ما هي أفضل طريقة للفصل بين الزيت والماء: دليل الاختيار

الإجابة على السؤال الأساسي:ما هي أفضل طريقة للفصل بين الزيت والماء؟لا توجد طريقة واحدة مثلى؛ فالطريقة الصحيحة تعتمد على حجم قطرات الزيت في الماء، وكل شيء آخر يتبع ذلك. الزيت الحر، وهو القطرات التي يزيد حجمها عن 150 ميكرومتر، ينفصل بالجاذبية وحدها في فاصل API 421، ويصل إلى 50-150 ملغم/لتر. الزيت المشتت الذي يتراوح حجمه بين 20-150 ميكرومتر يحتاج إلى فاصل ألواح مكدسة أو دوامة مائية، ويصل إلى 20-60 ملغم/لتر. الزيت المستحلب الذي يقل حجمه عن 20 ميكرومتر لا يمكن أن يترسب على الإطلاق ويتطلب تعويم الهواء المذاب مع التخثر الكيميائي، ويصل إلى 10-30 ملغم/لتر. الزيت المذاب الذي يقل حجمه عن 5 ميكرومتر يتطلب مجمعًا أو غشاءً، ويصل إلى أقل من 5-10 ملغم/لتر. لذلك، يبدأ الاختيار بقياس توزيع حجم القطرات، وليس باختيار المعدات: الفيزياء الحاكمة هي قانون ستوكس، حيث يتناسب معدل الارتفاع مع مربع قطر القطرة، لذا فإن تقليل حجم القطرة إلى النصف يقلل من معدل الترسيب إلى الربع.

1. حالات الزيت الأربع والطريقة التي يتطلبها كل منها

يوجد الزيت في الماء في أربع حالات فيزيائية مميزة، وكل منها قابل للفصل فقط بطريقة تتناسب معه:

• الزيت الحر: فصل بالجاذبية:يوجد الزيت الحر على شكل قطرات كبيرة بما يكفي للارتفاع بالجاذبية خلال وقت إقامة معقول، وعادة ما يكون حجمها أكبر من 150 ميكرومتر، وهو ما يزيله فاصل API 421 أو حوض ترسيب بسيط. نظرًا لأن سرعة الارتفاع تتناسب طرديًا مع مربع القطر، فإن قطرة زيت بحجم 300 ميكرومتر وكثافة 850 كجم/م3 ترتفع بسرعة حوالي 12 مم/ثانية بينما تدير قطرة بحجم 75 ميكرومتر 1 مم/ثانية فقط، وهذا هو سبب تحديد حجم القطع للحوض. يحد حوض API التقليدي من السرعة الأفقية إلى 0.9 متر/دقيقة ويحافظ على رقم رينولدز أقل من 2000، مما يوفر 50-150 ملغم/لتر من مدخل يتراوح بين عدة مئات إلى بضعة آلاف. هذه هي دائمًا المرحلة الأولى في سلسلة المعالجة، لأنها الأرخص لكل طن من الزيت المستخرج، وتتحمل الأحمال المفاجئة والمواد الصلبة، وتحمي كل شيء في المراحل اللاحقة.
• الزيت المشتت: ألواح مكدسة ودوامات مائية:الزيت المشتت بحجم 20-150 ميكرومتر يترسب ببطء شديد بالنسبة لحوض مفتوح، لذا فإن التصميم يقصر المسافة التي يجب أن تقطعها القطرة بدلاً من إطالة الوقت. يقوم فاصل الألواح المتموجة بتكديس الألواح بمسافة 20-40 ملم بزاوية 45-60 درجة، بحيث ترتفع القطرة فقط إلى اللوح العلوي، وتتجمع في طبقة وتتدفق للأعلى إلى قناة التجميع؛ هذا يقلل البصمة المطلوبة إلى 20-50٪ من حوض API ويصل إلى 20-60 ملغم/لتر. بدلاً من ذلك، تستخدم الدوامة المائية السائلة-السائلة التسارع المركزي، وتدور التيار بحيث تتحرك المياه الأثقل نحو الجدار ويتم سحب نواة الزيت، في حزمة تمثل جزءًا صغيرًا من حجم أي جهاز جاذبية. الدوامات المائية هي الخيار في البحر وعلى الأماكن التي تكون فيها المساحة محدودة، ولكنها تحتاج إلى انخفاض ضغط يتراوح بين 200-500 كيلو باسكال، وهي غير متسامحة مع المواد الصلبة والغاز، وتفقد الكفاءة عند الانخفاض إلى أقل من 40-50٪.
• الزيت المستحلب: التعويم والمعالجة الكيميائية:تحت حوالي 20 ميكرومتر، يتم تثبيت القطرات بواسطة المواد الخافضة للتوتر السطحي، أو المركبات الطبيعية النشطة سطحيًا، أو المواد الصلبة الدقيقة عند الواجهة، ولن تفصلها الجاذبية في أي وعاء عملي. الحل هو تغيير الفيزياء: يقوم عامل التخثر مثل كلوريد الحديديك أو كبريتات الألومنيوم بتحييد الشحنة السطحية التي تبقي القطرات منفصلة، ويقوم بوليمر إلكتروليتي بربط القطرات في كتل أكبر، ثم يقوم تعويم الهواء المذاب بإرفاق فقاعات هواء بحجم 10-100 ميكرومتر تحمل الكتلة إلى السطح ليتم كشطها. يجب تحديد الجرعة عن طريق اختبارات الجرار على التيار الفعلي، لأن الأمثل ضيق والجرعة الزائدة تعيد استقرار المستحلب، مما يجعل النفايات أسوأ من عدم المعالجة. يصل التعويم بالهواء المذاب المعالج بشكل صحيح إلى 10-30 ملغم/لتر وهو المعالجة الثانوية القياسية في المصافي ومصانع البتروكيماويات، مع تفضيل التعويم بالغاز المحفز حيث تكون المواد الصلبة عالية أو حيث لا يكون المشبع مرغوبًا فيه.
• الزيت المذاب والتلميع: المجمعات والأغشية والامتصاص:عندما يكون حد التصريف منخفضًا جدًا، أو عندما يراد إعادة استخدام المياه، يتم إضافة مرحلة تلميع. يمر مرشح التجميع التيار عبر وسط ليفي أو وسط مبلل خصيصًا حيث تلتصق القطرات الدقيقة وتندمج وتنمو حتى يمكن فصلها بالجاذبية في غرفة لاحقة، وتصل إلى 5-20 ملغم/لتر. ترفض أغشية الترشيح الفائق أو السيراميك الزيت تمامًا تقريبًا، مما يعطي أقل من 5-10 ملغم/لتر وغالبًا أقل من 1-5 ملغم/لتر، بتكلفة تيار مركز يجب التعامل معه وتنظيف منتظم. يزيل امتصاص الطين العضوي أو الكربون المنشط الهيدروكربونات المذابة التي لا تستطيع أي طريقة ميكانيكية لمسها، ويستخدم كسرير حماية نهائي. بالنسبة لمياه الصرف الصحي للسفن، الحد هو 15 جزء في المليون بموجب IMO MEPC.107(49)، ويتم تحقيقه بفاصل مخصص، ومرحلة تجميع وترشيح، ومراقب لمحتوى الزيت، وصمام خارجي تلقائي يغلق إذا تجاوز الحد.

2. كيفية الاختيار: تسلسل القرار

الاختيار هو تسلسل من خمسة أسئلة، والإجابة عليها بالترتيب ينتج عنها دائمًا المسار الصحيح:

• قياس توزيع حجم القطرات أولاً:هذا القياس الوحيد يحدد كل شيء، ومع ذلك فهو الخطوة التي يتم تخطيها في أغلب الأحيان. يعطي محلل حجم الجسيمات بالليزر أو العد المجهري البسيط لعينة طازجة غير مقصوصة التوزيع، وقيم d50 و d90 تخبرك أي تقنية ستعمل. إذا كان معظم الزيت أكبر من 150 ميكرومتر، فإن الجاذبية كافية وأي استثمار إضافي يكون مضيعة. إذا كان d50 أقل من 20 ميكرومتر، فلن تعمل أي أجهزة جاذبية بأي حجم ويجب أن تذهب الأموال إلى المعالجة الكيميائية والتعويم. عندما لا يمكن أخذ العينة دون قص، وهو أمر شائع لأن أخذ العينات نفسه عبر صمام يكسر القطرات، فإن النهج الصحيح هو أخذ العينة بسرعة منخفضة من نقطة عينة مخصصة وتحليلها فورًا بدلاً من بعد النقل.
• تحقق مما إذا كان المستحلب يتم إنشاؤه في المنبع:في كثير من الأحيان تكون المشكلة ليست الفاصل ولكن الأنابيب. مضخة طرد مركزي، صمام تحكم خانق، صمام مغلق جزئيًا أو قيد مقيد يقطع الزيت الحر إلى مستحلب مستقر من قطرات بحجم 5-20 ميكرومتر لا يمكن لأي فاصل جاذبية استعادته. قبل تحديد أي معدات جديدة، قم بالسير على الخط وحدد كل نقطة قص بين المصدر والفاصل؛ استبدال مضخة طرد مركزي بمضخة تجويف تقدمي أو مضخة لولبية منخفضة القص، أو استبدال صمام خانق بمحرك متغير السرعة، غالبًا ما يحسن الأداء أكثر من أي مشروع رأسمالي وبتكلفة جزء صغير منه. وبالمثل، تحقق من أن درجة الحرارة لم تنخفض، حيث ترتفع لزوجة الماء بشكل حاد مع برودته وينخفض معدل الترسيب بالتناسب.
• تحديد حد التصريف وملف العمل:يحدد تركيز المخرج المطلوب عدد المراحل المطلوبة: 50-150 ملغم/لتر يحتاج إلى جاذبية فقط، 10-30 ملغم/لتر يحتاج إلى تعويم، أقل من 10 ملغم/لتر يحتاج إلى مجمع أو غشاء، و 15 جزء في المليون يحتاج إلى فاصل مياه زيتية مخصص مع مراقبة. ملف العمل مهم بنفس قدر الحد. التدفق الثابت سهل؛ التدفق المدفوع بالعواصف أو الدفعات مع ذروات من ثلاثة إلى عشرة أضعاف المتوسط يتطلب إما وعاءً أكبر بكثير أو حوض معادلة في المنبع، لأن الفواصل المصممة على متوسط التدفق تفشل أثناء كل زيادة. الأحمال المفاجئة، محتوى المواد الصلبة، ووجود المواد الخافضة للتوتر السطحي أو عوامل التنظيف كلها تدفع التصميم نحو تكوين أكثر قوة وأقل تحسينًا.
• تقييم البصمة والمرافق وتكلفة التشغيل:نادرًا ما تكون التكلفة الرأسمالية حاسمة بمجرد احتساب البصمة والمرافق. حوض API رخيص لكل وحدة أداء ولكنه يحتاج إلى مساحة كبيرة، والتي قد لا تكون موجودة في مصنع قائم أو في البحر، لذا فإن فاصل الألواح أو الدوامة المائية تفوز على الرغم من ارتفاع التكلفة الرأسمالية لكل متر مكعب في الساعة. يتطلب التعويم مواد كيميائية، ومضخة مشبع، وتيار إعادة تدوير، ومعالجة للمواد المكشوطة، لذا فإنه يحمل تكلفة تشغيل مستمرة ومتطلب عمل لا تملكه الجاذبية. توفر الأغشية أفضل جودة للمياه ولكنها تحتاج إلى معالجة مسبقة، ومواد كيميائية للتنظيف، واستبدال دوري للعناصر، وطريق للتركيز. المقارنة الصحيحة هي التكلفة الإجمالية للملكية على مدى عمر المصنع في ملف العمل الفعلي، بما في ذلك تكلفة التخلص من الزيت والرواسب المستعادة، والتي غالبًا ما تكون أكبر بند تشغيل فردي.
• تصميم المسار، وليس الوحدة:المصانع الحقيقية تستخدم تسلسلاً، والمراحل متكاملة وليست تنافسية. مسار مصفاة نموذجي هو فاصل API للزيت الحر، وحوض معادلة لتخفيف الزيادات، وتعويم الهواء المذاب مع جرعات كيميائية للزيت المستحلب، ومرشح رملي أو مجمع للتلميع، يليه معالجة بيولوجية للمواد العضوية المذابة. يتم قياس كل مرحلة لما تتركه المرحلة السابقة، وكل مرحلة تحمي المرحلة التالية من الحمل الزائد. حيث يكون للزيت المستعاد قيمة، يتم تصميم المسار للحفاظ عليه نظيفًا وخاليًا من الماء بدلاً من مجرد إزالته، لأن الرواسب الزيتية هي تكلفة التخلص بينما الزيت المستعاد هو بند إيرادات. وكل مسار يحتاج إلى أجهزة: مراقبة محتوى الزيت في المدخل والمخرج، والضغط التفاضلي عبر كل عنصر، وقياس التدفق، بحيث يتم اكتشاف انخفاض الأداء وتشخيصه بدلاً من اكتشافه عند نقطة التصريف.

مصفوفة مقارنة طرق فصل الزيت عن الماء

أسئلة متكررة (FAQ)

س: هل يمكن فصل الزيت والماء بالجاذبية وحدها؟

ج: نعم، ولكن فقط للزيت الحر. يعمل فصل الجاذبية عندما تكون قطرات الزيت كبيرة بما يكفي للارتفاع إلى السطح خلال وقت إقامة الوعاء، مما يعني بالنسبة للتصاميم العملية أكثر من حوالي 150 ميكرومتر. الفيزياء هي قانون ستوكس: سرعة الارتفاع تتناسب طرديًا مع مربع قطر القطرة والفرق في الكثافة، وعكسيًا مع لزوجة الماء. قطرة زيت معدني نموذجي بحجم 300 ميكرومتر ترتفع بسرعة حوالي 12 مم/ثانية ويتم التقاطها بسهولة، ولكن قطرة بحجم 75 ميكرومتر ترتفع بسرعة 1 مم/ثانية فقط وقطرة بحجم 20 ميكرومتر لا تنفصل فعليًا أبدًا في وعاء حقيقي. هذا هو السبب في أن الجاذبية هي دائمًا المرحلة الأولى ولماذا تتبعها دائمًا شيء آخر عندما يكون حد التصريف أقل من حوالي 50 ملغم/لتر أو عندما تم استحلاب الزيت عن طريق الضخ أو المواد الخافضة للتوتر السطحي.

س: لماذا يعمل فاصل الزيت والماء الخاص بي في الصيف ويفشل في الشتاء؟

ج: دائمًا تقريبًا بسبب اللزوجة. تتضاعف لزوجة الماء تقريبًا بين 25 درجة مئوية و 5 درجات مئوية، ولأن سرعة ارتفاع القطرة تتناسب عكسيًا مع اللزوجة، فإن معدل الترسيب ينخفض إلى النصف على نفس النطاق. لذلك، فإن الفاصل الذي تم تصميمه بهامش متواضع فقط، أو الذي يعمل بالفعل بالقرب من حده، سيحمل الزيت عندما يبرد الماء، على الرغم من عدم تغير أي شيء آخر. نفس الآلية تفسر لماذا تسخين تغذية الزيت الثقيل يحسن الفصل: يصبح الزيت أقل لزوجة ويزداد فرق الكثافة. الاستجابات العملية هي قياس الفاصل باستخدام اللزوجة عند أدنى درجة حرارة تشغيل متوقعة بدلاً من درجة الحرارة المحيطة، وعزل أو تسخين الوعاء وخط المدخل حيث يتطلب المناخ ذلك، والتحقق مما إذا كانت المشكلة الأوسع هي أن هامش التصميم كان صغيرًا جدًا في المقام الأول.

س: ما الذي يكسر مستحلب الزيت في الماء؟

ج: أربعة أساليب، بترتيب زيادة الشدة. كيميائي: عامل تخثر مثل كلوريد الحديديك أو كبريتات الألومنيوم يحيد الشحنة السطحية التي تبقي القطرات منفصلة، ويقوم بوليمر إلكتروليتي بربطها في كتل أكبر؛ يجب تحديد الجرعة عن طريق اختبارات الجرار لأنها خاصة بكيمياء الماء. حراري: التسخين يقلل اللزوجة، ويزيد فرق الكثافة، ويزعزع استقرار الفيلم البيني، وهذا هو سبب تسخين بعض المصانع للتغذية إلى 50-70 درجة مئوية. ميكانيكي: الخلط اللطيف منخفض القص بعد الجرعات يعزز نمو الكتل، بينما يدمرها الخلط عالي القص، وهذا هو سبب استخدام أحواض التخثر بمحركات بطيئة السرعة. وكهربائي: مجمع كهروستاتيكي يطبق مجال جهد عالي يقطب ويمدد القطرات، ويمزق الفيلم ويدمجها، ويستخدم في معالجة تجفيف النفط الخام بدلاً من خدمة مياه الصرف الصحي. العنصر المشترك هو أن كسر المستحلب هو معالجة مسبقة تسمح بعد ذلك لعملية الجاذبية أو التعويم بالعمل.

س: ما الفرق بين إزالة الزيت وإزالة الهيدروكربونات المذابة؟

ج: الفصل الميكانيكي يزيل الزيت الذي يوجد كطور منفصل، سواء كان على شكل قطرات حرة أو مشتتة أو مستحلبة، ويتم وصف أدائه بحجم قطع القطرات وتركيز المخرج بالملليجرام لكل لتر. الهيدروكربونات المذابة موجودة حقًا في المحلول على المستوى الجزيئي، وعادة ما تكون أقل من حوالي 5 ميكرومتر ويتم قياسها عادةً على أنها هيدروكربونات بترولية إجمالية أو كمركب معين مثل البنزين؛ لن تزيلها أي طريقة جاذبية أو تعويم أو ترشيح. يتم التعامل مع الهيدروكربونات المذابة عن طريق التجريد بالهواء أو البخار، أو الامتصاص على الكربون المنشط أو الطين العضوي، أو المعالجة البيولوجية في حمأة منشطة أو مفاعل حيوي غشائي. هذا التمييز مهم لأن المصنع الذي يلبي حد 10 ملغم/لتر من الزيت والشحوم قد يفشل في حد الهيدروكربونات المذابة، ولأن طرق التحليل تختلف: الزيت والشحوم بالاستخلاص الوزني أو بالأشعة تحت الحمراء، والهيدروكربونات المذابة بالكروماتوغرافيا الغازية.