WO1990004458A1 - Offen-gradient-magnetscheider - Google Patents

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WO1990004458A1
WO1990004458A1 PCT/AT1989/000091 AT8900091W WO9004458A1 WO 1990004458 A1 WO1990004458 A1 WO 1990004458A1 AT 8900091 W AT8900091 W AT 8900091W WO 9004458 A1 WO9004458 A1 WO 9004458A1
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magnetic
magnetic field
coils
magnetic separator
volume
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PCT/AT1989/000091
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English (en)
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Inventor
Stefan GRÜNDORFER
Harald Fillunger
Original Assignee
Elin Energieanwendung Gesellschaft M.B.H.
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Publication of WO1990004458A1 publication Critical patent/WO1990004458A1/de

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Classifications

    • 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
    • B03C1/035—Open gradient magnetic separators, i.e. separators in which the gap is unobstructed, characterised by the configuration of the gap

Definitions

  • the invention relates to a magnetic separator, the magnetic field which generates the force density in the separating volume which is necessary for the separation with high selectivity and which is adapted to the counterforce, is largely induced by the shape and position of the excitation coils, according to patent no. 379 525.
  • the magnetic separators used industrially today are generally well suited, materials with ferromagnetic or strongly paramagnetic
  • the field size f [B ⁇ . degree H is a description of the magnetic field, it has the dimension of a force density (N / m) and is called the separation force density.
  • gravity is used as a counterforce, which is why it is required that the separation force density f over the Cutting volume should be constant.
  • the magnetic field that fulfills these conditions is referred to in this publication as an isodynamic magnetic field.
  • Such a magnetic field is approximated by a specially shaped magnetic pole contour of an electromagnet with an iron yoke. If you want a different size as a counterforce, e.g. B. use the centrifugal force, the separation force density f must have the same spatial distribution as the counterforce.
  • a corresponding contour of the iron yoke is necessary to form the necessary magnetic field.
  • the level of magnetic induction is essentially limited to the saturation induction of the iron yoke.
  • the greatest possible density of the cutting force is defined. If greater cutting force densities are necessary, the maximum magnetic induction must be increased if the geometry remains the same, or the geometric dimension must be reduced if the maximum induction remains the same.
  • a magnetic separation occurs when at least two forces act on magnetizable particles, at least one of which is caused by a magnetic field and is intended to move the particles in a certain direction, while the other forces as opposing forces or inertial forces move the particles not affected by the magnetic field in another direction or should remain on their original course or place.
  • AT Patent No. 379 525 describes a magnetic separator which avoids the disadvantages of the above-mentioned magnetic fields and generates a magnetic field in which, for a certain volume susceptibility, the generated separating force is adapted to a corresponding counterforce, without being affected by the
  • the magnetic field is induced by rotationally symmetrical coils, which are arranged symmetrically with respect to the parting volume and in relation to the
  • Plane of symmetry flows through in opposite directions and that
  • Cutting volume is smaller than the largest radius of the excitation coils, but larger than the smallest radius of the excitation coils. This is a simple solution to the
  • This opposing current flow arrangement pushes the magnetic flux between the coils through which current flows in opposite directions.
  • An approximately constant cutting force density is generated in the cutting volume, the magnetic field gradient degree H being approximately parallel to the magnetic induction B.
  • the magnetizable particles to be separated are in the generally magnetized approximately parallel to the magnetic induction B generated by the magnetic separator. Small deviations in the direction of magnetization from magnetic induction B can result from the interaction of the particles involved with one another, but are only of minor importance.
  • the object of the invention is therefore to provide a magnetic separator of the type mentioned at the outset which avoids the above disadvantages.
  • the magnetic separator according to the invention is characterized in that the magnetic induction in the separating volume is approximately perpendicular to the gradient of the magnetic field. This creates the possibility
  • the magnetic field is induced by rotationally symmetrical coils, which are arranged symmetrically to the cutting volume and in which current flows in the same direction with respect to the plane of symmetry and comprise the cutting volume and the radius of the center of the cutting volume is smaller than the largest radius of the excitation coils, but larger than the smallest radius of the excitation coils.
  • the magnetic field is induced by elongated coils, the long sides of the coil being arranged symmetrically to a plane of symmetry and the one arranged symmetrically to the plane of symmetry.
  • the magnetic field is induced by elongated coils, the long sides of the coil being arranged symmetrically to a plane of symmetry and the one arranged symmetrically to the plane of symmetry.
  • vaginal volume Include vaginal volume.
  • excitation coils made of metallic material such. B. copper, aluminum and. Like. Made. This version is sufficient for certain vaginal problems. It is an economically viable solution.
  • the excitation coils are made from superconductors. Weak Magnetic materials can only be separated using magnetic fields that can be generated from superconductors.
  • one or more iron cores or iron yokes are provided to increase the magnetic induction or to reduce the number of ampere turns.
  • one or more iron yokes or a normally conductive or a superconductive surface are provided to shield the magnetic field.
  • one or more iron yokes or a normally conducting or a superconducting surface are provided for shielding the magnetic field.
  • the excitation coils 3 and 5, which are arranged above the plane of symmetry 2, are, for. B. flowed through in a positive sense
  • the excitation coils 4 and 6, which are arranged below the plane of symmetry 2 are accordingly also flowed through in a positive sense. Due to the Strc flow arrangement in the same direction, the magnetic flux between the coil pairs 3, 5 on the one hand and 4, 6 on the other hand bulges out, so that a gradient of the magnetic field is created, which is approximately perpendicular to the magnetic induction generated by the coils, and in the annular channel-shaped separating volume 7 an approximately constant cutting force density is generated.
  • the counterforce in this example is the centrifugal force acts in the annular channel-shaped partition volume 7 on the particles moving at the transport speed.
  • the magnetic separation force exerts a different force on the different material particles due to the different volume sensitivities of the materials to be separated. This magnetic force competes with the counterforce, which is approximately the same for all particles. For material particles with greater volume sensitivity than the magnetic force predominates, while for material particles with lower volume sensitivity than i-V the counterforce predominates.
  • the counterforce is a superimposition of the drag forces in the carrier fluid with the force of gravity.
  • the volume of the sheath can lie between the excitation coils.
  • the desired constancy of the shear force density can be obtained with a pair of coils with a non-rectangular cross section or with several coil pairs with a rectangular cross section Achieve the cutting volume or the desired adaptation to the spatially variable counterforce.
  • the desired constancy of the cutting force density can be achieved over the cutting volume or the desired adaptation to the spatially variable counterforce.

Landscapes

  • Superconductors And Manufacturing Methods Therefor (AREA)

Abstract

Bei der Magnetisierung von vielen, gleich stark oder teilweise verschieden stark magnetisierten Teilchen können sich durch Anlagerung der Teilchen aneinander Ketten bilden, die im wesentlichen in Richtung der vom Magnetscheider erzeugten magnetischen Induktion ausgerichtet sind. Aufgabe der Erfindung ist es, einen Magnetscheider zu schaffen, der diese Nachteile vermeidet. Erfindungsgemäß wird dies dadurch erreicht, daß im Scheidevolumen die magnetische Induktion annähernd senkrecht auf den Gradienten des Magnetfeldes steht. Die Erregerspulen (3 und 5), die oberhalb der Symmetrieebene (2) angeordnet sind, sind z.B. im positiven Sinn stromdurchflossen, die Erregerspulen (4 und 6), die unterhalb der Symmetrieebene (2) angeordnet sind, sind dementsprechend ebenfalls im positiven Sinn stromdurchflossen. Durch die gleichsinnige Stromdurchfluß-Anordnung baucht der magnetische Fluß zwischen den Spulenpaaren (3, 5) einerseits und (4, 6) anderseits aus, so daß ein Gradient des Magnetfelds entsteht, der annähernd senkrecht auf die durch die Spulen erzeugte magnetische Induktion steht, und im ringkanalförmigen Scheidevolumen (7) eine annähernd konstante Scheidekraftdichte erzeugt wird.

Description

Offen-gradient-Magnet Schneider
Die Erfindung betrifft einen Magnetscheider , wobei das Magnetfeld , das die zur Scheidung mit hoher Trennschärfe - notwendige , der Gegenkraft angepaßte Kraftdichte im Scheidevolumen erzeugt , im überwiegenden Ausmaß durch die Form und Lage der Erregerspulen induziert ist , nach Patent Nr . 379 525 .
Die heute industriell verwendeten Magnetscheider sind im allgemeinen gut geeignet , Materialien mit ferromagnetischen oder stark paramagnetischen
Eigenschaften von anderen Materialien mit diamagnetischen oder schwach paramagnetischen Eigenschaften zu trennen.
Eine Trennung von Materialien mit nur geringen
Unterschieden in ihren paramagnetischen Eigenschaften gelingt nur in einigen für Laboratoriumszwecke geeigneten
Magnetscheidern .
Aus der US-PS Nr . 2.056 , 426 über ein derartiges Gerät ist bekannt , daß zur weitgehenden Trennung von Materialien mit geringen Unterschieden in ihren paramagnetischen Eigenschaften ein Magnetfeld notwendig ist , bei dem die Kräfte auf Teilchen mit einer bestimmten Volumssuszeptibilität £j unabhängig sind vom Ort im betrachteten Scheidevolumen . Dazu muß ein Gleichgewicht herrschen zwischen der magnetischen Kraft und einer entgegengesetzt gerichteten Gegenkraft auf die Teilchen. Die magnetische Kraft auf ein Teilchen mit der Volumssuszeptibilität und dem Teilchenvolumen V ist :
Figure imgf000003_0001
Die Feldgröße f = [ B \ . grad H ist eine Beschreibung des Magnetfeldes, sie hat die Dimension einer Kraftdichte (N/m ) und wird als Scheidekraftdichte bezeichnet. Bei dem in der genannten US-PS beschriebenen Magnetscheider wird die Schwerkraft als Gegenkraft benutzt, weshalb gefordert wird, daß die Scheidekraftdichte f über das Scheidevolumen konstant sein soll. Das Magnetfeld, das diese Bedingungen erfüllt, wird in dieser Druckschrift als isodynamisches Magnetfeld bezeichnet. Ein solches Magnetfeld wird durch speziell geformte Magnetpolkontur eines Elektromagneten mit Eisenjoch angenähert. Will man als Gegenkraft eine andere Größe wie z. B. die Fliehkraft heranziehen, so muß die Scheidekraftdichte f die gleiche räumliche Verteilung wie die Gegenkraft haben.
Bei Magnetscheidern mit Magnetflußführung durch ein
Eisenjoch ist zur Formung des notwendigen Magnetfeldes eine entsprechende Kontur des EisenJoches notwendig. Bei solchen Magnetscheidern ist die Höhe der magnetischen Induktion im wesentlichen auf die Sättigungsinduktion des Eisenjoches beschränkt. Im Verein mit einer gewünschten Geometrie des Volumens, in dem die Materialien getrennt werden sollen, ist somit die größtmögliche Scheidekraftdichte definiert. Sind größere Scheidekraftdichten notwendig, so muß bei gleichbleibender Geometrie die maximale magnetische Induktion erhöht werden oder bei gleichbleibender maximaler Induktion die geometrische Abmessung verringert werden.
Eine Vergrößerung der geometrischen Abmessung zum Zwecke eines größeren Durchsatzes und/oder der Scheidung größerer Kornklassen bedingt eine Erhöhung der maximalen Induktion, wenn die Scheidekraftdichte unverändert bleiben soll. Das hat zur Folge, daß zur Formung des Magnetfeldes nicht mehr ausschließlich das Eisenjoch verwendet werden kann. Die Form des Magnetfeldes wird mit zunehmender Stärke der magnetischen Induktion mehr und" mehr von der Lage und der Form der Erregerspulen bestimmt. Die Erhöhung der Induktion erfordert hohe Amperewindungszahle .
Wie bereits grob umrissen, tritt eine Magnetscheidung auf, wenn auf magnetisierbare Teilchen mindestens zwei Kräfte einwirken, wobei mindestens eine davon durch ein Magnetfeld hervorgerufen wird und die Teilchen in eine bestimmte Richtung bewegen soll, während die anderen Kräfte als Gegenkräfte oder Beharrungskräfte die vom Magnetfeld nicht beeinflußten Teilchen in eine andere Richtung bewegen bzw. auf ihrer ursprünglichen Bahn oder Platz belassen sollen.
im AT-Patent Nr. 379 525 ist ein Magnetscheider beschrieben, der die Nachteile der obengenannten Magnetfelder vermeidet und ein Magnetfeld erzeugt, bei dem für eine bestimmte Volumssuszeptibilität die hervorgerufene Scheidekraft einer entsprechenden Gegenkraft angepaßt ist, ohne dabei durch die
Sättigungsinduktion eines EisenJoches beschränkt zu sein.
Gemäß der AT-PS Nr. 379 525 ist das Magnetfeld durch rotationssymmetrische Spulen induziert, die symmetrisch zum Scheidevolumen angeordnet und in bezug auf die
Symmetrieebene gegensinnig stromdurchflossen sind und das
Scheidevolumen umfassen und der Radius des Zentrums des
Scheidevolumens kleiner ist als der größte Radius der Erregerspulen, jedoch größer als der kleinste Radius der Erregerspulen. Dadurch ist eine einfache Lösung des
Problems gegeben, die Geometrie der Magnetspulen festzulegen.
Durch diese gegensinnige Stromdurchfluß-Anordnung wird der magnetische Fluß zwischen den gegensinnig stromdurchflossenen Spulen hindurchgedrückt. Dabei wird eine annähernd konstante Scheidekraftdichte im Scheidevolumen erzeugt, wobei der Magnetfeldgradient grad H annähernd parallel zur magnetischen Induktion B liegt.
Die zu trennenden magnetisierbaren Teilchen werden im allgemeinen annähernd parallel zu der von Magnetscheider erzeugten magnetischen Induktion B magnetisiert. Kleine Abweichungen der Magnetisierungsrichtung von der magnetischen Induktion B können sich aus der 5 Wechselwirkung der beteiligten Teilchen untereinander ergeben, sind aber nur von untergeordneter Bedeutung.
Bei der Magnetisierung von vielen, gleich stark oder teilweise verschieden stark magnetisierten Teilchen 10 können sich durch Anlagerung der Teilchen aneinander
Ketten bilden, die im wesentlichen in Richtung der vom Magnetscheider erzeugten magnetischen Induktion B ausgerichtet sind.
~ ~- Wenn ein Magnetscheider so gebaut ist, daß der Magnetfeldgradient grad H annähernd parallel zur magnetischen Induktion B ist, werden die entstehenden Ketten annähernd parallel zum Magnetfeldgradienten grad H liegen, d. h. aber auch annähernd parallel zur
20 Trennrichtung der Trennkraft F liegen. Bei der Trennung der verschieden stark magnetisierten Teilchen müssen diese sich entlang der Ketten bzw. durch die Ketten durch bewegen. Durch die gegebene Lage dieser Ketten kann eine Trennung der verschieden stark magnetisierten Teilchen
25 erschwert werden.
Aufgabe der Erfindung ist es daher, einen Magnetscheider der eingangs genannten Art zu schaffen, der die obigen Nachteile vermeidet.
30
Der erfindungsgemäße Magnetscheider ist dadurch gekennzeichnet, daß im Scheidevolumen die magnetische Induktion annähernd senkrecht auf den Gradienten des Magnetfelds steht. Dadurch ergibt sich die Möglichkeit
35 verschieden stark magnetisierte Teilchen aus angelagerten Ketten, die annähernd in Richtung der magnetischen Induktion B ausgerichtet sind, leichter abgetrennt werden können .
Weiters ist dadurch eine kontinuierliche Scheidemöglichkeit für unterschiedlich paramagnetische Materialien gegeben, wobei die durch Kettenbildung in
Trennrichtung mögliche Beeinträchtigung der Trennschärfe verhindert wird.
Gemäß einer besonderen Ausgestaltung der Erfindung ist das Magnetfeld durch rotationssymmetrische Spulen induziert, die symmetrisch zum Scheidevolumen angeordnet und in bezug auf die Symmetrieebene gleichsinnig stromdurchflossen sind und das Scheidevolumen umfassen und der Radius des Zentrums des Scheidevolumens kleiner ist als der größte Radius der Erregerspulen, jedoch größer als der kleinste Radius der Erregerspulen. Dadurch ist eine einfache Lösung des Problems gegeben, die Geometrie der Magnetspulen festzulegen.
Nach einer Weiterbildung der Erfindung ist das Magnetfeld durch langgestreckte Spulen induziert, wobei die Spulenlängsseiten symmetrisch zu einer Symmetrieebene angeordnet sind und das symmetrisch zur Symmetrieebene angeordnete. Scheidevolumen umfassen. Diese Merkmale beziehen sich auf eine Scheidekanalanordnung in nicht rotationssymmmetrischer Geometrie. Für diese Bedingungen liefert die Spulenanordnung optimale Konstanz der Scheidekraftdichte.
Entsprechend einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung sind Erregerspulen aus metallischem Material wie z. B. Kupfer, Aluminium u. dgl. hergestellt. Für gewisse Scheideprobleme ist diese Ausführung ausreichend. Sie ist eine wirtschaftlich vertretbare Lösung.
Nach einem weiteren Merkmal der Erfindung sind die Erregerspulen aus Supraleitern hergestellt . Schwach magnetische Materialien lassen sich nur mit aus Supraleitern erzeugbaren Magnetfeldern trennen.
Gemäß einer Ausgestaltung der Erfindung sind zur Erhöhung der magnetischen Induktion oder zur Verringerung der Amperewindungszahl ein oder mehrere Eisenkerne oder Eisenjoche vorgesehen. Ebenso sind zur Abschirmung des magnetischen Feldes ein oder mehrere Eisenjoche oder eine normalleitende oder eine.supraleitende Fläche vorgesehen. Ebenso sind zur Abschirmung des magnetischen Feldes ein oder mehrere Eisenjoche oder eine normalleitende oder eine supraleitende Fläche vorgesehen. Der Vorteil dieser beiden Merkmale liegt darin, daß eine Vereinbarung des Streufeldes und eine Erhöhung des Nutzfeldes dadurch gegeben ist.
In der Zeichnung ist an Hand eines Ausführungsbeispieles die Erfindung näher erläutert. In der Zeichnung ist eine rotationssymmetrische Erregerspulenanordnung dargestellt, wobei mit 1 die Rotationsachse und mit 2 die Sy metrieebene bezeichnet ist.
Die Erregerspulen 3 und 5, die oberhalb der Syπmetrieebene 2 angeordnet sind, sind z. B. im positiven Sinn stromdurchflossen, die Erregerspulen 4 und 6, die unterhalb der Symmetrieebene 2 angeordnet sind, sind dementsprechend ebenfalls im positiven Sinn stromdurchflossen. Durch die gleichsinnige Strc durchfluß-Anordnung baucht der magnetische Fluß zwischen den Spulenpaaren 3, 5 einerseits und 4, 6 anderseits aus, so daß ein Gradient des Magnetfelds entsteht, der annähernd senkrecht auf die durch die Spulen erzeugte magnetische Induktion steht, und im ringkanalförmigen Scheidevolumen 7 eine annähernd konstante Scheidekraftdichte erzeugt wird.
Die Gegenkraft ist in diesem Beispiel die Fliehkraft, die im ringkanalförmigen Scheidevolumen 7 auf die mit der Transportgeschwindigkeit bewegten Teilchen wirkt. Die Überlagerung der Fliehkraft mit den Schleppkräften in der Trägerflüssigkeit, gemeinsam mit der kleinen radialen Ausdehnung des Scheidevolumens, ergeben eine annähernd räumlich konstante Gegenkraft, so daß sich für Teilchen einer bestimmten Volumssuszeptibilität ^-i durch Einstellung der Durchflußgeschwindigkeit vQ (damit der Fliehkraft) und der Größe der magnetischen Induktion (damit der magnetischen Scheidekraft) ein
Kräftegleichgewicht unabhängig vom Ort innerhalb des Scheidevolumens erreichen läßt.
Die magnetische Scheidekraftdichte übt infolge der unterschiedlichen Volumssuszeptibilitäten der zu scheidenden Materialien auf die unterschiedlichen Materialteilchen eine unterschiedliche Kraft aus. Diese magnetische Kraft steht in Konkurrenz zu der für alle Teilchen annähernd gleichen Gegenkraft. Für Materialteilchen mit größerer Volumssuszeptibilität als überwiegt die magnetische Kraft, während für Materialteilchen mit kleinerer Volumssuszeptibilität als i-V die Gegenkraft überwiegt.
Wird die Erregerspulenanordnung von der Zeichnung nicht als rotationssyrπroetrisches Gebilde betrachtet, sondern als langgestrecktes Gebilde, so ist die Gegenkraft eine Überlagerung der Schleppkräfte im Trägerfluid mit der Schwerkraft.
Aus der Zeichnung ist weiters ersichtlich, daß im allgemeinen das Scheidevolumen zwischen die Erregerspulen zu liegen könnt . Setzt man konstante Stromdichte über die Querschnitte der Erregerspulen voraus , so läßt sich mit einem Spulenpaar mit nicht rechteckigem Querschnitt bzw. mit mehreren Spulenpaaren mit rechteckigem Querschnitt die gewünschte Konstanz der Scheidekraftdichte über das Scheidevolumen bzw. die gewünschte Anpassung an die räumlich veränderliche Gegenkraft erreichen. Bei Verwendung von Spulenpaaren mit unterschiedlichen Stromdichten in den einzelnen beliebig geformten Spulenteilquerschnitten läßt sich die gewünschte Konstanz der Scheidekraftdichte über das Scheidevolumen bzw. die gewünschte Anpassung an die räumlich veränderliche Gegenkraft erreichen.

Claims

PATENTANSPRÜCHE
1. Magnetscheider, wobei das Magnetfeld, das die zur Scheidung mit hoher Trennschärfe notwendige, der Gegenkraft angepaßte Kraftdichte im Scheidevolumen erzeugt, im überwiegenden Ausmaß durch die Form und Lage der Erregerspulen induziert ist, nach Patent Nr. 379 525, dadurch gekennzeichnet, daß im Scheidevolumen die magnetische Induktion annähernd senkrecht auf den Gradienten des Magnetfelds steht.
2. Magnetscheider nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Magnetfeld durch rotationssymmetrische Spulen induziert ist, die symmetrisch zum Scheidevolumen angeordnet und in bezug auf die Symmetrieebene gleichsinnig stromdurchflossen sind und das Scheidevolumen umfassen und der Radius des Zentrums des Scheidevolumens kleiner ist als der größte Radius der Erregerspulen, jedoch größer als der kleinste Radius der Erregerspulen.
3. Magnetscheider nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Magnetfeld durch langgestreckte Spulen induziert ist, wobei die Spulenlängsseiten symmetrisch zu einer Symmetrieebene angeordnet sind und das symmetrisch zur Symmetrieebene angeordnete Scheidevolumen umfassen.
4. Magnetscheider nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Erregerspulen aus metallischem Material wie z. B. Kupfer, Aluminium u. dgl. hergestellt sind.
5. Magnetscheider nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Erregerspulen aus Supraleitern hergestellt sind.
6. Magnetscheider nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß zur Erhöhung der magnetischen Induktion oder zur Verringerung der Amperewindungszahl ein oder mehrere Eisenkerne oder Eisenjoche vorgesehen sind.
7. Magnetscheider nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß zur Abschirmung des magnetischen Feldes ein oder mehrere Eisenjoche oder eine nomalleitende oder eine supraleitende Fläche vorgesehen sind.
PCT/AT1989/000091 1988-10-25 1989-10-24 Offen-gradient-magnetscheider WO1990004458A1 (de)

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