmosfera, existem dois critérios para formulação de uma faísca. Uma faísca neste sentido é definida como uma avalanche de electrões onde um campo eléctrico proporciona energia suficiente aos electrões para promoverem mais um 7 impacto de ionização das moléculas e isto conduz a um aumento de corrente, aquecimento termal e eventualmente ionização termal, e tipicamente, um canal de faísca visível e auditivo.

Um primeiro critério é que o campo eléctrico ou o gradiente de voltagem devem ser suficientes para fornecerem energia aos electrões livres a um nível alto que fazem os electrões perderem energia para o gás, desta forma os electrões podem aumentar em energia a um nível onde podem causar futuras ionizações. Um segundo critério é que a diferença de potencial entre o potencial mais alto e o mais baixo deve exceder um certo valor crítico. Este valor crítico é uma função da composição do gás, e para alguma extensão, do eléctrodo; especifícamente as propriedades da emissão secundária do electrão, a função de trabalho, e propriedades do campo de emissão do eléctrodo. A queda das propriedades dos líquidos e sólidos são tipicamente muito mais altos que a quebra dos campos de gases, em princípio porque o meio da trajectória livre dos electrões em líquidos ou em sólidos é muito mais curto, e desta forma um campo eléctrico deve fornecer energia a uma taxa mais alta a um electrão num estado líquido ou sólido para alcançar as energias necessárias para futura ionização.

Em relação ao separador 100 da Fig. 2, quando a abertura 5 entre os condutores 9, 10 é grande, o critério de limite para a quebra é que o campo eléctrico deve estar acima de um certo limite. Estes resultados no valor de 30 kV/cm para a quebra de força do ar. Quando a abertura 5 é muito pequena, então o critério de limite toma-se que a diferença de potencial deve exceder o potencial de ignição do gás. Este comportamento de potencial mínimo de ignição foi descoberto por Paschen, e é denominado como a lei de Paschen. Para o ar, o potencial mínimo de ignição é 327 voltes e ocorre numa abertura de cerca de 7, 5 mícrons a uma atmosfera 1. Isto representa um campo de 440 kV/cm. A tendência dos eléctrodos num separador tipo cinto, por exemplo eléctrodos 9, 10 da Fig. 1, para fazerem faísca e cortar podem ser reduzidos controlando a diferença de potencial máximo e o máximo do campo eléctrico que se encontra presente ao longo das superfícies sólidas dentro do separador, especialmente onde as partículas condutoras podem constmir e causar trajectórias condutoras. De acordo com a presente invenção, a diferença de potencial, portanto o campo eléctrico entre diferentes regiões é controlado fornecendo elementos condutores, colocados de forma alternada entre os elementos não condutores, entre os eléctrodos 9, 10 e um potencial de referência e unindo electricamente os elementos condutores a uma montagem de voltagem dividida de forma a controlar a diferença de potencial máximo entre os elementos adjacentes condutores. 8

Em relação à Fig. 3, existe um diagrama ilustrado de uma montagem de gradiente de voltagem, de acordo com uma estrutura da presente invenção, para proporcionar uma diferença máxima de potencial controlada entre os eléctrodos 9, 10 do separador 100. É de levar em consideração que a implementação ilustrativa é meramente um modo de exemplo com respeito ao número de condutores e elementos dieléctricos, da forma na qual estão dispostos, a forma na qual estão apoiados, a sua forma e tamanho, e as numerosas modificações que podem ser empregadas e são intencionadas a serem cobertas pela presente invenção. A montagem do gradiente de voltagem 300 possui uma face de confrontação 302 formada pelos elementos dieléctricos 20-28 e elementos condutores 11-18. A face de confrontação 302 está situada de forma a que depare com os cintos em movimento 8A, 8B e está colocada entre uma superfície 91 a um potencial alto e a uma superfície de potencial baixo 90, os quais numa estrutura são acoplados à terra. Por exemplo, uma montagem de um gradiente de voltagem 300 pode unir os lados dos cintos em movimento 8A, 8B e os lados longitudinais da câmara de separação. Os cintos 8A, 8B podem ser qualquer tipo de cinto utilizável ou usado convencionalmente em separadores triboeléctricos de tipo cinto. De preferência, os cintos 8A, 8B são cintos de rede.

Os elementos condutores 90, 11-18, e 91 estão ligados através das ligações 30-39 respectivamente a um circuito de voltagem dividida. Os elementos dieléctricos 20-28 são apoiados pela isolamento dos apoios mecânicos 40 e por adesivo polimérico 19 o qual mecanicamente cola a montagem e sela electricamente uma face traseira 304 da montagem do gradiente de voltagem 300 do contacto com outros apoios mecânicos (não demonstrados). Os elementos condutores 11-18 são unidos através das ligações 30-39 a voltagem de circuito baixo como, por exemplo, o demonstrado nas Figuras 4 e 5. Em particular, a ligação 30 é unida ao nó 130, a ligação 31 é unida ao nó 131, a ligação 32, é unida ao nó 132, a ligação 33 é unida ao nó 133, e os semelhantes das Figuras 4 e5.

Agora em referência à Figura 4, a Figura 4 é um diagrama esquemático de uma estrutura de uma voltagem baixa 400 incluindo uma pluralidade de resistências 50-58. As resistências 50-58 são ligadas em séries como demonstrado entre a superfície 91 no potencial mais alto, o qual é ligado ao circuito no nó 139, e a superfície 90 no potencial de referência, o qual é ligado ao circuito no nó 130. Os elementos de resistência 50-58 produzem uma queda na voltagem sequencial da superfície 91 para a superfície 90. Numa estrutura preferencial do circuito de voltagem dividida 400, as resistências 50-58 são de valor igual para que o potencial alto na superfície 91 seja dividida de igual forma entre cada uma das resistências 50-58. A voltagem sequencial cai nos nós 9 131-138, respectivamente unidos aos elementos condutores 31-38 da montagem do gradiente de voltagem 300, proporciona uma mudança gradual na voltagem da superfície 91 para a superfície 90 de forma a reduzir a tendência de ignição entre qualquer elemento condutor.

Este tipo de voltagem baixa controlada tem sido utilizada em outras aplicações de voltagem alta, tal como nos geradores de Van de Graaf para limitar o campo eléctrico máximo e reduzir a faísca entre componentes de voltagem alta. Tais dispositivos de gradiente de voltagem tipicamente usados para produzir uma voltagem baixa controlada e para dividir a voltagem alta num número de pequenos passos de voltagem. Ainda, em sistemas de transmissão de voltagem alta de corrente alternada, isoladores de cerâmica são frequentemente utilizados. Estes isoladores possuem tipicamente uma face ondulada, e usualmente dividem a voltagem de uma voltagem alta para a terra através de um mecanismo de voltagem baixa. No entanto, um mecanismo de voltagem baixa não é eficiente com voltagens de corrente directa. Um dispositivo preferencial para a divisão das voltagens de corrente directa é então uma grande resistência, sob condições normais de operação, e a uma resistência baixa a voltagens abaixo das condições normais de operação. Esta característica de voltagem de corrente não linear pode ser alcançada, por exemplo, utilizando componentes não lineares como varistores ou diodos ziener. A Figura 5 é um diagrama esquemático do circuito de voltagem baixa 500, de acordo com outra estrutura da presente invenção, a qual utiliza uma pluralidade de varistores. Os varistores 71-79 e 171-179 possuem uma curva uma voltagem de corrente não linear onde a corrente aumenta exponencialmente acima de uma característica de voltagem de “acender”. Na Figura 5, uma primeira cadeia de elementos varistores 71-79 estão interligados a séries respectivamente com as resistências 61-69. Além do mais, uma segunda cadeia de elementos varistores 171-179 estão interligados respectivamente em series com as resistências 161-169. Além disso, a segunda cadeia está disposta paralelamente em relação à primeira cadeia. As resistências 61-69 e 161-169 asseguram para que os varistores dividam qualquer corrente que passe no circuito entre os nós 130 e 139.

Como os elementos varistores possuem uma relação de voltagem de corrente exponencial, a corrente passa num varistor é sensível à voltagem que passa pelo mesmo. Além disto, na realidade cada varistore é ligeiramente diferente. À medida que a temperatura de varistore aumenta, a corrente a dada voltagem também aumenta. Então, deste modo é possível a falha desta estrutura do circuito de voltagem dividida 500 é que um varistor irá carregar mais corrente que outros varistores, resultando no aumento de temperatura do mesmo desta forma carrega mais corrente, até aí é um descontrolo termal do dispositivo do varistor e eventual falha do dispositivo. Assim, com o objectivo de prevenir 10 este descontrolo termal de qualquer varistor 71-79 e 171-179, as resistências 61-69 e 161-169 são utilizadas para proporcionar o ponto de operação da combinação resistência - varistor em regiões de operação similar.

Numa estrutura do circuito de voltagem dividida de acordo com a presente invenção, os varistores Sk20680, fabricados pela Siemens Co. São utilizados para elementos 71-79 e 171-179. Estes varistores são preparados para dissipar um watt, o qual corresponde a uma voltagem de aproximadamente 1.000 voltes a uma corrente de 1 miliampere. Desta forma, se as resistências 61-69 são escolhidas para terem uma resistência de 100.000 ohms, a um miliamp de corrente, irá haver uma queda de voltagem de 100 voltes em cada resistência. A resistência adicional de cada resistência estabiliza o ponto de operação do circuito 500 deste modo uma pluralidade de cadeias de varistores podem ser ligados em paralelo para aumentar a corrente total da capacidade de transporte do circuito 500 enquanto mantendo estável a operação.

Com o circuito de voltagem baixa da Fig. 5, a voltagem é apertada pelos varistores 71-79 e 171-179 no ponto de operação do varistor. O tipo de varistor de circuito de aperto de voltagem é preferível sobre sistema de diodo zener porque os varistores são componentes bidireccionais, quando opostos aos díodos zener, os quais são unidireccionais. Assim, os varistores 71-79 e 171-179 irão limitar a diferença de potencial entre os dois condutores 11-18 (Fig.34) em qualquer polaridade. Os varistores também são normalmente mais baratos e aparelhos mais irregulares em operações de potência alta, e possuem taxas de voltagem que são convenientes para o uso de circuitos divisores de voltagem. O uso de elementos passivos não lineares, tais como os varistores proporcionam vários benefícios adicionais. Por exemplo, quando a voltagem cai no varistor é inferior que a voltagem de aperto, a circulação de corrente é muito mais pequena. A Figura 6 demonstra as características típicas V-I para varistor metal oxide S20K680 com uma voltagem de operação ac nominal de 680 V rms. Uma vantagem do circuito de divisão de voltagem da Fig. 5 é que o número de elementos de voltagem baixa podem ser maiores, sem risco que a um potencial alto possa construir no interior da cadeia da voltagem baixa. Então, a voltagem em toda a cadeia é limitada ao fornecimento de voltagem e o máximo de voltagem em qualquer par adjacente dos elementos condutores 11-18 (Fig. 3) é limitada ao varistor de aperto de voltagem. A voltagem verdadeira em qualquer par de condutores adjacentes 11-18 é um valor dinâmico o qual depende da condutibilidade de qualquer outro elemento nas séries da trajectória. Deste modo, se um par de condutores adjacentes uma camada parcialmente condutora permite a condução de poucos microamp de corrente, a voltagem nesse par de condutores irá cair, até que a corrente através da camada condutora estabiliza a corrente como limitada pelos outros varistores em séries. 11

De acordo com a presente invenção, limitar a diferença de potencial máximo entre elementos condutores adjacentes com a montagem do gradiente de voltagem, proporciona vários benefícios. Por exemplo, limitar o campo do gradiente na extremidade de uma trajectória condutora do separador (isto é, extremidades longitudinais do separador) reduz a força dielectroforética nas partículas que o campo eléctrico impõe nas partículas. Cadeias de pérola resulta quando as partículas são condutoras e as forças atractivas colocam as partículas juntas e formam uma cadeia condutora. Para se tomar condutora, cada abertura numa cadeia deve possuir um potencial baixo de pelo menos do potencial de ignição para ar, ou 327 voltes para uma abertura de 7,5 mícrons. Assim sendo um campo forte pode movimentar partículas e causar esta abertura a ser unida. De forma semelhante um campo forte pode aumentar a área de contacto e reduzir a resistência de contacto entre partículas adjacentes.

Por exemplo, numa estrutura da presente invenção, foi descoberto que para a separação do carbono das partículas de cinza, limitando a voltagem máxima entre os elementos condutores, da montagem do gradiente de voltagem, a cerca de 700 voltes é suficiente para suprimir os efeitos do corte do campo eléctrico entre os eléctrodos. Esta voltagem mínima é necessária para iniciar uma faísca foi de 327 voltes quando a abertura é de 7,5 mícrons. Deste modo, com a máxima voltagem limitada aos 700 voltes, duas dessas aberturas irão eliminar a possibilidade de condução entre os dois condutores.

Assim sendo, os circuitos de redução de voltagem como demonstrados nas Fig. 4-5, em combinação com a montagem do gradiente de voltagem 300, é usado para limitar a diferença de potencial e daí o campo eléctrico e o gradiente do campo eléctrico na abertura do ar entre as superfícies de confrontação 9, 10 do separador electrostático 100 (Fig. 2). Nas extremidades longitudinais das regiões do separador 100, o campo eléctrico é tangencial à extremidade da superfície. Afim de limitar futuramente o campo eléctrico na abertura do ar e reduzir o efeito de cadeia de pérola, é desejável utilizar um material com um dieléctrico alto constante, de forma a que o campo eléctrico no interior da abertura de ar seja reduzido ainda mais. Assim, é de levar em consideração que uma disposição de condutores a certos potenciais, rodeados por dieléctricos de várias constantes, resulta na distribuição de condutores e dieléctricos os quais podem ter efeitos substanciais no ambiente do campo eléctrico. É também de igual forma importante, a configuração de condutores e isoladores. O plano paralelo geométrico do separador requer que todas as interfaces entre a voltagem alta de eléctrodos e estrutura de apoio mecânico estacionário seja protegido da fonte de ignição e quebra. Em referência à Fig. 2, este requisito é necessário por exemplo nas extremidades longitudinais dos eléctrodos 9, 10 nas extremidades dos eléctrodos 9, 10 pontos de saída adjacentes 4, 7 no ponto de alimentação 3 onde a alimentação é introduzida 12 através de uma ranhura no eléctrodo, e em qualquer carga espaçada, orifícios de descarga nos eléctrodos 9,12. É também importante que a tendência para quebra seja diferente nas diferentes extremidades das superfícies dos eléctrodos, e também depende na matéria a ser separada e a concentração desenvolvida no separador. No caso das partículas de cinza, a baixa extremidade de carbono é tipicamente inferior a 3% de carbono, e daí a tendência para menor ignição e redução. Na extremidade baixa de carbono o teor pode exceder 50% de carbono, assim a tendência para cortar é muito alta. Ao longo das extremidades do separador 100 existe uma variação contínua do valor mais baixo para o valor mais alto.

Dependendo do serviço que é esperado para uma dada aplicação, deve ser considerado que as extremidades diferentes no separador podem ter diferentes configurações a fim de simplificar a construção do separador em áreas onde grandes níveis de protecção não são necessárias. A presente invenção é útil na separação de muitas misturas as quais contém partículas condutoras. Exemplos de tais materiais incluem partículas de cinza com partículas condutoras de carbono, limalha de ferro de operações de acabamento de metal contendo partículas metálicas, metal contendo escórias e sedimento de operações de pirometalurgicas, minérios de grafite, minérios de sulfeto metálico, silicone contendo escória, carvão o qual pode conter partículas de carvão vegetal e sulfetos de metal, antracite que por si só pode ser condutora, carbono contendo desperdícios, areais minerais, e carboneto de silicone. É importante levar em consideração a escolha de materiais de construção. O material de isolamento deve ter um dieléctrico alto constante, uma boa resistência de alinhamento eléctrico, resistência ao desgaste, e deve ser estável no separador. Um exemplo de um material que funciona bem é a alumina policristalina sinterizada de grande densidade e pureza. Este material é muito duro, e muito resistente ao desgaste, é um isolador muito bom a altas temperaturas e é de aquisição fácil. No entanto, outros materiais cerâmicos podem também ser utilizados como o mulite, espinela, quartzo, safira, porcelana, vidro, ou outros materiais de dieléctrico alto e constante tal como o titanato de bário. Em algumas aplicações materiais poliméricos podem ser utilizados, onde a fonte de ignição foi suprimida e onde não existe erosão de ignição. Ainda, a utilização de materiais poliméricos resistentes como o polietileno de peso molecular ultra alto, uretana, ou PTFE podem também serem utilizados quando o desgaste não é severo. 13 É ainda importante que a escolha de materiais condutores é muito vasta. Os requisitos da capacidade de carga da corrente são muito baixos, assim o material necessita ser um bom condutor. Ainda, a erosão do material condutor é menor se o problema quando é rodeado por um material isolador como, por exemplo, alumina dura. Os condutores podem ser escolhidos de condutibilidade metálica ou plástica. Os dois tipos de sistemas têm sido utilizados, e ambos funcionam bem.

Em relação às Fig. 7A e 7B, uma estrutura da montagem do gradiente de voltagem 276 de acordo com apresente invenção inclui um condutor de material plástico 272 e é co-prensado com material plástico isolador 274 resultando numa peça composta 276. A peça composta 276 pode ser prensada a baixo custo e, por exemplo, peças de alumina isoladoras 278 podem ser cimentadas no local entre peças plásticas condutoras adjacentes 272, proporcionando assim uma superfície frontal resistente 290 para prevenir o alinhamento eléctrico.

No que se refere à Fig. 8, está ilustrado um circuito impresso 80 com um circuito de voltagem dividida possuindo vários conectores 82. O circuito de voltagem dividida 80 pode ser unido, com os conectores 82, na parte traseira 92 da peça prensada 76, e a montagem inteira com um dieléctrico adequado encapsulado não demonstrado para proteger os componentes das impurezas do ambiente dentro do separador. A montagem do gradiente de voltagem tem sido experimentalmente aprovado em ser bastante eficiente na prevenção de ignição e alinhamento da quebra de voltagem em operação num separador tipo cinto de grandes dimensões na separação do carbono das partículas de cinza. Um separador incorporando nestes componentes demonstrou numa operação a longo prazo enquanto produzindo um fluxo de carbono num excesso de mais 50% de carbono por peso. Isto representa um volume de ffacção muito alto de material condutor, e um separador nesta concentração, na ausência desta montagem de gradiente de peças de voltagem 76 iriam cortar muito rapidamente.

Tendo sido já descrito várias estruturas particulares da invenção, várias alterações, modificações, e melhoramentos irão rapidamente ocorrer aos peritos. Tais alterações, modificações, e melhoramentos são pretendidos de estarem à parte desta divulgação, e são pretendidos de estarem no espirito da invenção. De acordo, a seguinte descrição é unicamente um modo de exemplo e é limitada unicamente como definida nas reivindicações seguintes a nas equivalentes para além destas. 14

Lisboa, 21 de Agosto de 2001.

Pela Requerente O Agente Oficial

Gonçalo da Cunha Ferrcire

Adjunto do Agente Oficiei de Propriedade Industrial

R. D. João V, 9-2° dl.°-1250 LISBOA 15

Claims (21)

1. REIVINDICAÇÕES: 1. Um método de separação electrostática de diferentes componentes de uma mistura de partículas numa câmara de separação (100), a mistura de partículas incluindo primeiros e segundos componentes, caracterizado por compreender os seguintes passos: admissão da mistura na câmara de separação’ (100), a câmara de separação possui eléctrodos (9,10) com superfícies de confrontação; colocação do campo eléctrico entre as superfícies de confrontação dos eléctrodos (9, 10); separação dos primeiros e dos segundos componentes da mistura de acordo um sinal de carga de cada um dos primeiros e dos segundos componentes, respectivamente; e movimentação mecânica dos componentes com rede de carga igual em pelo menos dois fluxos, cada rede de carga diferente, transversalmente perto de um do outro do referido campo eléctrico, os dois fluxos estando em comunicação paralela com o campo eléctrico, de modo a transferir uma porção de pelo menos de um dos referidos componentes de um fluxo para outro dos referidos fluxos através da acção contínua dos campos eléctricos já que os fluxos movimentam-se transversalmente em relação aos campos eléctricos, descrito pelos passos de controlo de uma diferença de voltagem entre os eléctrodos (9, 10) com pelo menos com uma montagem de um gradiente de voltagem (300) pela união dos eléctrodos (9, 10) com a referida montagem do gradiente de voltagem (300), uma montagem de um gradiente de voltagem (300) incluindo elementos de condução alternada (90, 11-18, 91) e elementos dieléctricos (20-28), onde os respectivos elementos condutores (90, 11-18, 91) são ligados aos respectivos nós (131-138) de circuito de voltagem baixa (400, 500) de forma a limitar uma diferença de potencial máxima entre qualquer dos dois elementos condutores (90, 11-18, 91).
2. 2. O método da reivindicação 1, caracterizado por a câmara de separação (100) incluir ainda um cinto de rede (8A, 8B) apoiado por cilindros nas extremidades da câmara de separação (100) e onde as partes laterais longitudinais da câmara de separação (100) e do cinto de rede (8A, 8B) são unidas em pelo menos numa montagem de um gradiente de voltagem.
3. 3. O método da reivindicação 1 ou 2, caracterizado por o circuito de voltagem baixa (400, 500) incluir uma pluralidade de varistores (71-79, 171-179), resistências (50-58) ou elementos de voltagem-corrente não lineares. 1
4. 4. O método da reivindicação 1 ou da reivindicação 2, caracterizado por a mistura de componentes a serem separados ser escolhida da lista de carbono que contem partículas de cinza e carvão pulverizado.
5. 5. O método da reivindicação 1 ou da reivindicação2, caracterizado por os elementos dieléctricos (20-28) incluírem alumina.
6. 6. O método da reivindicação 1 ou da reivindicação 2, caracterizado por cada montagem do gradiente de voltagem (300) incluir uma peça de plástico composta e prensada (276) contendo regiões de plástico condutoras (272) e não condutoras (274).
7. 7. O método da reivindicação 6, caracterizado por cada montagem do gradiente de voltagem (300) incluir ainda uma pluralidade de peças dieléctricas ,(20-28), incluindo alumina, colocadas entre as regiões condutoras.
8. 8. O método da reivindicação 6, caracterizado por a montagem do gradiente de voltagem (300) incluir ainda pelo menos um circuito (80) que recebe um circuito de voltagem baixa (400, 500).
9. 9. O método da reivindicação 1 ou da reivindicação 2, caracterizado por a diferença de potencial máximo, entre qualquer dos dois elementos condutores (90, 11-18;91) ser limitado a menos de cerca de 100 voltes.
10. 10. O método da reivindicação 1 ou da reivindicação 2, caracterizado por a montagem do gradiente de voltagem (300) incluir uma pluralidade de montagens do gradiente de voltagem (300), cada pluralidade das montagens do gradiente de voltagem (300) unindo os lados longitudinais da câmara de separação (100) e do cinto de rede (8A, 8B).
11. 11. O método de qualquer reivindicação precedente, caracterizado por incluir o passo da remoção dos componentes separados da referida câmara de separação (100).
12. 12. O método da reivindicação 11, caracterizado por as extremidades da câmara de separação (100) serem também unidas pela pluralidade de montagens do gradiente de voltagem (300).
13. 13. Um aparelho para separação triboeléctrica electrostática da mistura das partículas, caracterizado por compreender: uma pluralidade de eléctrodos (9,10), e pelo menos um cinto de transporte (8A, 8B) apoiados em pelo menos em dois apoios de forma a agitar e a transportar simultaneamente a mistura de 2 partículas entre os primeiros e os segundos eléctrodos (9, 10), e em pelos menos em dois fluxos de rede de carga diferente, descrito por uma montagem de um gradiente de voltagem (300) incluindo condutores alternos (90, 11-18, 91) e elementos dieléctricos (20-28), a montagem do gradiente de voltagem (300) unindo pelo menos um dos eléctrodos (9,10), onde os respectivos elementos condutores (90, 11-18, 91) são electricamente acoplados aos nós (131-138) de um circuito de voltagem dividida (400, 500) a qual limita a diferença máxima de potencial entre qualquer dos dois elementos condutores (90, 11-18, 91).
14. 14. O aparelho da reivindicação 13, caracterizado por o cinto de transporte (8A, 8B) ser um cinto de rede (8A, 8B) e os lados longitudinais da câmara de separação (100) e o cinto de rede (8A, 8B) serem unidos pela montagem do gradiente de voltagem (300).
15. 15. O aparelho da reivindicação 13 ou da reivindicação 14, caracterizado por a montagem de divisão de voltagem (300) incluir um composto plástico prensado (276) consistindo de regiões de plástico condutoras (272) e não condutoras (274) e dos elementos não condutores dieléctricos (20-28).
16. 16. O aparelho da reivindicação 15, caracterizado por a montagem de voltagem dividida (300) incluir ainda pelo menos um circuito (80) que recebe o circuito de voltagem dividida (400, 500).
17. 17. O aparelho da reivindicação 15, caracterizado por os elementos dieléctricos não condutores (20-28) serem escolhidos de uma lista de alumina, safira, mulite, porcelana, vidro, cordeurite, polietileno de peso molecular ultra alto, PTFE e poliester.
18. 18. O aparelho da reivindicação 13 ou da reivindicação 14, caracterizado por o circuito de voltagem baixa (400, 500) incluir uma pluralidade de varistores (71-79, 179-189), resistências (50-58) ou elementos voltagem-corrente não lineares.
19. 19. O aparelho da reivindicação 13 ou da reivindicação 14, caracterizado por a mistura dos componentes a serem separados ser escolhida de uma lista de carbono contendo partículas de cinza e carvão pulverizado.
20. 20. O aparelho da reivindicação 13 ou da reivindicação 14, caracterizado por a diferença de potencial máximo, entre qualquer dos dois elementos condutores (90, 11-18, 91), ser limitado a menos de cerca de 100 voltes. 3
21. 21. O aparelho da reivindicação 13 ou da reivindicação 14, caracterizado por as extremidades da câmara de separação (100) serem também unidas por uma montagem do gradiente de voltagem (300). Lisboa, 21 de Agosto de 2001. Pela Requerente O Agente Oficial

    Gonçsio dc Cunha Fsrreire Adjunto oo Agente Oficia! d· Propriedade Industrial R. D. João V, 9-2° dt.°-1250 LISBOA 4