ما هو فاصل الزيت والماء: مبادئ العمل والأنواع والتطبيقات

الإجابة على السؤال الأساسي:ما هو فاصل الزيت عن الماء وكيف يعمل؟فاصل الزيت عن الماء هو وعاء أو قناة تزيل الزيت الحر والمشتت من مياه الصرف الصناعي عن طريق استغلال فرق الكثافة بين الطورين غير القابلين للامتزاج. يعتمد الفصل على قانون ستوكس، حيث تكون سرعة صعود قطرة الزيت v = g x d2 x (rho_water - rho_oil) / (18 x mu)، لذا فإن قطرة زيت بحجم 150 ميكرومتر وكثافة 850 كجم/م3 في الماء ترتفع بسرعة تقارب 3-4 مم/ثانية. لالتقاطها، يجب على الفاصل إبطاء السائل السائب بما يكفي لتصل القطرة إلى السطح قبل خروج الماء. لذلك، يحد فاصل الجاذبية التقليدي API 421 من السرعة الأفقية إلى 0.9 م/دقيقة (3 قدم/دقيقة)، ويحافظ على رقم رينولدز أقل من 2000، ويستخدم نسبة عمق إلى عرض تتراوح بين 0.3-0.5. الوحدات ذات الحجم المناسب تقلل الزيت الوارد من 100-1000 ملجم/لتر إلى 10-50 ملجم/لتر، بينما تصل مراحل التلميع إلى حدود التصريف البالغة 10-15 جزء في المليون التي تحددها الجهات التنظيمية و IMO MEPC.107(49) لمياه الصرف الصحي على متن السفن.

تحدد أربعة مبادئ فيزيائية ما إذا كان الفاصل يلبي مواصفات المخرج:

• فرق الكثافة وقانون ستوكس:كل شيء يبدأ بفرق الكثافة بين طوري الزيت والماء. الزيوت المعدنية النموذجية تقع عند 820-880 كجم/م3 مقابل الماء عند حوالي 1000 كجم/م3، مما يعطي فرقًا دافعًا قدره 0.12-0.18 جم/سم3، ولكن النفط الخام الثقيل والبيتومين وبعض الزيوت الاصطناعية تصل إلى 950-1010 كجم/م3 وتنفصل ببطء شديد أو لا تنفصل على الإطلاق. نظرًا لأن سرعة الصعود تتناسب مع مربع قطر القطرة، فإن مضاعفة حجم القطرة إلى النصف تقلل معدل الصعود إلى الربع: قطرة بحجم 300 ميكرومتر ترتفع حوالي 12 مم/ثانية بينما قطرة بحجم 75 ميكرومتر تدير فقط 1 مم/ثانية. هذا هو السبب بالضبط في تحديد مواصفات الفواصل حسب حجم القطع الخاص بها، ولماذا أي جهاز في المنبع يقوم بقص القطرات الأصغر، مثل مضخة طرد مركزي أو صمام اختناق، يدمر أداء الفاصل في المصب بصمت.
• وقت المكوث والتدفق الهادئ:الفاصل هو جهاز لشراء الوقت. يجب أن يبقى السائل في الوعاء لفترة كافية لكي تسافر قطرة التصميم من قاع مسار التدفق إلى السطح، مما يعني في فاصل API من القاع إلى سطح الماء، عادةً 1.5-3 متر. مع سرعة صعود تبلغ 3 مم/ثانية، يتطلب ذلك 500-1000 ثانية من الاحتفاظ، أو 8-17 دقيقة، ويتبع طول الوعاء من قسمة الاحتفاظ المطلوب على السرعة الأفقية المسموح بها. يؤدي الاضطراب إلى تدمير هذا الحساب، لذا فإن موزعات المدخلات والحواجز المثقبة ومنطقة هادئة طويلة إلزامية، ويتحقق المصممون من الأداء عن طريق التحقق من أن رقم رينولدز يبقى أقل من 2000 ويفضل أن يكون أقل من 500 في منطقة الفصل.
• التكتل ونمو القطرات:الجاذبية وحدها لا يمكنها إزالة القطرات التي تقل عن حوالي 50-60 ميكرومتر في حوض بحجم معقول، لذا فإن معظم الفواصل الحديثة تضيف وسيطًا متكتلًا. في معترض الألواح المضلعة، يتدفق الماء عبر مجموعة من الألواح المتباعدة 20-40 مم بمسافة 45-60 درجة. ترتفع القطرات فقط المسافة القصيرة إلى الجانب السفلي من اللوح العلوي، وتتكتل في طبقة رقيقة، ثم تستنزف الطبقة الرقيقة لأعلى على طول اللوح إلى قناة التجميع. نظرًا لأن مسافة الاستقرار الفعالة تنخفض من الأمتار إلى السنتيمترات، يحقق CPI نفس الفصل في 20-50٪ من مساحة حوض API المفتوح. تنزلق المواد الصلبة الزيتية لأسفل على الألواح إلى قادوس الحمأة، والذي يجب تصريفه بانتظام أو تتراكم الرواسب ويفقد ميزته تمامًا.
• الطفو والمساعدة الكيميائية:عندما يكون الزيت مستحلبًا أو تكون القطرات مستقرة بواسطة المواد الخافضة للتوتر السطحي، يفشل فصل الجاذبية ويتحول المصنع إلى الطفو. التشبع العائم بالهواء المذاب تيار إعادة تدوير بالهواء عند 300-600 كيلو باسكال ويطلقه عبر صمام إبرة أو مغذي عند الضغط الجوي، مما ينتج سحابة من فقاعات بحجم 10-100 ميكرومتر تلتصق بقطرات الزيت وتحملها إلى السطح، حيث تزيل الكاشطة العائمة. المساعدة الكيميائية تقترن بها دائمًا: بوليمر إلكتروليتي موجب أو سالب يكسر المستحلب، وملح ألومنيوم أو حديد مخثر يزعزع الشحنة. يجلب DAF المجرى بالجرعة الصحيحة الزيت المخرج إلى 10-30 ملجم/لتر، ولكن الجرعة الزائدة تعيد استقرار المستحلب وتجعل النفايات أسوأ من عدم المعالجة على الإطلاق.

يتم تحديد الاختيار حسب تركيز الزيت الوارد، وتوزيع حجم القطرات، والمساحة المتاحة، وحدود التصريف التي يجب تلبيتها:

• فاصل الجاذبية API:التصميم المرجعي لمياه المصافي والبتروكيماويات الزيتية، الموحد في API 421 ويستخدم منذ فترة طويلة كمرحلة أولى من المعالجة. إنه حوض خرساني مستطيل طويل مع كاشطة طيران مدفوعة بالسلسلة تجرف الزيت العائم إلى أنبوب مشقوق في الطرف السفلي، وكاشطة حمأة تحرك المواد الصلبة المترسبة إلى قادوس عند المدخل. نقاط قوته هي البساطة، والتسامح مع الأحمال المفاجئة والمواد الصلبة، وإزالة متوقعة بنسبة 60-99٪ من الزيت الحر. ضعفه هو المساحة: معالجة 1000 م3/ساعة إلى قطع بحجم 150 ميكرومتر تتطلب حوضًا بطول 40-60 مترًا تقريبًا. يتعامل مع الزيت الحر فقط ولا يفعل شيئًا للزيت المستحلب أو المذاب.
• معترض الألواح المضلعة ومعترض الألواح المائلة:يجمع CPI أو TPI نفس مبدأ الفصل في خزان فولاذي بجزء صغير من الحجم، باستخدام حزمة الألواح المتوازية الموضحة أعلاه. تسمح مسافة الألواح البالغة 20-40 مم والميل البالغ 45-60 درجة للمواد الصلبة بالهجرة لأسفل بينما تهاجر طبقات الزيت لأعلى، لذا فإن الوحدة تنظف نفسها إلى حد ما. هذه الوحدات مبنية في المصنع، مثبتة على هيكل، وتعالج عادةً 5-500 م3/ساعة، مما يجعلها الخيار القياسي للمنصات البحرية والمحطات وتجديدات المصانع حيث لا يمكن صب حوض خرساني جديد. إنها أكثر عرضة للانسداد بالمواد الصلبة والشحوم الثقيلة من الحوض المفتوح، لذا فإن الفحص في المنبع والتنظيف المنتظم للألواح أمران غير قابلين للتفاوض.
• الطفو بالهواء المذاب والطفو بالغاز المستحث:وحدات الطفو تعالج ما لا تستطيع الجاذبية معالجته: الزيت المستحلب والقطرات الدقيقة المشتتة في نطاق 5-50 ميكرومتر. يستخدم DAF تيار إعادة التدوير المضغوط الموصوف سابقًا وهو شائع في معالجة مياه الصرف الصحي للمصافي والبتروكيماويات كمرحلة ثانوية بعد فاصل API. بدلاً من ذلك، يقوم IGF بتشتيت الغاز ميكانيكيًا باستخدام محرك مروحة مستحث أو دوار مرشوش، متجنبًا وعاء التشبع والمضخة ويتسامح مع مواد صلبة أعلى. كلاهما يحتاج إلى تكييف كيميائي، وكلاهما ينتج تيارًا من العائمة المكتنزة بنسبة 1-5٪ من الزيت يجب توجيهه مرة أخرى للاسترداد أو التخلص منه، وكلاهما حساس لاندفاعات التدفق، لذا فإن التسوية في المنبع هي متطلب تصميم بدلاً من خيار.
• الهيدروسيكلون، المعترضات، وتلميع الأغشية:حيث تكون المساحة محدودة، كما هو الحال في المنصات البحرية، تقوم الهيدروسيكلونات السائلة-السائلة بتدوير التيار بسرعة عالية بحيث يتم دفع الماء الأثقل إلى الجدار ويتم سحب نواة الزيت الأخف عبر مكتشف الدوامة. إنها مدمجة وليس لها أجزاء متحركة، لكنها تحتاج إلى انخفاض في الضغط يتراوح بين 200-500 كيلو باسكال، ولا تتسامح مع المواد الصلبة والغاز، وأداؤها ينخفض ​​بشكل حاد عند الانخفاض إلى أقل من 40-50٪ من تدفق التصميم. للتلميع إلى مستويات منخفضة جدًا، يمكن لفلتر خرطوشة متكتل أو وحدة ترشيح فائق أو غشائية سيراميكية أن تجلب الزيت إلى أقل من 5-10 جزء في المليون، بتكلفة استبدال وسائط منتظم وتيار مركز يجب التعامل معه.

س: ما الفرق بين فاصل الزيت عن الماء وفاصل API؟

ج: فاصل الزيت عن الماء هو الفئة العامة التي تغطي أي جهاز يفصل الزيت عن الماء، بينما فاصل API هو تصميم جاذبية محدد واحد موحد من قبل المعهد الأمريكي للبترول في API 421. فاصل API هو حوض مستطيل طويل مع كاشطة طيران وكاشطة حمأة بحجم لإزالة القطرات التي تزيد عن 150 ميكرومتر، وعادة ما يحافظ على السرعة الأفقية عند 0.9 م/دقيقة ورقم رينولدز أقل من 2000. نظرًا لأنه حوض مفتوح، فإنه يتحمل الأحمال المفاجئة والمواد الصلبة بشكل جيد، ولكنه يحتاج إلى مساحة كبيرة. في الممارسة العملية، يعد فاصل API مرحلة المعالجة الأولية، ووحدات CPI و DAF والهيدروسيكلونات والمعترضات هي المراحل الثانوية أو مراحل التلميع التي تتبعها.

س: ما هو تركيز الزيت الذي يمكن أن يحققه فاصل الزيت عن الماء؟

ج: يعتمد ذلك على التكنولوجيا وعلى توزيع حجم القطرات الواردة. يقدم فاصل الجاذبية API الذي يعمل بشكل جيد عادةً 50-150 ملجم/لتر من مدخل يتراوح بين عدة مئات إلى بضعة آلاف ملجم/لتر، حيث أنه يزيل الزيت الحر فقط. يحسن معترض الألواح المضلعة هذا إلى 20-60 ملجم/لتر. إضافة DAF بمساعدة كيميائية تجلب النفايات إلى نطاق 10-30 ملجم/لتر، ويمكن لمرحلة تلميع معترض أو غشائية أن تصل إلى أقل من 5-10 ملجم/لتر. بالنسبة لمياه الصرف الصحي على متن السفن، فإن الحد التنظيمي هو 15 جزء في المليون بموجب IMO MEPC.107(49)، والذي يتم تلبيته باستخدام فاصل زيت عن ماء مخصص يستخدم مرحلة تكتل وترشيح متبوعة بمراقب محتوى الزيت وصمام خارجي تلقائي.

س: لماذا يتوقف فاصل الزيت عن الماء عن الأداء فجأة؟

ج: أربعة أسباب مسؤولة عن معظم حالات الفشل. القص في المنبع: مضخة طرد مركزي جديدة، صمام تحكم اختناقي أو قيد جزئي يمزج الزيت إلى قطرات أقل من حجم القطع المصمم، ولا يمكن لأي جهاز جاذبية استعادتها. تراكم المواد الصلبة: الطمي والقشور والحمأة تملأ الحوض أو تسد حزمة الألواح، مما يقلل الحجم الفعال ويقصر التدفق. انخفاض درجة الحرارة: تزداد لزوجة الماء بشكل حاد مع برودته، وبما أن سرعة الصعود تتناسب عكسيًا مع اللزوجة، فإن الوحدة التي تعمل في الصيف يمكن أن تفشل في الشتاء. أخيرًا التغيرات الكيميائية: مادة خافضة للتوتر السطحي جديدة، أو عامل تنظيف، أو مثبط للتآكل في تيار النفايات يثبت المستحلب ويهزم فصل الجاذبية تمامًا.

س: كيف يجب تحديد حجم فاصل الزيت عن الماء؟

ج: ابدأ من حجم القطع المصمم للقطرة، عادةً 150 ميكرومتر لواجب API، واحسب سرعة الصعود باستخدام قانون ستوكس باستخدام كثافات الزيت والماء الفعلية في درجة حرارة التشغيل بدلاً من درجة الحرارة المحيطة. اضبط السرعة الأفقية على ألا تزيد عن 0.9 م/دقيقة ونسبة العمق إلى العرض بين 0.3 و 0.5، ثم تحقق من أن رقم رينولدز أقل من 2000. يتبع طول الوعاء من السرعة الأفقية مضروبة في وقت الاحتفاظ المطلوب، وهو عمق الفصل مقسومًا على سرعة صعود القطرة. قم دائمًا بتطبيق عامل أمان يتراوح بين 1.5-2.0 للاضطراب في المنبع، وتأكد من سلوك الانخفاض إلى 30-40٪ من تدفق التصميم، وأضف إنذار مستوى الزيت وتحكمًا تلقائيًا في الكشط لمنع حمل الزيت أثناء الأحمال المفاجئة.