NO821641L - Fremgangsmaate og apparat for separering av partikler med forskjellige fysiske egenskaper - Google Patents

Abstract

En partikkelseparator (10) er innrettet for å lade opp. de partikler (11) som skal separeres samt å føre disse gjennom et elektrisk vekselfelt med varierende styrke i en tverretning vinkelrett på partiklenes freraføringsret-ning, idet de elektriske feltlinjer også har en krumning i samme retning.artiklene som beveger seg langs de krumme feltlinjer på grunn av sin ladning utsettes således. for en sentrifugalkraft som frembringer deres separering.Separatoren omfatter et par ledende elektroder (14, 19),. hvorav den første er hovedsakelig horisontal eller even-tuelt danner en liten vinkel med horisontalretningen, og den annen er montert rett ovenfor den første i en forut bestemt vinkel ( «) med denne. Disse elektroder kan være plane eller krumme. Det elektriske felt frembringes ved hjelp av en vekselstrømkilde (20) som arbeider i frekvens-området 3 til 1000 Hz. En mekanisk vibrator (13) som er festet til den første elektrode (14) , meddeler fremover-rettet bevegelse til partiklene.

Description

Foreliggende oppfinnelse gjelder elektrostatisk separer-

ing av partikler med forskjellige fysiske egenskaper og særlig separering av partikler ved anvendelse av et vekslende ponensialfelt.

I industrien finnes det mange mekaniske og elektrostatiske metoder for separering av granulerte faste materialer.

De mekaniske metoder, som omfatter sikteapparater og fluidi-serte leier, er særlig hensiktsmessig hvis det er stor for-skjell i partikkelstørrelsen eller hvis egenvekten av komponentene i den granulerte blanding er forskjellig. Elektrostatiske separatorer, som benytter høyspenningsfelt for tiltrekning eller frastøting av visse partikler, er særlig egnet ved partikkelblandinger- hvor partiklene avviker vesentlig i ladning. Sådanne systemer er funnet å bli ganske kompliserte ved blandinger bestående av mer enn to komponenter, og det er funnet at flere separasjonsomganger er nødvendig for å gi godtagbar separering av komponentene.

Det er.derfor et formål for foreliggende oppfinnelse og an-gi en elektrostatisk separator for partikler med forskjellige fysiske egenskaper, slik som ledningsevne, størrelse eller densitet.

Dette og andre formål oppnås ved at partiklene lades og drives i en fremover-retning gjennom et vekslende elektrisk felt med varierende intensitet i en retning vinkelrett på fremover-retningen, og som har feltlinjer med krumning i samme vinkelrette retning. De partikler som beveger seg langs de krumme feltlinjer i kraft av sin ladning utsettes; således for en sentrifugalkraft i tverretningen. Sentrifugalkraften på hver partikkel avhenger av dens masse, størrel-se og elektriske ladning, og på denne måte kan forskjellige partikler adskilles langs denne tverretning. Partiklene lades ved gnidningselektrisitet og/eller ved ledende induk-sjon. Partiklenes bevegelse i retning fremover kan meddeles ved mekansik vibrasjon. Vekselfeltet kan bringes til å svinge ved en frekvens på 3 til 1000 Hz.

Den foreliggende elektriske separator for partikler med forkjellige fysiske egenskaper omfatter en første og en annen ledende elektrodeinnretning, som hver har et overflateområde av forut bestemt lengde og bredde. Den annen elektrodeinnretning er anordnet i sådan avstand fra den første at en spenning på trykket mellom elektrodeflåtene vil frembringe et elektrisk felt av uensartet intensitet over elektrodenes bredde, samtidig som feltlinjene mellom elektrodene vil ha en krumning i elektrodenes bredderetning. En effektkilde med forut bestemt spenning og frekvens an-vendes for å påtrykke spenning mellom elektrodene. De partikler som skal separeres bringes til å strømme ned på elektrodeflaten ved den ene ende av den første elektrode i et område med høy feltstyrke, og drives gjennom det elektriske felt i elektrodenes lengderetning. Både den første og den anne elektrode innretning kan ha hovedsakelig plane overflater som er montert for å danne en mellomliggende vinkel langs elektrodenes bredde. I henhold til andre versjon-er av foreliggende oppfinnelse kan imidlertid den første elektrodeinnretning ha en hovedsakelig plan overflate, mens den annen elektrodeinnretning kan ha krum overflate, idet disse flater er anordnet for å ha konstant mellomliggende tverrsnitt i elektrodenes lengderetning.

I henhold til et annet trekk ved foreliggende oppfinnelse, kan den første elektrodeflate være hovedsakelig horisontal i sin lengde- og breddeutstrekning, den kan imidlertid og-så være skråstilt i breddeutstrekningen i retning av den høyeste feltintensitet.

Separatoren kan videre omfatte et skikt av de elektrisk material anordnet på overflaten av den annen elektrode mellom de to elektroder.

For å drive partiklene i fremoverretningen, kan en mekanisk vibrator være festet til den første elektrodeinnretning.

Mange ytterligere formål og særtrekk ved oppfinnelsen vil bli klarere forstått ut i fra følgende nærmere beskrivelse av de vedføyde tegninger, hvorpå:

Figur 1 viser separatoren sett forfra.

Figur 2 viser et tverrsnitt av separatoren i figur 1.

Figur 3 angir de krumme elektriske felt linjer mellom elektrodene . Figurene 4 og 5 angir forskjellige elektrodeutførelser.. Figurene 6, 8 og 10 er uttrekkskurver for flyveaske ved forskjellige prøveblandinger av flyveaske og karbon.Figurene 7, 9 og 11 er uttrekkskurver for karbon ved forskjellige prøveblandinger av flyveaske og karbon.

Den elektrostatiske separator 10 i henhold til oppfinnelsen og som er vist i figurene 1 og 2, mottar fra en partikkel-kilde 12 en kontinuerlig partikkelstrøm 11 som skal separeres. Partiklene separeres etter hvert som de beveges langs separatorens lengdeutstrekning og anbringes herunder i separate oppsamlingsbinger 13.

Separatoren 10 har en første elektrode 14 som er en plan ledende plate som partiklene 11 faller ned på. Partiklene 11 bringes så til å bevege seg langs lengdeutstrekningen

av elektroden 14 ved hjelp av en vanlig vibrasjonsmater 15, slik som for eksempel av den type som selges under varemerket "Syntron". Materen 15 omfatter et fundament 16, et vibra-sjonsdrev 17 og bøyelige fjærer 18 i forbindelse med elektrodeplaten 14. Under de overførte vibrasjonsbevegelser fra vibratormateren 15 drives partiklene fra høyre mot venstre langs elektrodeplaten 14. Vibrasjonsmatere 15 er normalt elektrisk styrt således at partiklenes mengdestrøm kan innstilles.

i

En annen elektrode 19 er montert over den første elektrode 14. SOm vist i figurene 1 og 2, kan også elektroden 19

være en plan ledende plate, som imidlertid er montert i en vinkel oc i forhold til den første elektrode 14, således at mellomrommet 21 mellom elektrodene 14 og 19 på den ene side av separatoren er smalt, mens mellomrommet 22 mellom elektrodene på den annen side av separatoren 10 er bredt.

En dielektrisk plate 24 eller et tilsvarende belegg vil normalt være påført på undersiden av elektroden 19 for å hindre utladninger mellom elektrodene, og begge elektroder 14 og 19 kan også være påført det elektrisk belegg. I

drift er elektrodene 14 og 19 begge tilkoblet en høyspent vekselstrømkilde 20 som frembringer et vekselfelt mellom elektrodene. Hvis partiklene 11 lades opp etter hvert som de beveger seg langs lengdeutstrekningen av separatoren 10, vil det også bevege seg fritt oppover og nedover mellom elektrodene 14 og 19 langs de elektriske feltlinjer. Dette forholder seg slik på grunn av at de elektriske feltlinjer påvirker partiklene med en elektrostatisk kraft Fele<=>Q x E, og denne kraft forandrer retning på grunn av det foreliggende vekselfelt. Partiklene med størst ladning vil være

påvirket av den største kraft F , .

cele

På grunn av vinkelen c< mellom elektrodene 14 og 19, utgjør imidlertid feltlinjene 30 sirkelbuer overoCbuegrader.

De ladede partikler følger disse krumme linjer og meddeles derved en sirkelbevegelse som har den virkning at partiklene utsettes for en setrifugalkra<ft>F cent. = v 2/r. r er her sirkelbuenes effektive radius , som er større for de partikler som beveger seg langs den brede feltside 22. Denne sentrifugalkraft bringer partiklene til å bevege seg i retning utover, men Fcentpå en partikkel vil avta under denne bevegelse. Jo sterkere partiklene er ladet, i dessto større grad vil de således bevege seg mot den brede side 22 av separatoren. Av dette følger også at jo mindre densitet partiklene har per ladningsenhet, i dessto større grad vil de bevege seg mot bredsiden 22. Separeringen vil således finne sted som en følge av ladningsforskjeller på grunn av forskjellige fysiske egenskaper for de foreliggende materialer. Partikkelladningen kan finne sted ved gnidningselektrisitet eller kontaktladning, ione- eller elektron-bombardemang eller ledningsinduksjon. I den utførelse som er vist i figur 1, er gnidningselektrisitet og lednings-induks jon hovedmetodene for partikkelladningen.

Det er fastlagt at et antall parametere i systemet kan innstilles eller varieres for å tilpasses de materialer som skal separeres eller utskilles. For eksempel er størrelsen av separatoren 10, nemlig lengden og bredden av elektrodene 14 og 19, være en faktor ved bestemmelse av den separasjonsgrad som oppnås. Med en særlig lang separator kan oppsamlingsbinger anbringes langs sidene av separatoren langs dens lengdeutstrekning for oppsamling av forskjellige separerte fraksjoner. Behandlingstakten for vedkommende materialer vil være en annen faktor. I tillegg kan elektroden 14 være svakt skråstilt mot den smale side 21, således at de tyngre partikler vil holde seg på denne side.

Elektroden 19 kan ha mange forkjellige former all den stund feltlinjene har den påkrevede krumning mot den ene side, således at sentrifugalkraften på partiklene alltid vil virke i samme retning. Figur 4 viser et par elektroder 44 og 49, hvor den første elektrode eller basiselektroden 44 er hovedsakelig plan, mens den annen elektrode 49 har et tverrsnitt som følger en eksponensialkurve. Dette elektrodearragement separerer partikler med liten ladning, eller stort omfang eller masse, i en rekke forskjellige fraksjoner med begynnelse fra den smale side 45. Partikler med høy ladning, eller lite omfang eller masse vil herunder bli drevet til den vide side 46 til høyre.

Figur 5 viser et elektrodearrangement hvor basiselektroden 54 er plan og den annen elektrode 59 har et tverrsnitt som følger logaritmisk kurve. Dette elektrodearragement får partikler med liten ladning, eller stort omfang eller masse, til å forbli ved den smale side 55. Partikler med høy ladning, eller lite omfang eller masse, vil adskilles i en rekke fraksjoner langs elektrodens bredde i retning mot den vide separator-side 56.- Skjønt elektrodetverr-snittet er vist å være konstant langs separatorens lengderetning, behøver dette ikke å være tilfelle. Tverrsnittet kan variere langs separatorens lengdeutstrekning for til-passing til spesielle materialer som kan behøve forskjellig separasjonskraft etter hvert som partiklene beveger seg gjennom separatoren. I tillegg kan basiselektroden 54 også være krum for å rette partiklenes tilbakekasting og øke sentrifugalkreftene.

Som angitt ovenfor kan sysemets parametere variere samsvar med de materialer som skal separeres. Dette gjelder også effektkildens spenning og frekvens. For eksempel ved separering av en blanding av flyveaske og karbon har en spenning på 5 til 8 kV og en frekvens på 10 til 20 Hz vist seg å gi gode resultater særlig hvis vinkelen c* mellom elektrodene innstilles til 12°. For separasjon av glassperler har en spenning av størrelseorden 5 kV og en frekvens på omtrent 50 Hz vist seg å gi tilfredstillende resultater.

Spenning og frekvens for effektkilden vil vanligvis være bestemt av størrelse, densitet og ladning av de partikler som skal separeres. De partikler som er størst eller har størst densitet vil forlate separatoren ved den smale side, mens en økning av partiklenes størrelse eller densitet i en partikkelblanding vil kreve en økning av spenningen og reduksjon av frekvensen for gunstig separasjon. På den annen side vil partiklene med sterkest ladning bevege seg mot separatorens vide side, og en økning av partiklens ladning vil kreve en senkning av spenningen og enøkning av frekvensen for hensiktsmessig partikkelseparasjon. Separasjon av prøveblandinger av flyveaske og karbon ble oppnådd i en separator med plane elektroder 14 og 19 montert i innbyrdes vinkel o< på 12°. Elektroden 14 var fremstilt av en kobberplate med bredde på omtrent 8,5 cm og lengde på 35 cm, mens elektroden 19 var fremstilt av en aluminiumplate som var omtrent 10 cm bred og 28 cm lang.

En vekselspenning på 7 kV ved 20 Hz ble påtrykket mellom elektrodene. De oppnådde resultater er vist i uttrekkskurvene i figurene 6 til 11.

Figurene 6 og 7 er uttrekkskurver for en prøveblanding med 10,9% karboninnhold, mens figurene 8 og 9 gjelder en prøve-blanding med 6,6% karbon, og figurene 10 og 11 gjelder en blanding med et karboninnhold på 14,3%. For flyveaske-uttrekket angitt ved kurvene i figurene 6,8 og 10 gjelder følgende definisjoner:

Uttrekkskurven for flyveaske i figur 6 viser at det kan oppnås en karbonreduksjon i samsvar med den uttrukkede % andel av den totale masse av flyveasken. En reduksjon på omkring 67% av det opprinnelige karboninnhold kan således oppnås for 72 % av den behandlende flyveaske. Karboninnholdet, som i det tilførte material var omkring 10,9%, ble ved dette redusert til omkring 3,5%.

i

Karbon-uttrekkskurven i figur 7 viser at det er mulig og oppnå et meget høyt karboninnhold i en uttrukket prøve-andel. Mellom 5 og 10% av den behandlende flyveaske kan således trekkes ut med et karboninnhold høyere en 50%.

Som det vil fremgå av figurene 8 til 11, er resultatene for de øvrige to prøveblandinger meget lik resultatet av den første prøve. For den annen prøveblanding ble det oppnådd en 72% reduksjon av det opprinnelige karboninnhold for 75% av den behandlende flyveaske. Den tilførte blanding inne-holdt her opprinnelig 6,6% karbon, hvilket hensiktsmessig ble nedsatt til omkring 1,8%. Som antatt hadde bare 3 til 5% av den behandlede flyveaske et karboninnhold høyere enn 50%. Den tredje prøveblanding oppviste en bemerkelseverdig nedsettelse på 94% i karboninnholdet av den behandlede flyveaske. Av figur 10 vil det fremgå at bare 60% av ut-gangsmaterialet oppnådde denne reduksjon på grunn av det høye opprinnelige karboninnhold, kunne omkring 16% av den opprinnelige flyveaske utskilles med et karboninnhold over 55%.

Mange modifikasjoner i de ovenfor angitte utførelser kan frembringes uten at oppfinnelsens ramme overskrides, slik den er definert i de efterfølgende patentkrav.

i

Claims (16)

1. Fremgangsmåte for separering av partikler med forskjellige fysiske egenskaper, karakterisert ved at partiklene lades og drives i en fremoverretnihg gjennom et elektrisk vekselfelt med varierende styrke i en tverretning vinkelrett på fremoverretningen, idet de elektriske feltlinjer fastlegges med krumning i nevnte tverretning, således at partiklene utsettes for en sentrifugalkraft i denne tverretning, og sentrifugalkraften på hver partikkel er avhengig av dens masse, størrelse og elektriske ladning, således at partiklene separeres langs nevnte tverretning.

2. Fremgangsmåte som angitt i krav 1, karakterisert ved at partiklene lades ved hjelp av gnidningselektrisitet.

3. Fremgangsmåte som angitt i krav 2, karakterisert ved at partiklene lades ved hjelp av ledningsinduksjon.

4. Fremgangsmåte som angitt i krav 1, 2 eller 3, karakterisert ved at partiklene drives i fremoverretningen ved hjelp av mekanisk vibrasjon.

5. Fremgangsmåte som angitt i krav 1, 2 eller 3, karakterisert ved at vekselfeltet svinger med en frekvens mellom 3 og 1000 Hz.

6. Elektrostatisk separator for separering av partikler med forskjellige fysiske egenskaper, karakterisert ved at separatoren omfatter en første ledende elektrodeinnretning med et overflateområde av forut bestemt lengde og bredde, en annen ledende elektrodeinnretning med et overflateområde av forut bestemt lengde og bredde, idet den annen elektrodeinnretning er anordnet i sådan avstand fra den første elektrodeinnretning at en påtrykket spenning mellom elektrodeinnretningene vil frembringe et elektrisk felt av varierende styrke langs breddeutstrekningen av elektrodeinnretningene samt med feltlinjer som er krummet i retning av elektrodeinnretningenes bredde, en effektkilde med forut bestemt spenning og frekvens og anordnet for påtrykning av spenning mellom elektrodeinnretningene, utstyr for tilførsel av de partikler som skal separeres til elektrodeoverflaten ved den ene ende av den første elektrodeinnretning i et område med høy feltstyrke, samt utstyr for å drive partiklene langs elektrodeinnretningenes lengdeutstrekning.

7. Separator som angitt i krav 6, karakterisert ved at første og annen elektrodeinnretning har hovedsakelig plane flater anordnet med en mellomliggende vinkel i retning av elektrodeinnretningenes breddeutstrekning.

8. Separator som angitt i krav 6, karakterisert ved at den første elektrodeinnretning har en hovedsakelig plan flate, mens den annen elektrodeinnretning har en krum overflate idet elektrode-overflatene er anordnet med konstant mellomliggende tverrsnitt langs elektrodeinnretningenes lengdeutstrekning.

9. Separator som angitt i krav 6, karakterisert ved at minst en av elektrodeinnretningene har en krum overflate.

10. Separator som angitt i krav 6, 7 eller 8, karakterisert ved at den første elektrodeinnretning forløper hovedsakelig horisontalt langs sin lengde- og breddeutstrekning.

11. Separator som angitt i krav 6, 7 eller 8, karakterisert ved at den første elektrodeinnretning forlø per hovedsakelig horisontalt langs sin lendeutstrekning, men er skråstilt langs breddeutstrekningen i retning av den høyeste feltstyrke.

12. Separator som angitt i krav 6, 7 eller 8, karakterisert ved at den videre omfatter et skikt av de elektrisk material på innsiden av den ene eller begge elektroder.

13. Separator som angitt i krav 6, 7 eller 8, karakterisert ved at drivutstyret omfatter en mekanisk vibrator festet til den første elektrodeinnretning .

14. Separator som angitt i krav 6, 7 eller 8, karakterisert ved at effektkilden er innrettet for å arbeide ved en frekvens mellom 3 og 1000 Hz.

15. Fremgangsmåte for separering av partikler med forskjellige fysiske egenskaper, karakterisert ved at partiklene lades og drives i en fremoverretning gjennom et elektrisk vekselfelt med feltlinjer krummet i en tverretning vinkelrett på fremoverretningen, således at partiklene utsettes for en sentrifugalkraft i tverretning, idet sentrifugalkraften på hver partikkel er avhengig av partikkelens masse, stør-relse og elektriske ladning, således at de forskjellige partikler separeres langs tverretningén.

16. Elektrostatisk separator for separering av partikler med forskjellige fysiske egenskaper, karakterisert ved at separatoren omfatter utstyr for å frembringe et elektrisk vekselfelt med forut bestemt lengde og bredde og hvor feltlinjene er krummet i retning av feltets bredde, utstyr for innføring av partiklene i den ene ende av det elektriske felt på den part-ikkelside som vender bort fra feltlinjenes krumning, samt utstyr for å drive partiklene gjennom det elektriske felt i feltets lengderetning. i