DE3218488A1

DE3218488A1 - Verfahren und vorrichtung zum sortieren von partikeln nach unterschiedlichen dichtebereichen

Info

Publication number: DE3218488A1
Application number: DE19823218488
Authority: DE
Inventors: Karl Ing.(grad.) 6382 Friedrichsdorf Flögel; Rudolf Ing.(grad.) 6277 Camberg Großbach; Wolfgang 6100 Darmstadt Heide; Ernst-Günter Dr.-Phys. 6131 Schwalbach Lierke
Original assignee: Battelle Institut eV
Current assignee: Battelle Institut eV
Priority date: 1982-05-15
Filing date: 1982-05-15
Publication date: 1983-11-17

Description

Verfahren und Vorrichtung zum Sortieren
von Partikeln nach unterschiedlichen Dichtebereichen Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Sortieren von Partikeln nach unterschiedlichen Dichtebereichen sowie Vorrichtungen zur Durchführung dieses Verfahrens.
Es sind verschiedene Methoden zur Abtrennung von Teilchen nach Dichte bekannt, wie Zentrifugieren, Windsichten und dergleichen. Der Nachteil dieser Methoden liegt insbesondere darin, daß die mechanische Abtrennung der Teilchen Schwierigkeiten bereitet und eine feine Auflösung der Trennung hier unter erheblichem Zeitaufwand durchführbar ist.
Der vorliegenden Erfindung liegt nun die Aufgabe zugrunde, eine kontinuierliche Teilchenseparation unter gleichzeitilger Sortierung nach den unterschiedlichen Dichtebereichen zu ermöglichen.
Es hat sich gezeigt, daß sich diese Aufgabe mit einem Verfahren lösen läßt, bei dem die Partikel in einer Flüssigkeit suspendiert werden, deren Dichte innerhalb der Dichteverteilung der Partikel liegt, und wenn die Suspension als laminare Strömung in ein stehendes Ultraschallfeld mit Knotenflächen geleitet wird, wobei die Strömungsrichtung parallel zu den Knotenflächen verläuft, und unmittelbar nach dem Verlassen des Ultraschallfeldes die Strömung entsprechend der Lage der Knotenflächen des Ultraschallfeldes geteilt wird. Vorteilhafte Ausführungsformen des erfindungsgemäßen Verfahrens sind in den Unteransprüchen 2 und 3 erläutert.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung ist aus einem Diffusor, einer Trennstrecke und einem Strömungsteiler zusammengesetzt, wobei in der Trennstrecke ein stehendes Ultraschal-lfeld mit Knotenflächen erzeugbar ist und der Strömungsteiler entsprechend der Lage der Knotenflächen und Druckbäuchen des Ultraschallfeldes ausgerichtet ist. Vorteilhafte Ausführungsformen der erfindungsgemäßen Vorrichtung sind in den Unteransprüchen 5 bis 7 beschrieben.
Suspendierte Teilchen erfahren in einer stehenden Ultraschallwelle der Wellenlänge AO akustische Kräfte, die bei Teilchendurchmesser d<#0 proportional zum Teilchenvolumen sind. Bei Vernachlässigung von Träg.heitskräften resultiert aus diesen Kräften eine Bewegung mit der Geschwindigkeit V - VO bak s i n X mit wobei Vo Strömungsgeschwindigkeit, normierte akustische Beschleunigung, d.h.
ak Amplitude der akustischen Kraft dividiert durch Masse m mal Erdgeschleunigung g, d Teilchendurchmesser, g Schwerkraft, Teilchendichte, Flüssigkeitsdichte, I Schallintensität, f Frequenz c Schallgeschwindigkeit im Teilchen und co Schallgeschwindigkeit in der Flüssigkeit bedeuten.
Die Geschwindigkeit V treibt die Teilchen mit einer Dichte # > #o in die Schnelleknoten der stehenden Welle.
Da der maximale Abstand eines Teilchens vom nächsten Druck- bzw. Schnelleknoten höchstens /4 betragen kann, läßt sich die Zeit nt berechnen, nach der alle Teilchen # < #o in der Nähe der Schnelleknoten und alle Teilchen mit # > #o in der Nähe der Druckknoten angereichert sind. Zur Vereinfachung der Rechnung wird davon ausgegangen, daß die Teilchen in einem "Band" von der Breite + A / 40 um die Knoten bzw. Bäuche angesammelt sind. Die Zeit beträgt dann etwa Angenommen die Teilchen wurden bei 1 g mit YO = 0,5 mm/Sek, sedimentieren, dann würde bei einer normierten akustischen Beschleunigung von Dak = 2 und einer Wellenlänge # = 4 mm eine Trennzeit von etwa 1,2 Sekunden ausreichen.
Führt man einen Teilchenstrom mit Teilchen unterschiedlicher Dichte y mit der Strömungsgeschwindigkeit V = 1 /E t laminar senkrecht durch ein stehendes Wellenfeld der Länge 1 und läßt die Strömung nach Passieren des Schallfeldes auf ein, entsprechend der Lage der Druckbäuche bzw. Druckknoten ausgerichtetes Strömungsteilersystem auftreffen, dann kann bei geeigneter Einstellung der Dichte ÇO des Suspensionsmediums (z.B. Salzlösung) das Teilchenspektrum in Teilchen mit der Dichte # < #o und Teilchen mit der Dichte # > #o getrennt werden.
Ist das stehende Wellenfeld z.B. 5 cm lang und 4 x 4 cm im Querschnitt, so kann die Strömung mit 5 cm/s durch die Trennstrecke fließen und es ergibt sich ein Durchsatz von 300 l/h Suspension. Bei einer Volumenkonzentration von 10 % können also im Dauerbetrieb pro Stunde ca. 30 1 Teilchen in zwei Klassen getrennt werden.
Im folgenden wird die Erfindung anhand von lediglich einen Ausführungsweg darstellenden Zeichnungen näher erläutert.
Es zeigen in schematischer Vereinfachung Fig. 1 im Längsschnitt die erfindungsgemäße Trennvorrichtung und Fig. 2 tn Draufsicht das Strömungsteilersystem, das nach der Trennstrecke angeordnet ist.
Erfindungsgemäß werden die zu trennenden Teilchen in einem geeigneten Medium, z.B. Wasser, suspendiert, wobei die Dichte des Suspensionsmediums so gewählt wird, daß sie etwa innerhalb des Dichtespektrums der suspendierten Teilchen liegt. Die Suspension strömt dann durch die horizontal oder vorzugsweise vertikal angeordnete Vorrichtung. Die in Fig. 1 dargestellte Vorrichtung besteht im wesentlichen aus einem Diffusor 1, einer Trennstrecke 2 und einem Strömungsteilersystem 3. Im Diffusor 1 wird die Strömung laminar gemacht, um jegliche Störfaktoren, die durch Turbulenzen entstehen können, auszuschalten. Der Diffusor 1 weißt z.B. mehrere, parallele Lamellen oder Röhrchen 4 auf.
Die Trennstrecke 2 kann ein radial schwingendes zylindrisches Rohr mit einem Durchmesser von n A 1 2 sein.
Dadurch werden zylinderförmige, konzentrisch verlaufende Knotenflächen erzeugt. Im dargestellten Fall weißt die Trennstrecke 1 einen rechteckigen Querschnitt auf.
Der Ultraschallwandler 5 und der Reflektor 6 werden auf zwei gegenüberliegenden Flächen angebracht, deren Abstand n # / 2 beträgt. Dadurch entsteht ein Wellen- feld mit mehreren parallelen Knotenebenen 7. Wesentlich ist, daß die Strömungsrichtung parallel zu den Knotenflächen bzw. -ebenen verläuft. Die Länge der Trennstrecke 2 wird, wie bereits erläutert, so gewählt, daß am Ende der Trennstrecke eine Abtrennung der Teilchen mit einer Dichte gf wo von Teilchen mit einer Dichte e(eo erfolgen kann. Um dies auch bei einer vorgegebenen Länge der Trennstrecke zu erzielen, muß die Strömungsgeschwindigkeit, der Schallintensität entsprechend angepaßt werden.
Unmittelbar nach der Trennstrecke wird ein Strömungsteilersystem 3 vorgesehen. In Fig. 2 wird es im Draufsicht dargestellt und besteht im vorliegenden Beispiel aus zwei Suspensionsableitungsrohren 8 und 9 von denen mindestens ein Rohr 8 entsprechend der Lage und der Form der Knotenebenen Auffangöffnungen 10 aufweist.
Eine weitere Sortierung kann dadurch erzielt werden, wenn die Ableitungsrohre 8 und 9 mit weiteren Trennvorrichtungen der beschriebenen Art verbunden sind. Vor dem Durchlaufen der weiteren Trennstrecken muß die Dichte der Suspensionsflüssigkeit entsprechend neu eingestellt werden. Hierfür sind verschiedene Möglichkeiten bekannt, z.B. Zugabe von in der Suspensionsflüssigkeit löslichen Substanzen oder Änderung der Temperatur der Flüssigkeit.
Die Isolierung der Partikel aus der Suspension kann in an sich bekannter Weise, z.B. Filtration, Sedimentation, Zentrifugation oder durch Chromatographie erfolgen.
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Claims

Patentansprüche 1. Verfahren zum Sortieren von Partikeln nach unterschiedlichen Dichtebereichen, dadurch gekennzeichnet, daß die Partikel in einer Flüssigkeit suspendiert werden, deren Dichte innerhalb der Dichteverteilung der Partikel liegt, und daß die Suspension als laminare Strömung in ein stehendes Ultraschallfeld mit Knotenflächen geleitet wird, wobei die Strömungsrichtung parallel zu den Knotenflächen verlauft, und daß unmittelbar nach dem Verlassen des Ultraschallfeldes die Strömung entsprechend der Lage der Knotenflächen des- Ultraschallfeldes geteilt wird.
2. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die, in den Teilströmen enthaltenen Partikel in der gleichen Weise in weiteren Ultraschallfeldern feinsortiert werden, wobei die Dichte der Suspensionsflüssigkeit durch Temperaturänderung oder Zugabe von in der Flüssigkeit löslichen Substanzen jeweils auf einen Wert innerhalb der nach der ersten Trennstufe vorliegenden- Dichteverteilung der Partikel eingestellt wird.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Länge des Ultraschallfeldes mit der Strömungsgeschwindigkeit, der Wellenlänge und der Schallintensität abgestimmt wird.
4. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß sie aus einem Diffusor (1), einer Trennstrecke (2) und einem Strömungsteiler (3) zusammengesetzt ist, wobei in der Trennstrecke (2) ein stehendes Ultraschallfeld mit Knotenflächen erzeugbar ist, und daß mit dem Strömungsteiler (3) zwei Teilströme erfaßt werden, wobei der eine Teilstrom (8) die Flüssigkeit in der Umgebung der Druckknoten und der andere Teilstrom (9) die Flüssigkeit in der Umgebung der Schnelleknoten zusammenfaßt.
5. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Trennstrecke (2) einen rechteckigen Quer schnitt aufweist und zwei sich gegenüberliegenden Flächen der Trennstrecke mit einem Ultraschallwandler (5) und einem Reflektor (6) versehen sind, wobei der Abstand dieser Flächen nun/2 beträgt, so daß ein stehendes Ultraschallfeld mit mehreren Krotenebenen erzeugbar ist.
6. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Trennstrecke (2) aus einem radial schwingenden Rohr mit einem Durchmesser von n h 1/2 besteht, so daß ein stehendes Ultraschallfeld mit mehreren zylinderförmigen Knotenflächen erzeugbar ist.
7. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 4 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Teilströme (8, 9) zu weiteren Vorrichtungen nach Anspruch 4 bis 6 geführt sind, wo eine feinere Auflösung der Trennung erfolgt.