Co to jest separator oleju i wody: zasady działania, rodzaje i zastosowania

Odpowiedź na kluczowe pytanie: Co to jest separator oleju od wody i jak działa? Separator oleju od wody to zbiornik lub kanał, który usuwa wolny i zdyspergowany olej z przemysłowych ścieków, wykorzystując różnicę gęstości między dwiema niemieszającymi się fazami. Separacja przebiega zgodnie z prawem Stokesa, gdzie prędkość wznoszenia się kropli oleju wynosi v = g x d2 x (rho_wody - rho_oleju) / (18 x mu), więc kropla oleju o gęstości 850 kg/m3 o średnicy 150 mikrometrów w wodzie unosi się z prędkością około 3-4 mm/s. Aby ją wychwycić, separator musi spowolnić przepływ cieczy na tyle, aby kropla dotarła do powierzchni, zanim woda wypłynie. Konwencjonalny separator grawitacyjny API 421 ogranicza zatem prędkość poziomą do 0,9 m/min (3 stopy/min), utrzymuje liczbę Reynoldsa poniżej 2000 i stosuje stosunek głębokości do szerokości wynoszący 0,3-0,5. Prawidłowo dobrane jednostki usuwają olej z dopływu od 100-1000 mg/L do 10-50 mg/L, podczas gdy etapy polerowania osiągają limity rozładunku 10-15 ppm określone przez organy regulacyjne i IMO MEPC.107(49) dla wody zęzowej na statkach.

Cztery zasady fizyczne decydują o tym, czy separator spełnia specyfikację wylotową:

• Różnica gęstości i prawo Stokesa: Wszystko zaczyna się od różnicy gęstości między fazami oleju i wody. Typowe oleje mineralne mają gęstość 820-880 kg/m3 w porównaniu do wody o gęstości około 1000 kg/m3, co daje różnicę napędową 0,12-0,18 g/cm3, ale ciężka ropa naftowa, bitum i niektóre oleje syntetyczne osiągają 950-1010 kg/m3 i separują się bardzo wolno lub wcale. Ponieważ prędkość wznoszenia się jest proporcjonalna do kwadratu średnicy kropli, zmniejszenie średnicy kropli o połowę czterokrotnie zmniejsza prędkość wznoszenia: kropla o średnicy 300 mikrometrów unosi się z prędkością około 12 mm/s, podczas gdy kropla o średnicy 75 mikrometrów osiąga tylko 1 mm/s. To właśnie dlatego separatory są określane przez ich rozmiar odcięcia, i dlatego każde urządzenie poprzedzające, które rozdrabnia krople na mniejsze, takie jak pompa odśrodkowa lub zawór dławiący, cicho niszczy wydajność separatora poniżej.
• Czas retencji i przepływ spokojny: Separator to urządzenie do kupowania czasu. Ciecz musi pozostać w zbiorniku wystarczająco długo, aby kropla projektowa przebyła drogę od dna ścieżki przepływu do powierzchni, co w separatorze API oznacza od dna do powierzchni wody, zazwyczaj 1,5-3 m. Przy prędkości wznoszenia 3 mm/s wymaga to 500-1000 sekund retencji, czyli 8-17 minut, a długość zbiornika wynika z podzielenia wymaganego czasu retencji przez dopuszczalną prędkość poziomą. Turbulencje niszczą to obliczenie, dlatego dystrybutory wlotowe, przegrody perforowane i długa strefa spokojna są obowiązkowe, a projektanci weryfikują wydajność, sprawdzając, czy liczba Reynoldsa pozostaje poniżej 2000, a idealnie poniżej 500 w strefie separacji.
• Koalescencja i wzrost kropli: Sama grawitacja nie jest w stanie usunąć kropli poniżej około 50-60 mikrometrów w rozsądnie dużym zbiorniku, dlatego większość nowoczesnych separatorów dodaje medium koalescencyjne. W separatorze z płytami falistymi woda przepływa przez stos płyt oddalonych od siebie o 20-40 mm, ustawionych pod kątem 45-60 stopni. Krople unoszą się tylko na krótką odległość do spodu płyty powyżej, koalescują w film, a następnie film spływa w górę wzdłuż płyty do kanału zbiorczego. Ponieważ efektywna odległość sedymentacji spada z metrów do centymetrów, CPI osiąga tę samą separację w 20-50% powierzchni otwartego basenu API. Tłuszcze i ciała stałe ślizgają się po płytach do zasobnika szlamu, który musi być regularnie opróżniany, w przeciwnym razie stos zatyka się i traci swoją przewagę całkowicie.
• Flotacja i pomoc chemiczna: Gdy olej jest zemulgowany lub krople są stabilizowane przez surfaktanty, separacja grawitacyjna zawodzi, a zakład zwraca się ku flotacji. Flotacja z rozpuszczonym powietrzem nasyca strumień recyrkulacji powietrzem pod ciśnieniem 300-600 kPa i uwalnia go przez zawór iglicowy lub ejektor przy ciśnieniu atmosferycznym, wytwarzając chmurę baniek o średnicy 10-100 mikrometrów, które przyczepiają się do kropli oleju i unoszą je na powierzchnię, gdzie zgarniacz usuwa pływający materiał. Pomoc chemiczna jest prawie zawsze z nią połączona: kationowy lub anionowy polielektrolit rozbija emulsję, a sól żelaza lub aluminium jako koagulant destabilizuje ładunek. Prawidłowo dozowana DAF doprowadza olej na wylocie do 10-30 mg/L, ale przedawkowanie ponownie stabilizuje emulsję i sprawia, że ścieki są gorsze niż bez żadnego traktowania.

Wybór jest podyktowany stężeniem oleju na wlocie, rozkładem wielkości kropli, dostępną przestrzenią i wymaganym limitem rozładunku:

• Separator grawitacyjny API: Projekt referencyjny dla ścieków olejowych z rafinerii i petrochemii, znormalizowany w API 421 i od dawna stosowany jako pierwszy etap oczyszczania. Jest to długi prostokątny basen z zgarniaczem taśmowym napędzanym łańcuchem, zgarniającym pływający olej do rury szczelinowej na końcu wylotowym, oraz zgarniaczem osadów przesuwającym osady do zasobnika na wlocie. Jego zalety to prostota, tolerancja na obciążenia udarowe i ciała stałe oraz przewidywalne 60-99% usuwanie oleju swobodnego. Jego wadą jest zajmowana powierzchnia: obróbka 1000 m3/h do odcięcia 150 mikrometrów wymaga basenu o długości około 40-60 m. Obsługuje tylko olej swobodny i nic nie robi z olejem zemulgowanym lub rozpuszczonym.
• Separator z płytami falistymi i separator z płytami nachylonymi: CPI lub TPI upakowuje tę samą zasadę separacji w stalowym zbiorniku o ułamku rozmiaru, wykorzystując stos płyt równoległych opisany powyżej. Rozstaw płyt 20-40 mm i nachylenie 45-60 stopni pozwalają na migrację osadów w dół, podczas gdy filmy olejowe migrują w górę, dzięki czemu urządzenie w pewnym stopniu samooczyszcza się. Jednostki te są fabrycznie budowane, montowane na ramie i zazwyczaj przetwarzają 5-500 m3/h, co czyni je standardowym wyborem dla platform morskich, terminali i modernizacji zakładów, gdzie nie można wylać nowego betonowego basenu. Są one bardziej podatne na zatykanie przez osady i ciężkie tłuszcze niż otwarty basen, dlatego przesiewanie wstępne i regularne czyszczenie płyt są niepodlegające negocjacjom.
• Flotacja z rozpuszczonym powietrzem i flotacja z indukowanym gazem: Jednostki flotacyjne przetwarzają to, czego grawitacja nie może: olej zemulgowany i drobne zdyspergowane krople w zakresie 5-50 mikrometrów. DAF wykorzystuje strumień recyrkulacji pod ciśnieniem opisany wcześniej i jest powszechny w oczyszczaniu ścieków z rafinerii i petrochemii jako etap wtórny po separatorze API. IGF zamiast tego rozprasza gaz mechanicznie za pomocą ejektora indukowanego wirnikiem lub wirnika napowietrzającego, unikając zbiornika nasycającego i pompy oraz tolerując wyższe stężenia osadów. Oba wymagają kondycjonowania chemicznego, oba produkują strumień flotatu o zawartości oleju 1-5%, który musi być zawrócony do odzysku lub utylizacji, i oba są wrażliwe na przepływy udarowe, dlatego wyrównanie przepływu na wlocie jest wymogiem projektowym, a nie opcją.
• Hydrocyklony, koalescencyjne i membrany polerujące: Tam, gdzie przestrzeń jest ograniczona, jak na platformach morskich, hydrocyklony ciecz-ciecz obracają strumień z dużą prędkością, tak że cięższa woda jest wyrzucana na ścianę, a lżejszy rdzeń olejowy jest zasysany przez otwór wirowy. Są kompaktowe i nie mają ruchomych części, ale wymagają spadku ciśnienia 200-500 kPa, są nietolerancyjne na osady i gaz, a ich wydajność gwałtownie spada przy obniżeniu przepływu poniżej 40-50% przepływu projektowego. Do polerowania do bardzo niskich poziomów, wkład filtrujący koalescencyjny lub jednostka ultrafiltracyjna lub ceramiczna membranowa może obniżyć zawartość oleju poniżej 5-10 ppm, kosztem regularnej wymiany mediów i strumienia koncentratu, który musi być zagospodarowany.

P: Jaka jest różnica między separatorem oleju od wody a separatorem API?

O: Separator oleju od wody to ogólna kategoria obejmująca każde urządzenie, które rozdziela olej od wody, podczas gdy separator API to jeden konkretny projekt grawitacyjny znormalizowany przez American Petroleum Institute w API 421. Separator API to długi prostokątny basen z zgarniaczem taśmowym i zgarniaczem osadów, zaprojektowany do usuwania kropli powyżej 150 mikrometrów, zazwyczaj utrzymujący prędkość poziomą na poziomie 0,9 m/min i liczbę Reynoldsa poniżej 2000. Ponieważ jest to otwarty basen, dobrze toleruje obciążenia udarowe i osady, ale wymaga dużej powierzchni. W praktyce separator API jest pierwszym etapem oczyszczania, a jednostki CPI, DAF, hydrocyklony i koalescencyjne są etapami wtórnymi lub polerującymi, które po nim następują.

P: Jakie stężenie oleju może osiągnąć separator oleju od wody?

O: Zależy to od technologii i rozkładu wielkości kropli na wlocie. Dobrze działający separator grawitacyjny API zazwyczaj dostarcza 50-150 mg/L z dopływu od kilkuset do kilku tysięcy mg/L, ponieważ usuwa tylko olej swobodny. Separator z płytami falistymi poprawia to do 20-60 mg/L. Dodanie DAF wspomaganego chemicznie doprowadza ścieki do zakresu 10-30 mg/L, a etap polerowania koalescencyjnego lub membranowego może osiągnąć poniżej 5-10 mg/L. W przypadku wody zęzowej na statkach limit regulacyjny wynosi 15 ppm zgodnie z IMO MEPC.107(49), co jest osiągane za pomocą dedykowanego separatora olejowo-wodnego z etapem koalescencji i filtracji, a następnie monitorem zawartości oleju i automatycznym zaworem zrzutowym.

P: Dlaczego separator oleju od wody nagle przestaje działać?

O: Cztery przyczyny odpowiadają za większość awarii. Ścinanie na wlocie: nowa pompa odśrodkowa, zawór regulacyjny dławiący lub częściowo zamknięte zwężenie zemulguje olej do kropli poniżej projektowego rozmiaru odcięcia, a żadne urządzenie grawitacyjne nie jest w stanie ich odzyskać. Gromadzenie się osadów: muł, kamień i szlam wypełniają basen lub tworzą mosty między pakietami płyt, zmniejszając efektywną objętość i powodując obejście przepływu. Spadek temperatury: lepkość wody gwałtownie rośnie wraz z ochładzaniem, a ponieważ prędkość wznoszenia jest odwrotnie proporcjonalna do lepkości, urządzenie, które działa latem, może zawieść zimą. Wreszcie zmiany chemiczne: nowy surfaktant, środek czyszczący lub inhibitor korozji w strumieniu odpadów stabilizuje emulsję i całkowicie pokonuje separację grawitacyjną.

P: Jak należy dobrać rozmiar separatora oleju od wody?

O: Zacznij od projektowego rozmiaru odcięcia kropli, zazwyczaj 150 mikrometrów dla zastosowań API, i oblicz prędkość wznoszenia za pomocą prawa Stokesa, używając rzeczywistych gęstości oleju i wody w temperaturze roboczej, a nie w temperaturze otoczenia. Ustaw prędkość poziomą na nie więcej niż 0,9 m/min, a stosunek głębokości do szerokości między 0,3 a 0,5, a następnie sprawdź, czy liczba Reynoldsa jest poniżej 2000. Długość zbiornika wynika z prędkości poziomej pomnożonej przez wymagany czas retencji, który jest głębokością separacji podzieloną przez prędkość wznoszenia kropli. Zawsze stosuj współczynnik bezpieczeństwa 1,5-2,0 dla turbulencji na wlocie, potwierdź zachowanie przy zmiennym przepływie do 30-40% przepływu projektowego i dodaj alarm poziomu oleju oraz automatyczne sterowanie zgarnianiem, aby zapobiec przenoszeniu oleju podczas obciążeń udarowych.