DE3218488A1 - Process and apparatus for sorting particles according to different density ranges - Google Patents

Process and apparatus for sorting particles according to different density ranges

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    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01D—SEPARATION
    • B01D43/00—Separating particles from liquids, or liquids from solids, otherwise than by sedimentation or filtration

Abstract

For sorting particles of differing densities, these are suspended in a liquid, the density of which is chosen such that it lies within the density distribution of the particles. The suspension is passed in laminar flow into a standing ultrasound field with nodal surfaces, the flow direction running parallel to the nodal surfaces. After leaving the ultrasound field, the flow is divided according to the position of the nodal surfaces and the pressure maxima of the ultrasound field.

Description

Verfahren und Vorrichtung zum Sortieren Method and device for sorting

von Partikeln nach unterschiedlichen Dichtebereichen Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Sortieren von Partikeln nach unterschiedlichen Dichtebereichen sowie Vorrichtungen zur Durchführung dieses Verfahrens. of particles according to different density ranges The invention relates to a method for sorting particles according to different density ranges and devices for performing this method.

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.There are several methods of separating particles by density known, such as centrifugation, air sifting and the like. The disadvantage of these methods is in particular that the mechanical separation of the particles is difficult prepares and a fine resolution of the separation here with considerable expenditure of time is feasible.

Der vorliegenden Erfindung liegt nun die Aufgabe zugrunde, eine kontinuierliche Teilchenseparation unter gleichzeitilger Sortierung nach den unterschiedlichen Dichtebereichen zu ermöglichen.The present invention is based on the object of a continuous Particle separation with simultaneous sorting according to the different density ranges to enable.

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.It has been shown that this problem can be solved with one method lets, in which the particles are suspended in a liquid, their density lies within the density distribution of the particles, and if the suspension as laminar Flow is directed into a stationary ultrasonic field with nodal surfaces, whereby the direction of flow is parallel to the nodal surfaces, and immediately after after leaving the ultrasonic field, the flow corresponds to the position of the nodal surfaces of the ultrasonic field is divided. Advantageous embodiments of the invention The method is explained in the dependent claims 2 and 3.

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.The device according to the invention consists of a diffuser, an isolating distance and composed of a flow divider, with an upright in the separation distance Ultrasonic field can be generated with nodal surfaces and the flow divider accordingly is aligned with the position of the nodal surfaces and pressure bulges of the ultrasonic field. Advantageous embodiments of the device according to the invention are set out in the subclaims 5 to 7.

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.Suspended particles experience acoustic forces in a standing ultrasonic wave of wavelength AO, which are proportional to the particle volume when the particle diameter d <# 0. If inertial forces are neglected, these forces result in a movement with the speed V - VO bak sin X mit where Vo flow velocity, normalized acoustic acceleration, ie

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. ak amplitude of the acoustic force divided by mass m times the acceleration due to gravity g, d particle diameter, g gravity, particle density, liquid density, I sound intensity, f frequency c speed of sound in the particle and co speed of sound in the Mean liquid.

Die Geschwindigkeit V treibt die Teilchen mit einer Dichte # > #o in die Schnelleknoten der stehenden Welle.The speed V drives the particles with a density #> #o into the fast knot of the standing wave.

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.Since the maximum distance of a particle from the next pressure or velocity node can be at most / 4, the time nt can be calculated after which all particles # <#o in the vicinity of the velocity node and all particles with #>#o in the vicinity the pressure knot are enriched. To simplify the calculation, it is assumed that the particles are collected in a "band" with a width of + A / 40 around the nodes or bellies. The time is then about Assuming the particles were sedimented at 1 g with YO = 0.5 mm / sec, then with a standardized acoustic acceleration of Dak = 2 and a wavelength # = 4 mm a separation time of about 1.2 seconds would be sufficient.

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.If you lead a particle stream with particles of different density y with the flow velocity V = 1 / E t laminar perpendicular through a standing Wave field of length 1 and leaves the flow after passing the sound field a flow divider system aligned according to the position of the pressure bulges or pressure nodes hit, then with a suitable setting of the density ÇO of the suspension medium (e.g. saline solution) the particle spectrum in particles with the density # <#o and Particles with the density #> #o are separated.

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.If the standing wave field is e.g. 5 cm long and 4 x 4 cm in cross-section, so the flow can flow with 5 cm / s through the separation distance and it results a throughput of 300 l / h suspension. At a volume concentration from 10% can separate approx. 30 1 particles into two classes per hour in continuous operation will.

Im folgenden wird die Erfindung anhand von lediglich einen Ausführungsweg darstellenden Zeichnungen näher erläutert.In the following, the invention will be described on the basis of only one embodiment Illustrative drawings explained in more detail.

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.It shows in a schematic simplification Fig. 1 in longitudinal section separating device according to the invention and FIG. 2 tn plan view of the flow divider system, which is arranged after the isolating distance.

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.According to the invention, the particles to be separated are in a suitable Medium, e.g. water, suspended, the density of the suspension medium being chosen becomes that it lies approximately within the density spectrum of the suspended particles. The suspension then flows through the horizontally or preferably vertically arranged Contraption. The device shown in Fig. 1 consists essentially of a diffuser 1, a separation section 2 and a flow divider system 3. In the diffuser 1 the flow is made laminar to avoid any disruptive factors caused by turbulence can arise to turn off. The diffuser 1 has, for example, several parallel slats or tube 4.

Die Trennstrecke 2 kann ein radial schwingendes zylindrisches Rohr mit einem Durchmesser von n A 1 2 sein.The separating distance 2 can be a radially oscillating cylindrical tube with a diameter of n A 1 2.

Dadurch werden zylinderförmige, konzentrisch verlaufende Knotenflächen erzeugt. Im dargestellten Fall weißt die Trennstrecke 1 einen rechteckigen Querschnitt auf.This creates cylindrical, concentrically running node surfaces generated. In the case shown, the isolating distance 1 has a rectangular cross section on.

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.The ultrasonic transducer 5 and the reflector 6 are on two opposite sides Areas attached, the distance between which is n # / 2. This creates a wave field with several parallel nodal planes 7. It is essential that the direction of flow runs parallel to the node surfaces or planes. The length of the isolating distance 2 is, as already explained, chosen so that a separation at the end of the separating distance of particles with a density gf where particles with a density e (eo occur can. In order to achieve this even with a given length of the isolating distance, must the flow velocity, the sound intensity can be adapted accordingly.

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.Immediately after the separation section, a flow divider system 3 intended. In Fig. 2 it is shown in plan view and consists in the present Example of two suspension discharge pipes 8 and 9 of which at least one pipe 8 has collecting openings 10 according to the position and the shape of the nodal planes.

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.A further sorting can be achieved if the drainage pipes 8 and 9 are connected to further separating devices of the type described. before the density of the suspension liquid must pass through the further separation sections be adjusted accordingly. Various possibilities are known for this, e.g. adding or changing substances soluble in the suspension liquid the temperature of the liquid.

Die Isolierung der Partikel aus der Suspension kann in an sich bekannter Weise, z.B. Filtration, Sedimentation, Zentrifugation oder durch Chromatographie erfolgen.The isolation of the particles from the suspension can be done in a manner known per se Manner, e.g. filtration, sedimentation, centrifugation or by chromatography take place.

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Claims (7)

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. Claims 1. A method for sorting particles according to different Density ranges, characterized in that the particles are suspended in a liquid whose density lies within the density distribution of the particles, and that the suspension as a laminar flow in a stationary ultrasonic field with nodal surfaces is directed, with the direction of flow running parallel to the nodal surfaces, and that immediately after leaving the ultrasonic field, the flow correspondingly the position of the nodal surfaces of the ultrasonic field is divided. 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.2. The method according to claim 2, characterized in that the, in the particles contained in the partial flows in the same way in further ultrasonic fields are finely sorted, the density of the suspension liquid due to change in temperature or addition of substances soluble in the liquid, each to a value within the density distribution of the particles present after the first separation stage will. 3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Länge des Ultraschallfeldes mit der Strömungsgeschwindigkeit, der Wellenlänge und der Schallintensität abgestimmt wird.3. The method according to claim 1 or 2, characterized in that the Length of the ultrasonic field with the flow velocity, the wavelength and the sound intensity is matched. 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.4. Device for performing the method according to one of the claims 1 to 3, characterized in that it consists of a diffuser (1), a separating distance (2) and a flow divider (3) is composed, wherein in the separation distance (2) a stationary ultrasonic field with nodal surfaces can be generated, and that with the Flow divider (3) two partial flows are detected, with one partial flow (8) the liquid in the vicinity of the pressure node and the other partial flow (9) the Liquid in the vicinity of the fast knot summarizes. 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.5. Apparatus according to claim 4, characterized in that the separating distance (2) has a rectangular cross-section and two opposing surfaces the separating distance is provided with an ultrasonic transducer (5) and a reflector (6) are, the distance between these surfaces is now / 2, so that a stationary ultrasonic field can be generated with several toad planes. 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.6. Apparatus according to claim 1, characterized in that the separating distance (2) consists of a radially vibrating tube with a diameter of n h 1/2, so that a stationary ultrasonic field with several cylindrical nodal surfaces can be generated. 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.7. Device according to one of claims 4 to 6, characterized in that that the partial flows (8, 9) led to further devices according to claims 4 to 6 are where a finer resolution of the separation occurs.
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