Wat is een oliewaterseparator: werkingsprincipes, soorten en toepassingen

Het beantwoorden van de kernvraag: Wat is een olie-waterscheider en hoe werkt het? Een olie-waterscheider is een vat of kanaal dat vrije en gedispergeerde olie uit industrieel afvalwater verwijdert door gebruik te maken van het dichtheidsverschil tussen de twee onmengbare fasen. Scheiding volgt de wet van Stokes, waarbij de opstijgsnelheid van een oliedruppel v = g x d2 x (rho_water - rho_olie) / (18 x mu) is, dus een druppel van 150 micrometer olie van 850 kg/m3 in water stijgt met ongeveer 3-4 mm/s. Om deze te vangen, moet de scheider de bulkvloeistof voldoende vertragen zodat de druppel het oppervlak bereikt voordat het water wegstroomt. Een conventionele API 421 zwaartekrachtscheider beperkt daarom de horizontale snelheid tot 0,9 m/min (3 ft/min), houdt het Reynoldsgetal onder de 2.000 en gebruikt een diepte-breedteverhouding van 0,3-0,5. Goed gedimensioneerde eenheden snijden inkomende olie van 100-1.000 mg/L terug tot 10-50 mg/L, terwijl polijstfasen de 10-15 ppm lozingslimieten bereiken die door regelgevers en door IMO MEPC.107(49) voor scheepsbilgewater zijn vastgesteld.

Vier fysische principes bepalen of een scheider voldoet aan de uitgangsspecificatie:

• Dichtheidsverschil en de wet van Stokes: Alles begint met het dichtheidsverschil tussen de olie- en waterfasen. Typische minerale oliën zitten op 820-880 kg/m3 tegenover water van ongeveer 1.000 kg/m3, wat een drijvende verschil van 0,12-0,18 g/cm3 oplevert, maar zware ruwe olie, bitumen en sommige synthetische oliën bereiken 950-1.010 kg/m3 en scheiden zeer langzaam of helemaal niet. Omdat de opstijgsnelheid schaalt met het kwadraat van de druppeldiameter, halveert het halveren van de druppelgrootte de opstijgsnelheid: een druppel van 300 micrometer stijgt ongeveer 12 mm/s, terwijl een druppel van 75 micrometer slechts 1 mm/s haalt. Dit is precies waarom scheiders worden gespecificeerd op hun afsnijmaat, en waarom elk upstream apparaat dat druppels kleiner maakt, zoals een centrifugaalpomp of een regelklep, de prestaties van de scheider downstream stilzwijgend vernietigt.
• Verblijftijd en rustige stroming: Een scheider is een apparaat om tijd te kopen. De vloeistof moet lang genoeg in het vat blijven zodat de ontworpen druppel van de bodem van het stromingspad naar het oppervlak kan reizen, wat in een API-scheider betekent van de onderkant tot het wateroppervlak, typisch 1,5-3 m. Met een opstijgsnelheid van 3 mm/s vereist dit 500-1.000 seconden retentie, of 8-17 minuten, en de lengte van het vat volgt uit het delen van de vereiste retentie door de toegestane horizontale snelheid. Turbulentie vernietigt deze berekening, dus inlaatverdelers, geperforeerde schotten en een lange stilstaande zone zijn verplicht, en ontwerpers verifiëren de prestaties door te controleren of het Reynoldsgetal onder de 2.000 en bij voorkeur onder de 500 in de scheidingszone blijft.
• Coalescentie en druppelgroei: Zwaartekracht alleen kan druppels onder ongeveer 50-60 micrometer niet verwijderen in een redelijk formaat bassin, dus de meeste moderne scheiders voegen een coalescerend medium toe. In een golfplaatinterceptor stroomt het water door een stapel platen met een afstand van 20-40 mm, ingesteld op 45-60 graden. Druppels stijgen slechts de korte afstand naar de onderkant van de plaat erboven, coalesceren tot een film, en de film draineert vervolgens omhoog langs de plaat naar het opvangkanaal. Omdat de effectieve bezinkingsafstand daalt van meters naar centimeters, bereikt een CPI dezelfde scheiding in 20-50% van de voetafdruk van een open API-bassin. Oliehoudende vaste stoffen glijden langs de platen naar een slibhopper, die regelmatig moet worden afgetapt, anders verzilt de stapel en verliest deze volledig zijn voordeel.
• Drijvende en chemische hulp: Wanneer de olie geëmulgeerd is of de druppels gestabiliseerd zijn door oppervlakteactieve stoffen, faalt de zwaartekrachtscheiding en wendt de installatie zich tot flotatie. Opgeloste lucht flotatie verzadigt een recycle-stroom met lucht op 300-600 kPa en laat deze vrij via een naaldklep of injector bij atmosferische druk, waardoor een wolk van 10-100 micrometer bellen ontstaat die zich aan oliedruppels hechten en deze naar het oppervlak dragen, waar een schraper de drijvende olie verwijdert. Chemische hulp wordt er bijna altijd mee gecombineerd: een kationisch of anionisch polyelectrolyt breekt de emulsie, en een ijzer- of aluminiumzout coagulant destabiliseert de lading. Correct gedoseerde DAF brengt uitgaande olie tot 10-30 mg/L, maar overdosis herstabiliseert de emulsie en maakt het afvalwater slechter dan geen behandeling.

Selectie wordt gedreven door de inkomende olieconcentratie, de druppelgrootteverdeling, de beschikbare ruimte en de te voldoen lozingslimiet:

• API zwaartekrachtscheider: Het referentieontwerp voor oliehoudend water in raffinaderijen en petrochemische installaties, gestandaardiseerd in API 421 en lange tijd gebruikt als eerste behandelingsfase. Het is een lang rechthoekig betonnen bassin met een ketting-aangedreven schraper die drijvende olie veegt naar een sleufpijp aan het uiteinde, en een slibschraper die bezonken vaste stoffen naar een hopper aan de inlaat beweegt. De sterke punten zijn eenvoud, tolerantie voor slug-belastingen en vaste stoffen, en een voorspelbare 60-99% verwijdering van vrije olie. De zwakte is de voetafdruk: het behandelen van 1.000 m3/u tot een afsnijmaat van 150 micrometer vereist een bassin van ongeveer 40-60 m lang. Het behandelt alleen vrije olie en doet niets voor geëmulgeerde of opgeloste olie.
• Golfplaatinterceptor en schuine plaatinterceptor: Een CPI of TPI verpakt hetzelfde scheidingsprincipe in een stalen tank van een fractie van de grootte, met behulp van de hierboven beschreven parallelle plaatstapel. Plaatafstand van 20-40 mm en een helling van 45-60 graden laten vaste stoffen naar beneden migreren terwijl oliefilms omhoog migreren, zodat de eenheid tot op zekere hoogte zelfreinigend is. Deze eenheden zijn in de fabriek gebouwd, op skid gemonteerd en behandelen doorgaans 5-500 m3/u, wat ze de standaardkeuze maakt voor offshore platforms, terminals en installatie-upgrades waarbij geen nieuw betonnen bassin kan worden gegoten. Ze zijn gevoeliger voor verstopping door vaste stoffen en zware vetten dan een open bassin, dus upstream screening en regelmatige plaatcleaning zijn niet-onderhandelbaar.
• Opgeloste lucht flotatie en geïnduceerde gas flotatie: Flotatie-eenheden behandelen wat zwaartekracht niet kan: geëmulgeerde olie en fijne gedispergeerde druppels in het bereik van 5-50 micrometer. DAF gebruikt de eerder beschreven onder druk staande recycle-stroom en wordt vaak gebruikt in de afvalwaterbehandeling van raffinaderijen en petrochemische installaties als secundaire fase na de API-scheider. IGF verspreidt gas mechanisch met een door een waaier geïnduceerde injector of een gespoelde rotor, waardoor het verzadigingsvat en de pomp worden vermeden en hogere vaste stoffen worden getolereerd. Beide vereisen chemische conditionering, beide produceren een drijvende schuimstroom van 1-5% olie die moet worden teruggeleid voor terugwinning of verwijdering, en beide zijn gevoelig voor stroomschommelingen, dus egalisatie upstream is een ontwerpeis in plaats van een optie.
• Hydrocyclonen, coalescers en membraanpolijsting: Waar ruimte een probleem is, zoals op offshore platforms, draaien vloeistof-vloeistof hydrocyclonen de stroom met hoge snelheid zodat het zwaardere water naar de wand wordt geslingerd en de lichtere oliekern via de vortex finder wordt afgezogen. Ze zijn compact en hebben geen bewegende delen, maar ze hebben een drukval van 200-500 kPa nodig, zijn intolerant voor vaste stoffen en gas, en hun prestaties nemen scherp af bij een turndown onder 40-50% van de ontwerpopbrengst. Voor polijsten tot zeer lage niveaus kan een coalescerend patroonfilter of een ultrafiltratie- of keramisch membraanapparaat olie onder 5-10 ppm brengen, tegen de kosten van regelmatige mediavervanging en een concentraatstroom die moet worden afgehandeld.

V: Wat is het verschil tussen een olie-waterscheider en een API-scheider?

A: Een olie-waterscheider is de algemene categorie die elk apparaat omvat dat olie van water scheidt, terwijl een API-scheider een specifiek zwaartekrachtontwerp is dat is gestandaardiseerd door het American Petroleum Institute in API 421. Een API-scheider is een lang rechthoekig bassin met een schraper en slibschraper, gedimensioneerd om druppels boven 150 micrometer te verwijderen, waarbij de horizontale snelheid doorgaans wordt beperkt tot 0,9 m/min en het Reynoldsgetal onder de 2.000. Omdat het een open bassin is, verdraagt het slug-belastingen en vaste stoffen goed, maar het heeft een grote oppervlakte nodig. In de praktijk is een API-scheider de primaire behandelingsfase, en CPI-eenheden, DAF, hydrocyclonen en coalescers zijn de secundaire of polijstfasen die erop volgen.

V: Welke olieconcentratie kan een olie-waterscheider bereiken?

A: Het hangt af van de technologie en de inkomende druppelgrootteverdeling. Een goed functionerende API-zwaartekrachtscheider levert doorgaans 50-150 mg/L van een inlaat van enkele honderden tot enkele duizenden mg/L, aangezien deze alleen vrije olie verwijdert. Een golfplaatinterceptor verbetert dit tot 20-60 mg/L. Het toevoegen van chemisch geassisteerde DAF brengt het afvalwater in het bereik van 10-30 mg/L, en een coalescerende of membraanpolijstfase kan onder 5-10 mg/L komen. Voor scheepsbilgewater is de wettelijke limiet 15 ppm onder IMO MEPC.107(49), wat wordt bereikt met een speciale olie-waterscheider die een coalescerende en filterfase gebruikt, gevolgd door een oliegehaltebewaker en een automatische overboordklep.

V: Waarom stopt een olie-waterscheider plotseling met presteren?

A: Vier oorzaken zijn verantwoordelijk voor de meeste storingen. Afschuiving upstream: een nieuwe centrifugaalpomp, een regelklep of een gedeeltelijk gesloten restrictie emulgeert de olie tot druppels onder de ontworpen afsnijmaat, en geen enkel zwaartekrachtapparaat kan deze herstellen. Ophoping van vaste stoffen: slib, aanslag en bezinksel vullen het bassin of overbruggen het plaatpakket, waardoor het effectieve volume wordt verkleind en de stroming wordt kortgesloten. Temperatuurdaling: de viscositeit van water stijgt scherp naarmate het afkoelt, en aangezien de opstijgsnelheid omgekeerd evenredig is met de viscositeit, kan een eenheid die in de zomer presteert in de winter falen. Ten slotte chemische veranderingen: een nieuw oppervlakteactief middel, reinigingsmiddel of corrosieremmer in de afvalstroom stabiliseert de emulsie en verslaat de zwaartekrachtscheiding volledig.

V: Hoe moet een olie-waterscheider worden gedimensioneerd?

A: Begin bij de ontworpen afsnijmaat van de druppel, meestal 150 micrometer voor API-toepassingen, en bereken de opstijgsnelheid met de wet van Stokes met behulp van de werkelijke olie- en waterdichtheden bij de bedrijfstemperatuur in plaats van bij omgevingstemperatuur. Stel de horizontale snelheid in op niet meer dan 0,9 m/min en de diepte-breedteverhouding tussen 0,3 en 0,5, controleer vervolgens of het Reynoldsgetal onder de 2.000 ligt. De lengte van het vat volgt uit de horizontale snelheid vermenigvuldigd met de vereiste retentietijd, wat de scheidingsdiepte gedeeld door de druppelopstijgsnelheid is. Pas altijd een veiligheidsfactor van 1,5-2,0 toe voor inkomende turbulentie, bevestig het turndown-gedrag tot 30-40% van de ontwerpopbrengst, en voeg een oliepeilalarm en automatische schraperregeling toe om olie-overdracht tijdens slug-belastingen te voorkomen.