Qual è il miglior metodo di separazione per olio e acqua: una guida alla selezione

Rispondere alla domanda principale:Qual è il miglior metodo di separazione per olio e acqua?Non esiste un metodo migliore; quello di destra è impostato dalla dimensione delle goccioline di olio nell'acqua, e tutto il resto ne consegue. L'olio libero, goccioline superiori a 150 micrometri, si separa per sola gravità in un separatore API 421, raggiungendo 50-150 mg/L. L'olio disperso di 20-150 micrometri necessita di un intercettatore a pacco di piastre o di un idrociclone, raggiungendo 20-60 mg/L. L'olio emulsionato al di sotto dei 20 micrometri non può depositarsi affatto e richiede la flottazione con aria disciolta con coagulazione chimica, raggiungendo 10-30 mg/L. L'olio disciolto inferiore a 5 micrometri richiede un coalescente o una membrana, che raggiunge valori inferiori a 5-10 mg/l. La selezione quindi inizia misurando la distribuzione delle dimensioni delle goccioline, non scegliendo l'attrezzatura: la fisica che governa è la legge di Stokes, dove la velocità di salita scala con il quadrato del diametro delle goccioline, quindi dimezzare la dimensione delle goccioline equivale a un quarto della velocità di sedimentazione.

1. I quattro stati petroliferi e il metodo richiesto da ciascuno

Il petrolio nell'acqua esiste in quattro stati fisicamente distinti e ciascuno è separabile solo con un metodo ad esso abbinato:

• Olio libero: Separazione per gravità:Il petrolio libero è presente sotto forma di goccioline sufficientemente grandi da sollevarsi per gravità entro un tempo di permanenza ragionevole, in genere superiore a 150 micrometri, ed è ciò che un separatore API 421 o un semplice bacino di decantazione rimuove. Poiché la velocità di salita è proporzionale al quadrato del diametro, una goccia di 300 micrometri di 850 kg/m3 di olio sale a circa 12 mm/s mentre una goccia di 75 micrometri arriva solo a 1 mm/s, motivo per cui la dimensione del taglio definisce il vaso. Un bacino API convenzionale limita la velocità orizzontale a 0,9 m/min e mantiene il numero di Reynolds al di sotto di 2.000, erogando 50-150 mg/L da un ingresso di diverse centinaia a poche migliaia. Questa è sempre la prima fase di un treno di trattamento, perché è la più economica per tonnellata di petrolio rimossa, tollera carichi di residui e solidi e protegge tutto a valle.
• Olio disperso: Pacchi piastre e Idrocicloni:L'olio disperso di 20-150 micrometri si deposita troppo lentamente per un bacino aperto, quindi il progetto accorcia la distanza che la gocciolina deve percorrere anziché allungare il tempo. Un intercettatore di piastre ondulate impila le piastre a 20-40 mm di distanza l'una dall'altra a 45-60 gradi, quindi una goccia sale solo sulla piastra sovrastante, si fonde in una pellicola e drena verso l'alto nel canale di raccolta; questo riduce l'impronta richiesta al 20-50% di un bacino API e raggiunge 20-60 mg/L. Un idrociclone liquido-liquido utilizza invece l'accelerazione centrifuga, facendo girare il flusso in modo che l'acqua più pesante si sposti verso la parete e il nucleo dell'olio venga aspirato, in un pacchetto una frazione delle dimensioni di qualsiasi dispositivo a gravità. Gli idrocicloni sono la scelta offshore e dove lo spazio è limitato, ma necessitano di 200-500 kPa di caduta di pressione, sono intolleranti ai solidi e al gas e perdono efficienza con un turndown inferiore al 40-50%.
• Olio Emulsionato: Flottazione e Trattamento Chimico:Al di sotto di circa 20 micrometri, le goccioline sono stabilizzate da tensioattivi, da composti tensioattivi naturali o da solidi fini all'interfaccia, e la gravità non le separerà in nessun recipiente pratico. La risposta è cambiare la fisica: un coagulante come il cloruro ferrico o il solfato di alluminio neutralizza la carica superficiale, un polielettrolita unisce le goccioline in fiocchi più grandi e la flottazione dell’aria disciolta attacca poi bolle d’aria di 10-100 micrometri che trasportano il fiocco in superficie per la schiumatura. Il dosaggio deve essere determinato mediante test in vaso sul flusso reale, poiché il dosaggio ottimale è ristretto e il sovradosaggio ristabilisce l'emulsione, rendendo l'effluente peggiore di nessun trattamento. Il DAF correttamente dosato raggiunge 10-30 mg/L ed è il trattamento secondario standard nelle raffinerie e negli impianti petrolchimici, con la flottazione del gas indotta preferita dove i solidi sono alti o dove un saturatore non è desiderabile.
• Disciolto e lucidante: coalescenti, membrane e adsorbimento:Laddove il limite di scarico è molto basso, o laddove l'acqua deve essere riutilizzata, viene aggiunta una fase di brillantatura. Un filtro a coalescenza fa passare il flusso attraverso un mezzo fibroso o appositamente bagnato dove fini goccioline si attaccano, si uniscono e crescono finché non possono essere separate per gravità in una camera a valle, raggiungendo 5-20 mg/L. L'ultrafiltrazione o le membrane ceramiche respingono l'olio quasi completamente, fornendo meno di 5-10 mg/l e spesso inferiori a 1-5 mg/l, al costo di un flusso concentrato che deve essere maneggiato e di una pulizia regolare. L'adsorbimento di argilla organica o carbone attivo rimuove gli idrocarburi disciolti che nessun metodo meccanico può toccare e viene utilizzato come letto di protezione finale. Per l'acqua di sentina a bordo, il limite è di 15 ppm secondo la norma IMO MEPC.107(49), soddisfatto con un separatore dedicato, uno stadio di coalescenza e filtro, un monitor del contenuto di olio e una valvola di mare automatica che si chiude se il limite viene superato.

2. Come selezionare: la sequenza decisionale

La selezione è una sequenza di cinque domande e rispondendo in ordine si ottiene quasi sempre il treno giusto:

• Misurare prima la distribuzione delle dimensioni delle goccioline:Questa singola misurazione determina tutto, eppure è il passaggio più spesso saltato. Un analizzatore della dimensione delle particelle a diffrazione laser o un semplice conteggio microscopico su un campione fresco e non tagliato fornisce la distribuzione e i valori d50 e d90 indicano quale tecnologia funzionerà. Se la maggior parte del petrolio è superiore a 150 micrometri, la gravità è sufficiente e qualsiasi ulteriore investimento sarà sprecato. Se la d50 è inferiore a 20 micrometri, nessun dispositivo di gravità funzionerà a nessuna dimensione e il denaro dovrà essere destinato al condizionamento chimico e alla flottazione. Laddove il campione non può essere prelevato senza taglio, cosa comune perché il campionamento stesso attraverso una valvola rompe le goccioline, l'approccio corretto è prelevare il campione a bassa velocità da un punto di campionamento dedicato e analizzarlo immediatamente anziché dopo il trasporto.
• Controlla se l'emulsione viene creata a monte:Molto spesso il problema non è il separatore ma le tubazioni. Una pompa centrifuga, una valvola di controllo a strozzamento, una valvola parzialmente chiusa o una forte restrizione tagliano l'olio libero in un'emulsione stabile di goccioline di 5-20 micrometri che nessun separatore a gravità può recuperare. Prima di specificare qualsiasi nuova attrezzatura, percorrere la linea e identificare ogni punto di taglio tra la sorgente e il separatore; la sostituzione di una pompa centrifuga con una cavità progressiva o una pompa a vite a basso taglio, o la sostituzione di una valvola di strozzamento con un azionamento a velocità variabile, spesso migliora le prestazioni più di qualsiasi progetto di capitale e ad una frazione del costo. Allo stesso modo, verificare che la temperatura non sia scesa, poiché la viscosità dell'acqua aumenta notevolmente quando si raffredda e la velocità di sedimentazione diminuisce in proporzione.
• Definire il limite di scarico e il profilo di servizio:La concentrazione in uscita richiesta stabilisce il numero di stadi necessari: 50-150 mg/L necessitano solo della gravità, 10-30 mg/L necessitano di flottazione, inferiori a 10 mg/L necessitano di un coalescente o di una membrana e 15 ppm necessitano di un separatore di acqua oleosa dedicato con monitoraggio. Il profilo del servizio conta tanto quanto il limite. Un flusso costante è facile; un flusso guidato da tempeste o batch con picchi da tre a dieci volte la media richiede un recipiente molto più grande o un bacino di equalizzazione a monte, perché i separatori di dimensioni medie si guastano durante ogni aumento. I carichi di residui, il contenuto di solidi e la presenza di tensioattivi o agenti detergenti spingono il progetto verso una configurazione più robusta e meno ottimizzata.
• Valutare l’impronta, le utenze e i costi operativi:Il costo del capitale raramente è decisivo una volta conteggiati l’impronta e i servizi. Un bacino API è economico per unità di prestazione ma necessita di un grande appezzamento, che potrebbe non esistere in un impianto esistente o in mare aperto, quindi un pacco di piastre o un idrociclone vincono nonostante un capitale più elevato per metro cubo all’ora. La flottazione necessita di sostanze chimiche, una pompa di saturazione, un flusso di riciclo e la gestione delle schiumature, quindi comporta costi operativi continui e un fabbisogno di manodopera che la gravità non comporta. Le membrane forniscono la migliore qualità dell'acqua ma necessitano di pretrattamento, prodotti chimici per la pulizia, sostituzione periodica degli elementi e un percorso per il concentrato. Il confronto corretto è il costo totale di proprietà durante la vita dell'impianto con il profilo di servizio effettivo, compreso il costo di smaltimento dell'olio e dei fanghi recuperati, che spesso rappresenta la voce operativa più importante.
• Progetta il treno, non l'unità:Le piante reali utilizzano una sequenza e le fasi sono complementari piuttosto che competitive. Un tipico treno di raffineria è un separatore API per il petrolio libero, un bacino di equalizzazione per smorzare i picchi, flottazione ad aria disciolta con dosaggio chimico per il petrolio emulsionato e un filtro a sabbia o un coalescente per la lucidatura, seguito da un trattamento biologico per le sostanze organiche disciolte. Ogni fase è dimensionata per ciò che lascia dietro di sé la precedente e ciascuna protegge la successiva dal sovraccarico. Laddove il petrolio recuperato ha valore, il treno è progettato per mantenerlo pulito e privo di acqua anziché limitarsi a rimuoverlo, poiché i fanghi oleosi rappresentano un costo di smaltimento mentre il petrolio recuperato è una voce di ricavo. E ogni treno ha bisogno di strumentazione: monitoraggio del contenuto di olio in ingresso e in uscita, pressione differenziale su ciascun elemento e misurazione del flusso, in modo che un calo delle prestazioni venga rilevato e diagnosticato anziché scoperto nel punto di scarico.

Matrice di confronto dei metodi di separazione dell'olio e dell'acqua

Domande frequenti (FAQ)

D: È possibile separare l'olio e l'acqua solo mediante la gravità?

R: Sì, ma solo per il petrolio gratuito. La separazione per gravità funziona quando le goccioline di olio sono abbastanza grandi da salire in superficie entro il tempo di permanenza del recipiente, che per i progetti pratici significa superiore a circa 150 micrometri. La fisica è la legge di Stokes: la velocità di salita è proporzionale al quadrato del diametro della goccia e alla differenza di densità, e inversamente proporzionale alla viscosità dell'acqua. Una gocciolina di 300 micrometri di un tipico olio minerale sale a circa 12 mm/s e viene facilmente catturata, ma una gocciolina di 75 micrometri sale a solo 1 mm/s e una gocciolina di 20 micrometri effettivamente non si separa mai in un recipiente reale. Questo è il motivo per cui la gravità è sempre il primo stadio ed è sempre seguito da qualcos'altro quando il limite di scarico è inferiore a circa 50 mg/L o quando l'olio è stato emulsionato mediante pompaggio o da tensioattivi.

D: Perché il mio separatore olio/acqua funziona in estate ma si guasta in inverno?

R: Quasi sempre a causa della viscosità. La viscosità dell'acqua raddoppia all'incirca tra 25°C e 5°C e poiché la velocità di salita delle goccioline è inversamente proporzionale alla viscosità, la velocità di sedimentazione si dimezza nello stesso intervallo. Un separatore progettato con un margine modesto, o che sta già funzionando quasi al limite, trasporterà quindi l'olio non appena l'acqua si sarà raffreddata, anche se nient'altro è cambiato. Lo stesso meccanismo spiega perché il riscaldamento di un'alimentazione di olio pesante migliora la separazione: l'olio diventa meno viscoso e la differenza di densità aumenta. Le risposte pratiche consistono nel dimensionare il separatore utilizzando la viscosità alla temperatura operativa più bassa prevista anziché a quella ambiente, per isolare o riscaldare il serbatoio e la linea di ingresso dove il clima lo richiede e per verificare se il problema più ampio è che il margine di progettazione era in primo luogo troppo piccolo.

D: Cosa rompe un'emulsione olio in acqua?

R: Quattro approcci, in ordine di intensità crescente. Chimico: un coagulante come il cloruro ferrico o il solfato di alluminio neutralizza la carica superficiale che tiene separate le goccioline e un polielettrolita le unisce in fiocchi più grandi; la dose deve essere determinata mediante jar test perché è specifica per la chimica dell'acqua. Termico: il riscaldamento riduce la viscosità, aumenta la differenza di densità e destabilizza il film interfacciale, motivo per cui alcuni impianti riscaldano l'alimentazione a 50-70°C. Meccanica: la miscelazione delicata e a basso taglio dopo il dosaggio favorisce la crescita dei fiocchi, mentre la miscelazione ad alto taglio li distrugge, motivo per cui i bacini di flocculazione utilizzano pale a velocità lenta. Ed elettrico: un coalescente elettrostatico applica un campo ad alta tensione che polarizza e allunga le goccioline, rompendo la pellicola e unendole, e viene utilizzato nel trattamento di disidratazione del petrolio greggio piuttosto che nel servizio delle acque reflue. L'elemento comune è che la rottura dell'emulsione è un pretrattamento che consente poi il funzionamento di una fase di gravità o flottazione.

D: Qual è la differenza tra la rimozione dell'olio e la rimozione degli idrocarburi disciolti?

R: La separazione meccanica rimuove l'olio che esiste come fase separata, sotto forma di goccioline libere, disperse o emulsionate, e le sue prestazioni sono descritte dalla dimensione del taglio delle goccioline e dalla concentrazione in uscita in milligrammi per litro. Gli idrocarburi disciolti sono realmente in soluzione a livello molecolare, tipicamente inferiore a circa 5 micrometri e solitamente misurati come idrocarburi petroliferi totali o come composto specifico come il benzene; nessuna gravità, flottazione o metodo di filtrazione li rimuoverà. Gli idrocarburi disciolti vengono trattati mediante stripping con aria o vapore, mediante adsorbimento su carbone attivo o argilla organica o mediante trattamento biologico in un fango attivo o un bioreattore a membrana. Questa distinzione è importante perché un impianto che soddisfa un limite di 10 mg/l di olio e grasso può comunque non rispettare il limite di idrocarburi disciolti e perché i metodi analitici differiscono: olio e grasso mediante estrazione gravimetrica o a infrarossi, idrocarburi disciolti mediante gascromatografia.