Was ist die beste Methode zur Trennung von Öl und Wasser: Ein Auswahlleitfaden

Beantwortung der Kernfrage: Was ist die beste Methode zur Trennung von Öl und Wasser? Es gibt keine einzelne beste Methode; die richtige wird durch die Tröpfchengröße des Öls im Wasser bestimmt, und alles andere ergibt sich daraus. Freies Öl, Tröpfchen über 150 Mikrometer, trennt sich allein durch Schwerkraft in einem API 421-Abscheider und erreicht 50-150 mg/L. Dispergiertes Öl von 20-150 Mikrometer benötigt einen Plattenpaket-Abscheider oder einen Hydrozyklon und erreicht 20-60 mg/L. Emulgiertes Öl unter 20 Mikrometer kann sich überhaupt nicht absetzen und erfordert eine Flotation mit gelöster Luft und chemischer Koagulation und erreicht 10-30 mg/L. Gelöstes Öl unter 5 Mikrometer erfordert einen Koaleszenzfilter oder eine Membran und erreicht unter 5-10 mg/L. Die Auswahl beginnt daher mit der Messung der Tröpfchengrößenverteilung, nicht mit der Auswahl der Ausrüstung: Die bestimmende Physik ist das Stokes'sche Gesetz, bei dem die Aufstiegsgeschwindigkeit mit dem Quadrat des Tröpfchendurchmessers skaliert, sodass sich die Sedimentationsrate bei Halbierung des Tröpfchendurchmessers viertelt.

1. Die vier Zustände von Öl und die jeweils erforderliche Methode

Öl im Wasser existiert in vier physikalisch unterschiedlichen Zuständen, und jeder ist nur durch eine passende Methode trennbar:

• Freies Öl: Schwerkraftabscheidung: Freies Öl liegt in Form von Tröpfchen vor, die groß genug sind, um innerhalb einer angemessenen Verweilzeit durch Schwerkraft aufzusteigen, typischerweise über 150 Mikrometer, und es ist das, was ein API 421-Abscheider oder ein einfacher Absetzbehälter entfernt. Da die Aufstiegsgeschwindigkeit proportional zum Quadrat des Durchmessers ist, steigt ein 300-Mikrometer-Tröpfchen von 850 kg/m3 Öl mit etwa 12 mm/s, während ein 75-Mikrometer-Tröpfchen nur 1 mm/s schafft, weshalb die Schnittgröße das Gefäß definiert. Ein konventionelles API-Becken begrenzt die horizontale Geschwindigkeit auf 0,9 m/min und hält die Reynolds-Zahl unter 2.000, wodurch 50-150 mg/L aus einem Zulauf von mehreren hundert bis einigen tausend erreicht werden. Dies ist immer die erste Stufe in einer Behandlungskette, da sie die billigste pro Tonne entferntem Öl ist, Schwallbelastungen und Feststoffe toleriert und alles nachgeschaltete schützt.
• Dispergiertes Öl: Plattenpakete und Hydrozyklone: Dispergiertes Öl von 20-150 Mikrometer setzt sich in einem offenen Becken zu langsam ab, daher verkürzt das Design die Strecke, die das Tröpfchen zurücklegen muss, anstatt die Zeit zu verlängern. Ein Wellplattensammler stapelt Platten im Abstand von 20-40 mm in einem Winkel von 45-60 Grad, sodass ein Tröpfchen nur bis zur darüber liegenden Platte aufsteigt, zu einem Film koalesziert und nach oben zum Sammelkanal abläuft; dies reduziert die erforderliche Grundfläche auf 20-50 % eines API-Beckens und erreicht 20-60 mg/L. Ein Flüssig-Flüssig-Hydrozyklon nutzt stattdessen Zentrifugalbeschleunigung, indem er den Strom dreht, sodass das schwerere Wasser zur Wand und der Öl-Kern abgeführt wird, in einem Paket, das einen Bruchteil der Größe jedes Schwerkraftgeräts ausmacht. Hydrozyklone sind die Wahl für Offshore-Anlagen und dort, wo Platz Mangelware ist, aber sie benötigen einen Druckabfall von 200-500 kPa, sind intolerant gegenüber Feststoffen und Gas und verlieren bei einer Teillast unter 40-50 % an Effizienz.
• Emulgiertes Öl: Flotation und chemische Behandlung: Unter etwa 20 Mikrometer sind Tröpfchen durch Tenside, natürliche oberflächenaktive Verbindungen oder feine Feststoffe an der Grenzfläche stabilisiert, und die Schwerkraft trennt sie in keinem praktischen Gefäß. Die Antwort ist, die Physik zu ändern: Ein Koagulans wie Eisen(III)-chlorid oder Aluminiumsulfat neutralisiert die Oberflächenladung, die die Tröpfchen auseinanderhält, ein Polyethylen verbindet die Tröpfchen zu größeren Flocken, und die Flotation mit gelöster Luft fügt dann 10-100 Mikrometer große Luftblasen hinzu, die die Flocken an die Oberfläche tragen, wo sie abgeschöpft werden. Die Dosierung muss durch Kolbentests am tatsächlichen Strom bestimmt werden, da das Optimum eng ist und eine Überdosierung die Emulsion wieder stabilisiert, wodurch das Abwasser schlechter ist als keine Behandlung. Richtig dosierte DAF erreicht 10-30 mg/L und ist die Standard-Sekundärbehandlung in Raffinerien und petrochemischen Anlagen, wobei die induzierte Gasflotation bevorzugt wird, wenn die Feststoffbelastung hoch ist oder ein Sättiger unerwünscht ist.
• Gelöstes und Polieren: Koaleszenzfilter, Membranen und Adsorption: Wenn die Einleitungsgrenze sehr niedrig ist oder das Wasser wiederverwendet werden soll, wird eine Polierstufe hinzugefügt. Ein Koaleszenzfilter leitet den Strom durch ein faseriges oder speziell benetztes Medium, wo sich feine Tröpfchen anlagern, verschmelzen und wachsen, bis sie in einer nachgeschalteten Kammer durch Schwerkraft abgetrennt werden können und 5-20 mg/L erreichen. Ultrafiltration oder Keramikmembranen scheiden Öl fast vollständig ab und ergeben unter 5-10 mg/L und oft unter 1-5 mg/L, auf Kosten eines Konzentratstroms, der behandelt werden muss, und regelmäßiger Reinigung. Organoclay oder Aktivkohle-Adsorption entfernt gelöste Kohlenwasserstoffe, die keine mechanische Methode berühren kann, und wird als letzte Schutzschicht verwendet. Für Schiffsbodenwasser beträgt die Grenze 15 ppm gemäß IMO MEPC.107(49), die mit einem speziellen Abscheider, einer Koaleszenz- und Filterstufe, einem Ölgehaltsmonitor und einem automatischen Überbordventil erreicht wird, das schließt, wenn die Grenze überschritten wird.

2. Auswahl: Die Entscheidungssequenz

Die Auswahl ist eine Abfolge von fünf Fragen, und die Beantwortung in der richtigen Reihenfolge liefert fast immer die richtige Kette:

• Zuerst die Tröpfchengrößenverteilung messen: Diese einzelne Messung bestimmt alles, und doch ist es der Schritt, der am häufigsten übersprungen wird. Ein Laserbeugungs-Partikelgrößenanalysator oder eine einfache mikroskopische Zählung einer frischen, ungescherte Probe liefert die Verteilung, und die d50- und d90-Werte sagen Ihnen, welche Technologie funktioniert. Wenn der Großteil des Öls über 150 Mikrometer liegt, reicht die Schwerkraft aus und jede weitere Investition ist verschwendet. Wenn der d50 unter 20 Mikrometer liegt, funktioniert kein Schwerkraftgerät bei keiner Größe und das Geld muss in chemische Konditionierung und Flotation fließen. Wenn die Probe nicht ohne Scherung entnommen werden kann, was häufig vorkommt, da die Probenahme selbst durch ein Ventil Tröpfchen aufbricht, besteht der richtige Ansatz darin, die Probe mit geringer Geschwindigkeit von einem speziellen Probenpunkt zu entnehmen und sie sofort nach der Entnahme zu analysieren, anstatt nach dem Transport.
• Prüfen Sie, ob die Emulsion stromaufwärts erzeugt wird: Sehr oft ist das Problem nicht der Abscheider, sondern die Rohrleitung. Eine Kreiselpumpe, ein Drosselregelventil, ein teilweise geschlossenes Ventil oder eine scharfe Verengung schert freies Öl in eine stabile Emulsion von 5-20 Mikrometer großen Tröpfchen, die kein Schwerkraftabscheider zurückgewinnen kann. Bevor Sie neue Geräte spezifizieren, gehen Sie die Leitung entlang und identifizieren Sie jeden Scherpunkt zwischen der Quelle und dem Abscheider; der Austausch einer Kreiselpumpe durch eine Verdrängerpumpe oder eine Niedrigscher-Schraubenpumpe oder der Ersatz eines Drosselventils durch einen Frequenzumrichter verbessert häufig die Leistung mehr als jedes Investitionsprojekt und zu einem Bruchteil der Kosten. Prüfen Sie ebenso, ob die Temperatur nicht gesunken ist, da die Viskosität von Wasser mit sinkender Temperatur stark ansteigt und die Sedimentationsrate entsprechend sinkt.
• Definieren Sie die Einleitungsgrenze und das Betriebsprofil: Die erforderliche Auslasskonzentration bestimmt, wie viele Stufen benötigt werden: 50-150 mg/L erfordern nur Schwerkraft, 10-30 mg/L erfordern Flotation, unter 10 mg/L erfordern einen Koaleszenzfilter oder eine Membran und 15 ppm erfordern einen speziellen Ölabscheider mit Überwachung. Das Betriebsprofil ist ebenso wichtig wie die Grenze. Ein gleichmäßiger Fluss ist einfach; ein sturm- oder chargengetriebener Fluss mit Spitzen von drei bis zehn Mal dem Durchschnitt erfordert entweder ein viel größeres Gefäß oder ein Ausgleichsbecken stromaufwärts, da Abscheider, die auf den durchschnittlichen Fluss ausgelegt sind, bei jedem Anstieg versagen. Schwallbelastungen, Feststoffgehalt und das Vorhandensein von Tensiden oder Reinigungsmitteln drängen das Design in Richtung einer robusteren, weniger optimierten Konfiguration.
• Bewerten Sie Grundfläche, Nebenkosten und Betriebskosten: Die Kapitalkosten sind selten entscheidend, sobald Grundfläche und Nebenkosten berücksichtigt sind. Ein API-Becken ist pro Leistungseinheit günstig, benötigt aber eine große Fläche, die in einer bestehenden Anlage oder offshore möglicherweise nicht vorhanden ist, sodass ein Plattenpaket oder ein Hydrozyklon trotz höherer Kapitalkosten pro Kubikmeter pro Stunde gewinnt. Die Flotation benötigt Chemikalien, eine Sättigerpumpe, einen Rücklaufstrom und eine Schlammbehandlung, sodass sie laufende Betriebskosten und einen Arbeitsaufwand verursacht, den die Schwerkraft nicht hat. Membranen liefern die beste Wasserqualität, benötigen aber Vorbehandlung, Reinigungschemikalien, regelmäßige Elementwechsel und eine Route für das Konzentrat. Der richtige Vergleich ist die Gesamtkosten des Eigentums über die Lebensdauer der Anlage bei dem tatsächlichen Betriebsprofil, einschließlich der Kosten für die Entsorgung des zurückgewonnenen Öls und Schlamms, was oft der größte einzelne Betriebsposten ist.
• Entwerfen Sie die Kette, nicht die Einheit: Reale Anlagen verwenden eine Sequenz, und die Stufen sind komplementär und nicht wettbewerbsfähig. Eine typische Raffineriekette ist ein API-Abscheider für freies Öl, ein Ausgleichsbecken zur Dämpfung von Schwankungen, Flotation mit gelöster Luft und chemischer Dosierung für emulgiertes Öl und ein Sandfilter oder ein Koaleszenzfilter zum Polieren, gefolgt von biologischer Behandlung für gelöste organische Stoffe. Jede Stufe wird für das dimensioniert, was die vorherige hinterlässt, und jede schützt die nächste vor Überlastung. Wenn das zurückgewonnene Öl Wert hat, wird die Kette so konzipiert, dass es sauber und wasserfrei gehalten wird, anstatt es nur zu entfernen, da öliger Schlamm eine Entsorgungskosten darstellt, während zurückgewonnenes Öl ein Einnahmeelement ist. Und jede Kette benötigt Instrumentierung: Einlass- und Auslass-Ölgehaltsüberwachung, Differenzdruck über jedes Element und Durchflussmessung, damit ein Leistungsabfall erkannt und diagnostiziert wird, anstatt am Auslasspunkt entdeckt zu werden.

Vergleichsmatrix der Öl-Wasser-Trennungsmethoden

Häufig gestellte Fragen (FAQ)

F: Kann man Öl und Wasser allein durch Schwerkraft trennen?

A: Ja, aber nur für freies Öl. Die Schwerkraftabscheidung funktioniert, wenn die Öltröpfchen groß genug sind, um innerhalb der Verweilzeit des Behälters an die Oberfläche zu steigen, was für praktische Designs bedeutet, dass sie über etwa 150 Mikrometer liegen. Die Physik ist das Stokes'sche Gesetz: Die Aufstiegsgeschwindigkeit ist proportional zum Quadrat des Tröpfchendurchmessers und zur Dichtedifferenz und umgekehrt proportional zur Wasser-Viskosität. Ein 300-Mikrometer-Tröpfchen von typischem Mineralöl steigt mit etwa 12 mm/s und wird leicht erfasst, aber ein 75-Mikrometer-Tröpfchen steigt nur mit 1 mm/s und ein 20-Mikrometer-Tröpfchen trennt sich in einem realen Behälter praktisch nie. Deshalb ist die Schwerkraft immer die erste Stufe und warum sie immer von etwas anderem gefolgt wird, wenn die Einleitungsgrenze unter etwa 50 mg/L liegt oder wenn das Öl durch Pumpen oder Tenside emulgiert wurde.

F: Warum funktioniert mein Öl-Wasser-Abscheider im Sommer, aber im Winter nicht?

A: Fast immer wegen der Viskosität. Die Viskosität von Wasser verdoppelt sich etwa zwischen 25 °C und 5 °C, und da die Tröpfchenaufstiegsgeschwindigkeit umgekehrt proportional zur Viskosität ist, halbiert sich die Sedimentationsrate im gleichen Bereich. Ein Abscheider, der mit nur einer geringen Reserve ausgelegt wurde oder der bereits an seiner Grenze arbeitet, wird daher Öl mitreißen, sobald das Wasser abkühlt, obwohl sich nichts anderes geändert hat. Der gleiche Mechanismus erklärt, warum das Erhitzen eines schweren Ölzulaufs die Abscheidung verbessert: Das Öl wird weniger viskos und die Dichtedifferenz nimmt zu. Die praktischen Reaktionen sind, den Abscheider anhand der Viskosität bei der niedrigsten erwarteten Betriebstemperatur anstelle der Umgebungstemperatur zu dimensionieren, den Behälter und die Einlassleitung zu isolieren oder zu beheizen, wo das Klima es erfordert, und zu prüfen, ob das breitere Problem darin besteht, dass die Auslegungsreserve zu gering war.

F: Was bricht eine Öl-in-Wasser-Emulsion?

A: Vier Ansätze, in aufsteigender Intensität. Chemisch: Ein Koagulans wie Eisen(III)-chlorid oder Aluminiumsulfat neutralisiert die Oberflächenladung, die die Tröpfchen auseinanderhält, und ein Polyethylen verbindet sie zu größeren Flocken; die Dosis muss durch Kolbentests bestimmt werden, da sie spezifisch für die Wasserchemie ist. Thermisch: Erhitzen reduziert die Viskosität, erhöht die Dichtedifferenz und destabilisiert den Grenzflächenfilm, weshalb einige Anlagen den Zulauf auf 50-70 °C erhitzen. Mechanisch: Sanftes Mischen mit geringer Scherung nach der Dosierung fördert das Flockenwachstum, während Mischen mit hoher Scherung es zerstört, weshalb Flockungsbecken langsam laufende Paddel verwenden. Und elektrisch: Ein elektrostatischer Koaleszenzfilter legt ein Hochspannungsfeld an, das die Tröpfchen polarisiert und streckt, den Film aufbricht und sie verschmilzt, und wird bei der Behandlung von Rohöl zur Dehydrierung anstelle von Abwasser eingesetzt. Das gemeinsame Element ist, dass das Brechen der Emulsion eine Vorbehandlung ist, die dann eine Schwerkraft- oder Flotationsstufe ermöglicht.

F: Was ist der Unterschied zwischen der Entfernung von Öl und der Entfernung von gelösten Kohlenwasserstoffen?

A: Die mechanische Trennung entfernt Öl, das als separate Phase vorliegt, sei es als freie, dispergierte oder emulgierte Tröpfchen, und ihre Leistung wird durch eine Tröpfchen-Schnittgröße und eine Auslasskonzentration in Milligramm pro Liter beschrieben. Gelöste Kohlenwasserstoffe sind wirklich auf molekularer Ebene in Lösung, typischerweise unter etwa 5 Mikrometer und üblicherweise gemessen als gesamte Erdölkohlenwasserstoffe oder als spezifische Verbindung wie Benzol; keine Schwerkraft-, Flotations- oder Filtrationsmethode wird sie entfernen. Gelöste Kohlenwasserstoffe werden durch Strippen mit Luft oder Dampf, durch Adsorption an Aktivkohle oder Organoclay oder durch biologische Behandlung in einem Belebtschlamm- oder Membranbioreaktor behandelt. Diese Unterscheidung ist wichtig, da eine Anlage, die eine Öl- und Fettgrenze von 10 mg/L einhält, immer noch eine Grenze für gelöste Kohlenwasserstoffe überschreiten kann und da die Analysemethoden unterschiedlich sind: Öl und Fett nach gravimetrischer oder Infrarot-Extraktion, gelöste Kohlenwasserstoffe nach Gaschromatographie.