水力旋流器：高效分级，了解八大参数

中国粉体网讯  颗粒分级是一个古老的话题，中国汉朝时期的人已经开始利用风车对谷物进行分选，用于提高稻米的品质。20世纪90年代以来，我国的超细粉分级技术及设备取得了明显的进步，目前国内分级机生产企业较多，各种类型的分级设备基本都能生产。

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根据分级时采用的介质不同，分为湿法分级和干法分级。湿式分级是指液体中粉末颗粒的分类方式，一般介质为水，由于液体的分散，粉末颗粒受液体的分散作用几乎可以在液体介质中完全的分散，因此湿式分级普遍具有简单的结构和较高的分级精度。微米级湿式分级设备按结构差异划分为2种：离心式及重力式。其中水力旋流器是利用回转离心力作用实现颗粒加速沉降的重要工业分级装备。

水力旋流器的结构及工作原理

典型的水力旋流器由一个圆锥形容器构成，其底部（沉砂口）敞开，锥体上连接一个筒体，筒体上部有一个切向给料口。圆筒顶部有盖板，一个轴向溢流管穿过盖板。轴向溢流管有一段插入筒体内，该管段可拆卸，称之为旋流器溢流管，用以防止给矿短路而直接进入溢流。

水力旋流器流场示意图

水力旋流器作用的经典理论是旋流器内颗粒的流动方式受到两个反相作用力：一个是向外的离心力，另一个是向内的拉力。离心力可加速颗粒的沉降速度，因而可按粒度、形状和密度对颗粒进行分离。沉降较快的颗粒被抛向器壁（此处速度最慢），之后逐步流向沉砂口。由于拉力的作用，沉降较慢的颗粒流向垂直轴线周围的低压区，并向上运动，最终经由溢流管进入溢流。

水力旋流器具有结构简单、占地面积小、操作方便、处理量大、分离效率高等优点，广泛应用于石油钻采、矿物加工和化工等领域。

水力旋流器分级分离性能影响因素

水力旋流器的结构参数(如直筒体直径、旋流器高度、进料口直径、进料口形式、溢流口直径及插入深度、沉砂口直径等)、操作参数(进料压力、进料流量等)及物料性质(进料固相浓度、固相粒度分布等)均对颗粒的分级效果产生重要影响。

颗粒性质的影响

影响旋流分离过程的颗粒性质主要包括密度、粒径和形状等。具有不同密度或粒径的颗粒在旋流离心力场中的不同运动行为是旋流颗粒分离或分级的基本原理，因此颗粒性质对分离性能的重要影响是显而易见的。

颗粒形状对旋流分离性能也存在影响。例如，Zhu等通过实验和分析发现由于颗粒附近流场作用的差异，非球形颗粒的鱼钩效应相对较弱。

料液性质的影响

当料液的固含量增加时，流场结构将会偏离一般清水相流动的情况，一般情况下将会导致分离性能下降。在旋流器流场中随着颗粒相和连续相的分离作用，不同空间位置上颗粒相的浓度亦是不同的，因此不同空间位置上，主导颗粒运动的作用力也将不同。

进料条件的影响

对于已有旋流器，当料液性质已由上游确定的情况下，进料条件是影响分离性能的主要控制因素。由于旋流器通常在两个出口采用外接大气环境的设计，操作参数波动主要出现在入口。合适进料流量是旋流高效运行的重要前提，过小的流量会使得流场内切向速度不足，分离效果变差；而过高的流量将使得流场内湍流脉动增强，粗细颗粒在底流和溢流中错位分配，因此需要谨慎选择进料流量的范围。在工程实际中，流量和固含量等操作条件常常会出现波动，对设备的正常操作带来一定影响。

入口结构的影响

旋流器的入口设计决定了料液进入旋流器的初始运动状态，对内部流场和分离性能具有重要影响。对于常规的切向入口，较小的入口直径能够提高颗粒的分离效率，这对于粗颗粒影响最为显著。考虑到多入口设计给实际旋流器布置带来的困难，在工程上的实际应用仍以单入口旋流器为主。

柱段结构的影响

旋流器各项结构参数中，旋流器的主体直径对于旋流分离尺度具有决定性作用，因此许多设计模型均是围绕旋流器主体直径这一核心问题展开的。显然对于相同的线速度，半径越小，离心作用越强，则被分离颗粒的粒径或密度越小。

大量研究均认为柱段部分高度对旋流分离性能影响较小，因此柱段高度通常不被认为是影响旋流分离性能的关键因素。从旋流器整体几何结构上看，由柱段高度变化引起的旋流器整体几何结构变化与旋流器锥段形状和尺寸变化所带来的几何外形尺寸变化是类似的。为减少设计过程的复杂程度，通常采用较短的柱段高度，例如近似柱段直径尺寸。

锥段结构的影响

锥段结构的设计与旋流器用途有密切联系：长锥主要用于细粒分级或澄清，标准20°锥可用于一般分级；短锥则多应用于粗粒分级和选别作业。

溢流管结构的影响

溢流管在旋流器中主要起到收集内旋流并将其引出旋流器的作用。溢流管直径对分离效率具有重要影响，过细的溢流管将使细粒无法随溢流充分脱除，过粗的溢流管则会严重破环外旋流分离粗颗粒的能力。对于溢流管的插入深度，通常需要一个适当范围，过浅或过深则将产生短路流或扰动主体流场造成分离性能降低。增厚溢流管壁可以抑制溢流管底以上区域的短路流，但是会加剧其以下区域的短路流，整体上不利于分离。

底流口结构的影响

底流口是旋流器中外旋流的出口。当底流口直径增加时，底流分流比增大，这将使颗粒，特别是细颗粒，分离效率增加，有利于固液分离作业；反之减小底流口直径可以增强分级精度。这种影响在高固含量料液中更为显著。

底流口尺寸对于旋流器的正常操作具有非常重要的影响，不恰当的底流口直径可能会导致堵塞、间歇性排料等结果严重破环分离性能。多数旋流器底流口为简单的短圆管结构，简单的短管或无管式的开口有利于固含量较高的底流料液排出。但也有相当多研究在底流口位置设计了一些附加结构，通过对底流区域流场调控实现分离性能强化。

小结

分析旋流器的分离过程，控制旋流器分离性能的因素主要可以分为两大类，即旋流器结构和操作条件。目前，水力旋流器存在的主要问题是介尺度行为导致分离精度降低的“鱼钩效应”，以及内部空气柱、盖下短路流和溢流跑粗等会直接影响旋流器的分级精度。

旋流器结构组件之间存在着较强的相互影响，对旋流器的分离性能产生较大的影响，因此可以通过不同新型结构组件耦合弥补各自的不足，从而提高旋流器的分离性能。

参考资料：

杨小波等.水力旋流器流场特征和分级分离性能研究综述

皮溅清等.颗粒湿法分级技术及氢氧化铝精准分级的研究进展

邹敏红等.水力旋流器控制方法研究及应用

（中国粉体网编辑整理/黑金）

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