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

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

Translated fromGerman

Verfahren und Vorrichtung zum Sortieren Method and device for sorting

von Partikeln nach unterschiedlichen Dichtebereichen Die Erfindungbetrifft ein Verfahren zum Sortieren von Partikeln nach unterschiedlichen Dichtebereichensowie Vorrichtungen zur Durchführung dieses Verfahrens. of particles according to different density ranges The inventionrelates to a method for sorting particles according to different density rangesand devices for performing this method.

Es sind verschiedene Methoden zur Abtrennung von Teilchen nach Dichtebekannt, wie Zentrifugieren, Windsichten und dergleichen. Der Nachteil dieser Methodenliegt insbesondere darin, daß die mechanische Abtrennung der Teilchen Schwierigkeitenbereitet und eine feine Auflösung der Trennung hier unter erheblichem Zeitaufwanddurchführbar ist.There are several methods of separating particles by densityknown, such as centrifugation, air sifting and the like. The disadvantage of these methodsis in particular that the mechanical separation of the particles is difficultprepares and a fine resolution of the separation here with considerable expenditure of timeis feasible.

Der vorliegenden Erfindung liegt nun die Aufgabe zugrunde, eine kontinuierlicheTeilchenseparation unter gleichzeitilger Sortierung nach den unterschiedlichen Dichtebereichenzu ermöglichen.The present invention is based on the object of a continuousParticle separation with simultaneous sorting according to the different density rangesto enable.

Es hat sich gezeigt, daß sich diese Aufgabe mit einem Verfahren lösenläßt, bei dem die Partikel in einer Flüssigkeit suspendiert werden, deren Dichteinnerhalb der Dichteverteilung der Partikel liegt, und wenn die Suspension als laminareStrömung in ein stehendes Ultraschallfeld mit Knotenflächen geleitet wird, wobeidie Strömungsrichtung parallel zu den Knotenflächen verläuft, und unmittelbar nachdem Verlassen des Ultraschallfeldes die Strömung entsprechend der Lage der Knotenflächendes Ultraschallfeldes geteilt wird. Vorteilhafte Ausführungsformen des erfindungsgemäßenVerfahrens sind in den Unteransprüchen 2 und 3 erläutert.It has been shown that this problem can be solved with one methodlets, in which the particles are suspended in a liquid, their densitylies within the density distribution of the particles, and if the suspension as laminarFlow is directed into a stationary ultrasonic field with nodal surfaces, wherebythe direction of flow is parallel to the nodal surfaces, and immediately afterafter leaving the ultrasonic field, the flow corresponds to the position of the nodal surfacesof the ultrasonic field is divided. Advantageous embodiments of the inventionThe method is explained in the dependent claims 2 and 3.

Die erfindungsgemäße Vorrichtung ist aus einem Diffusor, einer Trennstreckeund einem Strömungsteiler zusammengesetzt, wobei in der Trennstrecke ein stehendesUltraschal-lfeld mit Knotenflächen erzeugbar ist und der Strömungsteiler entsprechendder Lage der Knotenflächen und Druckbäuchen des Ultraschallfeldes ausgerichtet ist.Vorteilhafte Ausführungsformen der erfindungsgemäßen Vorrichtung sind in den Unteransprüchen5 bis 7 beschrieben.The device according to the invention consists of a diffuser, an isolating distanceand composed of a flow divider, with an upright in the separation distanceUltrasonic field can be generated with nodal surfaces and the flow divider accordinglyis 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 subclaims5 to 7.

Suspendierte Teilchen erfahren in einer stehenden Ultraschallwelleder Wellenlänge AO akustische Kräfte, die bei Teilchendurchmesser d<#0 proportionalzum Teilchenvolumen sind. Bei Vernachlässigung von Träg.heitskräften resultiertaus diesen Kräften eine Bewegung mit der GeschwindigkeitV - VObak s i n X mitwobei 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 Erdgeschleunigungg, d Teilchendurchmesser, g Schwerkraft, Teilchendichte, Flüssigkeitsdichte, I Schallintensität,f Frequenz c Schallgeschwindigkeit im Teilchen und co Schallgeschwindigkeit in derFlüssigkeit bedeuten. ak amplitude of the acoustic force divided by mass m times the acceleration due to gravityg, 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 theMean 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 nächstenDruck-bzw. Schnelleknoten höchstens /4 betragen kann, läßt sich die Zeit nt berechnen,nach der alle Teilchen # < #o in der Nähe der Schnelleknoten und alle Teilchenmit # > #o in der Nähe der Druckknoten angereichert sind. Zur Vereinfachung derRechnung 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 etwaAngenommen die Teilchen wurden bei 1 g mit YO = 0,5 mm/Sek, sedimentieren, dannwürde 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 Dichtey mit der Strömungsgeschwindigkeit V = 1 /E t laminar senkrecht durch ein stehendesWellenfeld der Länge 1 und läßt die Strömung nach Passieren des Schallfeldes aufein, entsprechend der Lage der Druckbäuche bzw. Druckknoten ausgerichtetes Strömungsteilersystemauftreffen, dann kann bei geeigneter Einstellung der Dichte ÇO des Suspensionsmediums(z.B. Salzlösung) das Teilchenspektrum in Teilchen mit der Dichte # < #o undTeilchen mit der Dichte # > #o getrennt werden.If you lead a particle stream with particles of different densityy with the flow velocity V = 1 / E t laminar perpendicular through a standingWave field of length 1 and leaves the flow after passing the sound fielda flow divider system aligned according to the position of the pressure bulges or pressure nodeshit, 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 andParticles 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 sichein Durchsatz von 300 l/h Suspension. Bei einer Volumenkonzentration von10 % können also im Dauerbetrieb pro Stunde ca. 30 1 Teilchen in zwei Klassen getrenntwerden.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 resultsa throughput of 300 l / h suspension. At a volume concentrationfrom10% can separate approx. 30 1 particles into two classes per hour in continuous operationwill.

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

Es zeigen in schematischer Vereinfachung Fig. 1 im Längsschnitt dieerfindungsgemäße Trennvorrichtung und Fig. 2 tn Draufsicht das Strömungsteilersystem,das nach der Trennstrecke angeordnet ist.It shows in a schematic simplification Fig. 1 in longitudinal sectionseparating 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 geeignetenMedium, z.B. Wasser, suspendiert, wobei die Dichte des Suspensionsmediums so gewähltwird, daß sie etwa innerhalb des Dichtespektrums der suspendierten Teilchen liegt.Die Suspension strömt dann durch die horizontal oder vorzugsweise vertikal angeordneteVorrichtung. Die in Fig. 1 dargestellte Vorrichtung besteht im wesentlichen auseinem Diffusor 1, einer Trennstrecke 2 und einem Strömungsteilersystem 3. Im Diffusor1 wird die Strömung laminar gemacht, um jegliche Störfaktoren, die durch Turbulenzenentstehen können, auszuschalten. Der Diffusor 1 weißt z.B. mehrere, parallele Lamellenoder Röhrchen 4 auf.According to the invention, the particles to be separated are in a suitableMedium, e.g. water, suspended, the density of the suspension medium being chosenbecomes that it lies approximately within the density spectrum of the suspended particles.The suspension then flows through the horizontally or preferably vertically arrangedContraption. The device shown in Fig. 1 consists essentially ofa diffuser 1, a separation section 2 and a flow divider system 3. In the diffuser1 the flow is made laminar to avoid any disruptive factors caused by turbulencecan arise to turn off. The diffuser 1 has, for example, several parallel slatsor tube 4.

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

Dadurch werden zylinderförmige, konzentrisch verlaufende Knotenflächenerzeugt. Im dargestellten Fall weißt die Trennstrecke 1 einen rechteckigen Querschnittauf.This creates cylindrical, concentrically running node surfacesgenerated. In the case shown, the isolating distance 1 has a rectangular cross sectionon.

Der Ultraschallwandler 5 und der Reflektor 6 werden auf zwei gegenüberliegendenFlächen angebracht, deren Abstand n # / 2 beträgt. Dadurch entsteht ein Wellen-feldmit mehreren parallelen Knotenebenen 7. Wesentlich ist, daß die Strömungsrichtungparallel zu den Knotenflächen bzw. -ebenen verläuft. Die Länge der Trennstrecke2 wird, wie bereits erläutert, so gewählt, daß am Ende der Trennstrecke eine Abtrennungder Teilchen mit einer Dichte gf wo von Teilchen mit einer Dichte e(eo erfolgenkann. Um dies auch bei einer vorgegebenen Länge der Trennstrecke zu erzielen, mußdie Strömungsgeschwindigkeit, der Schallintensität entsprechend angepaßt werden.The ultrasonic transducer 5 and the reflector 6 are on two opposite sidesAreas attached, the distance between which is n # / 2. This creates a wavefieldwith several parallel nodal planes 7. It is essential that the direction of flowruns parallel to the node surfaces or planes. The length of the isolating distance2 is, as already explained, chosen so that a separation at the end of the separating distanceof particles with a density gf where particles with a density e (eo occurcan. In order to achieve this even with a given length of the isolating distance, mustthe flow velocity, the sound intensity can be adapted accordingly.

Unmittelbar nach der Trennstrecke wird ein Strömungsteilersystem 3vorgesehen. In Fig. 2 wird es im Draufsicht dargestellt und besteht im vorliegendenBeispiel aus zwei Suspensionsableitungsrohren 8 und 9 von denen mindestens ein Rohr8 entsprechend der Lage und der Form der Knotenebenen Auffangöffnungen 10 aufweist.Immediately after the separation section, a flow divider system 3intended. In Fig. 2 it is shown in plan view and consists in the presentExample of two suspension discharge pipes 8 and 9 of which at least one pipe8 has collecting openings 10 according to the position and the shape of the nodal planes.

Eine weitere Sortierung kann dadurch erzielt werden, wenn die Ableitungsrohre8 und 9 mit weiteren Trennvorrichtungen der beschriebenen Art verbunden sind. Vordem Durchlaufen der weiteren Trennstrecken muß die Dichte der Suspensionsflüssigkeitentsprechend neu eingestellt werden. Hierfür sind verschiedene Möglichkeiten bekannt,z.B. Zugabe von in der Suspensionsflüssigkeit löslichen Substanzen oder Änderungder Temperatur der Flüssigkeit.A further sorting can be achieved if the drainage pipes8 and 9 are connected to further separating devices of the type described. beforethe density of the suspension liquid must pass through the further separation sectionsbe adjusted accordingly. Various possibilities are known for this,e.g. adding or changing substances soluble in the suspension liquidthe temperature of the liquid.

Die Isolierung der Partikel aus der Suspension kann in an sich bekannterWeise, z.B. Filtration, Sedimentation, Zentrifugation oder durch Chromatographieerfolgen.The isolation of the particles from the suspension can be done in a manner known per seManner, e.g. filtration, sedimentation, centrifugation or by chromatographytake place.

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Claims (7)

Translated fromGerman

Patentansprüche 1. Verfahren zum Sortieren von Partikeln nach unterschiedlichenDichtebereichen, dadurch gekennzeichnet, daß die Partikel in einer Flüssigkeit suspendiertwerden, deren Dichte innerhalb der Dichteverteilung der Partikel liegt, und daßdie Suspension als laminare Strömung in ein stehendes Ultraschallfeld mit Knotenflächengeleitet wird, wobei die Strömungsrichtung parallel zu den Knotenflächen verlauft,und daß unmittelbar nach dem Verlassen des Ultraschallfeldes die Strömung entsprechendder Lage der Knotenflächen des- Ultraschallfeldes geteilt wird. Claims 1. A method for sorting particles according to differentDensity ranges, characterized in that the particles are suspended in a liquidwhose density lies within the density distribution of the particles, and thatthe suspension as a laminar flow in a stationary ultrasonic field with nodal surfacesis directed, with the direction of flow running parallel to the nodal surfaces,and that immediately after leaving the ultrasonic field, the flow correspondinglythe position of the nodal surfaces of the ultrasonic field is divided.2. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die, inden Teilströmen enthaltenen Partikel in der gleichen Weise in weiteren Ultraschallfeldernfeinsortiert werden, wobei die Dichte der Suspensionsflüssigkeit durch Temperaturänderungoder Zugabe von in der Flüssigkeit löslichen Substanzen jeweils auf einen Wert innerhalbder nach der ersten Trennstufe vorliegenden- Dichteverteilung der Partikel eingestelltwird.2. The method according to claim 2, characterized in that the, inthe particles contained in the partial flows in the same way in further ultrasonic fieldsare finely sorted, the density of the suspension liquid due to change in temperatureor addition of substances soluble in the liquid, each to a value withinthe density distribution of the particles present after the first separation stagewill.3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß dieLänge des Ultraschallfeldes mit der Strömungsgeschwindigkeit, der Wellenlänge undder Schallintensität abgestimmt wird.3. The method according to claim 1 or 2, characterized in that theLength of the ultrasonic field with the flow velocity, the wavelength andthe sound intensity is matched.4. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche1 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 demStrömungsteiler (3) zwei Teilströme erfaßt werden, wobei der eine Teilstrom (8)die Flüssigkeit in der Umgebung der Druckknoten und der andere Teilstrom (9) dieFlüssigkeit in der Umgebung der Schnelleknoten zusammenfaßt.4. Device for performing the method according to one of the claims1 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 theFlow 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) theLiquid 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 Flächender Trennstrecke mit einem Ultraschallwandler (5) und einem Reflektor (6) versehensind, wobei der Abstand dieser Flächen nun/2 beträgt, so daß ein stehendes Ultraschallfeldmit 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 surfacesthe 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 fieldcan 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 Knotenflächenerzeugbar 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 surfacescan 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 geführtsind, wo eine feinere Auflösung der Trennung erfolgt.7. Device according to one of claims 4 to 6, characterized in thatthat the partial flows (8, 9) led to further devices according to claims 4 to 6are where a finer resolution of the separation occurs.