Cyclone thủy lực (Hydrocyclone) được phát minh vào năm 1891, lĩnh vực ứng dụng chủ yếu của cyclone thủy lực phân tách hệ rắn - lỏng bao gồm phân loại, cô đặc, khử nước, làm khô, tách cát... Nguyên lý hoạt động của cyclone thủy lực dựa trên sự kết hợp của hai lực cơ bản là: lực trọng trường và lực ly tâm. Sự kết hợp của hai lực đó quyết định sự phân chia thành phần hạt trong cyclone, các hạt rắn có kích thước thô di chuyển xoắn có hướng đi xuống dưới, các hạt rắn mịn đến rất mịn hướng lên trên.

Ngày nay, cyclone thủy lực được ứng dụng trong nhiều lĩnh vực khác như việc tách các chất xúc tác rắn bằng khí than hóa lỏng, tách hồng cầu khỏi huyết tương, thu hồi các sợi còn lại từ chất lỏng thải bột giấy. Tách chất rắn - rắn: tách quặng, loại bỏ tạp chất khỏi bột, tách tinh bột và protein. Tách chất lỏng - lỏng: được sử dụng để tách dầu thô và nước trong các mỏ dầu, tách dịch chiết trong nhà máy hóa chất. Tách khí - lỏng: ứng dụng cho dầu mỏ và khí tách dầu, nước, khí.

Về cấu tạo, đường kính là thông số quan trọng để xác định cyclone, trong thực tế, người ta sản xuất nhiều cyclone với các đường kính khác nhau từ 10mm đến 1.500mm và có thể lớn hơn. Đường kính cyclone tỷ lệ thuận với năng suất và tỷ lệ nghịch với độ phân cấp, khi đường kính cyclone tăng thì độ phân cấp hạt cũng tăng. Để tách các hạt mịn và siêu mịn, người ta phải dùng các cyclone có đường kính nhỏ 10mm đến 50mm. Cấu trúc và kiểu dáng cyclone thủy lực cũng ngày càng được cải tiến để đạt năng suất cao, giảm tiêu thụ năng lượng và thích ứng với mục đích sử dụng khác nhau.

Về vật liệu chế tạo, cyclone thủy lực ban đầu được chế tạo từ gang, thép polyme. Về sau, cyclone được cải tiến với lớp lót bên trong được làm bằng vật liệu gốm sứ kỹ thuật.

Ưu điểm của cyclone thủy lực làm bằng vật liệu gốm sứ kỹ thuật là có độ bền mài mòn cao, trơ với nhiều chất hóa sinh nên không gây ảnh hưởng tới chất lượng của sản phẩm, bền hóa, bền nhiệt tốt. Trong ngành công nghiệp chế biến khoáng sản, hầu hết sử dụng gốm sứ chịu mài mòn có thể kéo dài tuổi thọ gấp 2, gấp 3, hoặc thậm chí gấp 20 lần so với vật liệu truyền thống là gang, thép. Vì vậy, cyclone thủy lực sứ hay cyclone thủy lực kim loại lót sứ đang được ứng dụng ngày càng rộng rãi.

Hệ vật liệu gốm sứ phổ biến là hệ cao nhôm và gần đây vật liệu Silicon carbide và vật liệu Silicon nitride đang được ứng dụng sản xuất cyclone sứ thủy lực để tăng độ chịu mài mòn cho sản phẩm này. Tuổi thọ sử dụng của lớp lót gốm silicon carbide gấp 7-10 lần so với gốm cao nhôm. Gốm silicon cacbide có độ cứng cao, tính dẻo mạnh và có thể sản xuất nhiều loại bộ phận có hình dạng đặc biệt và các bộ phận có kích thước lớn. Vật liệu silicon nitride sử dụng làm lớp lót trong cyclone mang lại khả năng chống mài mòn cao hơn 8 lần so với lớp lót gốm loại tiêu chuẩn. Nhưng các loại vật liệu có độ chịu mài mòn cao thường có giá thành cao, vì vậy người sử dụng phải cân nhắc lựa chọn sản phẩm phù hợp với điều kiện kinh tế - kỹ thuật.

Việc thiết kế và sản xuất cyclone thủy lực yêu cầu sản phẩm phải duy trì tính ổn định trong quá trình làm việc, nghĩa là đảm bảo được sự phân cấp hạt đồng đều, độ tinh khiết cho sản phẩm và ít mài mòn. Ngoài ra, trong quá trình vận hành có thể điều chỉnh các các yếu tố đầu vào gồm: áp suất cấp liệu, nồng độ huyền phù, đường kính ống xả đáy và đường kính ống chảy tràn để đảm bảo hiệu quả làm việc của cyclone.

Cho đến nay, cyclone thủy lực vẫn đang tiếp tục mở rộng trong lĩnh vực ứng dụng mỏ, xử lý chất thải quặng đuôi, đập chất thải, cô đặc trước chất thải, thu hồi làm giàu chất thải, lấp chất thải quặng đuôi và các hoạt động khác.

Thông số kỹ thuật của một số hệ vật liệu chế tạo cyclone thủy lực (*)

(*) Tham khảo từ các nhà sản xuất Zibo Supereal industrial ceramic Co., Ltd, Shenzhen Hard Precision Ceramic Co., Ltd. 

Ở trong nước, cyclone thủy lực ứng dụng trong nhiều ngành như: khai thác khoáng sản, công nghệ giấy, thực phẩm, dầu mỏ. Chủ yếu dùng loại cyclone thủy lực chế tạo từ vật liệu kim loại hoặc polyme. Việc nghiên cứu chế tạo sản phẩm cyclone bằng hệ vật liệu gốm sứ gặp nhiều khó khăn vì đối với sản phẩm có hình dạng phức tạp cần phải có phương pháp tạo hình và chế độ nung đốt thích hợp.

Từ năm 2009, Viện Nghiên cứu Sành sứ và Thủy tinh Công nghiệp đã nghiên cứu chế tạo thành công sản phẩm cyclone sứ thông qua đề tài nghiên cứu: “Nghiên cứu sản xuất Cyclone thủy lực bằng vật liệu gốm bền cơ chịu mài mòn”. Sản phẩm của đề tài là Cyclone chủng loại D75 ứng dụng trong ngành tuyển lọc cao lanh và cho kết quả phân tách hạt mịn dưới 45|JIT đạt trên 98%.

Nhận thấy nhu cầu thị trường đối với loại cyclone thủy lực sứ trong nước ngày càng cao, từ năT 2019 đến nay Viện Nghiên cứu Sành sứ và Thủy tinh Công nghiệp đã và đang thực thiện dự án “Hoàn thiện công nghệ và thiết bị sản xuất cyclon thủy lưc hệ vật liệu gốm chịu mài mòn cao dùng trong công nghiệp tuyển khoáng”. Ngoài chủng loại cyclone D75, thì dự án còn sản xuất cyclone D50 đáp ứng nhu cầu phân tách cỡ hạt Tịn hơn từ 10^45pm, mang lại nhiều sự lựa chọn cho người sử dụng.

Tuy nhiên, do đặc thù của vật liệu gốm sứ, tùy vào hệ vật liệu sử dụng, phương pháp tạo hình và quy trình nung đốt quyết định tính chất sản phẩm. Vì vậy cần xây dựng tiêu chuẩn nhằm thống nhất về chất lượng đối với sản phẩm cyclone thủy lực sứ. Tiếp nối các nghiên cứu khoa học về sản phẩm cyclone thủy lực sứ, Viện Nghiên cứu Sành sứ và Thủy tinh Công nghiệp đang thực hiện Đề tài: “Nghiên cứu cơ sở khoa học và thực tiễn xây dựng yêu cầu kỹ thuật và phương pháp xác định độ chịu mài mòn, kích thước làm việc đối với sản phẩm Cyclone thủy lực sứ”. Kết quả nghiên cứu của đề tài sẽ đưa ra các yêu cầu kỹ thuật đối với sản phẩm cyclone thủy lực sứ đặc biệt là tiêu chuẩn về kích thước, tính chất kỹ thuật của sản phẩm làm căn cứ đánh giá chất lượng sản phẩm.

Không thể phủ nhận các ưu điểm của cyclone thủy lực sứ mang lại, nó là sản phẩm mang lại hiệu quả tuyệt vời khi thay thế cho các dòng sản phẩm cyclone thủy lực cùng loại bằng các vật liệu khác. Chất liệu sứ với khả năng chịu mài mòn tốt hơn thép, nhựa hay cao su và độ bền cơ học tốt. Với năng lực nghiên cứu và thế mạnh hiện có Viện Nghiên cứu Sành sứ và Thủy tinh Công nghiệp sẽ tiếp tục nghiên cứu cải tiến sản phẩm cyclone thủy lực sứ để sản phẩm này có thể ứng dụng rộng rãi trên thị trường trong nước.