油と水の最適な分離方法: 選択ガイド

核心的な質問への答え:油と水を分離する最適な方法は何ですか?単一の最良の方法はありません。正しい値は水中の油の液滴サイズによって設定され、他のすべてはそこから決まります。遊離油、150 マイクロメートルを超える液滴は、API 421 分離器内で重力のみによって分離され、50 ～ 150 mg/L に達します。 20 ～ 150 マイクロメートルの分散油はプレート パック インターセプターまたは液体サイクロンを必要とし、20 ～ 60 mg/L に達します。 20 マイクロメートル未満の乳化油はまったく沈降できず、化学凝固による溶解空気浮選が必要となり、10 ～ 30 mg/L に達します。 5 マイクロメートル未満の溶解油にはコアレッサーまたは膜が必要で、5 ～ 10 mg/L 未満に達します。したがって、選択は機器の選択ではなく、液滴サイズの分布を測定することから始まります。支配的な物理学はストークスの法則であり、上昇速度は液滴直径の 2 乗に比例するため、液滴サイズが半分になると沈降速度は 4 分の 1 になります。

1. 4 つの石油状態とそれぞれに必要な方法

水中の油は物理的に 4 つの異なる状態で存在し、それぞれはそれに適合する方法によってのみ分離できます。

• 遊離油: 重力分離:遊離油は、妥当な滞留時間内に重力によって上昇するのに十分な大きさの液滴として存在し、通常は 150 マイクロメートルを超え、API 421 分離器または単純な沈殿槽で除去されます。上昇速度は直径の二乗に比例するため、850 kg/m3 の油の 300 マイクロメートルの液滴は約 12 mm/s で上昇しますが、75 マイクロメートルの液滴はわずか 1 mm/s で上昇します。これが、カット サイズが容器を定義する理由です。従来の API 盆地は水平速度を 0.9 m/min に制限し、レイノルズ数を 2,000 未満に保ち、数百から数千の入口から 50 ～ 150 mg/L を供給します。これは常に処理トレインの最初の段階となります。これは、除去される石油 1 トンあたりのコストが最も安く、スラグ負荷や固形物に耐え、下流のすべてを保護するためです。
• 分散油: プレートパックおよびハイドロサイクロン:20 ～ 150 マイクロメートルの分散油は、開いた盆地では沈降が遅すぎるため、液滴が移動する時間を長くするのではなく、距離を短くする設計になっています。波形プレートインターセプターは、プレートを 20 ～ 40 mm 離して 45 ～ 60 度で積み重ねるため、液滴は上のプレートにのみ上昇し、合体して膜となり、上向きの収集チャネルに排出されます。これにより、必要なフットプリントが API 盆地の 20 ～ 50% に削減され、20 ～ 60 mg/L に達します。液液液体サイクロンは、代わりに遠心加速を使用して流れを回転させ、重い水が壁に移動し、油のコアが引き抜かれます。これは、重力装置の数分の一のサイズのパッケージ内にあります。液体サイクロンは、洋上やスペースが重要な場合に最適ですが、200 ～ 500 kPa の圧力降下が必要で、固体やガスを許容せず、ターンダウンが 40 ～ 50% 未満になると効率が低下します。
• 乳化油: 浮遊選鉱と化学処理:約 20 マイクロメートル未満では、液滴は界面活性剤、天然の界面活性化合物、または界面の微細固体によって安定化され、実際の容器内では重力によって液滴が分離されません。答えは、物理学を変えることです。塩化第二鉄や硫酸アルミニウムなどの凝固剤が表面電荷を中和し、高分子電解質が液滴をより大きなフロックに橋渡しし、溶解した空気の浮選によって 10 ～ 100 マイクロメートルの気泡を付着させ、フロックを表面に運びスキミングします。投与量は、実際の流れでのジャーテストによって決定する必要があります。これは、最適値が狭く、過剰投与するとエマルジョンが再安定化し、廃液が無処理よりも悪化するためです。正しく投与された DAF は 10 ～ 30 mg/L に達し、製油所や石油化学プラントにおける標準的な二次処理であり、固体が多い場合や飽和装置が望ましくない場合には誘導ガス浮遊選鉱が好まれます。
• 溶解と研磨: コアレッサー、膜、吸着:排出限界が非常に低い場合、または水を再利用する場合には、研磨ステージが追加されます。合体フィルターは、ストリームを繊維状媒体または特別に湿らせた媒体に通過させ、そこで微細な液滴が付着、合体し、下流のチャンバーで重力によって分離できるようになり、5 ～ 20 mg/L に達するまで成長します。限外濾過またはセラミック膜は油をほぼ完全に除去し、処理しなければならない濃縮流と定期的な洗浄を犠牲にして、5 ～ 10 mg/L 未満、多くの場合 1 ～ 5 mg/L 未満になります。有機粘土または活性炭の吸着は、機械的方法では触れることができない溶解した炭化水素を除去し、最終的なガード ベッドとして使用されます。船上のビルジ水の場合、IMO MEPC.107(49) に基づく制限は 15 ppm であり、専用の分離器、合体およびフィルター ステージ、油分モニター、および制限を超えた場合に閉じる自動船外バルブが備えられています。

2. 選び方：決定の流れ

選択は 5 つの質問のシーケンスであり、順番に答えると、ほとんどの場合、適切な質問が得られます。

• まず液滴サイズの分布を測定します。この 1 つの測定によってすべてが決定されますが、最もスキップされることが多いステップです。レーザー回折粒度分析装置または新鮮で剪断されていないサンプルの単純な顕微鏡計測により分布が得られ、d50 および d90 の値によりどの技術が機能するかがわかります。オイルの大部分が 150 マイクロメートルを超える場合は、重力だけで十分であり、それ以上の投資は無駄になります。 d50 が 20 マイクロメートル未満の場合、どのサイズでも重力装置は機能せず、化学調整と浮遊選鉱に資金を投入する必要があります。サンプルをせん断なしに採取できない場合（バルブを通したサンプリング自体が液滴を破壊することが一般的であるため）、正しいアプローチは、専用のサンプルポイントから低速でサンプルを採取し、輸送後ではなく直ちに分析することです。
• エマルジョンが上流で作成されているかどうかを確認します。多くの場合、問題はセパレーターではなく配管にあります。遠心ポンプ、絞り制御バルブ、部分的に閉じたバルブ、または鋭い制限により、遊離オイルが剪断されて、重力分離機では回収できない 5 ～ 20 マイクロメートルの液滴の安定したエマルジョンになります。新しい機器を指定する前に、ラインを歩いてソースとセパレーターの間のすべてのせん断点を特定します。遠心ポンプをプログレッシブキャビティまたは低せん断スクリューポンプに置き換えたり、絞りバルブを可変速ドライブに置き換えたりすると、多くの場合、わずかなコストで、どの資本プロジェクトよりもパフォーマンスが向上します。同様に、水の粘度は冷えると急激に上昇し、それに比例して沈降速度も低下するため、温度が下がっていないことを確認してください。
• 放電制限と負荷プロファイルを定義します。必要な出口濃度によって、必要な段階の数が設定されます。50 ～ 150 mg/L には重力のみが必要で、10 ～ 30 mg/L には浮遊選鉱が必要で、10 mg/L 未満にはコアレッサーまたは膜が必要で、15 ppm にはモニタリング付きの専用油水分離器が必要です。義務プロファイルは制限と同じくらい重要です。安定した流れは簡単です。平均の 3 倍から 10 倍のピークを持つ暴風雨による流れやバッチによる流れでは、平均的な流れに合わせたサイズの分離器がサージのたびに故障するため、はるかに大きな容器か上流の平衡池が必要になります。スラグの負荷、固形分、界面活性剤や洗浄剤の存在はすべて、設計をより堅牢で最適化されていない構成へと推し進めます。
• 設置面積、光熱費、運用コストを評価する:設置面積と光熱費を考慮すると、資本コストが決定的なものになることはほとんどありません。 API 盆地は、性能単位当たりでは安価ですが、既存のプラントや沖合には存在しない可能性がある大規模な敷地が必要となるため、時間当たり立方メートル当たりの資本が高いにもかかわらず、プレートパックまたは液体サイクロンが勝ちます。浮遊選鉱には化学物質、飽和ポンプ、リサイクル流、およびスキミングの処理が必要なため、継続的な運営コストと重力にはない労働力の必要性が伴います。膜は最高の水質を提供しますが、前処理、洗浄薬品、定期的な要素交換、濃縮物の経路が必要です。正しい比較は、実際の業務プロファイルでのプラントの耐用年数にわたる総所有コストです。これには、多くの場合、単一の運転項目の中で最も大きな回収油とスラッジの処理コストが含まれます。
• ユニットではなく列車をデザインします。実際のプラントはシーケンスを使用しており、各段階は競合するものではなく相補的です。典型的な製油所トレインは、遊離油用の API 分離器、サージを湿らせるための均一化槽、乳化油用の化学物質添加を伴う溶存空気浮遊選鉱、研磨用の砂フィルターまたはコアレッサー、その後の溶解有機物の生物学的処理で構成されます。各ステージは前のステージが残したものに合わせてサイズ設定されており、それぞれが次のステージを過負荷から保護します。回収された油に価値がある場合、油を含んだスラッジは廃棄コストであるのに対し、回収された油は収益となるため、列車は油を単に除去するのではなく、油を清潔で水のない状態に保つように設計されています。そして、すべての列車には、入口と出口の油含有量の監視、各要素間の差圧、流量測定などの計装が必要です。これにより、性能の低下を排出点で発見するのではなく、検出して診断できるようになります。

油水分離方法比較表

よくある質問 (FAQ)

Q: 重力だけで油と水を分離できますか?

A: はい、ただし無料のオイルのみです。重力分離は、油滴が容器の滞留時間内に表面に浮上するのに十分な大きさの場合に機能します。実際の設計では、油滴は約 150 マイクロメートルを超えることを意味します。物理学はストークスの法則です。上昇速度は液滴直径の二乗と密度差に比例し、水の粘度に反比例します。一般的な鉱油の 300 マイクロメートルの液滴は約 12 mm/s で上昇し、容易に捕捉されますが、75 マイクロメートルの液滴はわずか 1 mm/s で上昇し、20 マイクロメートルの液滴は実際の容器では実質的に分離されません。これが、重力が常に第一段階である理由であり、排出限界が約 50 mg/L を下回っている場合、またはオイルがポンプや界面活性剤によって乳化されている場合には、常に重力の後に他の段階が続く理由です。

Q: 油水分離器は夏には機能するのに、冬には機能しないのはなぜですか?

A: ほとんどの場合、粘度が原因です。水の粘度は 25°C から 5°C の間で約 2 倍になり、液滴の上昇速度は粘度に反比例するため、同じ範囲では沈降速度が半分になります。したがって、わずかなマージンしか持たずに設計された分離器、またはすでに限界近くで動作している分離器は、たとえ他に何も変化がなかったとしても、水が冷えるとすぐに油を運び込んでしまいます。重油供給原料を加熱すると分離が改善される理由も同じメカニズムで説明されます。つまり、油の粘度が低下し、密度差が増加します。実際的な対応策は、周囲温度ではなく予想される最低動作温度での粘度を使用してセパレーターのサイズを決定すること、気候が必要とする容器および入口ラインを断熱または加熱すること、そして、より広範な問題がそもそも設計マージンが小さすぎることであるかどうかを確認することです。

Q: 水中油型エマルションを破壊するものは何ですか?

A: 強度の高い順に 4 つのアプローチ。化学的: 塩化第二鉄や硫酸アルミニウムなどの凝固剤は、液滴を離間させる表面電荷を中和し、高分子電解質が液滴をより大きなフロックに橋渡しします。投与量は水の化学特性に特有であるため、瓶のテストによって決定する必要があります。熱: 加熱すると粘度が低下し、密度差が増大し、界面膜が不安定になるため、一部のプラントでは飼料を 50 ～ 70°C に加熱します。機械的: 注入後の穏やかな低剪断混合は凝集の成長を促進しますが、高剪断混合は凝集を破壊します。そのため、凝集槽では低速パドルが使用されます。そして電気的: 静電コアレッサーは高電圧場を印加して液滴を分極させて引き伸ばし、膜を破って液滴を融合させます。これは廃水処理ではなく原油脱水処理に使用されます。共通の要素は、エマルジョンの破壊が前処理であり、その後、重力または浮遊ステージが機能するようになるということです。

Q: 油の除去と溶解した炭化水素の除去の違いは何ですか?

A: 機械的分離では、遊離液滴、分散液滴、乳化液滴など、別相として存在する油が除去されます。その性能は、液滴のカット サイズと出口濃度 (ミリグラム/リットル) で表されます。溶解した炭化水素は分子レベルで純粋に溶液中にあり、通常は約 5 マイクロメートル未満であり、通常は全石油炭化水素として、またはベンゼンなどの特定の化合物として測定されます。重力、浮選、濾過などの方法では除去できません。溶解した炭化水素は、空気または蒸気によるストリッピング、活性炭または有機粘土への吸着、または活性汚泥または膜バイオリアクターでの生物学的処理によって処理されます。 10 mg/L のオイルおよびグリースの制限を満たしているプラ​​ントでも、依然として溶存炭化水素の制限を満たしていない可能性があること、および分析方法が異なるため、この区別が重要になります。オイルおよびグリースは重量分析または赤外抽出によって、溶存炭化水素はガスクロマトグラフィーによって分析されます。