中國粉體網訊 顆粒分級是一個古老的話題，中國漢朝時期的人已經開始利用風車對谷物進行分選，用於提高稻米的品質。20世紀90年代以來，我國的超細粉分級技術及設備取得瞭明顯的進步，目前國內分級機生產企業較多，各種類型的分級設備基本都能生產。
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根據分級時采用的介質不同，分為濕法分級和幹法分級。濕式分級是指液體中粉末顆粒的分類方式，一般介質為水，由於液體的分散，粉末顆粒受液體的分散作用幾乎可以在液體介質中完全的分散，因此濕式分級普遍具有簡單的結構和較高的分級精度。微米級濕式分級設備按結構差異劃分為2種：離心式及重力式。其中水力旋流器是利用回轉離心力作用實現顆粒加速沉降的重要工業分級裝備。
水力旋流器的結構及工作原理
典型的水力旋流器由一個圓錐形容器構成，其底部（沉砂口）敞開，錐體上連接一個筒體，筒體上部有一個切向給料口。圓筒頂部有蓋板，一個軸向溢流管穿過蓋板。軸向溢流管有一段插入筒體內，該管段可拆卸，稱之為旋流器溢流管，用以防止給礦短路而直接進入溢流。
水力旋流器流場示意圖
水力旋流器作用的經典理論是旋流器內顆粒的流動方式受到兩個反相作用力：一個是向外的離心力，另一個是向內的拉力。離心力可加速顆粒的沉降速度，因而可按粒度、形狀和密度對顆粒進行分離。沉降較快的顆粒被拋向器壁（此處速度最慢），之後逐步流向沉砂口。由於拉力的作用，沉降較慢的顆粒流向垂直軸線周圍的低壓區，並向上運動，最終經由溢流管進入溢流。
水力旋流器具有結構簡單、占地面積小、操作方便、處理量大、分離效率高等優點，廣泛應用於石油鉆采、礦物加工和化工等領域。
水力旋流器分級分離性能影響因素
水力旋流器的結構參數(如直筒體直徑、旋流器高度、進料口直徑、進料口形式、溢流口直徑及插入深度、沉砂口直徑等)、操作參數(進料壓力、進料流量等)及物料性質(進料固相濃度、固相粒度分佈等)均對顆粒的分級效果產生重要影響。
顆粒性質的影響
影響旋流分離過程的顆粒性質主要包括密度、粒徑和形狀等。具有不同密度或粒徑的顆粒在旋流離心力場中的不同運動行為是旋流顆粒分離或分級的基本原理，因此顆粒性質對分離性能的重要影響是顯而易見的。
顆粒形狀對旋流分離性能也存在影響。例如，Zhu等通過實驗和分析發現由於顆粒附近流場作用的差異，非球形顆粒的魚鉤效應相對較弱。
料液性質的影響
當料液的固含量增加時，流場結構將會偏離一般清水相流動的情況，一般情況下將會導致分離性能下降。在旋流器流場中隨著顆粒相和連續相的分離作用，不同空間位置上顆粒相的濃度亦是不同的，因此不同空間位置上，主導顆粒運動的作用力也將不同。
進料條件的影響
對於已有旋流器，當料液性質已由上遊確定的情況下，進料條件是影響分離性能的主要控制因素。由於旋流器通常在兩個出口采用外接大氣環境的設計，操作參數波動主要出現在入口。合適進料流量是旋流高效運行的重要前提，過小的流量會使得流場內切向速度不足，分離效果變差；而過高的流量將使得流場內湍流脈動增強，粗細顆粒在底流和溢流中錯位分配，因此需要謹慎選擇進料流量的范圍。在工程實際中，流量和固含量等操作條件常常會出現波動，對設備的正常操作帶來一定影響。
入口結構的影響
旋流器的入口設計決定瞭料液進入旋流器的初始運動狀態，對內部流場和分離性能具有重要影響。對於常規的切向入口，較小的入口直徑能夠提高顆粒的分離效率，這對於粗顆粒影響最為顯著。考慮到多入口設計給實際旋流器佈置帶來的困難，在工程上的實際應用仍以單入口旋流器為主。
柱段結構的影響
旋流器各項結構參數中，旋流器的主體直徑對於旋流分離尺度具有決定性作用，因此許多設計模型均是圍繞旋流器主體直徑這一核心問題展開的。顯然對於相同的線速度，半徑越小，離心作用越強，則被分離顆粒的粒徑或密度越小。
大量研究均認為柱段部分高度對旋流分離性能影響較小，因此柱段高度通常不被認為是影響旋流分離性能的關鍵因素。從旋流器整體幾何結構上看，由柱段高度變化引起的旋流器整體幾何結構變化與旋流器錐段形狀和尺寸變化所帶來的幾何外形尺寸變化是類似的。為減少設計過程的復雜程度，通常采用較短的柱段高度，例如近似柱段直徑尺寸。
錐段結構的影響
錐段結構的設計與旋流器用途有密切聯系：長錐主要用於細粒分級或澄清，標準20°錐可用於一般分級；短錐則多應用於粗粒分級和選別作業。
溢流管結構的影響
溢流管在旋流器中主要起到收集內旋流並將其引出旋流器的作用。溢流管直徑對分離效率具有重要影響，過細的溢流管將使細粒無法隨溢流充分脫除，過粗的溢流管則會嚴重破環外旋流分離粗顆粒的能力。對於溢流管的插入深度，通常需要一個適當范圍，過淺或過深則將產生短路流或擾動主體流場造成分離性能降低。增厚溢流管壁可以抑制溢流管底以上區域的短路流，但是會加劇其以下區域的短路流，整體上不利於分離。
底流口結構的影響
底流口是旋流器中外旋流的出口。當底流口直徑增加時，底流分流比增大，這將使顆粒，特別是細顆粒，分離效率增加，有利於固液分離作業；反之減小底流口直徑可以增強分級精度。這種影響在高固含量料液中更為顯著。
底流口尺寸對於旋流器的正常操作具有非常重要的影響，不恰當的底流口直徑可能會導致堵塞、間歇性排料等結果嚴重破環分離性能。多數旋流器底流口為簡單的短圓管結構，簡單的短管或無管式的開口有利於固含量較高的底流料液排出。但也有相當多研究在底流口位置設計瞭一些附加結構，通過對底流區域流場調控實現分離性能強化。
小結
分析旋流器的分離過程，控制旋流器分離性能的因素主要可以分為兩大類，即旋流器結構和操作條件。目前，水力旋流器存在的主要問題是介尺度行為導致分離精度降低的“魚鉤效應”，以及內部空氣柱、蓋下短路流和溢流跑粗等會直接影響旋流器的分級精度。
旋流器結構組件之間存在著較強的相互影響，對旋流器的分離性能產生較大的影響，因此可以通過不同新型結構組件耦合彌補各自的不足，從而提高旋流器的分離性能。
參考資料：
楊小波等.水力旋流器流場特征和分級分離性能研究綜述
皮濺清等.顆粒濕法分級技術及氫氧化鋁精準分級的研究進展
鄒敏紅等.水力旋流器控制方法研究及應用
（中國粉體網編輯整理/黑金）
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