DE102017008458A1

DE102017008458A1 - Apparatus and method for the continuous separation of magnetically attractable particles from a flowing fluid

Info

Publication number: DE102017008458A1
Application number: DE102017008458.0A
Authority: DE
Inventors: Bernd Halbedel; Yuri Kolesnikov
Original assignee: Technische Universitaet Ilmenau
Current assignee: Halbedel Bernd Dr Ing De; Kolesnikov Yuri Prof Dr De
Priority date: 2016-09-05
Filing date: 2017-09-05
Publication date: 2018-03-08
Also published as: DE102017008035A1

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung und ein damit realisierbares Verfahren zum kontinuierlichen magnetischen Separieren von para-, superpara- und ferro- oder ferrimagnetischen Partikeln, Kolloiden, chemischen Komplexen und/oder Metallionen (= magnetisch anziehbaren Teilchen) mittels magnetischer Felder und der damit in einem Kanal gebildeten Vektorgradientverteilung aus einem strömenden Fluid. Für die Erzeugung der magnetischen Vektorgradientverteilung (B→ ·∇)B→ werden elektrisch erregte Spulen und/oder Permanentmagnetanordnungen verwendet, deren magnetische Durchflutungen bzw. Magnetisierungen im Kanal entgegengesetzt gerichtet sind. Die separierten magnetisch anziehbaren Teilchen werden in kanalförmigen Vertiefungen oder an den Wandungen des Kanals, unterstützt von daran adaptierten, linearen Wanderfeldgeneratoren, kontrolliert über eine Drucksteuereinheit, bestehend aus Druck- und Durchflusssensoren sowie Gasreservoirs, in Speicherbehälter, und getrennt vom gereinigten Fluid abgeführt.The present invention relates to a device and a method that can be implemented therewith for the continuous magnetic separation of para-, superpara- and ferromagnetic or ferrimagnetic particles, colloids, chemical complexes and / or metal ions (= magnetically attractable particles) by means of magnetic fields and thus in one Channel formed vector gradient distribution from a flowing fluid. For the generation of the magnetic vector gradient distribution (B → ∇) B → electrically excited coils and / or permanent magnet arrangements are used, the magnetic flux or magnetizations in the channel are oppositely directed. The separated magnetically attractable particles are carried away in channel-shaped depressions or on the walls of the channel, supported by adapted, linear traveling field generators, controlled by a pressure control unit consisting of pressure and flow sensors and gas reservoirs, in storage tanks, and separated from the cleaned fluid.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung und ein damit realisierbares Verfahren zum kontinuierlichen Separieren von para-, superpara-, und ferro- oder ferrimagnetischen Partikeln, Kolloiden, chemischen Komplexen und Metallionen (im Folgenden magnetisch anziehbare Teilchen genannt) aus einem strömenden elektrisch leitfähigen oder nichtleitfähigen, aber nichtferromagnetischen Fluid mittels inhomogener magnetischer Felder, die außerhalb der Fluide mit ruhenden Magnetsystemen erzeugt werden und das Fluid durchdringen, sodass eine Kraft auf die im Fluid befindlichen magnetisch anziehbaren Teilchen verursacht wird, die zur Trennung (Separation) der magnetisch anziehbaren Teilchen vom Fluid führt.The present invention relates to a device and a method that can be implemented therewith for the continuous separation of para-, superpara-, and ferromagnetic or ferrimagnetic particles, colloids, chemical complexes and metal ions (hereinafter referred to as magnetically attractable particles) from a flowing, electrically conductive or nonconductive, but non-ferromagnetic fluid by means of inhomogeneous magnetic fields generated outside the fluids with stationary magnet systems and penetrating the fluid so as to cause a force on the magnetically attractable particles in the fluid which results in the separation (separation) of the magnetically attractable particles from the fluid.

Die magnetische Separation ist eine alt bekannte Standardtechnologie zum Trennen ferro- und/oder ferrimagnetischer Materialien aus dia- und/oder paramagnetischen Materialien in der Montan- und Recyclingindustrie sowie bei der Wasseraufbereitung [1, 2]. Neuere Anwendungen sind in der Biotechnologie zum Aufreinigen von Zellen, Viren, Proteine und Nukleinsäuren sowie bei der magnetischen Pharmakotherapie und gezielten Wirkstofffreisetzung zu finden [2, 3]. Jedoch ist eine kontinuierliche Separation mit vielen der bekannten Vorrichtungen und Verfahren nicht realisierbar.Magnetic separation is an old standard technology for separating ferromagnetic and / or ferrimagnetic materials from dia- and / or paramagnetic materials in the mining and recycling industry and in water treatment [1, 2]. More recent applications can be found in biotechnology for purifying cells, viruses, proteins and nucleic acids as well as in magnetic pharmacotherapy and targeted drug release [2, 3]. However, continuous separation with many of the known devices and methods is not feasible.

In der WO 02/26292 wird allerdings eine Vorrichtung zur Abtrennung von Substanzen aus Körperflüssigkeiten insbesondere Blut mittels Magnetfeldern vorgeschlagen, die kontinuierlich arbeitet. Dabei werden dem Fluid erst magnetische oder magnetisierbare Metallpartikel der Größe von 1 nm bis 30 μm zugegeben, die zudem noch eine zusätzliche Eigenschaft, eine sogenannte Bindungsaffinität zu einer aus der Körperflüssigkeit zu separierenden Substanz aufweisen. Das soll z. B. mit Liganden erreicht werden. Die so modifizierten, magnetischen oder magnetisierbaren Metallpartikel werden in einer Mischeinheit mit dem Fluid vermischt und zusammen mit der Körperflüssigkeit durch eine erste, magnetische Trenneinheit transportiert. Die vorgeschlagene Vorrichtung besteht somit aus mindestens zwei Einheiten – der Mischeinheit und eine damit in Fluidverbindung stehende erste, magnetische Trenneinheit, in der sich die modifizierten Metallpartikel mit den zu separierenden Substanzen infolge der Einwirkung eines Magnetfeldes entgegen der Schwerkraft im oberen Wandbereich, der mit Vertiefungen (Rillen, Mulden, u. a. m.) längs oder quer zur Strömungsrichtung ausgebildet ist, ansammeln und hier magnetisch fixiert werden sollen. Um das zu realisieren darf das Magnetsystem die Trenneinheit nicht umschließen, da sich ansonsten die modifizierten Metallpartikel mit den entsprechend der Modifizierung angedockten Substanzen aus der Körperflüssigkeit nicht nur am oberen, inneren Wandbereich sondern am gesamten Umfang ansammeln würden. Weiterhin soll das Magnetfeld über die Länge der Trenneinheit nicht konstant ausgebildet sein, sondern einen Gradienten aufweisen, indem die Magnetfeldstärke in Strömungsrichtung zunimmt. Damit will man erreichen, dass sich an der oberen Kanalinnenseite ansammelnde Metallpartikel gleichmäßig verteilen und den Kanaleinlass nicht verstopfen. Jedoch werden sich die Metallpartikel bei einer derart ausgebildeten Trenneinheit mit einem nur in einer Richtung wirkenden Feldgradienten

mit H = Magnetfeldstärke, B = magnetische Flussdichte, μ₀ = absolute Permeabilität, μ_r = relative magnetische Permeabilität, z = Ortskoordinate in Strömungsrichtung und e →_z Einheitsvektor in z-Richtung, nicht gleichmäßig in z-Richtung verteilen, sondern sich am Ende der Trenneinheit aufkonzentrieren. Diese örtlich, forcierte Ansammlung wird zudem dadurch verstärkt, dass hier die Magnetfeldfeldstärke zusätzlich wächst und den Feldgradienten vergrößert, weil die benutzten Metallpartikel eine höhere relative Permeabilität μ_r,m > 1 besitzen als das Fluid mit μ_r,F ≈ 1. Allerdings werden dann aber die äußeren Metallpartikel nicht mehr so gut magnetisch fixiert, sodass sie in der Folge mit der Körperflüssigkeit mittransportiert werden. Aus diesem Grund wird eine zweite magnetische Trenneinheit, die einen Kanalabschnitt mit einer in Schwerkraftrichtung ausgebildeten Vertiefung oder Ausbauchung umfasst, an dessen Eingang ein rotierendes Magnetsystem und an der Vertiefung/Ausbuchtung ein weiteres ruhendes Magnetsystem (Permanentmagnet oder Spule) adaptiert sind, nachgeschaltet. Das rotierende Magnetsystem soll dabei die von der Strömung mit-/abgerissenen oder in der ersten magnetischen Trenneinrichtung magnetisch nicht fixierten Metallpartikel in die Vertiefung/Ausbuchtung transportieren. Das an der Unterseite der Vertiefung/Ausbuchtung adaptierte Magnetsystem soll diese Metallpartikel dann unterstützt durch die Querschnittserweiterung des Kanals, der daraus folgenden Reduzierung der Strömungsgeschwindigkeit und damit der Schleppkräfte an die innere Unterseite der Vertiefung/Ausbuchtung des Kanalabschnittes in Richtung der Schwerkraft ziehen und hier fixieren. Somit benötigt die in der WO 02/26292 vorgeschlagene magnetische Separationsvorrichtung zur sicheren Funktion mindestens 3 Einheiten – eine Mischvorrichtung und 2 magnetische Trennvorrichtungen. Wie beschrieben, erfolgt die Separation entgegen und mit der Schwerkraft und immer partiell an einem Teil der Kanalinnenwand, weil die verwendeten Magnetsysteme die Kanalabschnitte nicht vollständig umschließen. Ebenso können mit dieser Vorrichtung aufgrund der verwendeten Magnetsysteme, ihre Ausbildung und des von ihnen generierten Magnetfeldgradienten auch nur magnetische oder magnetisierbare Metallpartikel, also Partikel, die aus ferromagnetischen Metallen, wie Eisen, Kobalt und Nickel, oder Legierungen daraus bestehen, und nicht andere organische und anorganische, die paramagnetisch oder ferritisch und somit auch magnetisch anziehbar sind, magnetisch separiert werden. Es wird auch bezweifelt, dass die magnetische Separation in dem vorgeschlagenen Größenbereich von 1 nm bis 30 μm möglich ist, da die magnetische Kraft mit kleiner werdender Partikelgröße kubisch sinkt und nanoskalige Metallpartikel (< 100 nm) in Körperflüssigkeiten wie Blut infolge des vorhandenen Sauerstoffes oxidieren und damit ihre magnetischen Eigenschaften verlieren.In the WO 02/26292 However, a device for the separation of substances from body fluids, in particular blood is proposed by means of magnetic fields, which operates continuously. Only magnetic or magnetizable metal particles of the size of 1 nm to 30 microns are added to the fluid, which also have an additional property, a so-called binding affinity to a substance to be separated from the body fluid. This should z. B. can be achieved with ligands. The thus modified, magnetic or magnetizable metal particles are mixed in a mixing unit with the fluid and transported together with the body fluid through a first, magnetic separation unit. The proposed device thus consists of at least two units - the mixing unit and a fluidly connected first, magnetic separation unit in which the modified metal particles with the substances to be separated as a result of the action of a magnetic field against gravity in the upper wall area, with recesses ( Grooves, hollows, etc.) is formed longitudinally or transversely to the flow direction, accumulate and are to be magnetically fixed here. To realize this, the magnet system must not enclose the separation unit, since otherwise the modified metal particles would accumulate with the substances docked according to the modification of the body fluid not only at the upper, inner wall area but the entire circumference. Furthermore, the magnetic field over the length of the separation unit should not be formed constant, but have a gradient by the magnetic field strength increases in the flow direction. This is to ensure that accumulate on the upper channel inside accumulating metal particles evenly and not clog the channel inlet. However, in a separating unit formed in this way, the metal particles will have a field gradient acting only in one direction

with H = magnetic field strength, B = magnetic flux density, μ ₀ = absolute permeability, μ _r = relative magnetic permeability, z = spatial coordinate in flow direction and e → _z unit vector in z-direction, not uniformly distributed in z-direction, but at the end concentrate the separation unit. This locally accelerated accumulation is further enhanced by the fact that the magnetic field field strength additionally increases and increases the field gradient because the metal particles used have a higher relative permeability μ _{r, m} > 1 than the fluid with μ _{r, F} ≈ 1. However, then but the outer metal particles are not so well magnetically fixed, so they are transported along with the body fluid in the episode. For this reason, a second magnetic separation unit, which comprises a channel section with a depression or bulge formed in the direction of gravity, at the input of which a rotating magnet system and on the depression / bulge another stationary magnet system (permanent magnet or coil) are adapted, is connected downstream. The rotating magnet system is intended to transport the metal particles which have been torn off by the flow or which have not been magnetically fixed in the first magnetic separation device into the depression / bulge. The adapted to the underside of the recess / bulge magnet system should then support these metal particles by the cross-sectional widening of the channel, the consequent reduction of the flow velocity and thus the drag forces to the inner bottom of the recess / bulge of the channel section in the direction of gravity and fix it here. Thus, the required in the WO 02/26292 proposed magnetic separation device for safe operation at least 3 units - a mixing device and 2 magnetic separation devices. As described, the separation takes place against and with gravity and always partially on a part of the channel inner wall, because the used Magnetic systems do not completely enclose the channel sections. Likewise, with this device, due to the magnetic systems used, their formation and the magnetic field gradients generated by them only magnetic or magnetizable metal particles, ie particles consisting of ferromagnetic metals such as iron, cobalt and nickel, or alloys thereof, and not other organic and inorganic, which are paramagnetic or ferritic and thus magnetically attractable, are magnetically separated. It is also doubted that the magnetic separation in the proposed size range of 1 nm to 30 microns is possible because the magnetic force decreases cubic with smaller particle size and nanoscale metal particles (<100 nm) in body fluids such as blood due to the existing oxygen oxidize and to lose their magnetic properties.

Eine andere, in der US 5,466,574 A vorgestellte Lösung beschreibt eine Methode, bei der ein Hochgradienten-Magnetseparator zum Isolieren von magnetisch markierten Substanzen, wie z. B. immunologische Wirkstoffe, aus einem nichtmagnetischen Testmedium, welches sich in einem nichtmagnetischen Behälter befindet und von einem inhomogenen Magnetfeld durchdrungen wird, dessen Gradient in Behälterwandnähe am größten ist, verwendet wird. Die magnetische Markierung der Substanzen erfolgt über einen Rezeptor auf kleinen magnetischen Partikeln, der die zu separierenden Substanzen mit den Magnetpartikeln verbindet, sodass die magnetische Separierung wieder mit Hilfe von magnetischen Partikeln erfolgt. Zudem erlaubt die Ausbildung lokaler Feldgradienten nicht die Separation im gesamten Volumen des Prozessbehälters.Another, in the US 5,466,574 A presented solution describes a method in which a high-gradient magnetic separator for isolating magnetically labeled substances such. As immunological agents, from a non-magnetic test medium, which is located in a non-magnetic container and is penetrated by an inhomogeneous magnetic field whose gradient is closest to the container wall, is used. The magnetic marking of the substances takes place via a receptor on small magnetic particles, which connects the substances to be separated with the magnetic particles, so that the magnetic separation takes place again with the aid of magnetic particles. In addition, the formation of local field gradients does not allow the separation in the entire volume of the process container.

Weiterhin ist aus dem Stand der Technik bekannt, dass mit magnetischen Gleichfeldern (DC-Feld) der Massetransport von paramagnetischen Ionen in heißen und kalten Elektrolyten beeinflusst werden kann. Beispiele hierfür sind die Beeinflussung der Keimbildung und des Kristallwachstums während des Abkühlens von Schmelzen [4], um funktionale Werkstoffe mit verbesserten bzw. neuen Eigenschaften herzustellen, oder das Up-Scaling bzw. Molecularsorting von Gläsern [5], um eine maximale Transmission für Solaranwendungen zu erreichen, oder die strukturierte elektrochemische Abscheidung von metallischen Schichten [6, 7]. In der DE 10 2006 022 147 B4 werden dazu eine Vorrichtung und ein Verfahren vorgeschlagen, die eine elektromagnetische Modifizierung von aus fluidischen Phasen hergestellten magnetischen Materialien – vorrangig eisenionenhaltige Glasschmelzen – mit einem inhomogenen magnetischen Feld geringer Intensität (<< 5 T), beliebigen zeitlichen Verhaltens ermöglichen sollen. Dazu wird ein Magnetsystem verwendet, das aus einem hufeisenförmigen Blechpaket besteht, auf dem entweder Spulen adaptiert sind oder in dem Permanentmagnete oder Hochtemperatursupraleiter integriert sind, welches ein vorrangig in einer Richtung inhomogenes Magnetfeld – senkrecht zur Hauptflussrichtung des magnetischen Feldes – durch einen sich verjüngenden Luftspalt – erzeugt. Der Gradient des Magnetfeldes wirkt vorzugsweise kollinear zur Schwerkraft. Im Luftspalt befindet sich in einem nichtferromagnetischen Behälter, der z. B. aus Platin besteht, das Fluid, in dem die Bestandteile durch Lösungs- und/oder Schmelzprozesse als Ionen vorliegen. Das Produkt aus magnetischer Flussdichte und Feldgradient (B →·∇)B → soll dabei so groß sein, dass die daraus resultierende magnetische Inhomogenitätskraft gegenüber allen anderen auf die paramagnetischen Ionen, vorrangig Eisenionen, wirkenden Kräfte im Fluid überwiegt. Die Größe des Produktes kann über den Erregerstrom des Elektromagneten so eingestellt werden, dass im Fluid eine Ionenverteilung entsteht, die bei Abkühlung des Fluides oder Realisierung von Fällungsreaktionen im Fluid über den dann folgenden Keimbildungs- und Kristallwachstumsprozess Kristalle mit maßgeschneiderten Eigenschaften entstehen. Nachteilig ist, dass das Material durch Lösen und/oder Schmelzen in eine fluidische Phase überführt werden muss, sodass die Bestandteile als hinreichend bewegliche Ionen vorliegen sowie dass das Produkt aus magnetischer Flussdichte und Feldgradient mit den vorgeschlagenen Designmöglichkeiten (Luftspaltverjüngung, Polschuhe, Erregung mit einer Spule oder Permanentmagneten bzw. Hochtemperatursupraleiter) bezüglich der Richtung nur kollinear zur Schwerkraft veränderlich und hinsichtlich des Betrages begrenzt variierbar ist, sodass andere Kräfte, die aus Wechselwirkungen zwischen den Ionen und Konvektionsströmungen resultieren und die insbesondere bei Schmelzprozessen nicht zu unterschätzen sind, überwiegen und somit keine vom Magnetfeld definierte Einstellung der Ionenverteilung zulassen.Furthermore, it is known from the prior art that with magnetic DC fields (DC field), the mass transport of paramagnetic ions in hot and cold electrolytes can be influenced. Examples include the influence of nucleation and crystal growth during the cooling of melts [4] to produce functional materials with improved or novel properties, or the up-scaling or molecular sorting of glasses [5] to a maximum transmission for solar applications or the structured electrochemical deposition of metallic layers [6, 7]. In the DE 10 2006 022 147 B4 For this purpose, an apparatus and a method are proposed which are intended to enable electromagnetic modification of fluid materials produced from magnetic phases - primarily iron ion-containing glass melts - with an inhomogeneous magnetic field of low intensity (<< 5 T), any temporal behavior. For this purpose, a magnet system is used which consists of a horseshoe-shaped laminated core on which either coils are adapted or in which permanent magnets or high-temperature superconductors are integrated, which has a predominantly inhomogeneous magnetic field - perpendicular to the main flow direction of the magnetic field - by a tapered air gap. generated. The gradient of the magnetic field is preferably collinear with gravity. In the air gap is in a non-ferromagnetic container, the z. B. is made of platinum, the fluid in which the components are present by solution and / or melting processes as ions. The product of magnetic flux density and field gradient (B → ∇) B → should be so large that the resulting magnetic inhomogeneity force over all other on the paramagnetic ions, primarily iron ions, acting forces in the fluid outweighs. The size of the product can be adjusted via the excitation current of the electromagnet so that an ion distribution is formed in the fluid, which on cooling of the fluid or realization of precipitation reactions in the fluid via the subsequent nucleation and crystal growth process crystals with tailor-made properties arise. The disadvantage is that the material must be converted by dissolution and / or melting in a fluidic phase, so that the components are present as sufficiently mobile ions and that the product of magnetic flux density and field gradient with the proposed design options (air gap taper, pole shoes, excitation with a coil or permanent magnets or high-temperature superconductor) with respect to the direction only collinear variable to gravity and limited in amount is variable, so that other forces resulting from interactions between the ions and Konvektionsströmungen and which are not to be underestimated, especially in melting processes, and thus none of Allow magnetic field defined setting of the ion distribution.

Zur Entfernung von Eisenverunreinigungen, die als Partikel oder als Phasen vorliegen, aus geschmolzenen Nichteisenmetallen oder -legierungen, wie z. B. Aluminium- oder Magnesiumlegierungsschmelzen wird in der DE 10 2012 222 434 A1 ein Verfahren vorgeschlagen, bei dem die Schmelze für eine bestimmte Zeit in ein statisches magnetisches Gradientenfeld, das analog mit Gl. (1) beschreibbar ist, eingebracht wird, um eisenhaltige Phasen aus dem Bereich mit geringerem Magnetfeldgradienten in einen Bereich mit einem größeren Magnetfeldgradienten zu bewegen und dadurch einen eisenreichen Bereich in der Schmelze zu bilden, der von dem übrigen an Eisen verarmten Bereich der Schmelze physikalisch (schöpfen, schütten, abzapfen, saugen und/oder pumpen) separiert werden kann. Um dabei den eisenarmen Schmelzteil nicht auch zu entfernen, sollen physikalische Barrieren zwischen eisenreichen und eisenarmen Bereich eingeführt werden oder zusätzlich das Magnetfeld aufrechterhalten werden. Zur Erzeugung des magnetischen Gradientenfeldes werden an das Schmelzgefäß adaptierte, nicht näher beschriebene, thermisch isolierte und/oder gekühlte Permanent- oder Elektromagnete genutzt. Die Verwendung dieser Lösung ist für niedrig schmelzende Nichteisenmetalle/-legierungen, deren Schmelztemperatur kleiner als die Curietemperatur von Eisen (770°C) ist, denkbar. Oberhalb dieser Temperatur wird selbst metallisches Eisen paramagnetisch und verfügt dann über eine signifikant kleinere relative magnetische Permeabilität, sodass auch die magnetische Gradientenkraft sehr klein ist. Zudem sind nicht alle Eisenverunreinigungen in Nichteisenmetall/-legierungsschmelzen metallisch, sondern vielmehr Eisenoxide, deren magnetisches Verhalten schon bei Raumtemperatur nicht ferromagnetisch ist und deren Curietemperaturen deutlich niedriger als 770°C sind. Weiterhin wird bei allen metallischen Schmelzen die durch Temperaturdifferenzen bedingte konvektive Schmelzströmung in einem statischen Magnetfeld aufgrund der hohen elektrischen Leitfähigkeit der Schmelze eine Lorentzkraft generieren, die die mit dem Gradientenfeld generierte, separierende magnetische Kraft nicht unterstützt, sondern zu Vermischungen führt.For the removal of iron impurities, which are present as particles or as phases, from molten non-ferrous metals or alloys, such. B. aluminum or magnesium alloy melts is in the DE 10 2012 222 434 A1 proposed a method in which the melt for a certain time in a static magnetic gradient field, the analogous to Eq. (1) is introduced to move iron-containing phases from the region of lower magnetic field gradient into a region having a larger magnetic field gradient and thereby to form an iron-rich region in the melt, physically separated from the remaining iron-depleted region of the melt. scoop, pour, tap, suck and / or pump) can be separated. In order not to remove the low-iron melting part as well, physical barriers between iron-rich and low-iron range should be introduced or in addition the magnetic field should be maintained. For generating the magnetic gradient field Be used to the melting vessel, not described in detail, thermally insulated and / or cooled permanent or electromagnets used. The use of this solution is conceivable for low-melting non-ferrous metals / alloys whose melting temperature is less than the Curie temperature of iron (770 ° C.). Above this temperature, even metallic iron becomes paramagnetic and then has a significantly smaller relative magnetic permeability, so that the magnetic gradient force is also very small. In addition, not all iron impurities in non-ferrous metal / alloy melts are metallic, but rather iron oxides whose magnetic behavior is not ferromagnetic even at room temperature and whose Curie temperatures are significantly lower than 770 ° C. Furthermore, due to the high electrical conductivity of the melt, in all metallic melts the convective melt flow caused by temperature differences in a static magnetic field will generate a Lorentz force which does not support the separating magnetic force generated by the gradient field but leads to mixing.

Aus der DE 10 2010 017 957 A1 ist weiterhin eine Vorrichtung zum Abscheiden ferromagnetischer Partikel aus einer Suspension, die beispielsweise bei der Erzaufbereitung durch Nassmahlprozesse entstehen, bekannt, die ein Wanderfeld zur magnetischen Separation nutzt. Man erwartet, dass die ferromagnetischen Partikel in den Zeitabschnitten und an den Orten, an denen die Feldstärke des Wanderfeldes maximal ist, radial nach außen bewegt werden und durch die axial erzwungene Strömung der Suspension und mit Hilfe des Wanderfeldes zum Austritt gefördert werden, wo eine Blende, die abhängig von der Menge der so separierten ferromagnetischen Partikel über ein gesteuertes Ventil mehr oder weniger geöffnet werden kann, angeordnet ist, womit Stoffströme getrennt abgeführt werden können. Die Vorrichtung ist rohrförmig und an ihrer Innenwand als Wanderfeldgenerator ausgebildet. Sie umfasst konzentrisch zur Innenwand einen rotationssymmetrischen Verdrängungskörper, so dass die Suspension durch einen Ringspalt in unmittelbarer Nähe zum Wanderfeldgenerator strömt. Allerdings hat das Wanderfeld nicht nur positive Maxima der magnetischen Feldstärke sondern auch negative, so dass die ferromagnetischen Partikel in den Zeitabschnitten mit negativen Feldstärke-Maxima wieder radial nach innen bewegt werden. Wichtig für den radialen Transport der ferromagnetischen Partikel nach außen sind nicht die Feldstärkemaxima sondern der Effektivwert der zeitlichen und örtlichen Änderung der Feldstärke des Wanderfeldes im Ringspalt der Vorrichtung. Des Weiteren wird die Wanderfeldgeschwindigkeit durch die Polpaarzahl und die Frequenz der Ströme, die den Wanderfeldgenerator speisen, bestimmt. Ist diese Geschwindigkeit zu groß, können die ferromagnetischen Partikel infolge ihrer Trägheit den Feldänderungen nicht folgen und es erfolgt eine unzureichende oder gar keine Separation. Ebenfalls ist es ein Irrtum, dass Eisenerze wesentliche Anteile metallisches Eisen enthalten, sondern Hauptbestandteile sind Eisenoxide, wie z. B. Magnetit (Fe₃O₄), Hämatit (Fe₂O₃) und Wüstit (FeO). Damit sind die durch Nassmahlung entstehenden Eisenerzpartikel nicht ferromagnetisch, sondern bestenfalls ferrimagnetisch, wenn der Hauptbestandteil Fe₃O₄ ist. Damit sind die für die magnetische Krafterzeugung notwendigen magnetischen Eigenschaften, wie die relative magnetische Permeabilität und Sättigungsinduktion deutlich kleiner als bei metallischem Eisen, sodass die mit einem Wanderfeldgenerator erzeugten Effektivwerte der Feldstärke im Ringspalt unzureichend für eine Separation sind.From the DE 10 2010 017 957 A1 Furthermore, a device for separating ferromagnetic particles from a suspension, which arise, for example, in ore processing by wet grinding processes, known, which uses a traveling field for magnetic separation. It is expected that the ferromagnetic particles will be moved radially outwards in the time periods and at the locations where the field strength of the traveling field is maximum and be promoted by the axially forced flow of the suspension and with the help of the traveling field to the outlet where a diaphragm , which can be more or less opened depending on the amount of the thus separated ferromagnetic particles via a controlled valve is arranged, whereby material flows can be discharged separately. The device is tubular and formed on its inner wall as a traveling field generator. It comprises concentric with the inner wall a rotationally symmetrical displacement body, so that the suspension flows through an annular gap in close proximity to the traveling field generator. However, the traveling field has not only positive maxima of the magnetic field strength but also negative, so that the ferromagnetic particles in the time periods with negative field strength maxima are moved radially inward again. Important for the radial transport of the ferromagnetic particles to the outside are not the field strength maxima but the rms value of the temporal and spatial change of the field strength of the traveling field in the annular gap of the device. Furthermore, the traveling field velocity is determined by the number of pole pairs and the frequency of the currents that feed the traveling field generator. If this speed is too high, the ferromagnetic particles, due to their inertia, can not follow the field changes and there is insufficient or no separation. It is also a mistake that iron ores contain substantial proportions of metallic iron, but main constituents are iron oxides, such as. As magnetite (Fe ₃ O ₄ ), hematite (Fe ₂ O ₃ ) and wustite (FeO). Thus, the iron ore particles produced by wet grinding are not ferromagnetic, but at best ferrimagnetic, when the main component is Fe ₃ O ₄ . Thus, the magnetic properties necessary for the magnetic force generation, such as the relative magnetic permeability and saturation induction are significantly smaller than with metallic iron, so that the rms field strength values generated in the annular gap with a traveling field generator are insufficient for separation.

Auch die in der DE 10 2008 047 842 A1 vorgeschlagene Vorrichtung zur kontinuierlichen magnetischen Abscheidung von ferromagnetischen Partikeln aus Suspensionen, die bei Nassmahlungen von Erzen entstehen, weist diese Schwäche auf. Es wird vorgeschlagen, ein Rohr, das von der mit ferromagnetischen Partikeln beladenen Suspension durchströmt wird, mit mindestens einer, vorteilhaft mehreren am Rohrumfang verteilt und in Richtung der Hauptströmung wiederkehrenden, abzweigenden Saugleitungen auszustatten, die unmittelbar an den Abzweigungen von einem Permanentmagneten umgeben sind, auf denen wiederum eine Spule angeordnet ist, mit denen das Magnetfeld des Permanentmagneten verstärkt (zur Separation) und geschwächt (zur Abführung mittels Unterdruck) werden kann. Es ist weiter vorgesehen, die abzweigengen Saugleitungen mit Ventilen zu versehen und diese sowie die Spulen auf den Permanentmagneten mit einer nicht näher beschriebenen Einheit zu steuern. Jedoch führt die Schwächung des Magnetfeldes des Permanentmagneten mit einer elektrisch erregten Spule, in deren Folge die separierten ferromagnetischen Partikel nicht mehr durch das Magnetfeld des Permanentmagneten gehalten werden, zu Abmagnetisierungen des Permanentmagneten, sodass letztendlich auch keine ausreichende magnetische Separation der ferromagnetischen Partikel aus der im Rohr strömenden Suspension realisiert werden kann.Also in the DE 10 2008 047 842 A1 proposed device for the continuous magnetic deposition of ferromagnetic particles from suspensions, which arise in wet grinding of ores, has this weakness. It is proposed to equip a pipe, which is traversed by the suspension laden with ferromagnetic particles, with at least one, advantageously a plurality of pipe circumference and recurring in the direction of the main flow, branching suction lines, which are surrounded directly at the branches of a permanent magnet on which in turn is arranged a coil with which the magnetic field of the permanent magnet reinforced (for separation) and weakened (for removal by means of negative pressure) can be. It is further provided to provide the branched suction lines with valves and to control these and the coils on the permanent magnet with a unit not described in detail. However, the weakening of the magnetic field of the permanent magnet with an electrically excited coil, as a result of which the separated ferromagnetic particles are no longer held by the magnetic field of the permanent magnet, leads to demagnetizations of the permanent magnet, so that ultimately no sufficient magnetic separation of the ferromagnetic particles from that in the tube flowing suspension can be realized.

Weitere bekannte magnetische Separatoren und Verfahren sind nur zum Recyceln, Sortieren oder Reinigen von Sekundärrohstoffen für Schrott und geschredderte bzw. zerkleinerte Materialien in der Metallurgie geeignet [8–10, US 2011 0163015 A1 ] – nicht aber für die Trennung von feinsten para-, superpara- und ferro-/ferrimagnetischen Partikeln, chemischen Komplexen und Ionen aus elektrisch leitfähigen oder nichtleitfähigen, aber nichtferromagnetischen strömenden Fluiden da die verwendeten magnetfelderzeugenden Systeme keine hinsichtlich der Verteilung und Intensität geeignete Vektorgradienten des Magnetfeldes generieren.Other known magnetic separators and processes are only suitable for recycling, sorting or cleaning secondary raw materials for scrap and shredded or comminuted materials in metallurgy [8-10]. US 2011 0163015 A1 ] - but not for the separation of finest para-, superpara- and ferromagnetic / ferrimagnetic particles, chemical complexes and ions from electrically conductive or nonconductive, but non-ferromagnetic flowing fluids since the magnetic field generating systems used no suitable with respect to the distribution and intensity vector gradients of the magnetic field to generate.

Zur Sortierung von paramagnetischen Mineralen im Feinkornbereich < 1 mm mit Suszeptibilitäten von 10^–2 bis 10^–5 werden Starkfeld-Magnetscheider (z. B. DE 36 10 303 C1 , US 4,941,969 ) eingesetzt, die mit ferromagnetischen Induktionselementen, ausgebildet als profilierte Platten, Kugeln, zylindrische Stäbe oder Drähte und senkrecht zu den Feldlinien angeordnet, Feldverzerrungen in dem von Magnetanordnungen (bestehend aus Permanent-, Elektromagneten oder supraleitenden Spulen), sonst homogenen Magnetfeld erzeugen, sodass in bestimmten Bereichen magnetische Anziehungs- oder Abstoßungskräfte auf paramagnetische bzw. nichtmagnetisierbare Partikel, die sich in einem flüssigen oder gasförmigen Trägermedium befinden, entstehen. Der Trägerstrom durchfließt sogenannte Trennkanäle, die sich in der Nähe oberhalb der Induktionselemente befinden. Sie sind im Querschnitt zweckmäßig so breit wie die Induktionselemente aber mindestens einmal bis vierfach so hoch. Nachteilig ist, dass die maximalen Feldgradienten außerhalb der Trennkanäle – nämlich physikalisch bedingt unmittelbar auf der Oberfläche der Induktionselemente – liegen, die Anziehungs- und Abstoßungskräfte durch das Material und die Querschnittsform der Induktionselemente festgelegt und nicht während des Prozesses an die Eigenschaften (Größe, Form, magnetische Suszeptibilität) der zu separierenden Partikel anpassbar sind sowie die Intensität des magnetischen Feldes durch die Sättigungsinduktion des Materials der Induktionselemente begrenzt ist. Auch in der US 4,663,029 wird eine ähnliche Anordnung und Verfahren für die kontinuierliche Trennung von paramagnetischen und diamagnetischen Partikeln in Slurries beschrieben. Hier wird als Induktionselement ein ferromagnetischer Draht genutzt, der an der schmalen Seite eines rechteckförmigen Kanals aus nichtferromagnetischem Material angeordnet ist, durch den der Slurry fließt. Allerdings sind die realisierbaren Flussdichten hierbei noch kleinerer, da aufgrund des geringen Drahtquerschnittes die Sättigungsinduktion des Drahtmaterials deutlich schneller erreicht ist. Somit sind nicht ausreichend große Produkte aus magnetischer Flussdichte und Feldgradient (B →·∇)B → im Kanal erreichbar. For sorting of paramagnetic minerals in the fine grain range <1 mm with susceptibilities of 10 ^-2 to 10 ^-5 Starkfeld magnetic separators (eg. DE 36 10 303 C1 . US 4,941,969 ) used with ferromagnetic induction elements, formed as profiled plates, balls, cylindrical rods or wires and arranged perpendicular to the field lines, field distortions in that of magnetic assemblies (consisting of permanent, electromagnet or superconducting coils), otherwise homogeneous magnetic field, so that in magnetic attraction or repulsion forces on paramagnetic or non-magnetisable particles which are located in a liquid or gaseous carrier medium. The carrier stream flows through so-called separation channels, which are located in the vicinity above the induction elements. They are useful in cross section as wide as the induction elements but at least once to four times as high. The disadvantage is that the maximum field gradients outside of the separation channels - namely physically directly on the surface of the induction elements - lie, the attraction and repulsion forces determined by the material and the cross-sectional shape of the induction elements and not during the process to the properties (size, shape, magnetic susceptibility) of the particles to be separated are adaptable and the intensity of the magnetic field is limited by the saturation induction of the material of the induction elements. Also in the US 4,663,029 A similar arrangement and method for the continuous separation of paramagnetic and diamagnetic particles in slurries is described. Here, a ferromagnetic wire is used as the induction element, which is arranged on the narrow side of a rectangular channel made of non-ferromagnetic material through which the slurry flows. However, the achievable flux densities are even smaller, since due to the small wire cross-section, the saturation induction of the wire material is achieved much faster. Thus, products of magnetic flux density and field gradient (B → · ∇) B → are not sufficiently large in the channel.

Eine andere bekannte Möglichkeit zur magnetischen Trennung von Feststoffpartikeln ist die Nutzung ihrer verschiedenen Dichte. Dazu müssen sich die Partikel in einem Ferrofluid befinden, das von einem veränderlichen Magnetfeld durchsetzt wird, um die wirksame Dichte zu verändern. Für den Aufbau eines Magnetfeldes werden meistens Permanentmagnetanordnungen vorgeschlagen (z. B. US 2,652,925 , US 4,347,124 , EP 1 800 753 , WO 2014/158 016 A1 ). So wird z. B. in der EP 1 800 753 dieses Magnetfeld beispielsweise durch Permanentmagnete mit alternierender Magnetisierungsrichtung senkrecht zur Strömungsrichtung des Ferrofluids erzeugt und das mit Partikeln beladene Ferrofluid entweder über oder unter der Magnetanordnung entlanggeführt. Für sehr große Vorrichtungen wird in der WO 2014/158 016 A1 ein Planarmagnet, bestehend aus einem Array aus Magnetpolen, die auf einer Platte aus weichmagnetischem Material miteinander verbunden sind, vorgeschlagen. Dieses magnetische Separationsprinzip benötigt spezielle, teure Fluide, die aus in einem Trägerfluid (Wasser oder Kohlenwasserstoff) stabil dispergierten, superparamagnetischen Nanopartikeln (γ-Fe₂O₃, Fe₃O₄, Fe/Fe₃O₄) bestehen, wobei die zu trennenden Partikel nicht ferro- oder ferrimagnetisch sein dürfen.Another known possibility for the magnetic separation of solid particles is the use of their different density. For this purpose, the particles must be in a ferrofluid, which is penetrated by a variable magnetic field in order to change the effective density. For the construction of a magnetic field usually permanent magnet arrangements are proposed (eg. US 2,652,925 . US 4,347,124 . EP 1 800 753 . WO 2014/158 016 A1 ). So z. B. in the EP 1 800 753 This magnetic field generated for example by permanent magnets with alternating magnetization direction perpendicular to the flow direction of the ferrofluid and passed along with the particles loaded ferrofluid either above or below the magnet assembly. For very large devices is used in the WO 2014/158 016 A1 a planar magnet, consisting of an array of magnetic poles, which are interconnected on a plate of soft magnetic material proposed. This magnetic separation principle requires special expensive fluids consisting of superparamagnetic nanoparticles stably dispersed in a carrier fluid (water or hydrocarbon) (γ-Fe ₂ O ₃ , Fe ₃ O ₄ , Fe / Fe ₃ O ₄ ) Particles should not be ferro- or ferrimagnetic.

Schließlich ist aus in der WO 2015/075317 A1 ein Verfahren zur Wiedergewinnung von Seltenerden aus Abfallsulfaten, die bei der Phosphatproduktion anfallen, bekannt. Dabei sollen die Sulfate (vorrangig Kalziumsulfate) mittels chemischer und/oder Bioreduktion in Metallsulfide umgewandelt werden und dann das gefällte Metallsulfid, das aufgrund der enthaltenden Seltenerdmetalle, wie z. B. Neodym, welches eine Suszeptibilität von mindestens 1000 oder mehr aufweisen soll, mit einem nicht näher beschriebenen Magnetseparator von dem Abfall getrennt werden. Die Effizienz dieser Methode ist allerdings gering, da die Seltenerdinhalte in den Sulfaten im mg/kg-Bereich liegen und die Anreicherung mittels Reduktion und Fällung unzureichend ist.Finally, in the WO 2015/075317 A1 a process for the recovery of rare earths from waste sulfates incurred in the production of phosphate known. In this case, the sulfates (primarily calcium sulfates) are converted by means of chemical and / or bioreduction into metal sulfides and then the precipitated metal sulfide, due to the containing rare earth metals such. B. Neodymium, which should have a susceptibility of at least 1000 or more, are separated by a unspecified magnetic separator from the waste. However, the efficiency of this method is low, since the rare earth contents in the sulfates in the mg / kg range and the enrichment by means of reduction and precipitation is insufficient.

Wesentlicher Nachteil aller bekannten magnetischen Separatoren ist, dass sie lediglich einen Magnetfeldgradienten gemäß Gl. (1) realisieren und deshalb magnetisch anziehbare Teilchen oft nur in metallischer Form aus den Prozessräumen separieren können. Andere magnetisch anziehbare Teilchen können aufgrund ihrer geringen paramagnetischen oder ferritischen Eigenschaften und/oder ihrer geringen Größe physikalisch bedingt gar nicht oder ungenügend aus Fluiden separiert werden. Außerdem sind diese bekannten Vorrichtungen hinsichtlich ihres konstruktiven Aufbaus und die dazugehörigen verfahren hinsichtlich ihrer Effizienz sehr aufwendig und nicht für industrielle Materialdurchsätze geeignet.A major disadvantage of all known magnetic separators is that they only have a magnetic field gradient according to Eq. (1) and therefore can often separate magnetically attractable particles only in metallic form from the process spaces. Due to their low paramagnetic or ferritic properties and / or their small size, other magnetically attractable particles can not at all or only insufficiently be separated from fluids for physical reasons. In addition, these known devices in terms of their structural design and the associated methods are very expensive in terms of their efficiency and not suitable for industrial material throughputs.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es deshalb, eine Vorrichtung und ein Verfahren zur kontinuierlichen Separation von para-, superpara-, ferro- oder ferrimagnetischen Partikeln, Kolloiden, chemischen Komplexen und Metallionen (= magnetisch anziehbare Teilchen) mittels magnetischer Felder aus strömenden elektrisch leitfähigen oder nichtleitfähigen, aber nichtferromagnetischen Fluiden bereitzustellen, mit denen solche magnetisch anziehbaren Teilchen im gesamten Prozessraum effizient aus dem durch die Vorrichtung strömenden Fluid separiert werden können und nach einer ausreichenden Separationszeit ein von den magnetisch anziehbaren Teilchen freier Fluidstrom und ein mit magnetisch anziehbaren Teilchen hochbeladener Materialstrom entstehen, die aus der Vorrichtung kontrolliert abgeführt werden können.It is therefore an object of the present invention to provide an apparatus and a method for the continuous separation of para-, superpara-, ferromagnetic- or ferrimagnetic particles, colloids, chemical complexes and metal ions (= magnetically attractable particles) by means of magnetic fields from flowing electrically conductive or nonconductive particles but to provide nonferromagnetic fluids capable of efficiently separating such magnetically attractable particles throughout the process space from the fluid flowing through the device and, after a sufficient separation time, creating a fluid stream free of the magnetically attractable particles and a material flow highly charged with magnetically attractable particles can be removed controlled from the device.

Erfindungsgemäß gelingt die Lösung dieser Aufgabe vorrichtungsseitig mit den Merkmalen des ersten Patentanspruchs und verfahrensseitig mit den Merkmalen des elften Patentanspruches. Vorteilhafte Ausgestaltungen der erfindungsgemäßen Lösung sind in den Unteransprüchen angegeben. According to the invention, the solution of this object succeeds on the device side with the features of the first patent claim and on the procedural side with the features of the eleventh patent claim. Advantageous embodiments of the solution according to the invention are specified in the subclaims.

Insbesondere wird vorgeschlagen, dass ein Fluid, welches magnetisch anziehbare Teilchen bis zu einer Größe von einigen Nanometern enthält, speziell gestaltete Kanäle oder Rohrleitungen, die in bevorzugten Ausführungsformen auch Seiten- und/oder Bodenkanälen aufweisen, aus nichtferromagnetischen Materialien durchströmt und von Magnetfeldern, die außerhalb der Kanäle/Rohrleitungen mit einer Kombination aus feststehenden Spulen- und/oder Permanentmagnetanordnungen erzeugt werden, so durchdrungen wird, dass nicht nur ein Feldgradient ∇B sondern eine Vektorgradientverteilung (B →·∇)B → = f(x, y, z) in den Kanälen entsteht. Diese Vektorgradientverteilung verursacht eine ortsabhängige Kraftverteilung f →_M(x, y, z) auf die magnetisch anziehbaren Teilchen, deren Intensität und Richtung über den Vektorgradienten mittels des Designs der Spulen- und/oder Permanentmagnetanordnung und dessen magnetische Durchflutung bzw. der Magnetisierung, angepasst an die magnetische Suszeptibilität, die Größe sowie die Form der magnetisch anziehbaren Teilchen und der Strömungsgeschwindigkeit, eingestellt werden kann. Infolge dieser Krafteinwirkung werden nur die magnetisch anziehbaren Teilchen in die seitlichen Bereiche des Kanals oder der Rohrleitung bzw. seine Seiten- und/oder Bodenkanäle bewegt, sodass die magnetisch anziehbaren Teilchen hier aufkonzentriert werden. Diese aufkonzentrierten magnetisch anziehbaren Teilchen werden, unterstützt von linearen Wanderfeldgeneratoren und ggfls. zusätzlich Unterdruck erzeugenden Hilfsmitteln, aus der Vorrichtung über dafür ausgebildete Kanalabschnitte abgeführt. Ebenso kann das von den magnetisch anziehbaren Teilchen freie (entladene) Fluid aus einem anderen Kanalabschnitt gesteuert mit im Austrittsbereich Unterdruck erzeugenden Hilfsmitteln ausströmen, so dass beide Materialströme weiteren Aufbereitungs-/Recyclingprozessen zugeführt werden können.In particular, it is proposed that a fluid containing magnetically attractable particles up to a size of a few nanometers, specially designed channels or pipelines, which in preferred embodiments also have side and / or bottom channels, flows through non-ferromagnetic materials and magnetic fields outside the channels / pipes are generated with a combination of fixed coil and / or permanent magnet arrangements, is penetrated such that not only a field gradient ∇B but a vector gradient distribution (B → the channels are created. This vector gradient distribution causes a location-dependent force distribution f → _M (x, y, z) on the magnetically attractable particles, their intensity and direction over the vector gradient by means of the design of the coil and / or permanent magnet arrangement and its magnetic flux or magnetization adapted the magnetic susceptibility, the size and shape of the magnetically attractable particles and the flow rate, can be adjusted. As a result of this force, only the magnetically attractable particles are moved into the lateral areas of the channel or pipeline or its side and / or bottom channels, so that the magnetically attractable particles are concentrated here. These concentrated magnetically attractable particles are, supported by linear traveling field generators and ggfls. additionally vacuum-generating aids, discharged from the device via channel sections designed for this purpose. Likewise, the (unloaded) fluid free from the magnetically attractable particles can flow out of another channel section in a controlled manner with aids which produce underpressure in the outlet region, so that both material streams can be supplied to further treatment / recycling processes.

Die in den Kanälen oder Rohrleitungen generierte Vektorgradientverteilung (B →·∇)B → = f(x, y, z) ergibt sich nicht nur aus der örtlichen Änderung von B sondern auch aus der Größe von B selbst. Es gilt:

The vector gradient distribution (B → · ∇) B → = f (x, y, z) generated in the channels or pipelines results not only from the local change of B but also from the size of B itself. The following applies:

Dies hat zur Folge, dass auf die magnetisch anziehbaren Teilchen mit einer magnetischen Suszeptibilität χ_m auch eine dreidimensionale magnetische Kraftdichteverteilung f_M(x, y, z) wirkt, für die gilt

wobei B → – den Vektor der magnetischen Flussdichte und (B →·∇)B → – den Vektorgradienten des B-Feldes darstellen. Aus Gleichung (3) wird leicht ersichtlich, dass die Größe der magnetischen Feldgradientenkraftdichte f →_M proportional von der Größe der magnetischen Suszeptibilität χ_m des jeweiligen Teilchens sowie vom Betrag des Vektorgradienten (B →·∇)B → des B-Feldes abhängt, der wiederum von der Größe der magnetischen Flussdichte B und seiner örtlichen Änderung bestimmt wird. Weiterhin bestimmt die Richtung von (B →·∇)B → die Richtung von f →_M und somit die Hauptbewegungsrichtung der magnetisch anziehbaren Teilchen mit der Suszeptibilität χ_m.As a result, the magnetically attractable particles having a magnetic susceptibility χ _m also have a three-dimensional magnetic force density distribution f _M (x, y, z), for which applies

where B → - represent the vector of the magnetic flux density and (B → · ∇) B → - the vector gradient of the B field. It is readily apparent from equation (3) that the magnitude of the magnetic field gradient force density f → _M depends proportionally on the size of the magnetic susceptibility χ _{m of} the respective particle and on the magnitude of the vector gradient (B → ∇) B → of the B field is again determined by the magnitude of the magnetic flux density B and its local change. Further, the direction of (B → · ∇) B → determines the direction of f → _M and thus the main moving direction of the magnetically attractable particles having the susceptibility χ _m .

Daneben beeinflussen natürlich weitere zu berücksichtigende Kraftdichten die Teilchenbewegung im strömenden Fluid. Das sind insbesondere:

• die Schwerkraftdichte f →_G f →_G = ρ_m·g → (4) mitρ_m = Dichte der magnetisch anziehbaren Teilchen und g → = die Erdbeschleunigung,
• die Auftriebskraftdichte f →_B f →_B = ρ_f·g → (5) mit ρ_f = die Fluiddichte, und • die Widerstandskraftdichte f →_D
mit A_m = Querschnittsfläche der magnetisch anziehbaren Teilchen, V_m = Volumen der magnetisch anziehbaren Teilchen u →_m = seine Geschwindigkeit und c_D(Re) = der Widerstandsbeiwert, abhängig von der Reynoldszahl
mit d_m = Größe der magnetisch anziehbaren Teilchen (bei Annahme sphärischer Partikel: d_m = Kugeldurchmesser), u _m = mittlere Strömungsgeschwindigkeit und η_f = dynamische Viskosität des Fluids.

In addition, of course, other force densities to be considered influence the particle movement in the flowing fluid. These are in particular:

• the gravitational density f → _G f → _G = ρ _m · g → (4) mitρ _m = density of the magnetically attractable particles and g → = the gravitational acceleration,
• the buoyancy force density f → _B f → _B = ρ _f · g → (5) with ρ _f = the fluid density, and • the resistivity density f → _D
with A _m = cross-sectional area of the magnetically attractable particles, V _m = volume of the magnetically attractable particles u → _m = its velocity and c _D (Re) = the drag coefficient, depending on the Reynolds number
with d _m = size of the magnetically attractable particles (assuming spherical particles: d _m = ball diameter), u _m = mean flow velocity and η _f = dynamic viscosity of the fluid.

Zur erfindungsgemäß angestrebten magnetischen Separation von magnetisch anziehbaren Teilchen aus einem strömenden Fluid muss gelten: f →_M ≥ f →_B + f →_D + f →_g (8) wobei die Widerstandskraftdichte f →_D als einzige Kraftdichte von der Geschwindigkeit der magnetisch anziehbaren Teilchen (f →_D ~ u → 2 / m ·c_D(Re)) und ihrer Größe (f →_D ~ 1/d_m) abhängig ist (vgl. Gl. (6)).For the desired magnetic separation of magnetically attractable particles from a flowing fluid according to the invention, the following must apply: f → _M ≥ f → _B + f → _D + f → _g (8) wherein the resistivity density f → _D is the only force density of the velocity of the magnetically attractable particles (f → _D ~ u → 2 / m · C _D (Re)) and its size (f → _D ~ 1 / d _m ) is dependent (see equation (6)).

Weitere Einflussgrößen sind die Dichte ρ_m der magnetisch anziehbaren Teilchen und die Dichte ρ_f des Fluids. Je größer diese Dichten werden, je größer werden auch die dazugehörigen Kraftdichten. Bei einer Mehrzahl der Anwendungen gilt ρ_m > ρ_f (9) Further influencing factors are the density ρ _{m of} the magnetically attractable particles and the density ρ _{f of} the fluid. The larger these densities become, the larger the corresponding force densities become. In a majority of applications applies ρ _m > ρ _f (9)

Ist das Fluid eine wässrige Suspension, treten zudem zwischen den Teilchen Van-der-Waals'sche und infolge der an der Grenzfläche fest/flüssig entstehenden Oberflächenladungen elektrostatische Wechselwirkungen auf. Diese elektrostatischen Wechselwirkungen wirken in einer Suspension mit nur einer Teilchenart abstoßend, können aber bei Vorhandensein unterschiedlicher Partikelarten, wie bei vielen Anwendungen vorliegend, auch anziehend sein, also wie die Van-der-Waals'sche Wechselwirkungen destabilisierend wirken. Van-der-Waals'sche Wechselwirkungen zwischen den Teilchen sind von deren Größe und deren Abstand abhängig. Dagegen sind die elektrostatischen Wechselwirkungen der Teilchen über die Teilchenkonzentration (Teilchenabstand), den pH-Wert und der Ionenkonzentration in der fluidischen Phase (Leitfähigkeit) variier- und einstellbar.If the fluid is an aqueous suspension, electrostatic interactions also occur between the van der Waals particles and surface charges resulting from solid / liquid interface. These electrostatic interactions are repulsive in a single particle suspension, but may also be attractive in the presence of different types of particles, as in many applications, such as the Van der Waals interactions destabilizing. Van der Waals interactions between particles depend on their size and distance. In contrast, the electrostatic interactions of the particles on the particle concentration (particle spacing), the pH and the ion concentration in the fluidic phase (conductivity) can be varied and adjusted.

Ist das strömende Fluid eine Schmelze, dann kann die Bewegung der zu separierenden Teilchen von Konvektionsströmungen infolge von Temperaturunterschieden im/am Kanal/Rohrleitung beeinflusst werden. Solche Konvektionsströmungen werden in den Ausführungsformen der erfindungsgemäßen Vorrichtung durch eine entsprechende Auslegung (thermische Isolierung, flache Ausbildung des Kanals) vermieden und sind demzufolge gegenüber der Hauptströmung vernachlässigbar. Weiterhin werden die bei metallischen Schmelzen infolge ihrer hohen elektrischen Leitfähigkeit in der vom Magnetfeld durchsetzten Schmelzströmung entstehenden Lorentzkraftdichten f →_L durch die Feldführung im Kanal klein gehalten, sodass gilt f →_L << f →_M.If the flowing fluid is a melt, then the movement of the particles to be separated can be influenced by convection currents due to temperature differences in the channel / pipe. Such convection currents are avoided in the embodiments of the device according to the invention by an appropriate design (thermal insulation, flat design of the channel) and are therefore negligible compared to the main flow. Furthermore, the metallic Melting due to their high electrical conductivity in the magnetic field interspersed melt flow resulting Lorentz force densities f → _L are kept small by the field guide in the channel, so that f → _L << f → _M.

Die magnetische Kraftdichteverteilung f →_M(x, y, z) im Kanal ist bei gegebener Suszeptibilität χ_m, Größe d_m und Form der zu magnetisch anziehbaren Teilchen über das Design der magnetfelderzeugenden Vorrichtung einstellbar und über die Größen der Ströme in den Spulen der Magnetsysteme kontrolliert steuerbar.The magnetic force density distribution f → _M (x, y, z) in the channel is adjustable for a given susceptibility χ _m , size d _m and shape of the magnetically attractable particles on the design of the magnetic field generating device and the sizes of the currents in the coils of the magnet systems controlled controllable.

Die Erfindung wird im Folgenden anhand der 1 bis 3 näher erläutert, die die Erfindung jedoch nicht einschränken.The invention will be described below with reference to the 1 to 3 explained in more detail, but not limit the invention.

Die in den Figuren dargestellten Ausführungsbeispiele unterscheiden sich untereinander durch:

• verschieden ausgeführte Kanäle/Rohrleitungen (1, 35, 43), die von einem teilchenbeladenen Fluid (2) durchströmt werden,
• das Design der magnetfelderzeugenden Systeme (4, 5, 6, 7, 38, 39, 40, 41, 46, 47, 48, 49) zur Erzeugung geeigneter Magnetfeldverteilungen B(x, y, z) und daraus resultierender Vektorgradientverteilungen (B →·∇)B → = f(x, y, z) bzw. magnetischer Kraftdichteverteilungen f →_M(x, y, z) in den Kanälen/Rohrleitungen zur Separation von magnetisch anziehbaren Teilchen aus einem strömenden Fluid und
• die Steuerung des Separationsprozesses über Durchflussmesser (22, 23, 24), Drucksensoren (31, 32, 33) und Gasreservoirs (28, 29, 30) in die Speicherbehälter (25, 26, 27) mit Steuereinheiten (34).

The embodiments illustrated in the figures differ from each other by:

• different channels / pipelines ( 1 . 35 . 43 ) derived from a particle-loaded fluid ( 2 ) are flowed through,
• the design of magnetic field generating systems ( 4 . 5 . 6 . 7 . 38 . 39 . 40 . 41 . 46 . 47 . 48 . 49 ) for generating suitable magnetic field distributions B (x, y, z) and resulting vector gradient distributions (B → ∇) B → = f (x, y, z) or magnetic force density distributions f → _M (x, y, z) in the Channels / pipes for separation of magnetically attractable particles from a flowing fluid and
• the control of the separation process via flow meter ( 22 . 23 . 24 ), Pressure sensors ( 31 . 32 . 33 ) and gas reservoirs ( 28 . 29 . 30 ) into the storage containers ( 25 . 26 . 27 ) with control units ( 34 ).

Vorzugsweise sind die Kanäle/Rohrleitungen (1, 35, 43) flach ausgeführt und mit einer Einströmöffnung für das beladene Fluid (2), Seiten- (16, 17 oder 36, 37) oder Bodenkanälen (44, 45) zur Aufnahme der separierten Teilchen (12), die an den Kanalenden in Austrittsöffnungen für die separierten Teilchenströme (19) übergehen, sowie Austrittskanälen (18, 42) für den gereinigten Fluidstrom (20) versehen, wobei die Kanäle/Rohrleitungen (1, 35, 43) von einem inhomogenen Magnetfeld B →(x, y, z) durchdrungen werden, welches aus der Überlagerung von mindestens zwei entgegensetzt gerichteten magnetischen Feldern gebildet wird. Außerdem wird gezeigt, wie die Separierung der magnetisch anziehbaren Teilchen aus dem strömenden, beladenen Fluid (1b, 2b und 3b) realisiert werden kann.Preferably, the channels / pipes ( 1 . 35 . 43 ) flat and with an inlet opening for the loaded fluid ( 2 ), Pages- ( 16 . 17 or 36 . 37 ) or floor channels ( 44 . 45 ) for receiving the separated particles ( 12 ), which at the channel ends in outlet openings for the separated particle flows ( 19 ) as well as exit channels ( 18 . 42 ) for the purified fluid stream ( 20 ), whereby the channels / pipelines ( 1 . 35 . 43 ) are penetrated by an inhomogeneous magnetic field B → (x, y, z), which is formed from the superposition of at least two oppositely directed magnetic fields. In addition, it is shown how the separation of the magnetically attractable particles from the flowing, loaded fluid ( 1b . 2 B and 3b ) can be realized.

In 1a ist ein Längsschnitt (oben), eine in A-A geschnittene Draufsicht (Mitte) und die in B-B geschnittene Seitenansicht (unten) der Ausströmseite einer ersten Ausführungsform der Vorrichtung zum kontinuierlichen magnetischen Separieren von magnetisch anziehbaren Teilchen aus einem strömenden Fluid (2) gezeigt. Der Kanal ist flach ausgebildet, d. h. sein Verhältnis Breite zu Höhe ist größer 1. Er besitzt eine Zuströmöffnung, die dem Kanalquerschnitt entspricht und drei voneinander getrennte Ausströmkanäle mit Öffnungen – zwei seitlich (16, 17), aus denen die separierten Teilchenströme (19) abgeführt werden, und einen mittig (18) angeordnet, aus dem das gereinigte (entladene) Fluid (20) abgeführt wird. An der Kanalober- und -unterseite sind je eine längliche Gleichstromspule (4, 5) mit einer Feldrichtung (9), die durch die Richtung der Stromdichte j festgelegt wird, positioniert, die je entweder einen Diamagneten oder eine der Feldrichtung (9) entgegengeschaltete flache Gleichstromspule oder einen der Feldrichtung (9) entgegen magnetisierten (8) Permanentmagneten (6, 7) umschließt, sodass das resultierende Magnetfeld (21) aus der Kanalmitte verdrängt wird und sich an den Kanalseiten konzentriert, aber die Feldrichtung (9) der länglichen Gleichstromspulen (4, 5) erhalten bleibt. Dadurch entsteht eine nach außen wirkende Vektorgradientverteilung (B →·∇)B → (12), die die magnetisch anziehbaren Teilchen nach außen bewegt (14). Von hier werden sie durch die aus der Strömung resultierenden Widerstandskraftdichte f →_D und unterstützt von den an den Seitenflächen des Kanals adaptierten linearen Wanderfeldgeneratoren (10) über die seitlichen Ausstrittskanäle (16, 17) mit Öffnungen abtransportiert.In 1a 3 is a longitudinal sectional view (top), a plan view (center) cut in AA, and the downstream side sectional view (bottom) of a first embodiment of the apparatus for continuously magnetically separating magnetically attractable particles from a flowing fluid (FIG. 2 ). The channel is flat, ie its ratio width to height is greater than 1. It has an inflow opening, which corresponds to the channel cross section and three separate outflow channels with openings - two laterally ( 16 . 17 ), from which the separated particle streams ( 19 ), and a central ( 18 ), from which the cleaned (discharged) fluid ( 20 ) is discharged. At the Kanalober- and -unterseite are each an elongated DC coil ( 4 . 5 ) with a field direction ( 9 ), which is determined by the direction of the current density j, which positions either one diamagnet or one of the field directions ( 9 ) opposed flat DC coil or one of the field direction ( 9 ) magnetized against ( 8th ) Permanent magnets ( 6 . 7 ), so that the resulting magnetic field ( 21 ) is displaced from the middle of the channel and concentrates on the channel sides, but the field direction ( 9 ) of the elongated DC coils ( 4 . 5 ) preserved. This produces an outward-acting vector gradient distribution (B → · ∇) B → ( 12 ) which moves the magnetically attractable particles to the outside (14). From here they are characterized by the resistance force density f → _D resulting from the flow and supported by the linear traveling field generators adapted to the side surfaces of the channel ( 10 ) via the lateral outflow channels ( 16 . 17 ) transported away with openings.

In 1b ist eine mögliche Durchflusssteuerung für die Ausführungsform nach 1a über die Druckdifferenzen p₁-p₂, p₁-p₃ und p₁-p₄ dargestellt, wobei p₁ den Druck auf der Einströmseite der Vorrichtung, p₂ und p₄ die Drücke in den Gasreservoirs (28 und 30) und damit in den Speicherbehältern (25 und 27), die über je einen Durchflußmesser (22 und 24) mit je einem seitlichen Austrittskanal (16 und 17), durch welche die separierten Teilchen strömen (19), fluidisch verbunden sind, und p₃ den Druck im Gasreservoir (29) und damit im Speicherbehälter (26), der über einen Durchflussmesser (23) an dem mittigen Kanalteil (18) angeschlossen ist, beschreiben. Während in der Regel der Eintrittsdruck p₁ am Kanal (1) dem Umgebungsdruck entspricht, werden die Drücke p₂, p₃ und p₄ in den Gasreservoirs (28, 29, 30) mit den Drucksensoren (31, 32, 33) gemessen und damit die Durchflüsse der separierten, magnetisch anziehbaren Teilchen (19) und des gereinigten Fluids (20) ermittelt und über die Durchflussmesser (22, 23, 24) in die Speicherbehälter (25, 26, 27) gesteuert überführt. Die Drücke p₂, p₃ und p₄ hängen bei gegebenem Durchfluss von den Festkonzentrationen in den Teilströmen (19 und 20) ab und dürfen zuvor bestimmte, dann festgelegte Limits/Sollwerte nicht überschreiten. Andernfalls wird der Durchfluss des beladenen Fluids (3) gedrosselt.In 1b is a possible flow control for the embodiment according to 1a are represented by the pressure differences p ₁ -p ₂ , p ₁ -p ₃ and p ₁ -p ₄ , where p _{1 is} the pressure on the inflow side of the device, p ₂ and p _{4 are} the pressures in the gas reservoirs (FIG. 28 and 30 ) and thus in the storage containers ( 25 and 27 ), each with a flow meter ( 22 and 24 ), each with a lateral outlet channel ( 16 and 17 ) through which the separated particles flow ( 19 ), are fluidically connected, and p _{3 is} the pressure in the gas reservoir ( 29 ) and thus in the storage container ( 26 ), via a flow meter ( 23 ) at the central channel part ( 18 ) is connected. While usually the inlet pressure p ₁ at the channel ( 1 ) Corresponds to the ambient pressure, the pressures p _2, p ₃ and p ₄ (in the gas reservoir 28 . 29 . 30 ) with the pressure sensors ( 31 . 32 . 33 ) and thus the flow rates of the separated, magnetically attractable particles ( 19 ) and the purified fluid ( 20 ) and via the flowmeters ( 22 . 23 . 24 ) into the storage containers ( 25 . 26 . 27 ) controlled. The pressures p ₂ , p ₃ and p ₄ depend on the fixed concentrations in the given flow Partial flows ( 19 and 20 ) and must not exceed certain, then fixed limits / setpoints. Otherwise, the flow of the loaded fluid ( 3 ) throttled.

In 2a ist eine zweite Ausführungsform für eine Vorrichtung zum kontinuierlichen magnetischen Separieren von magnetisch anziehbaren Teilchen aus einem strömenden Fluid (2) dargestellt – oben als Vorderansicht mit einem Auszug der in B-B geschnittenen Seitensicht auf der Ausströmseite und unten als in A-A geschnittene Draufsicht. Der Kanalquerschnitt ist hier im Bereich der Anordnung der Permanentmagnete (38, 39, 40, 41) doppel-L-förmig ausgebildet, sodass der Kanal (35) vorzugsweise über die gesamte Länge einen rechten (37) und linken (36) schmalen seitlichen Bodenkanal aufweist, die auf der Ausströmseite in Austrittsöffnungen für die separierten magnetisch anziehbaren Teilchen übergehen (vgl. in B-B geschnittene Seitensicht auf der Ausströmseite). Die notwendige inhomogene Flussdichteverteilung im Kanal (35) mit den zu den seitlichen Bodenkanälen (36, 37) gerichteten Vektorgradienten (B →·∇)B → (12), durch den die magnetisch anziehbaren Teilchen aus dem strömenden Fluid (2) entweder in den rechten (37) oder linken (36) seitlichen Bodenkanal gelangen, wird hier mit einer Permanentmagnetanordnung erzielt, deren Magnetisierungsrichtungen (8) so gestaltet sind, dass sich die Feldlinien (21) in der Mitte des Kanalquerschnittes schließen und zu den seitlichen Bodenkanälen (36, 37) gerichtet sind und in diesen sich überlagern. Die separierten Teilchen (15) werden über die seitlichen Bodenkanäle (36, 37) unterstützt von daran vorzugsweise beidseitig, adaptierten linearen Wanderfeldgeneratoren (10) abgeführt, sodass das gereinigte Fluid (20) auf der Ausströmseite über eine mittig angeordnete Ausströmöffnung (42) aus dem Kanal austreten oder abgeführt werden kann. Die Permanentmagnete (38, 39, 40, 41) im Ausführungsbeispiel gemäß 2a können auch teilweise oder vollständig als mit Gleichstrom gespeiste Spulen ausgeführt werden. Dabei müssen die Magnetfeldrichtungen der Spulen den dargestellten Magnetisierungsrichtungen (8) der substituierten Permanentmagnete (38 und/oder 39 und/oder 40 und/oder 41) entsprechen. Zur besseren Führung der magnetischen Felder können sie auch Kerne aus weichmagnetischen Materialien (Eisen, Eisen-Kobalt- oder Nickellegierungen u. a. m.) aufweisen.In 2a is a second embodiment of an apparatus for continuously magnetically separating magnetically attractable particles from a flowing fluid ( 2 ) - above as a front view with an extract of the cut in BB side view on the outflow side and bottom as in AA cut plan view. The channel cross-section is here in the region of the arrangement of the permanent magnets ( 38 . 39 . 40 . 41 ) has a double L-shaped design so that the channel ( 35 ) preferably over the entire length of a right ( 37 ) and left ( 36 ) has narrow side bottom channel, which merge on the outflow side in outlet openings for the separated magnetically attractable particles (see in BB cut side view on the outflow side). The necessary inhomogeneous flux density distribution in the channel ( 35 ) with the to the side floor channels ( 36 . 37 ) directed vector gradients (B → * ∇) B → ( 12 ), through which the magnetically attractable particles from the flowing fluid ( 2 ) either in the right ( 37 ) or left ( 36 ) lateral bottom channel, is achieved here with a permanent magnet arrangement whose magnetization directions ( 8th ) are designed so that the field lines ( 21 ) in the middle of the channel cross-section and to the lateral bottom channels ( 36 . 37 ) and overlap in these. The separated particles ( 15 ) are transmitted via the lateral floor channels ( 36 . 37 supported by preferably on both sides, adapted linear traveling field generators ( 10 ), so that the purified fluid ( 20 ) on the outflow side via a centrally arranged outflow opening ( 42 ) can escape from the channel or can be removed. The permanent magnets ( 38 . 39 . 40 . 41 ) in the embodiment according to 2a may also be partially or fully implemented as DC powered coils. In this case, the magnetic field directions of the coils must correspond to the magnetization directions ( 8th ) of the substituted permanent magnets ( 38 and or 39 and or 40 and or 41 ) correspond. For better guidance of the magnetic fields, they may also have cores of soft magnetic materials (iron, iron-cobalt or nickel alloys, etc.).

In 2b ist eine mögliche Durchflusssteuerung für die Ausführungsform nach 2a über die Druckdifferenzen p₁-p₂, p₁-p₃ und p₁-p₄, mit drei Durchflussmessern (22, 23, 24), drei Speicherbehältern (25, 26, 27), drei Gasreservoirs (28, 29, 30) sowie drei Drucksensoren (31, 32, 33) veranschaulicht. Für die Durchflusssteuerung gelten die zuvor bereits genannten Bedingungen.In 2 B is a possible flow control for the embodiment according to 2a via the pressure differences p ₁ -p ₂ , p ₁ -p ₃ and p ₁ -p ₄ , with three flow meters ( 22 . 23 . 24 ), three storage tanks ( 25 . 26 . 27 ), three gas reservoirs ( 28 . 29 . 30 ) as well as three pressure sensors ( 31 . 32 . 33 ). The previously mentioned conditions apply to the flow control.

In 3a ist eine dritte Ausführungsform für eine erfindungsgemäße Vorrichtung zum kontinuierlichen magnetischen Separieren von magnetisch anziehbaren Teilchen aus einem strömenden Fluid (2) – oben als Vorderansicht und unten als eine in A-A geschnittene Draufsicht – offenbart, bei welcher der Kanalquerschnitt vollständig von einer magnetisch geschlossenen Anordnung aus Permanentmagneten umgeben ist und der Kanal (43) in den Bereichen, in denen sich das von der Permanentmagnetanordnung erzeugte magnetische Feld (21) überlagert, tiefer liegende Abschnitte, sogenannte untere Bodenkanäle (44, 45) aufweist. Dadurch entsteht die schematisch dargestellte Flussdichteverteilung (50) mit den Vektorgradienten (12), wodurch sich die magnetisch anziehbaren Teilchen in die Bodenkanäle (44, 45) bewegen, hier aufkonzentriert werden und das beladene Fluid (2) in Strömungsrichtung (3) immer freier von den magnetisch anziehbaren Teilchen wird und am Kanalende über die oberen Kanalabschnitte (42) als gereinigtes Fluid (20) abgeführt werden kann. Die separierten magnetisch anziehbaren Teilchen (15) werden über die Bodenkanäle (44, 45) abgeführt. Die Permanentmagnetanordnung besteht hier zur Erzeugung der oben beschriebenen Flussverteilung aus einer ebenen Halbachanordnung (46, 47) und daran adaptierte Seitenmagnete (48, 49). Selbstverständlich ist es auch denkbar, mehrere Halbbachanordnungen nebeneinander zu schalten. In diesem Fall sollte der Kanal an den Stellen, an denen sich die Magnetfelder (8) überlagern, weitere Bodenkanäle aufweisen.In 3a FIG. 3 is a third embodiment of an apparatus for continuously magnetically separating magnetically attractable particles from a flowing fluid (FIG. 2 ) Is shown at the top as a front view and at the bottom as a top view cut in AA, in which the channel cross section is completely surrounded by a magnetically closed arrangement of permanent magnets and the channel (FIG. 43 ) in the areas where the magnetic field generated by the permanent magnet arrangement ( 21 superposed, lower lying sections, so-called lower floor channels ( 44 . 45 ) having. This results in the schematically represented flux density distribution ( 50 ) with the vector gradients ( 12 ), causing the magnetically attractable particles in the soil channels ( 44 . 45 ), concentrated here and the loaded fluid ( 2 ) in the flow direction ( 3 ) becomes ever freer from the magnetically attractable particles and at the channel end over the upper channel sections ( 42 ) as purified fluid ( 20 ) can be dissipated. The separated magnetically attractable particles ( 15 ) are transmitted via the floor channels ( 44 . 45 ) dissipated. The permanent magnet arrangement consists in this case of generating the above-described flux distribution from a planar Halbachanordnung ( 46 . 47 ) and adapted side magnets ( 48 . 49 ). Of course, it is also conceivable to connect several Halbbachanordnungen side by side. In this case, the channel should be at the points where the magnetic fields ( 8th ) overlay, have further floor channels.

In 3b ist wieder eine mögliche Durchflusssteuerung für die Ausführung nach 3a über die Druckdifferenzen p₁-p₂, p₁-p₃, p₁-p₄, p₁-p₅ und p₁-p₆ dargestellt. Allerdings benötigt man aufgrund der höheren Zahl der Austrittskanäle entsprechend mehrere Durchflussmesser, Speicherbehälter, Gasreservoirs sowie Drucksensoren. Ansonsten gelten die für die Durchflusssteuerung bereits offenbarten Bedingungen. Außerdem zeigt der Schnitt A-A auf der Austrittseite des Kanals (43) eine bevorzugte Gestaltung des Austrittsbereiches. Die Bereiche oberhalb der Bodenkanäle (44, 45) sind hierbei verschlossen, sodass sich die gereinigten Fluidteilströme (20) nicht erneut mit den separierten Teilchenströmen (19) vermischen können.In 3b is again a possible flow control for execution after 3a the pressure differences p ₁ -p ₂ , p ₁ -p ₃ , p ₁ -p ₄ , p ₁ -p ₅ and p ₁ -p ₆ are shown. However, due to the higher number of outlet channels correspondingly more flow meters, storage tanks, gas reservoirs and pressure sensors are required. Otherwise, the conditions already disclosed for the flow control apply. In addition, the section AA on the exit side of the channel ( 43 ) a preferred design of the exit area. The areas above the floor channels ( 44 . 45 ) are closed in this case, so that the purified fluid fractions ( 20 ) again with the separated particle streams ( 19 ) can mix.

Vorteilhafte Anwendungen der erfindungsgemäßen Vorrichtung und des dazugehörigen Verfahrens sind:

• die kontinuierliche Aufreinigung von nichtmetallischen Schmelzen, wie Aluminium-, Kupfer-, Glas- und Salzschmelzen durch magnetische Separation von darin befindlichen eisen-, nickel- und oder kobalthaltigen magnetisch anziehbaren Teilchen, und
• die kontinuierliche Aufreinigung von Dispersionen durch magnetische Separation von magnetisch anziehbaren Teilchen, die über die Rohstoffe und/oder über den Verschleiß bei ihrer Herstellung (z. B. durch Mahlung, Desagglomeration, Dispergierung) entstanden sind.

Advantageous applications of the device according to the invention and the associated method are:

The continuous purification of non-metallic melts, such as aluminum, copper, glass and molten salts, by magnetic separation of iron-, nickel- and cobalt-containing magnetically attractable particles therein, and
• the continuous purification of dispersions by magnetic separation of magnetically attractable particles, which are formed by the raw materials and / or by the wear during their production (eg by grinding, deagglomeration, dispersion).

Weitere Anwendungen der erfindungsgemäßen Vorrichtung und des dazugehörigen Verfahrens sind die Aufkonzentration von magnetisch anziehbaren Teilchen in der Montanindustrie zur Gewinnung von Rohstoffen und beim Recycling von Materialien zur Wiederverwendung von Ausgangstoffen. In beiden Fällen – Aufreinigung und Aufkonzentration – können industriell relevante Massenströme hochreiner Materialsysteme bereitgestellt werden. Ein entscheidender Vorteil bei Anwendung der erfindungsgemäßen Vorrichtung und des dazugehörigen Verfahrens besteht darin, dass die magnetische Separation kontaktlos, das heißt ohne mechanische und/oder anderweitige Hilfsmittel realisiert werden kann.Further applications of the apparatus and its method according to the invention are the concentration of magnetically attractable particles in the mining industry for the extraction of raw materials and in the recycling of materials for the reuse of starting materials. In both cases - purification and concentration - industrially relevant mass flows of highly pure material systems can be provided. A decisive advantage when using the device according to the invention and the associated method is that the magnetic separation can be realized without contact, that is to say without mechanical and / or other aids.

BezugszeichenlisteLIST OF REFERENCE NUMBERS

1, 35, 431, 35, 43: Kanalchannel
22: Fluid mit magnetisch anziehbaren TeilchenFluid with magnetically attractable particles
33: Strömungsrichtungflow direction
4, 54, 5: Gleichstromspulen (DC-Spulen)DC coils (DC coils)
6, 76, 7: Permanentmagnete oder DC Spulen oder DiamagnetPermanent magnets or DC coils or Diamagnet
88th: Magnetisierungsrichtung der PermanentmagneteMagnetization direction of the permanent magnets
99: Richtung des magnetisches Feldes der Gleichstromspulen (4, 5)Direction of the magnetic field of the DC coils ( 4 . 5 )
1010: linearer Wanderfeldgeneratorlinear traveling field generator
1111: WanderfeldrichtungTraveling wave direction
1212: Richtung des magnetischen VektorgradientenDirection of magnetic vector gradient
1313: Bereich des maximalen magnetischen FeldgradientenRange of maximum magnetic field gradient
1414: Bewegungsrichtung der magnetisch anziehbaren TeilchenDirection of movement of magnetically attractable particles
1515: separierte magnetisch anziehbare Teilchenseparated magnetically attractable particles
16, 1716, 17: seitliche Austrittskanäle für separierte, magnetisch anziehbare TeilchenLateral exit channels for separated, magnetically attractable particles
18, 4218, 42: Austrittskanäle für das gereinigte FluidOutlet channels for the purified fluid
1919: Strom der separierten, magnetisch anziehbaren TeilchenStream of separated, magnetically attractable particles
2020: gereinigter Fluidstrompurified fluid stream
2121: magnetische Feldlinienmagnetic field lines
22, 23, 2422, 23, 24: DurchflussmesserFlowmeter
25, 26, 2725, 26, 27: Speicherbehälterstorage container
28, 29, 3028, 29, 30: Gasreservoirsgas reservoir
31, 32, 3331, 32, 33: Drucksensorenpressure sensors
3434: Steuereinheitcontrol unit
36, 3736, 37: Seitenkanäleside channels
38, 39, 40, 4138, 39, 40, 41: Permanentmagnete oder DC SpulenPermanent magnets or DC coils
44, 4544, 45: Bodenkanälefloor ducts
46, 4746, 47: HalbachmagnetanordnungHalbach magnet arrangement
48, 4948, 49: Seitenmagnete oder DC SpulenSide magnets or DC coils
5050: Verteilung der magnetischen FlussdichteDistribution of the magnetic flux density
jj: Stromdichtecurrent density
p₁, p₂, p₃, p₄, p₅, p₆ p ₁ , p ₂ , p ₃ , p ₄ , p ₅ , p ₆: Druckprint
BB: magnetische Flussdichtemagnetic flux density
(B →·∇)B →(B → · ∇) B →: Vektorgradient des magnetischen FeldesVector gradient of the magnetic field

LiteraturlisteBibliography

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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION

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Zitierte PatentliteraturCited patent literature

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WO 2015/075317 A1 [0012]

Claims

Apparatus for the continuous separation of magnetically attractable particles from an electrically conductive or non-conductive but non-ferromagnetic flowing fluid, comprising: at least one unit ( 1 . 35 . 43 ) for continuously receiving a fluid loaded with magnetically attractable particles ( 2 ) with an inlet opening and at least two channel-shaped outlet openings ( 16 . 17 . 36 . 37 . 44 . 45 ) for the removal of the separated magnetically attractable particles ( 15 ) and at least one channel-shaped outlet opening ( 18 . 42 ) for removing the discharged fluid ( 20 ) and • at least two magnetic field generating systems ( 4 . 5 . 6 . 7 . 38 . 39 . 40 . 41 . 46 . 47 . 48 . 49 ), the magnetic field generating systems ( 4 . 5 . 6 . 7 . 38 . 39 . 40 . 41 . 46 . 47 . 48 . 49 ) the unit ( 1 . 35 . 43 ) at least partially enclose and mutually oppositely directed magnetic fields, which in the interior of the unit ( 1 . 35 . 43 superimpose such that in the region of the channel-shaped outlet openings ( 16 . 17 . 36 . 37 . 44 . 45 ) for the removal of the separated magnetically attractable particles ( 15 ) the vector gradient is greatest.

Device according to claim 1, wherein the cross section of the unit ( 1 . 35 . 43 ) is formed rectangular or oval with a width / height ratio in the flow direction greater than 1.

Apparatus according to claim 1 or 2, wherein the channel-shaped outlet openings ( 16 . 17 ) for the removal of the separated magnetically attractable particles ( 19 ) in the flow direction behind the magnetic field generating systems ( 4 . 5 . 6 . 7 ) as separate areas of the unit ( 1 ) are formed.

Apparatus according to claim 3, wherein in each case a magnetic field generating system in the flow direction above and below the unit ( 1 ) and a permanent or diamagnetic ( 6 ) enclosing DC coil ( 4 . 5 ).

Apparatus according to claim 1 or 2, wherein the unit ( 35 . 43 ) in the effective range of the magnetic field generating systems ( 38 . 39 . 40 . 41 . 46 . 47 . 48 . 49 ) in the flow direction below and / or laterally channel-shaped depressions, which in the outlet openings ( 36 . 37 . 44 . 45 ) for removal of the separated magnetically attractable particles.

Apparatus according to claim 5, wherein the magnetic field generating systems are permanent magnets which are above and below ( 38 . 39 ) and laterally ( 40 . 41 ) to unity ( 35 ) are arranged.

Apparatus according to claim 5, wherein the magnetic field generating systems as Halbach array ( 46 . 47 ) with adapted side magnets ( 47 . 48 ) are executed.

Apparatus according to claim 5, 6 or 7, wherein the channel-shaped outlet opening ( 42 ) for removing the discharged fluid ( 20 ) in the area above the outlet openings ( 36 . 37 . 44 . 45 ) is sealed fluid-tight for removal of the separated magnetically attractable particles.

Device according to one of the preceding claims, wherein the unit ( 1 . 35 . 43 ) at least one linear traveling field generator ( 10 ) at the channel-shaped recesses and / or on the wall of the unit ( 1 . 35 . 43 ) is arranged.

Device according to one of the preceding claims, wherein the channel-shaped outlet openings ( 16 . 17 . 36 . 37 . 44 . 45 ) for the removal of the separated magnetically attractable particles ( 15 ) and the channel-shaped outlet openings ( 18 . 42 ) for removing the discharged fluid ( 20 ) are fluidly connected to a pressure control system and wherein the pressure control system comprises a control unit ( 34 ) and for each outlet opening a flow meter ( 22 . 23 . 24 ), a pressure sensor ( 31 . 32 . 33 ), a gas reservoir ( 28 . 29 . 30 ) and a storage container ( 25 . 26 . 27 ).

A process for the continuous separation of magnetically attractable particles from flowing, electrically conductive or non-conductive, but non-ferromagnetic fluids with an apparatus according to any one of claims 1 to 10, wherein the magnetically attractable particles in the unit ( 1 . 35 . 43 ) in the areas with the largest vector gradient and the discharged fluid ( 20 ) via the outlet openings ( 18 . 42 ) and the separated magnetically attractable particles via the outlet openings ( 16 . 17 . 36 . 37 . 44 . 45 ) are removed continuously.

The method of claim 11 comprising an apparatus according to claim 10, wherein the flow rates of the separated particles ( 19 ) and the purified fluid stream ( 20 ) are controlled according to predetermined setpoints.

A method of separating magnetically attractable particles of different magnetic susceptibility and particle size from a flowing electrically conductive or nonconductive but non-ferromagnetic fluid using a plurality of cascaded devices according to any of claims 1 to 10, wherein the generated magnetic field distributions match the different magnetic susceptibilities and particle sizes Have vector gradient distributions such that the magnetically attractable particles ( 15 ) stepwise according to the size of its magnetic susceptibility from the flowing fluid ( 2 ) are separated.