Anordnung und Verfahren zum Trennen magnetisierbarer Partikel von einer Flüssigkeit

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Anordnung und ein Verfahren zum Trennen magnetisierbarer Partikel von einer Flüssigkeit, mit einem rohrförmigen Reaktor, welcher von der Flüssigkeit durchströmbar ist und welcher einen ersten Be- reich mit wenigstens einem ersten Magneten und einen zweiten Bereich mit wenigstens einem zweiten Magneten aufweist, wobei der erste und der zweite Bereich hintereinander entlang einer Längsachse des rohrförmigen Reaktors angeordnet sind. Verfahren zur Trennung magnetischer bzw. magnetisierbarer

Partikel von Flüssigkeiten werden unter anderem bei der kontinuierlichen Erzabscheidung oder bei der Wasseraufbereitung eingesetzt. Dabei können die magnetisierbaren Partikel im Verfahren magnetisiert werden oder schon magnetisiert sein. Im Weiteren ist unter dem Begriff magnetisierbare Partikel auch der Begriff magnetische Partikel zu subsumieren. Magne ^¬ tisierbare Partikel sind z.B. aus Eisenerzgestein gewonnene Magnetit (Fe ₃ 0 ₄ ) -Partikel . Vorgefertigte magnetisierbare Partikel können auch zum Gewin ^¬ nen von Verbindungen aus Erzen verwendet werden, indem z.B. chemisch funktionalisierte oder physikalisch aktivierte mag- netisierte Partikel eingesetzt werden. Mit Hilfe magnetisier ^¬ barer Partikel können weiterhin Spurenstoffe aus einer Lösung getrennt werden, Feststoffe aus einer Suspension oder Flüs ^¬ sigkeiten mit unterschiedlichen Phasen voneinander getrennt werden .

Als Feststoffe können fein gemahlene Erze verwendet werden, welche mit Hilfe von Wasser aufgeschlämmt werden. Bestandtei ^¬ le der Erze können dann direkt oder nach Zugabe der magneti ^¬ sierbaren Partikel, chemisch oder physikalisch an die Partikel gebunden werden. Für physikalische Bindungen können z.B. Coulomb-Wechselwirkungen verwendet werden und für chemische Bindungen können sulfidische Funktionalisierungen eingesetzt werden. Die mit den Erzbestandteilen „beladenen" magnetisierbaren Partikel oder die magnetisierbaren Erz-Partikel können über Magnetfelder von der Flüssigkeit getrennt und weiterverarbeitet werden. Bei „beladenen" Partikeln kann der gebundene Erzbestandteil darauffolgend von den magnetischen Partikeln abgespalten werden. Die Partikel können in dem Prozess wiederverwendet werden.

Statt Feststoffen können mit Hilfe dieser Verfahren auch Flüssigkeiten mit unterschiedlichen Phasen voneinander getrennt werden, z.B. in der Wasseraufbereitung. So können z.B. Öle aus Wasser entfernt werden, indem chemisch oder physika- lisch die Ölverbindungen an die magnetisierbaren Partikel gebunden werden. Analog den Erzen können die „beladenen" magnetisierbaren Partikel von der Flüssigkeit getrennt werden. Die Partikel können wie zuvor beschrieben auch wiederverwendet werden .

Ein bekanntes System zur Trennung magnetisierbarer Partikel von einer Flüssigkeit, wie es z.B. aus der WO 2010/031613 AI bekannt ist, basiert auf einem rohrförmigen Reaktor mit einem magnetischen Wanderfeld. Das magnetische Wanderfeld wird durch Elektromagnete erzeugt, welche entlang einer Längsachse des rohrförmigen Reaktors am Umfang des Reaktors angeordnet sind. Das von den Elektromagneten erzeugte Magnetfeld sorgt zum einen für eine Bewegung der magnetisierbaren Partikel in Richtung Wandung des Reaktors. Zum anderen sorgt das Wander- feld für eine Bewegung der magnetisierbaren Partikel entlang der Wandung bis zu einem Bereich des Reaktors, in welchem die magnetisierbaren Partikel aus dem Reaktor abgesaugt werden.

Um die Flüssigkeit mit Hilfe des Magnetfeldes vollständig durchdringen zu können und alle magnetisierbaren Partikel in der Flüssigkeit in Richtung Wandung des Reaktors bewegen zu können, muss das von den Elektromagneten erzeugte Magnetfeld sehr stark ausgebildet sein. Dies ist gleichbedeutend mit einem hohen Energieverbrauch der Elektromagneten. Des Weiteren können starke Magnetfelder dazu führen, dass die magneti- sierbaren Partikel an der Wandung stark haften. Eine Bewegung der magnetisierbaren Partikel entlang der Wandung erfordert dann hohe zeitlich veränderbare Magnetfeld-Gradienten, welche wiederum einen hohen Energieverbrauch der Elektromagnete und einen hohen technischen Aufwand bei der Auslegung und Ansteu- erung der Elektromagnete bedeuten. Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es deshalb, eine Anordnung und ein Verfahren anzugeben, bei welchen eine zuverlässige Bewegung der magnetisierbaren Partikel bei verringerten Magnetfeldstärken des Wanderfeldes und damit verringertem Energieverbrauch der Elektromagneten im Vergleich zu bekann- ten Anordnungen und Verfahren möglich ist. Weiterhin ist es Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Anordnung und ein Verfahren anzugeben, welche bei verringertem technischem Aufwand zuverlässig funktionieren. Die angegebene Aufgabe wird bezüglich der Anordnung zum Trennen magnetisierbarer Partikel von einer Flüssigkeit mit den Merkmalen des Anspruchs 1, und bezüglich des Verfahrens zum Trennen magnetisierbarer Partikel von einer Flüssigkeit mit den Merkmalen des Anspruchs 7 gelöst.

Vorteilhafte Ausgestaltungen der erfindungsgemäßen Anordnung zum Trennen magnetisierbarer Partikel von einer Flüssigkeit und des erfindungsgemäßen Verfahrens zum Trennen magnetisierbarer Partikel von einer Flüssigkeit gehen aus den jeweils zugeordneten abhängigen Unteransprüchen hervor. Dabei können die Merkmale der nebengeordneten Ansprüche untereinander sowie mit Merkmalen der Unteransprüche kombiniert werden.

Die erfindungsgemäße Anordnung zum Trennen magnetisierbarer Partikel von einer Flüssigkeit umfasst einen rohrförmigen Re ^¬ aktor, welcher von der Flüssigkeit durchströmbar ist. Der rohrförmige Reaktor weist einen ersten Bereich und einen zweiten Bereich auf, wobei der erste und der zweite Bereich hintereinander entlang einer Längsachse des rohrförmigen Reaktors angeordnet sind. Im ersten Bereich ist wenigstens ein erster Magnet angeordnet und im zweiten Bereich ist wenigs ^¬ tens ein zweiter Magnet angeordnet. Der wenigstens eine erste Magnet ist ein Permanentmagnet und der wenigstens eine zweite Magnet ist ein Elektromagnet. Bei Verwendung mehrerer erster Magnete sind dies Permanentmagnete und bei Verwendung wenig ^¬ stens mehrerer zweiter Magnete sind dies Elektromagnete . Durch die zusätzliche Verwendung von Permanentmagneten neben der Verwendung von Elektromagneten in unterschiedlichen räumlichen Bereichen können voneinander räumlich getrennte Magnetfelder erzeugt werden, ohne zusätzlichen Energieaufwand. Der wenigstens eine Elektromagnet kann ausgebildet sein, ein Wandermagnetfeld entlang der Längsachse des rohrförmigen Re ^¬ aktors zu erzeugen, insbesondere im zweiten Bereich. Das Mag ^¬ netfeld kann natürlich auch über den zweiten Bereich hinausragen. Das Wanderfeld kann zum gerichteten Transport der mag- netisierbaren Partikel im Wesentlichen parallel zur Längsachse des rohrförmigen Reaktors ausgebildet sein. Dabei können die magnetisierbaren Partikel im Wesentlichen entlang einer Wandung des rohrförmigen Reaktors transportiert bzw. bewegt werden .

Der wenigstens eine Permanentmagnet kann derart ausgebildet sein, dass die magnetisierbaren Partikel durch dessen Wirkung im Wesentlichen senkrecht zur Längsachse des rohrförmigen Reaktors transportiert werden, insbesondere in Richtung Wandung des rohrförmigen Reaktors.

Der rohrförmige Reaktor kann wenigstens eine abzweigende Ab ^¬ saugleitung zum Absaugen der magnetisierbaren Partikel aufweisen. Vorzugsweise ist die wenigstens eine abzweigende Ab- saugleitung in der Wandung des rohrförmigen Reaktors in einem dritten Bereich angeordnet, welcher sich entlang der Längsachse des rohrförmigen Reaktors hinter dem ersten und dem zweiten Bereich befindet. Dies kann direkt benachbart zum zweiten Bereich sein oder mit einem Abstand.

Der rohrförmige Reaktor kann einen Verdrängungskörper zum verkleinern des der Flüssigkeit zur Verfügung stehenden Volumens innerhalb des rohrförmigen Reaktors aufweisen. Dieser ist bevorzugt entlang einer Mittelachse des rohrförmigen Re ^¬ aktors angeordnet. Dadurch wird die Querschnittsfläche ver ^¬ ringert, welche der Flüssigkeit zum Strömen zur Verfügung steht, und für eine vollständige Durchdringung der Quer ^¬ schnittsfläche durch das Magnetfeld des wenigstens einen Per ^¬ manentmagneten wird eine geringere Magnetstärke benötigt. Dies verringert den technischen Aufwand und die Menge an Per ^¬ manentmagneten, und spart somit Platz sowie Kosten ein.

Der wenigstens eine erste Magnet kann im ersten Bereich ent ^¬ lang eines äußeren Umfanges des rohrförmigen Reaktors ange ^¬ ordnet sein. Der wenigstens eine zweite Magnet kann im zwei ^¬ ten Bereich entlang eines äußeren Umfanges des rohrförmigen Reaktors angeordnet sein.

Das erfindungsgemäße Verfahren zum Trennen magnetisierbarer Partikel von einer Flüssigkeit, wobei ein rohrförmiger Reaktor von der Flüssigkeit durchströmt wird, umfasst einen ers- ten Schritt, in welchem in einem ersten Bereich wenigstens ein Permanentmagnet die magnetisierbaren Partikel in Richtung Wandung des rohrförmigen Reaktors bewegt. Ferner umfasst es einen zweiten Schritt, in welchem in einem zweiten Bereich wenigstens ein Elektromagnet ein Wanderfeld erzeugt, welches die magnetisierbaren Partikel entlang der Wandung des rohrförmigen Reaktors zu einem dritten Bereich bewegt.

Der zweite Schritt kann dem ersten Schritt zeitlich und/oder räumlich folgen.

Durch die zeitliche und räumliche Trennung der einzelnen Schritte wird eine vereinfachte Auslegung der Magnete ermög ^¬ licht. Der erste Schritt, unter Verwendung des wenigstens einen Permanentmagneten verbraucht keine Energie während des Verfahrens und ermöglicht trotzdem eine zuverlässige Bewegung der magnetisierbaren Partikel in Richtung Wandung. Damit wird ein erster Schritt der Trennung von Flüssigkeit und magneti- sierbaren Partikeln ohne elektrischen Energieaufwand erreicht .

Der zweite Schritt, die Bewegung der magnetisierbaren Partikel entlang der Wandung unter Verwendung von durch Elektro- magneten erzeugten Wanderfeldern, kann mit kleineren Magnetfeldern erfolgen, als für eine Bewegung der Partikel in Richtung Wandung notwendig wären. Dies spart Energie und die Elektromagnete können kleiner ausgelegt werden. Somit wird Material und Platz gespart.

Eine weitere Einsparung kann erreicht werden bei Verwendung eines Verdrängungskörpers entlang einer Mittelachse des rohr- förmigen Reaktors im rohrförmigen Reaktor. Dieser kann die Flüssigkeit auf einen im Wesentlichen hohlzylindrischen Zwi- schenraum verdrängen zwischen Verdrängungskörper und Wandung des rohrförmigen Reaktors. Es findet wie zuvor bei der Anord ^¬ nung eine Reduzierung des Strömungsquerschnitts der Flüssig ^¬ keit statt, welcher vom magnetischen Feld des wenigstens einen Permanentmagneten durchdrungen werden muss. Dadurch kann der wenigstens eine Permanentmagnet kleiner ausgelegt werden, bei weiterhin zuverlässiger Bewegung der magnetisierbaren Partikel in Richtung Wandung. Es können Material und Kosten bei Auslegung des wenigstens einen Permanentmagneten gespart werden.

Besonders vorteilhaft ist es, wenn der wenigstens eine Perma ^¬ nentmagnet ein Magnetfeld erzeugt, welches die magnetisierba ^¬ ren Partikel in Richtung Wandung des rohrförmigen Reaktors bewegt, ohne das die magnetisierbaren Partikel an der Wandung des rohrförmigen Reaktors unbeweglich haften. Bei Auslegung und Anordnung des wenigstens einen Permanentmagneten zur Erzeugung eines solchen Magnetfeldes bzw. eines Magnetfeldes dieser vorbestimmten Stärke, ist eine einfache und kosten- günstige Bewegung der Magnetpartikel mit geringem Energieauf ^¬ wand durch die Elektromagnete gewährleistet. Eine Störung der zeitlichen Kontinuität des Verfahrens kann verhindert werden, da keine stark haftenden magnetisierbaren Partikel an der Wandung den Ablauf des weiteren Verfahrens blockieren können.

Die Flüssigkeit mit magnetisierbaren Partikeln kann ein Gemisch aus Flüssigkeiten, insbesondere Öl und Wasser, und/oder eine Suspension, insbesondere aus Erz und Wasser sein.

Eine Komponente des Gemisches und/oder der Suspension kann an den magnetisierbaren Partikeln chemisch und/oder physikalisch gebunden werden. Die magnetisierbaren Partikel können zeitlich und/oder räumlich darauf folgend von der Flüssigkeit teilweise oder vollständig getrennt werden. Dabei kann eine Trennung z.B. über wenigstens eine Absaugleitung im dritten Bereich des rohrförmigen Reaktors erfolgen.

Die Flüssigkeit und/oder die magnetisierbaren Partikel können in einer Ausführungsform mit Hilfe der Schwerkraft und/oder mit Hilfe einer durch Pumpen erzeugten Strömung der Flüssigkeit vom ersten über den zweiten zum dritten Bereich des rohrförmigen Reaktors transportiert werden. Dabei kann im zweiten und/oder dritten Bereich eine teilweise oder vollständige Trennung von Flüssigkeit und magnetisierba ^¬ ren Partikeln erfolgen.

Die Trennung kann durch die Bewegung der magnetisierbaren Partikel durch das magnetische Feld des wenigstens einen Per ^¬ manentmagneten zur Wandung des rohrförmigen Reaktors, die Bewegung entlang der Wandung durch das magnetische Wanderfeld des wenigstens einen Elektromagneten und durch Absaugung der an der Wandung transportierten magnetischen Partikel über we- nigstens eine Absaugleitung zeitlich und räumlich aufeinanderfolgend erfolgen. Dabei kann die Flüssigkeit ohne oder im Wesentlichen ohne magnetisierbare Partikel über einen Abfluss unterschiedlich von der wenigstens einen Absaugleitung aus dem rohrförmigen Reaktor abgeleitet werden.

Der rohrförmige Reaktor kann auch als ein offenes Kreislauf- System betrieben werden, wobei Flüssigkeit und/oder magneti- sierbare Partikel, welche den rohrförmigen Reaktor verlassen, diesem wieder zugeführt werden. Dies kann z.B. nach weiteren Verfahrensschritten, bei welchen die Flüssigkeit und/oder magnetisierbaren Partikel Recyclingschritten bzw. einer Wie- deraufarbeitung unterworfen werden, erfolgen.

Die mit dem Verfahren zum Trennen magnetisierbarer Partikel von einer Flüssigkeit verbundenen Vorteile sind analog den Vorteilen, welche zuvor im Bezug auf die Anordnung beschrie- ben wurden und umgekehrt.

Bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung mit vorteilhaften Weiterbildungen gemäß den Merkmalen der abhängigen Ansprüche werden nachfolgend anhand der Figur näher erläutert, ohne je- doch darauf beschränkt zu sein.

Die Figur zeigt:

Fig. 1 eine schematische Schnittdarstellung einer erfin- dungsgemäßen Anordnung 1 mit rohrförmigen Reaktor

2.

Die in Figur 1 gezeigte Anordnung 1 umfasst einen rohrförmigen Reaktor 2, welcher von einer Flüssigkeit 3 mit magneti- sierbaren Partikeln 4 durchströmt wird. Der Reaktor 2 kann z.B. senkrecht zur Erdoberfläche aufgestellt sein, um die Gravitation nutzen zu können. So können eine Strömung der Flüssigkeit 3, und die Bewegung der magnetisierbaren Partikel 4 im Reaktor durch die Schwerkraft beeinflusst sein. Der Ein- fachheit halber nicht dargestellte Pumpen, können die Strö ^¬ mung der Flüssigkeit 3 zusätzlich unterstützen oder im Wesentlichen aufrechterhalten. Der Reaktor 2 kann im Wesentlichen in drei Bereiche unterteilt werden. Der erste Bereich 6 umfasst wenigstens einen oder mehrere Permanentmagnete 9, welche entlang des äußeren Umfangs des röhrförmigen Reaktors 2 angeordnet sind. Entspre- chend der Magnetisierung der magnetisierbaren Partikel 3 können die Permanentmagneten 9 mit ihrer Nordpolseite in Richtung rohrförmiger Reaktor 2 ausgerichtet sein oder alternativ mit ihrer Südpolseite. Auch eine alternierende Anordnung mit Permanentmagneten 9 mit Nordpol- und Südpolrichtung in Rich- tung Reaktor 2 bzw. Reaktormittelpunkt ist möglich.

Der zweite Bereich 7 des Reaktors 2 umfasst wenigstens einen Elektromagneten 10, welcher z.B. aus einer oder mehreren elektrischen Spulen mit und/oder ohne Eisenkern aufgebaut ist. In der Regel sind entlang der Längsachse des Reaktors 2 eine Reihe von Spulen angeordnet, welche geregelt oder ge ^¬ steuert nacheinander ein magnetisches Feld erzeugen können. Dadurch entsteht ein magnetisches Wanderfeld, welches z.B. eine Magnetfeldamplitude in Form einer Welle aufweisen kann, die in Strömungsrichtung der Flüssigkeit 3 bzw. entlang der Längsachse des Reaktors 2 zeitlich wandert. Die Spulen sind z.B. ringförmig um den äußeren Umfang des Reaktors 2 angeordnet . Im dritten Bereich 8 des Reaktors 2, welcher sich räumlich dem zweiten Bereich 7 entlang der Längsachse des Reaktors 2 anschließt, ist eine Absaugeinrichtung bzw. ein Absaugrohr oder mehrere Absaugrohre 11 angeordnet. An die Absaugrohre 11 kann ein Unterdruck angelegt werden.

Die Flüssigkeit 3 strömt vom ersten Bereich 6, über den zwei ^¬ ten Bereich 7 zum dritten Bereich 8 im röhrförmigen Reaktor 2. Am Anfang des ersten Bereiches 6 sind die magnetisierbaren Partikel 4 gleichmäßig in der Flüssigkeit 3 verteilt. Die Permanentmagnete 9 im ersten Bereich 6 erzeugen ein magneti ^¬ sches Feld im Inneren des röhrförmigen Reaktors 2 im ersten Bereich 6, welches die magnetisierbaren Partikel 4 an die Wandung des Reaktors 2 zieht bzw. bewegt. Durch die Strömung der Flüssigkeit 3 oder die Schwerkraft bewegen sich die mag- netisierbaren Partikel 4 an der Wandung entlang in den zweiten Bereich 7, welcher sich an den ersten Bereich 6 entlang der Längsachse des Reaktors 2 räumlich anschließt. Im zweiten Bereich 7 führt das Wanderfeld der Elektromagnete 10 zu einer Beschleunigung der magnetisierbaren Partikel 4 in Richtung entlang der Längsachse des Reaktors. Das Wanderfeld beschleu ^¬ nigt die Partikel 4 derart, dass sie sich in Form von Agglo ^¬ meraten sammeln und entlang der Wandung bewegen. Die agglome- rierten magnetisierbaren Partikel 4 werden durch das Wanderfeld der Elektromagneten 10 über den zweiten Bereich 7 in einen dritten Bereich 8 des rohrförmigen Reaktors 2 bewegt.

Im dritten Bereich 8 des Reaktors 2 sind entlang seinem Um- fangs Absaugrohre 11 angeordnet, welche beim Durchgang von agglomerierten magnetisierbaren Partikeln 4 kurzeitig geöffnet werden können. Über die Öffnung der Absaugrohre 11 in der Wandung des Reaktors 2 können die agglomerierten magnetisierbaren Partikel 4 abgesaugt werden. Nach Verschließen der Öff- nungen kann Flüssigkeit 3 ohne bzw. im Wesentlichen ohne magnetisierbaren Partikeln, welche sich zwischen Agglomeraten von Partikeln 4 in der Strömung befindet, aus dem Reaktor 2 abfließen, ohne über die Absaugrohre 11 abgesaugt zu werden. Dadurch erfolgt eine Trennung der magnetischen Partikel 4 durch Absaugung über die Absaugrohre 11 von der Flüssigkeit 3, welche den Reaktor 2 über den Reaktorausgang 12 ungleich den Öffnungen der Absaugrohre 11, verlässt.