WO2011107353A1

WO2011107353A1 - Trenneinrichtung zum trennen eines gemischs

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Publication number: WO2011107353A1
Application number: PCT/EP2011/052409
Authority: WO
Inventors: Werner Hartmann; Günter LINS; Bernd Trautmann
Original assignee: Siemens AG; Siemens Corp
Current assignee: Siemens AG; Siemens Corp
Priority date: 2010-03-03
Filing date: 2011-02-18
Publication date: 2011-09-09
Anticipated expiration: 2012-09-03
Also published as: AU2011223104A1; CL2012002272A1; RU2556597C2; DE102010010220A1; BR112012022252A2; US20120325728A1; AU2011223104B2; US9126206B2; RU2012142013A

Abstract

Trenneinrichtung (1, 1', 1'', 1''') zum Trennen eines Gemischs von in einer in einem Trennkanal (4) geführten Suspension enthaltenen magnetisierbaren und unmagnetisierbaren Teilchen (31, 41), umfassend ein zur einen Seite des Trennkanals (4) angeordnetes geblechtes ferromagnetisches Joch (3), insbesondere aus Eisen, mit wenigstens einem Magnetfelderzeugungsmittel zur Erzeugung eines magnetischen Ablenkfeldes sowie ein am Ausgang des Trennkanals (4) angeordnetes Trennelement (10) zum Abtrennen der magnetischen Teilchen (31), wobei als Magnetfelderzeugungsmittel eine Spulenanordnung (8) umfassend in Nuten (6) des Jochs (3) entlang des Trennkanals (4) insbesondere äquidistant angeordnete, über eine Steuereinrichtung (14) derart ansteuerbare Spulen (7) vorgesehen ist, dass ein im Wesentlichen zu dem Joch (3) hin ablenkendes, zeitlich veränderliches Ablenkmagnetfeld, insbesondere eine Wanderwelle, mit die gesamte Länge des Trennkanals (4) überstreichenden im Wesentlichen feldfreien Bereichen (30) entsteht.

Description

Beschreibung

Trenneinrichtung zum Trennen eines Gemischs Die Erfindung betrifft eine Trenneinrichtung zum Trennen eines Gemischs nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

Zur Trennung eines solchen Gemischs von magnetisierbaren und unmagnetisierbaren Teilchen sind im Stand der Technik bereits einige Verfahren bekannt, die hier kurz dargestellt werden sollen. Grundsätzlich basieren solche Verfahren auf der magnetischen Kraft, die auf magnetisierbare Teilchen wirkt, wenn ein Magnetfeldgradient vorliegt. Zum einen sind diskontinuierliche Verfahren bekannt, bei de^¬ nen magnetisierbare Abscheidekörper wie Eisendrähte bzw.

-fasern oder Eisenplatten mit Oberflächenstrukturen wie Rillen, Noppen etc. in einem äußeren Magnetfeld einen starken Feldgradienten in ihrer Umgebung erzeugen, der in einer Ab- scheidephase die magnetischen Teilchen einer vorbeiströmenden Suspension (Aufschwemmung) festhält. In einer zweiten Phase wird der so angereicherte magnetische Anteil in einem folgen^¬ den Spülschritt bei ausgeschaltetem Magnetfeld ausgeschwemmt. Dieses Verfahren ist nachteilhafterweise diskontinuierlich und benötigt den Spülschritt.

Kontinuierliche Verfahren sind letztlich nur unter Verwendung nachteiliger mechanisch bewegter Teile, insbesondere auch für größere magnetisierbare Partikel, bekannt, worin beispiels- weise ein Magnet einen Magnetfeldgradienten an einer Oberfläche eines drehenden Hohlzylinders, einer Scheibe oder eines Förderbandes erzeugt. Durch die Bewegung wandert die Oberflä^¬ che aus dem Magnetfeld heraus, so dass dann der magnetisier^¬ bare Anteil abfällt oder abgestreift wird. Ein Beispiel hier- für ist Eisenabtrennung aus Müll. Ein weiterer Nachteil dieser Verfahren sind die geringen zulässigen Abstände zwischen dem Magneten und der Abscheidefläche. Kürzlich wurde vorgeschlagen, durch ein ebenes oder zylindrisches Magnetfelderzeugungsmittel ein Gradientenfeld, das mag- netisierbare Teilchen zu zumindest einer Oberfläche eines Trennkanals ablenkt, zu verwenden, so dass magnetisierbare Teilchen in einer parallel zu dem Magnetfelderzeugungsmittel in dem Trennkanal fließenden Suspension angezogen werden und eine Bahn näher zum Magnetfelderzeugungsmittel beschreiben. Am Ausgang soll dann ein getrennter unmagnetischer und magnetischer Stoffstrom durch Blenden austreten. Dieser Ansatz ist jedoch in mehrfacher Hinsicht nachteilbehaftet. Denn Magnet^¬ feld und somit auch Magnetkraft werden in Richtung des Fel^¬ derzeugungsmittels naturbedingt größer, so dass magnetfelder- zeugungsmittelferne Teilchen wenig abgelenkt werden, magnet- felderzeugungsmittelnahe Teilchen jedoch an der Oberfläche auch gegen die hydrodynamischen Kräfte der Strömung magnetisch festgehalten werden. Die Trennwirkung nimmt damit ab, zum anderen muss nach Abschalten des Magnetfeldes auch hier ein Spülschritt zum Ausbringen des magnetischen Anteils genutzt werden.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine Trenn^¬ einrichtung anzugeben, mit der ein kontinuierlicher und effektiver Trennvorgang eines Gemisches aus magnetisierbaren und nicht magnetisierbaren Teilchen erfolgt.

Die Lösung der Aufgabe besteht in einer Trenneinrichtung mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1. Die Trenneinrichtung zum Trennen eines Gemischs von magnetisierbaren und unmagneti- sierbaren Teilchen zeichnet sich dadurch aus, dass sie einen Trennkanal aufweist, der einerseits durch ein ferromagneti- sches Joch und andererseits durch einen magnetisierbaren Begrenzungskörper begrenzt ist. Zudem ist mindestens ein Mag^¬ netfelderzeugungsmittel zur Erzeugung eines magnetischen Fel^¬ des sowie ein am Ausgang des Trennkanals angeordnetes Trenn- element zum Abtrennen der magnetisierbaren Teilchen vorgesehen. Als Magnetfelderzeugungsmittel ist eine Spulenanordnung vorgesehen, die in Nuten des Jochs entlang des Trennkanals angeordnet ist. Über eine Steuereinrichtung ist die Spule derart ansteuerbar, dass ein im Wesentlichen zu dem Joch hin ablenkendes, zeitlich veränderliches, entlang des Trennkanals wanderndes Magnetfeld entsteht. Insbesondere die Maßnahme, den Verdrängungskörper nicht aus magnetisch inertem, sondern aus gut magnetisierbarem Material, wie einem Ferriten oder Reineisen bzw. Transformatorenblech-Werkstoff oder vergleichbaren Werkstoffen, anzufertigen, führt dazu, dass sich die Magnetfeldlinien vorwiegend anstatt in axialer Ausrichtung in radialer Richtung ausbilden. Dies bewirkt, dass das Fluidvolumen, das von einem Mag^¬ netfeld mit vorwiegend radialer Ausrichtung durchsetzt ist, erheblich ansteigt. Vorteilhaft ist dabei insbesondere, wenn eine Trennkanalbreite, also der Abstand zwischen dem Begren- zungskörper (oder auch Verdrängungskörper) und dem Joch der Elektromagneten nicht größer als das Zweieinhalbfache der Spulenhöhe bzw. einer lichten Weite zwischen zwei Magnetei^¬ senpolen ist. Im Gegensatz zum Stand der Technik, der ein konstantes Magnetfeld oder zumindest (wie dies bei Wechselstrom auftritt) eine konstante Kraftverteilung in Richtung des Magnetfelderzeugungsmittels nutzt, so dass ein Spülschritt erforderlich ist, schlägt die vorliegende Erfindung nun vor, das Ablenk- magnetfeld zeitlich veränderlich derart zu gestalten, dass im Wesentlichen (abgesehen von Streufeldern kleinen Betrags) feldfreie Bereiche, in denen dann folglich auch kein eine Kraft bedingender Magnetfeldgradient existiert, erzeugt wer^¬ den. Diese Feldlücken wandern entlang des gesamten Trennka- nals mit einer vorgegebenen Geschwindigkeit vorzugsweise in derselben Richtung wie die Strömung der zu trennenden Suspension. Das hat den Vorteil, dass ein magnetisches Teilchen, welches an der zu dem Joch hin gerichteten Seitenwand des Trennkanals durch das Ablenkmagnetfeld anhaftet, zu einem be- stimmten Zeitpunkt, wenn der im Wesentlichen feldfreie Bereich seine Position durchläuft, kurzzeitig kein Feld mehr spürt, sich von der Seitenwand des Trennkanals wieder lösen kann und durch die hydrodynamischen Kräfte weitertranspor- tiert wird. So wird durch die vorliegende Erfindung sicherge^¬ stellt, dass es nicht zu Ablagerungen von magnetisierbaren Teilchen auf der dem Joch zugewandten Seite des Trennkanals kommt, da sich die Teilchen in den feldfreien Bereichen wie- der lösen können. Es besteht jedoch keine Gefahr, dass das magnetisierbare Teilchen, welches sich gerade gelöst hat, wieder zu weit von dem Joch abdriftet, da der feldfreie Be^¬ reich weiterwandert und somit das Teilchen bald wieder eine ablenkende Kraft aufgrund des Ablenkmagnetfeldes in Richtung des Joches verspürt. Es ist somit in einem kontinuierlichen Betrieb möglich, den nachteilhaften Spülschritt des Standes der Technik zu vermeiden und eine kontinuierliche Trennung von in der Suspension befindlichen magnetisierbaren und un- magnetisierbaren Teilchen zu erreichen, was durch das Trenn- element geschieht, welches die nahe dem Joch transportierte magnetische Fraktion abtrennt. Damit ist auch eine hohe Zeit^¬ ersparnis verbunden, da die Trenneinrichtung dauerhaft mit der Suspension beschickt werden kann, zum anderen entfällt auch Aufwand, beispielsweise das Durchführen des Spülschritts und die dafür notwendige Zuleitung einer nicht mit Teilchen versetzten Trägerflüssigkeit etc.

Erreicht wird eine solche Ausgestaltung des zeitlich veränderten Ablenkmagnetfelds durch eine Spulenanordnung, die in Nuten entlang des Trennkanals insbesondere äquidistant ange^¬ ordnete Spulen umfasst. Diese Spulen werden durch eine Steu^¬ ereinrichtung angesteuert. Dabei werden sie zur Erzeugung des entsprechenden Ablenkmagnetfelds mit den im Wesentlichen feldfreien Bereichen zeitabhängig unterschiedlich bestromt, wobei insbesondere die Spulen, bei denen ein im Wesentlichen feldfreier Bereich erzeugt werden soll, stromlos gestellt werden können.

In konkreter Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung kann daher vorgesehen sein, dass jeweils eine bestimmte Spulenzahl, beispielsweise 12, entlang des Trennkanals aufeinander^¬ folgender Spulen zu einer Periodengruppe zusammengefasst sind, wobei die Spulen einer Gruppe jeweils einen der Spulen- zahl entsprechenden Anteil der Periodendauer eines Wechselstromprofils versetzt mit dem wenigstens einen stromlosen Zeitabschnitt aufweisenden Wechselstromprofil ansteuerbar sind. Dabei erweist es sich für die Verschaltung als beson- ders vorteilhaft, wenn eine ganzzahlige Menge von Perioden^¬ gruppen über die Länge des Trennkanals vorgesehen ist. Für die Ansteuerung der Spulen ist demnach, insbesondere innerhalb der Steuereinrichtung abgelegt, ein Wechselstromprofil vorgesehen, welches wenigstens einen stromlosen Zeitabschnitt aufweist. Dieses Wechselstromprofil mit dem stromlosen Zeit^¬ abschnitt hat eine bestimmte Periodendauer. Danach wird es wiederholt. Die Steuereinrichtung steuert nun die Spulen der Spulenanordnung so an, dass sie jeweils um einen der Spulenzahl entsprechenden Anteil der Periodendauer des Wechsel- Stromprofils versetzt arbeiten, das bedeutet für eine Spulen^¬ zahl von 12 beispielsweise, dass jede aufeinanderfolgende Spule um 1/12 der Periodendauer versetzt angesteuert wird. Zwischen zwei gleichbestromten Spulen liegen somit in diesem Beispielsfall immer 11 versetzt angesteuerte Spulen.

In zweckmäßiger weiterer Ausgestaltung kann das Stromprofil jeweils zwei Halbwellen einer Länge von einer viertel Perio^¬ dendauer unterbrochen durch zwei stromlose Zeitabschnitte einer Länge von jeweils einer viertel Periodendauer aufwei- sen. Ein solches Wechselstromprofil ist leicht zu erzeugen, wobei die Halbwelle eine Sinushalbwelle oder eine Trapezhalb^¬ welle oder eine Dreieckshalbwelle sein kann. Es erfolgt also keine übliche Wechselstromansteuerung, sondern es existieren jeweils, wenn der Strom ohnehin einen Wert von 0 erreichen würde, stromlose Zeitabschnitte, die die gleiche Länge wie die entsprechenden Halbwellen haben. Auf diese Weise wird eine Wanderwelle mit Lücken ausgebildet, wobei bei der Ver^¬ wendung von 12 Spulen in einer Periodengruppe dann immer zweimal drei aufeinander folgende Spulen zu einem bestimmten Zeitpunkt unbestromt sind. Zusätzlich zu dem erfindungsgemäß wesentlichen Effekt, dass beim Durchlaufen der Wanderwelle sich in dem im Wesentlichen feldfreien Bereich die abgeschiedenen Teilchen wieder lösen können und von den hydrodynami- sehen Kräften der Suspensionsströmung ein Stück weitertransportiert werden, kommt bei dieser Ausgestaltung unterstützend hinzu, dass beidseitig der durch das Maximum der Halbwelle bestimmten Ablenkfeldmaxima Feldgradienten praktisch parallel zu der Trennkanalwand existieren, wo die Teilchen eine Kraft gegen oder in Richtung zum Trennelement erfahren. Letztere unterstützen den Transport des magnetischen Anteils entlang der Wand des Trennkanals in Richtung Ausgang ohne erneute Vermischung mit dem Volumen der Suspension. Die Richtung des Ablenkmagnetfeldes dreht sich zudem an einer Position beim

Durchlauf der Wanderwelle. Auf die magnetischen Teilchen wird somit ein Drehmoment ausgeübt, so dass sich auch die magneti^¬ schen Teilchen drehen. Dies erleichtert das erneute Lösen der abgeschiedenen Teilchen in dem im Wesentlichen feldfreien Be- reich und wirkt der Fixierung und Agglomeration zu größeren Teilchen entgegen.

Zur möglichst einfachen Ansteuerung der Spulenanordnung durch die Steuereinrichtung bei Verwendung eines Wechselstrompro- fils kann vorgesehen sein, dass die Steuereinrichtung einen insbesondere frequenzvariablen, auch zur Phasenverschiebung ausgebildeten Umrichter mit der Hälfte der Spulenzahl an Ausgängen umfasst. Geeignete Umrichter sind bekannt, wobei bei^¬ spielsweise bei 12 Spulen pro Periodengruppe ein frequenzva- riabler Umrichter mit 6 Ausgängen Verwendung finden kann.

Dieser kann beispielsweise aus zwei herkömmlichen 3-Phasen- Umrichtern mit entsprechend angepasster Ansteuerung der Wechselrichterbrücken bestehen. In besonders vorteilhafter Ausgestaltung kann vorgesehen sein, dass um jeweils die Hälfte der Spulenzahl beabstandete Spulen derart elektrisch verbunden sind, dass jeweils jede zweite der miteinander verbundenen Spulen in umgekehrter Richtung bestrombar ist, wobei die Spulenanordnung über An- Schlüsse, deren Anzahl der Hälfte der Spulenzahl entspricht, angesteuert wird. So werden gleich positionierte Spulen auf^¬ einander folgender Periodengruppen vom selben Strom durchflössen. Ebenso wiederholt sich wie das Muster des Ablenkfel- des auch das Strommuster nach jeweils einer halben Periodenlänge, jedoch mit umgekehrter Stromrichtung. Bei beispielsweise 12 Spulen pro Periodizitätsgruppe wird dazu jede sechs^¬ te Spule elektrisch in Serie geschaltet, wobei die Stromrich- tung sich jeweils umkehrt. Es bilden sich auf diese Weise sechs einzeln angesteuerte Spulengruppen. Damit wird eine aus der Wickeltechnik von Drehstrommotoren und -Generatoren bekannte Stromverteilung entlang des Spulenstapels erreicht, die das gewünschte Wanderfeld erzeugt. Die Ausgänge der letz- ten 6 Spulen sind alle elektrisch in einem „Sternpunkt" verbunden. In der Drehstromtechnik ist diese Schaltung als

Sternschaltung bekannt, es ist aber auch die bekannte Drei^¬ eckschaltung möglich. Zur allgemeinen geometrischen Ausgestaltung der Trenneinrichtung sind erfindungsgemäß im Wesentlichen zwei Ausführungs^¬ formen vorgesehen, nämlich eine zylindrische und eine ebene Ausbildung. Dabei kann gemäß einer ersten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Trenneinrichtung vorgesehen sein, dass in einem zylindrischen das Joch durchsetzenden Hohlraum ein zylindrischer, koaxialer Verdrängungskörper zur Bildung des Trennkanals angeordnet ist. Alternativ hierzu kann selbstver^¬ ständlich auch vorgesehen sein, dass in einem zylindrischen, einen Außenkörper durchsetzenden Hohlraum das zylindrische, koaxiale Joch zur Bildung des Trennkanals angeordnet ist. Es sind also Ausgestaltungen denkbar, in denen das Joch innen oder außen den im Querschnitt ringförmigen Trennkanal begrenzt. Besonders vorteilhaft erweist sich jedoch eine Aus^¬ führungsform mit einem innen angeordneten Joch, wenn eine Einrichtung zur Erzeugung einer tangentialen Kreisströmung, insbesondere schräggestellte Einlassdüsen und/oder ein Rührwerk und/oder insbesondere innerhalb des Trennkanals angeord^¬ nete schräggestellte Blenden, vorgesehen ist. Dann wird eine Kreisströmung erzeugt, so dass die Zentrifugalkräfte die nichtmagnetischen Teilchen zur Außenwand des Außenkörpers hin bewegen, wobei auf die magnetisierbaren Teilchen die nach innen wirkende Kraft des Ablenkmagnetfeldes überwiegt. Auf die^¬ se Weise wird eine bessere Trennung und eine größere Reinheit der Endprodukte erreicht. Allgemein ist es bei einer zylind^¬ rischen Ausführungsform sinnvoll, wenn die Spulen als ringförmige, umlaufende Solenoidspulen ausgebildet sind. In einer zweiten, ebenen Ausführungsform der erfindungsgemäßen Trenneinrichtung kann vorgesehen sein, dass der im Wesentlichen rechteckige Trennkanal auf einer Seite von dem eine ebene Fläche aufweisenden Joch begrenzt wird. Es sei je^¬ doch an dieser Stelle angemerkt, dass grundsätzlich alle geo- metrisch sinnvollen Ausgestaltungen und Formgebungen für den Trennkanal und das Joch verwendet werden können. Bei einer Ausgestaltung mit rechteckigem Trennkanal und dem an einer Seite angrenzenden Joch können insbesondere sogenannte Renn^¬ bahnspulen verwendet werden, wobei im Gegensatz zu der zy- lindrischen Ausführungsform die Windungen nicht komplett entlang des Trennkanals verlaufen, sondern in Wickelköpfen entlang der dem Trennkanal abgewandten Seite des Jochs. In be^¬ sonders vorteilhafter Ausgestaltung kann dabei vorgesehen sein, dass bei einem als obere Begrenzung des Trennkanals dienenden Joch der Trennkanal in Durchflussrichtung insbesondere um 10° - 90° gegenüber der Senkrechten geneigt ausgeführt ist. Durch die Schrägstellung mit dem nach oben weisenden Magnetsystem wird vorteilhaft die Schwerkraft zu einer Verbesserung der Trennwirkung ausgenutzt. Denn die nichtmag- netisierbaren Teilchen sinken durch die Schwerkraft auf die niedrigere Seite des Trennkanals, während die magnetisierba- ren Teilchen durch das Ablenkmagnetfeld nach oben gezogen werden . Zweckmäßig ist allgemein, wenn eine die Nuten zum Trennkanal hin abdeckende Schutzwand vorgesehen ist, so dass die Suspen^¬ sion nicht in die Nuten und zu den Spulen vordringt. Die Schutzwand, die mit anderen den Trennkanal bildenden Wänden verbunden sein kann, bildet somit die zum Joch gerichtete Ab- scheidefläche, in deren Richtung die ablenkende Kraft wirkt.

Als Trennelement kann eine Blende verwendet werden, die den auf der zum Joch hin gewandten Seite geführten Strom magneti- sierbarer Teilchen von dem der nichtmagnetisierbaren Teilchen trennt .

Die konkrete Größe und Ausgestaltung der Trenneinrichtung richtet sich letztlich nach den Parametern, die ihre Leistung bestimmen sollen, hauptsächlich also nach dem Durchsatz, der erzielt werden soll. Allgemein kann jedoch angemerkt, werden, dass die Trennkanalbreite kleiner oder ähnlich als die Reich^¬ weite des Ablenkmagnetfelds sein sollte, wobei das Ablenkmag^¬ netfeld beispielsweise im Fall einer Wanderwelle exponentiell abfällt, so dass dann die Trennkanalbreite kleiner oder ähn^¬ lich der Verfallslänge sein sollte.

Weitere Vorteile und Einzelheiten der vorliegenden Erfindung ergeben aus den im Folgenden beschriebenen Ausführungsbeispielen sowie anhand der Zeichnungen. Dabei zeigen:

Figur 1 eine Prinzipskizze eines ersten Ausführungsbei^¬ spiels einer erfindungsgemäßen Trenneinrichtung,

Figur 2 das Stromprofil und die versetzte Ansteuerung zei^¬ gende Graphen,

Figur 3 eine Skizze zur Visualisierung des Wanderfeldes und der Kraftrichtungen,

Figur 4 Graphen zum Verlauf des Feldes und der Kraftkompo^¬ nenten,

Figur 5 eine Prinzipskizze eines zweiten Ausführungsbei^¬ spiels der erfindungsgemäßen Trenneinrichtung,

Figur 6 eine Prinzipskizze eines dritten Ausführungsbei^¬ spiels der erfindungsgemäßen Trenneinrichtung, und

Figur 7 eine Prinzipskizze eines vierten Ausführungsbei^¬ spiels der erfindungsgemäßen Trenneinrichtung. Fig. 1 zeigt ein erstes Ausführungsbeispiel einer erfindungs^¬ gemäßen Trenneinrichtung 1. Sie umfasst einen Begrenzungskörper in Form eines zylindrischen Verdrängungskörper 2, der beabstandet von einem koaxialen zylindrischen geblechten Joch 3 aus Eisen umgeben ist. Zwischen dem Verdrängungskörper 2 und dem Joch 3 entsteht somit ein Trennkanal 4, der durch ei^¬ ne Schutzwand 5 von dem ihn nach außen begrenzenden Eisenjoch

3 abgetrennt ist. Das Eisenjoch 3 weist ferner zum Trennkanal

4 hin umlaufende Nuten 6 auf, in denen äquidistant beabstan- det Solenoidspulen 7 einer Spulenanordnung 8 angeordnet sind, deren Windungen umlaufend sind, also den Trennkanal 4 um^¬ schließen .

In den Trennkanal 4 wird kontinuierlich, beispielsweise durch hier lediglich bei 9 angedeutete Beschickungsmittel, eine Suspension mit beispielsweise in Wasser als Trägerflüssigkeit eingebrachten magnetisierbaren und nichtmagnetisierbaren Teilchen eingebracht. Zweck der Trenneinrichtung 1 ist es, diese bei kontinuierlichem Durchstrom der Suspension durch den Trennkanal 4 in einen magnetischen und einen nichtmagnetischen Anteil aufzuspalten, was am Ende des Trennkanals 4 durch ein Trennelement 10, vorliegend eine Blende 11, ge^¬ schieht, wobei die Pfeile 12 die magnetische Fraktion andeu^¬ ten, die Pfeile 13 den nichtmagnetischen Anteil.

Der kontinuierliche Betrieb der Trenneinrichtung 1 wird durch eine bestimmte Bestromung der Spulenanordnung 8 ermöglicht, wobei hierzu eine Steuereinrichtung 14 dient. Durch entspre^¬ chende Bestromung der einzelnen Spulen 7 wird im Trennkanal 4, wie im Folgenden noch erläutert werden soll, eine Wanderwelle erzeugt, die Lücken, also feldfreie Bereiche, aufweist, die die gesamte Länge des Trennkanals 4 überstreichen.

Dazu sind die in diesem Falle 36 Spulen 7, die der Übersicht- lichkeit halber nicht alle dargestellt sind, in drei Perio^¬ dengruppen mit einer Spulenzahl von je 12 Spulen aufgeteilt, wobei eine Periodengruppe 15 in der Zeichnung gekennzeichnet ist. Zur Ansteuerung der 36 Spulen 7 der Spulenanordnung 8 durch die Steuereinrichtung 14 sind, wie im Folgenden erläutert wird, lediglich sechs Anschlüsse 16 erforderlich, das bedeutet, es werden sechs Eingangsignale Ii bis le erzeugt, die nun mit zusätzlichem Bezug auf Fig. 2 näher erläutert werden sollen.

Grundlage der Ansteuerung durch die Steuereinrichtung 14 ist ein Stromprofil 17 mit einer Periodendauer von T, welches zwei Sinushalbwellen 18 jeweils einer Dauer von T/4 umfasst, die jeweils durch einen stromlosen Zeitabschnitt 19 einer

Dauer von ebenso T/4 getrennt sind. Die Spulen 7 einer Perio^¬ dengruppe 15 sollen nun jeweils um T/12 versetzt mit dem Stromprofil 17 angesteuert werden, so dass sich eine Wander^¬ welle mit Lücken, also im Wesentlichen feldfreien Bereichen, ergibt. Dazu sind in Fig. 2 zunächst die sechs Ansteuerungs- ströme Ii bis le gegen die Zeit dargestellt. Ersichtlich ist der Strom I2 um T/12 gegen Ii verschoben usw., so dass sich die Wanderwelle ergibt. Diese Ströme Ii bis le werden nun über die Anschlüsse 16 jeweils den ersten sechs Spulen 7 zu- geleitet, wobei die übrigen Spulen 7 der Spulenanordnung 8 über entsprechende, bei 20 angedeutete Verbindungen wie im Folgenden beschrieben angesteuert werden. Verbunden sind je jede sechste Spule, also die erste mit der siebten Spule, die siebte mit der dreizehnten Spule, usw.. Dabei wird jeweils jede zweite Spule der so verbundenen Spulen umgekehrt

bestromt. Erhält also beispielsweise die Spule 7a das Strom^¬ signal Ii, dann erhält die damit verbundene siebte Spule 7b das Stromsignal -Ii, die dreizehnte Spule (bereits in der nächsten Periodengruppe 15) 7c wiederum das Signal Ii usw. Auf diese Weise ist es möglich, mit nur sechs Eingangssigna^¬ len sämtliche drei Spulengruppen 15 korrekt zur Erzeugung einer Wanderwelle anzusteuern. Die Ausgänge der letzten 6 Spu^¬ len sind alle elektrisch in einem Sternpunkt 43 verbunden. Zur Erzeugung der Stromsignale Ii bis le umfasst die Steuer^¬ einrichtung 14 einen frequenzabhängigen Umrichter 21, der zwei herkömmliche Drei-Phasen-Umrichter enthält. Es ist an dieser Stelle nochmals deutlich hervorzuheben, dass die ge- nannte Spulenzahl zwölf und die Periodengruppenzahl drei lediglich beispielhafte Werte sind, das zugrundeliegende Kon^¬ zept lässt sich auf andere Ausgestaltungen problemlos über^¬ tragen .

Fig. 3 zeigt nun das Ergebnis dieser Ansteuerung und Ver- schaltung der Spulen anhand einer vergrößert hervorgehobenen Periodengruppe 15. Gezeigt ist das Eisenjoch 3 mit den in den Nuten 6 angeordneten Spulen 7 sowie den Verbindungen 20 in- nerhalb der Spulengruppe 15, die Schutzwand 5 sowie der

Trennkanal 4, durch den die Suspension gemäß des Pfeils 22 strömt. Gemäß der entsprechenden Ansteuerung, vgl. Fig. 2, sind jeweils drei Spulen 7 einer Spulengruppe 15 als strom- durchflossene Gruppe 23 dargestellt, eine weitere Gruppe 24 von Spulen 7 ist entsprechend umgekehrt bestromt und zwei weitere Gruppen 25, zwischen bestromten Gruppen 23 und 24 angeordnet, sind in der in Fig. 3 dargestellten Momentaufnahme stromlos dargestellt. Aus dieser Ansteuerung der Spulen 7 ergibt sich ein bestimmtes Ablenkmagnetfeld, das hier durch die im Trennkanal eingezeichneten magnetischen Äquipotentiallinien 26 angedeutet ist. Die Pfeile 27 deuten Kraftkomponenten in Längsrichtung (z-Richtung) und Radialrichtung (x-Richtung, vgl. auch Koordinatensystem 28) an. Der Pfeil 29 zeigt an, in welche Richtung das erzeugte Ablenkmagnetfeld wandert. Er- sichtlich bilden sich durch die stromlosen Zeitabschnitte im Wesentlichen feldfreie Bereiche 30, die ebenso mitwandern, also die Länge des Trennkanals 4 überstreichen. Bei 31 sind schließlich in Fig. 3 noch die magnetisierbaren, zu der

Schutzwand 5 hingezogenen Teilchen angedeutet.

Fig. 4 zeigt nun genauer die sich ergebende Feld- und Kraft^¬ verteilung. Es sind die Äquipotentiallinien des Betragsquadrats B² des Magnetfeldes dargestellt. Es sind Feldlinien 47 zu erkennen, die nahezu senkrecht zum Trennkanal 4 vom Joch 3 zum Begrenzungskörper (hier in Form des Verdrängungskörpers 2) verlaufen. In den zylindrischen Ausgestaltungen gemäß der Figuren 1 und 5 handelt es sich dabei um einen nahezu radia- len Verlauf der Feldlinien 47 bezüglich des zylindrischen Jochs 3.

Dieser Verlauf senkrecht zum Trennkanal 4 (beziehungsweise der hohe Anteil der senkrechten Komponente des Magnetfeldes 9 ist insbesondere darauf zurückzuführen, dass der Begrenzungs^¬ körper aus magnetisierbarem Material ausgestaltet ist. Als Materialien für den Begrenzungskörper bieten sich z. B. Fer- rite, Reineisen oder Transformatorblechwerkstoffe an.

Durch die beschriebene Maßnahme, wird bewirkt, dass die Mag^¬ netfeldlinien 47 vorwiegend in senkrechter Richtung zum

Trennkanal 4 ausgerichtet sind und nicht (wie bei Verwendung eines nicht magnetisierbaren Begrenzungskörpers dies der Fall wäre) in axialer Richtung beziehungsweise längs des Trennka^¬ nals. Dies bewirkt wiederum, dass das Fluidvolumen, das von radialen Feldlinien bzw. Feldlinienkomponenten durchsetzt wird, ansteigt. Dadurch wird der Nachteil vermieden, dass ausgehend von der inhärenten physikalischen Eigenschaft mag- netisierbarer Partikel Gebrauch gemacht wird, die stets in Richtung des zunehmenden Magnetfeldes transportiert werden. Dies bedeutet, das die magnetisierbaren Partikel und gegebe^¬ nenfalls daran gebundene Partikel oder Stoffe stets auf das Magnetsystem zu beschleunigt werden, so dass sich die größte Haltekraft immer in unmittelbarer Nähe des Magnetsystems er^¬ gibt, was verfahrenstechnisch von Nachteil sein kann, da dadurch der Partikelweitertransport behindert wird.

Durch die Verwendung von magnetisierbaren Begrenzungskörpern der Trennvorrichtung, können bei vergleichbarer Magneterregung - erheblich höhere Produkte aus lokaler Feldstärke und Feldgradient erreicht werden als mit Begrenzungskörper (z. B. Verdrängungskörper 2) aus nichtmagnetischen Werkstoffen. Dadurch lassen sich höhere Abscheideraten sowie bei gleichem Bauvolumen und gleichem Energiebedarf erheblich höhere Stoffmengendurchsätze erzielen. Für den kontinuierlichen Trennvorgang haben die in den Fig. 3 und 4 dargestellten Feld- und Kraftverhältnisse, die wie dar^¬ gestellt zeitlich wandern, folgende Bedeutung. Durch die Kraftkomponenten in x-Richtung werden magnetisierbare Teil- chen zum Joch 3 hin abgelenkt und lagern sich dort gegebenenfalls an. Dabei können, da das Ablenkmagnetfeld, wie darge^¬ stellt, zum Verdrängungskörper 2 hin exponential abfällt, die starken anziehenden Kräfte nahe der Schutzwand 5 zeitweise stärker sein als die hydrodynamische Kraft der Strömung, so dass magnetisierbare Teilchen 31 zunächst nicht weitertrans^¬ portiert werden. Hier greifen nun die im Wesentlichen feldfreien Bereiche 30, die aufgrund ihrer eigenen Bewegung ein solches magnetisierbares Teilchen bald erreichen, so dass die ablenkende Kraft temporär schwindet, das Teilchen sich lösen kann und durch die hydrodynamische Strömung ein Stück weitertransportiert wird, bevor es durch die x-Komponente der ab^¬ lenkenden Kraft der nächsten Halbwelle 18 wieder nahe an der Schutzwand 5 gehalten wird. Auf diese Weise bilden sich keine Ablagerungen an der Schutzwand 5, die in einem folgenden Spülschritt aufwendig zu entfernen wären. Doch die Ausgestal^¬ tung über eine solche stromlose Zeitabschnitte 19 umfassende Wanderwelle hat über die z-Komponenten der ablenkenden Kraft weitere Vorteile. Beidseitig der Feldmaxima existieren, wie ersichtlich, Gradienten praktisch parallel zur Wand, wo die magnetisierbaren Teilchen eine Kraft gegen oder in Richtung des Endes des Trennkanals 4 erfahren. Letztere unterstützen den Transport des magnetischen Anteils entlang der Schutzwand 5 in Richtung Ausgang ohne erneute Vermischung mit dem Volumen der Suspension. Zudem dreht sich zeitlich betrachtet die Richtung des Magnetfeldes an einer bestimmten Position beim Durchlauf der Wanderwelle. Auf die magnetisierbaren Teilchen wird folglich ein Drehmoment ausgeübt, so dass diese in Rota^¬ tion versetzt werden, was das erneute Lösen des abgeschiede^¬ nen Materials in dem im Wesentlichen feldfreien Bereich, also der Feldlücke, erleichtert und der Fixierung und Agglomerati^¬ on zu größeren Teilchen entgegenwirkt. Das in den Fig. 3 und 4 gezeigte Muster setzt sich periodisch entlang des gesamten Trennkanals fort. Es entsteht somit in dem zylindrischen Arbeitsraum eine räumlich und zeitlich periodische Wanderwelle. Bei einer Periodendauer T und einer räumlichen Wiederhol- bzw. Pollänge L läuft die Wanderwelle folglich mit einer Geschwindigkeit v=L/T. Die Reichweite des Ablenkmagnetfelds und somit der magnetischen Kraft ergibt sich dabei zu x o=L/2;r. Die Breite des Trennkanals 4 sollte dabei kleiner oder ähnlich als x o gewählt werden.

Die übrigen Parameter für eine konkrete Ausgestaltung der Trenneinrichtung 1 müssen anhand der gewünschten Betriebsgrößen ermittelt werden. Beispielhaft sei hier angegeben, dass bei einem Volumenstrom der Suspension von 200 m³ pro Stunde und einer Strömungsgeschwindigkeit von 0,333 m pro Sekunde der Trennkanal beispielsweise eine Länge von 1 m aufweisen kann. Bei einem Durchmesser der Schutzwand von 1,6 m ist eine Trennkanalbreite von 3 cm vorgesehen. Jeweils 12 Spulen sind zu einer Periodengruppe zusammengefasst , wobei insbesondere drei Periodengruppen vorgesehen sind, also 36 Nuten. Die Periodenlänge kann dabei 0,333 m betragen, die Nutgröße

14 x 60 mm². Die Frequenz der Wanderwelle beträgt in diesem Ausführungsbeispiel dann 1 Hz. Weitere Kenngrößen dieses konkreten Ausführungsbeispiels sind die Kupfer-Stromdichte von 5 A/mm² bei einem Kupferanteil von 75 % und ein Strom von 3000 A in der Nut. Eine solche Trenn^¬ einrichtung würde dann eine elektrische Leistung von 30 kW benötigen .

Fig. 5 ist eine Prinzipskizze eines zweiten Ausführungsbei^¬ spiels einer erfindungsgemäßen Trenneinrichtung 1', wobei hier und im Folgenden der besseren Übersichtlichkeit wegen gleiche Bestandteile mit den gleichen Bezugszeichen versehen sind. Das geblechte Joch 3 aus Eisen mit den ausschnittsweise unter der Schutzwand 5 angedeuteten Spulen 7 in den Nuten 6 ist hier nun innen angeordnet, jedoch weiterhin zylindrisch ausgebildet und zur Bildung des Trennkanals 4 umgeben von einem koaxialen Begrenzungskörpers in Form eines zylindrischen Außenkörper 37. Bezüglich der erzeugten Wanderwelle und der feldfreien Bereiche ist die Funktionsweise dieselbe, so dass auf die diesbezügliche Diskussion bezüglich des ersten Ausführungsbeispiels verwiesen wird. Der magnetische Anteil wird bezüglich der Blende nun innen abgegriffen, Pfeil 12, der nichtmagnetische Anteil außen, Pfeile 13. Zur Verbesse^¬ rung der Trennwirkung ist in diesem Ausführungsbeispiel vorgesehen, die Suspension in eine durch den Pfeil 38 angedeute- te Kreisströmung zu versetzen. Dazu ist hier als Einrichtung 39 zur Erzeugung der tangentialen Kreisströmung die Verwendung von schräggestellten Einlassdüsen 40 vorgesehen. Durch die entstehende Zentrifugalkraft werden nicht magnetisierbare Teilchen nach außen zum Außenkörper 37 hinbewegt, während für die magnetisierbaren Teilchen die aus dem Ablenkfeld resul^¬ tierende magnetische Kraft überwiegt und sich diese innen sammeln. So wird die Trennwirkung verbessert.

Fig. 6 zeigt ein drittes Ausführungsbeispiel einer erfin- dungsgemäßen Trenneinrichtung 1'', bei der nun ein rechteckiger Trennkanal 4 vorgesehen ist, der hinter einer Schutzwand 5 einseitig von dem ebenso rechteckigen Joch 3 begrenzt wird, welches wiederum äquidistante Nuten 6 mit darin angeordneten Spulen 7 umfasst. Die Spulenleiter der Spulen 7 verlaufen entlang der Nuten, wobei insgesamt Rennbahnspulen verwendet werden können, vorwiegend jedoch vorgesehen ist, die Spulenleiter über einen Wickelkopf oder durch das Innere des Eisenjochs 3 nach Verlassen einer Nut so weiterzuführen, dass sie eine um die Hälfte der Spulenzahl versetzte Nut 6 in Gegen- richtung durchlaufen usw. Damit wird zwangsläufig die ent^¬ sprechende Periodizität erreicht. Geschlossen wird die Spule durch eine Rückführung in ihre erste Nut 6. Das Prinzip der Felderzeugung und der Wanderwelle bleibt jedoch grundsätzlich gleich wie beim ersten Ausführungsbeispiel.

Der Abtransport des magnetischen und des nichtmagnetischen Anteils hinter der Blende 11 ist wiederum durch die Pfeile 12 und 13 dargestellt. Fig. 7 zeigt schließlich ein viertes Ausführungsbeispiel ei^¬ ner erfindungsgemäßen Trenneinrichtung 1''', das im Wesentlichen dem der Fig. 6 entspricht, sich allerdings durch eine Schrägstellung des Trennkanals um einen Winkel von 30° zur Senkrechten von der Trenneinrichtung 1'' unterscheidet. Diese Schrägstellung bewirkt, dass auf die nichtmagnetisierbaren Teilchen 41 die Schwerkraft wirkt, welche sie von dem ober^¬ halb angeordneten Joch 3 entfernt, während die magnetisierba- ren Teilchen 31 sich aufgrund der stärkeren magnetischen ablenkenden Kraft an der dem Joch 3 zugewandten Schutzwand 5 sammeln. Die Wirkung der Schwerkraft ist durch den Pfeil 42 angedeutet. Dabei wird wiederum eine bessere Trennwirkung er^¬ zielt.

Die Abführung der jeweiligen Anteile ist wiederum durch die Pfeile 12 und 13 an der Blende 11 dargestellt.

Claims

Patentansprüche

1. Trenneinrichtung (1, 1', 1'', 1' ' ' ) zum Trennen eines Ge- mischs von magnetisierbaren und unmagnetisierbaren Teilchen (31, 41), wobei die Trenneinrichtung einen Trennkanal (4) aufweist, der einerseits durch ein ferromagnetisches Joch (3) und andererseits durch einen magnetisierbaren Begrenzungskörper (2, 37) begrenzt ist, wobei mindestens ein Magnetfelder^¬ zeugungsmittel zur Erzeugung eines magnetischen Feldes sowie ein am Ausgang des Trennkanals (4) angeordnetes Trennelement (10) zum Abtrennen der magnetisierbaren Teilchen (31) vorgesehen ist, dadurch gekennzeichnet, dass als Magnetfelderzeu^¬ gungsmittel eine Spulenanordnung (8) vorgesehen ist, die in Nuten (6) des Jochs (3) entlang des Trennkanals (4) angeord- nete, über eine Steuereinrichtung (14) derart ansteuerbare

Spulen (7) umfasst, dass ein im Wesentlichen zu dem Joch (3) hin ablenkendes, zeitlich veränderliches, entlang des Trenn^¬ kanals (4) wanderndes Magnetfeld entsteht.

2. Trennvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass Feldlinien des Magnetfeldes zumindest teilweise vom Joch (3) zum Begrenzungskörper (2, 37) verlaufen.

3. Trennvorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekenn- zeichnet, dass die Feldlinien zumindest teilweise senkrecht zum Trennkanal verlaufen.

4. Trennvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass eine Breite (46) des Trennkanals (4) kleiner ist, als das Zweieinhalbfache einer lichten Weite (45) zwischen zwei Magnetpolen (44) .

5. Trennvorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Breite (46) des Trennkanals (4) kleiner ist, als das Eineinhalbfache der lichten Weite (45) zwischen zwei Magnet^¬ polen (44) .

6. Trennvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass entlang des Jochs 3 im Wesentli^¬ chen feldfrei Bereiche (30) vorgesehen sind.

7. Trenneinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass jeweils eine bestimmte Spulenzahl, ins^¬ besondere 12, entlang des Trennkanals (4) aufeinanderfolgender Spulen (7) zu einer Periodengruppe (15) zusammengefasst sind, wobei die Spulen (7) einer Gruppe (15) jeweils einen der Spulenzahl entsprechenden Anteil der Periodendauer eines Wechselstromprofils (17) versetzt mit dem wenigstens einen stromlosen Zeitabschnitt (19) aufweisenden Wechselstromprofil (17) ansteuerbar sind.

8. Trenneinrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass eine ganzzahlige Menge von Periodengruppen (15) über die Länge des Trennkanals (4) vorgesehen ist.

9. Trenneinrichtung nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekenn- zeichnet, dass das Wechselstromprofil (17) jeweils zwei Halb^¬ wellen (18) einer Länge von einer viertel Periodendauer unterbrochen durch zwei stromlose Zeitabschnitte (19) einer Länge von jeweils einer viertel Periodendauer aufweist.

10. Trenneinrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Halbwelle (18) eine Sinushalbwelle und/oder

eine Trapezhalbwelle und/oder eine Dreieckshalbwelle ist.

11. Trenneinrichtung nach einem der Ansprüche 2 bis 10, da- durch gekennzeichnet, dass die Steuereinrichtung (14) einen insbesondere frequenzvariablen, auch zur Phasenverschiebung ausgebildeten Umrichter (21) mit der Hälfte der Spulenzahl an Ausgängen umfasst.

12. Trenneinrichtung nach einem der Ansprüche 2 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass um jeweils die Hälfte der Spulen^¬ zahl beabstandete Spulen (7) derart elektrisch verbunden sind, dass jeweils jede zweite Spule (7) in umgekehrter Rieh- tung bestrombar ist, wobei die Spulenanordnung (8) über Anschlüsse (16), deren Anzahl der Hälfte der Spulenzahl entspricht, angesteuert wird.

13. Trenneinrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass in einem zylindrischen, das Joch (3) durchsetzenden Hohlraum ein zylindrischer, koaxialer Verdrängungskörper (2) zur Bildung des Trennkanals (4) angeordnet ist.

14. Trenneinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass in einem zylindrischen, einen Außenkörper (37) durchsetzenden Hohlraum das zylindrische, koaxiale Joch (3) zur Bildung des Trennkanals (4) angeordnet ist.

15. Trenneinrichtung nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass eine Einrichtung (39) zur Erzeugung einer tangentialen Kreisströmung, insbesondere schräggestellte Einlassdüsen (40) und/oder ein Rührwerk und/oder insbesondere innerhalb des Trennkanals (4) angeordnete schräggestellte Blenden, vor^¬ gesehen ist.

16. Trenneinrichtung nach einem der Ansprüche 11 bis 15, da- durch gekennzeichnet, dass die Spulen (7) als ringförmige, umlaufende Solenoidspulen ausgebildet sind.

17. Trenneinrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine die Nuten (6) zum Trennka- nal (4) hin abdeckende Schutzwand (5) vorgesehen ist.