Jaka jest najlepsza metoda separacji oleju od wody: przewodnik wyboru

Odpowiedź na kluczowe pytanie: Jaka jest najlepsza metoda separacji oleju od wody? Nie ma jednej najlepszej metody; właściwa jest określana przez wielkość kropel oleju w wodzie, a wszystko inne wynika z tego. Wolny olej, krople powyżej 150 mikrometrów, oddziela się samą grawitacją w separatorze API 421, osiągając 50-150 mg/L. Rozproszony olej o wielkości 20-150 mikrometrów wymaga przechwytywacza płytowego lub hydrocyklonu, osiągając 20-60 mg/L. Emulgowany olej poniżej 20 mikrometrów wcale się nie osadza i wymaga flotacji z rozpuszczonym powietrzem z koagulacją chemiczną, osiągając 10-30 mg/L. Rozpuszczony olej poniżej 5 mikrometrów wymaga koalescera lub membrany, osiągając poniżej 5-10 mg/L. Wybór zatem zaczyna się od pomiaru rozkładu wielkości kropel, a nie od wyboru sprzętu: rządzącą fizyką jest prawo Stokesa, gdzie prędkość wznoszenia skaluje się z kwadratem średnicy kropli, więc zmniejszenie wielkości kropli o połowę czterokrotnie zmniejsza szybkość osadzania.

1. Cztery stany oleju i wymagane metody

Olej w wodzie występuje w czterech fizycznie odrębnych stanach i każdy z nich można oddzielić tylko metodą dopasowaną do niego:

• Wolny olej: Separacja grawitacyjna: Wolny olej występuje w postaci kropel wystarczająco dużych, aby wznosić się pod wpływem grawitacji w rozsądnym czasie przebywania, zazwyczaj powyżej 150 mikrometrów, i jest to to, co usuwa separator API 421 lub prosty osadnik. Ponieważ prędkość wznoszenia jest proporcjonalna do kwadratu średnicy, kropla oleju o gęstości 850 kg/m3 o średnicy 300 mikrometrów wznosi się z prędkością około 12 mm/s, podczas gdy kropla o średnicy 75 mikrometrów osiąga tylko 1 mm/s, dlatego rozmiar odcięcia definiuje zbiornik. Konwencjonalny osadnik API ogranicza prędkość poziomą do 0,9 m/min i utrzymuje liczbę Reynoldsa poniżej 2000, dostarczając 50-150 mg/L z dopływu o natężeniu od kilkuset do kilku tysięcy. Jest to zawsze pierwszy etap w ciągu procesowym, ponieważ jest najtańszy za tonę usuniętego oleju, toleruje obciążenia udarowe i ciała stałe oraz chroni wszystko poniżej.
• Rozproszony olej: Płyty i hydrocyklony: Rozproszony olej o wielkości 20-150 mikrometrów osadza się zbyt wolno w otwartym osadniku, dlatego konstrukcja skraca odległość, którą musi pokonać kropla, zamiast wydłużać czas. Przechwytywacz płytowy z falistymi płytami układa płyty w odległości 20-40 mm pod kątem 45-60 stopni, dzięki czemu kropla wznosi się tylko do górnej płyty, koalescencyjnie tworzy film i spływa w górę do kanału zbiorczego; skraca to wymaganą powierzchnię o 20-50% w porównaniu do osadnika API i osiąga 20-60 mg/L. Hydrocyklon ciecz-ciecz zamiast tego wykorzystuje przyspieszenie odśrodkowe, obracając strumień tak, że cięższa woda przemieszcza się do ściany, a rdzeń olejowy jest odprowadzany, w urządzeniu stanowiącym ułamek rozmiaru dowolnego urządzenia grawitacyjnego. Hydrocyklony są wybierane na platformach wiertniczych i tam, gdzie przestrzeń jest ograniczona, ale wymagają spadku ciśnienia 200-500 kPa, są nietolerancyjne na ciała stałe i gaz, a ich wydajność spada przy zmniejszeniu przepływu poniżej 40-50%.
• Emulgowany olej: Flotacja i obróbka chemiczna: Poniżej około 20 mikrometrów krople są stabilizowane przez surfaktanty, naturalne związki powierzchniowo czynne lub drobne ciała stałe na granicy faz, i grawitacja nie oddzieli ich w żadnym praktycznym zbiorniku. Rozwiązaniem jest zmiana fizyki: koagulant, taki jak chlorek żelaza lub siarczan glinu, neutralizuje ładunek powierzchniowy, który utrzymuje krople osobno, polielektrolit łączy krople w większe kłaczki, a flotacja z rozpuszczonym powietrzem następnie przyłącza pęcherzyki powietrza o wielkości 10-100 mikrometrów, które unoszą kłaczki na powierzchnię w celu zebrania. Dawkowanie musi być określone przez testy słoikowe na rzeczywistym strumieniu, ponieważ optymalne dawkowanie jest wąskie, a nadmierne dawkowanie ponownie stabilizuje emulsję, pogarszając ściek niż brak obróbki. Prawidłowo dozowana flotacja z rozpuszczonym powietrzem osiąga 10-30 mg/L i jest standardowym wtórnym etapem obróbki w rafineriach i zakładach petrochemicznych, przy czym preferowana jest flotacja z gazem indukowanym, gdy zawartość ciał stałych jest wysoka lub gdy nasycacz jest niepożądany.
• Rozpuszczony i polerowanie: Koalescery, membrany i adsorpcja: Tam, gdzie limit odprowadzania jest bardzo niski, lub gdzie woda ma być ponownie wykorzystana, dodaje się etap polerowania. Filtr koalescencyjny przepuszcza strumień przez włóknisty lub specjalnie zwilżony materiał, gdzie drobne krople przyczepiają się, łączą i rosną, aż do momentu, gdy mogą być oddzielone przez grawitację w komorze poniżej, osiągając 5-20 mg/L. Membrany ultrafiltracyjne lub ceramiczne prawie całkowicie odrzucają olej, dając poniżej 5-10 mg/L, a często poniżej 1-5 mg/L, kosztem strumienia koncentratu, który musi być przetwarzany, i regularnego czyszczenia. Adsorpcja na organoglinkach lub węglu aktywnym usuwa rozpuszczone węglowodory, których nie można usunąć żadną metodą mechaniczną, i jest używana jako końcowa warstwa ochronna. W przypadku wody zęzowej na statkach limit wynosi 15 ppm zgodnie z IMO MEPC.107(49), co jest osiągane za pomocą dedykowanego separatora, etapu koalescencji i filtracji, monitora zawartości oleju i automatycznego zaworu odpływowego, który zamyka się, jeśli limit zostanie przekroczony.

2. Jak wybrać: Sekwencja decyzyjna

Wybór to sekwencja pięciu pytań, a odpowiadanie na nie w kolejności prawie zawsze prowadzi do właściwego ciągu procesowego:

• Najpierw zmierz rozkład wielkości kropel: Ten pojedynczy pomiar decyduje o wszystkim, a jednak jest to krok najczęściej pomijany. Analizator wielkości cząstek metodą dyfrakcji laserowej lub proste zliczanie mikroskopowe na świeżej, nieścinanej próbce daje rozkład, a wartości d50 i d90 mówią, która technologia zadziała. Jeśli większość oleju jest powyżej 150 mikrometrów, grawitacja jest wystarczająca, a wszelkie dalsze inwestycje są stratą. Jeśli d50 jest poniżej 20 mikrometrów, żadne urządzenie grawitacyjne nie zadziała w żadnym rozmiarze, a pieniądze muszą zostać przeznaczone na kondycjonowanie chemiczne i flotację. Tam, gdzie próbki nie można pobrać bez ścinania, co jest powszechne, ponieważ samo pobieranie próbki przez zawór rozbija krople, właściwym podejściem jest pobranie próbki przy niskiej prędkości z dedykowanego punktu poboru próbek i natychmiastowa analiza, a nie po transporcie.
• Sprawdź, czy emulsja nie jest tworzona powyżej: Bardzo często problemem nie jest separator, ale rurociąg. Pompa odśrodkowa, zawór regulacyjny dławiący, częściowo zamknięty zawór lub ostre zwężenie ścina wolny olej do stabilnej emulsji kropli o wielkości 5-20 mikrometrów, której żaden separator grawitacyjny nie jest w stanie odzyskać. Przed zamówieniem nowego sprzętu przejdź się wzdłuż linii i zidentyfikuj każdy punkt ścinania między źródłem a separatorem; wymiana pompy odśrodkowej na pompę śrubową o ruchu postępowym lub o niskim ścinaniu, lub wymiana zaworu dławiącego na napęd o zmiennej prędkości, często poprawia wydajność bardziej niż jakikolwiek projekt kapitałowy i za ułamek kosztów. Podobnie sprawdź, czy temperatura nie spadła, ponieważ lepkość wody gwałtownie rośnie wraz z ochłodzeniem, a szybkość osadzania spada proporcjonalnie.
• Zdefiniuj limit odprowadzania i profil pracy: Wymagane stężenie wylotowe określa, ile etapów jest potrzebnych: 50-150 mg/L wymaga tylko grawitacji, 10-30 mg/L wymaga flotacji, poniżej 10 mg/L wymaga koalescera lub membrany, a 15 ppm wymaga dedykowanego separatora wody olejowej z monitorowaniem. Profil pracy ma takie samo znaczenie jak limit. Stały przepływ jest łatwy; przepływ napędzany burzą lub partiami z szczytami od trzech do dziesięciu razy większymi niż średnia wymaga albo znacznie większego zbiornika, albo zbiornika wyrównawczego powyżej, ponieważ separatory zaprojektowane na średni przepływ zawodzą podczas każdego wzrostu. Obciążenia udarowe, zawartość ciał stałych oraz obecność surfaktantów lub środków czyszczących skłaniają projekt w kierunku bardziej wytrzymałej, mniej zoptymalizowanej konfiguracji.
• Oceń powierzchnię, media i koszty eksploatacji: Koszt kapitałowy rzadko jest decydujący po uwzględnieniu powierzchni i mediów. Osadnik API jest tani w przeliczeniu na jednostkę wydajności, ale wymaga dużej powierzchni, której może nie być na istniejącym zakładzie lub na platformie, więc przechwytywacz płytowy lub hydrocyklon wygrywa pomimo wyższego kosztu kapitałowego na metr sześcienny na godzinę. Flotacja wymaga chemikaliów, pompy nasycającej, strumienia recyrkulacji i obsługi skimmerów, więc wiąże się z ciągłymi kosztami eksploatacji i zapotrzebowaniem na pracę, których grawitacja nie wymaga. Membrany zapewniają najlepszą jakość wody, ale wymagają wstępnej obróbki, chemikaliów czyszczących, okresowej wymiany elementów i drogi dla koncentratu. Właściwym porównaniem jest całkowity koszt posiadania przez cały okres życia zakładu przy rzeczywistym profilu pracy, w tym koszt utylizacji odzyskanego oleju i osadu, który jest często największym pojedynczym elementem eksploatacyjnym.
• Zaprojektuj ciąg procesowy, a nie pojedynczą jednostkę: Rzeczywiste zakłady wykorzystują sekwencję, a etapy są komplementarne, a nie konkurencyjne. Typowy ciąg rafineryjny to separator API dla wolnego oleju, zbiornik wyrównawczy do tłumienia przepięć, flotacja z rozpuszczonym powietrzem z dozowaniem chemicznym dla oleju zemulgowanego i filtr piaskowy lub koalescer do polerowania, a następnie obróbka biologiczna dla rozpuszczonych związków organicznych. Każdy etap jest wielkości dla tego, co pozostawił poprzedni, i każdy chroni następny przed przeciążeniem. Tam, gdzie odzyskany olej ma wartość, ciąg jest projektowany tak, aby był czysty i wolny od wody, a nie tylko do jego usunięcia, ponieważ oleisty osad jest kosztem utylizacji, podczas gdy odzyskany olej jest pozycją przychodową. A każdy ciąg wymaga instrumentacji: monitorowania zawartości oleju na wejściu i wyjściu, pomiaru różnicy ciśnień na każdym elemencie i pomiaru przepływu, tak aby spadek wydajności był wykrywany i diagnozowany, a nie odkrywany w punkcie odprowadzania.

Macierz porównania metod separacji oleju od wody

Często zadawane pytania (FAQ)

P: Czy można oddzielić olej od wody samą grawitacją?

O: Tak, ale tylko dla wolnego oleju. Separacja grawitacyjna działa, gdy krople oleju są wystarczająco duże, aby wznosić się na powierzchnię w czasie przebywania w zbiorniku, co w praktycznych konstrukcjach oznacza powyżej około 150 mikrometrów. Fizyka to prawo Stokesa: prędkość wznoszenia jest proporcjonalna do kwadratu średnicy kropli i różnicy gęstości, a odwrotnie proporcjonalna do lepkości wody. Kropla oleju mineralnego o średnicy 300 mikrometrów wznosi się z prędkością około 12 mm/s i jest łatwo wychwytywana, ale kropla o średnicy 75 mikrometrów wznosi się tylko z prędkością 1 mm/s, a kropla o średnicy 20 mikrometrów w rzeczywistości nigdy się nie oddziela w rzeczywistym zbiorniku. Dlatego grawitacja jest zawsze pierwszym etapem i dlatego zawsze jest ona uzupełniana czymś innym, gdy limit odprowadzania jest poniżej około 50 mg/L lub gdy olej został zemulgowany przez pompowanie lub surfaktanty.

P: Dlaczego mój separator olej-woda działa latem, a zawodzi zimą?

O: Prawie zawsze z powodu lepkości. Lepkość wody podwaja się mniej więcej między 25°C a 5°C, a ponieważ prędkość wznoszenia kropli jest odwrotnie proporcjonalna do lepkości, szybkość osadzania spada o połowę w tym samym zakresie. Separator, który został zaprojektowany z niewielkim marginesem lub który już działa na granicy swoich możliwości, będzie zatem przenosił olej, gdy tylko woda się ochłodzi, mimo że nic innego się nie zmieniło. Ten sam mechanizm wyjaśnia, dlaczego ogrzewanie ciężkiej mieszanki olejowej poprawia separację: olej staje się mniej lepki, a różnica gęstości wzrasta. Praktyczne reakcje to: projektowanie separatora z uwzględnieniem lepkości przy najniższej oczekiwanej temperaturze pracy, a nie temperatury otoczenia, izolowanie lub ogrzewanie zbiornika i linii dopływowej tam, gdzie wymaga tego klimat, oraz sprawdzenie, czy szerszym problemem nie jest zbyt mały margines projektowy.

P: Co rozbija emulsję oleju w wodzie?

O: Cztery podejścia, w kolejności rosnącej intensywności. Chemiczne: koagulant, taki jak chlorek żelaza lub siarczan glinu, neutralizuje ładunek powierzchniowy utrzymujący krople osobno, a polielektrolit łączy je w większe kłaczki; dawka musi być określona przez testy słoikowe, ponieważ jest specyficzna dla chemii wody. Termiczne: ogrzewanie zmniejsza lepkość, zwiększa różnicę gęstości i destabilizuje film międzyfazowy, dlatego niektóre zakłady podgrzewają zasilanie do 50-70°C. Mechaniczne: delikatne mieszanie o niskim ścinaniu po dozowaniu sprzyja wzrostowi kłaczków, podczas gdy mieszanie o wysokim ścinaniu je niszczy, dlatego w basenach flokulacyjnych stosuje się mieszadła o wolnych obrotach. I elektryczne: koalescer elektrostatyczny stosuje pole wysokiego napięcia, które polaryzuje i rozciąga krople, przerywając film i łącząc je, i jest używany w obróbce dehydratacji ropy naftowej, a nie w ściekach. Wspólnym elementem jest to, że rozbicie emulsji jest wstępną obróbką, która następnie pozwala na działanie etapu grawitacyjnego lub flotacyjnego.

P: Jaka jest różnica między usuwaniem oleju a usuwaniem rozpuszczonych węglowodorów?

O: Separacja mechaniczna usuwa olej, który istnieje jako oddzielna faza, czy to jako krople wolne, rozproszone czy zemulgowane, a jej wydajność jest opisywana przez rozmiar odcięcia kropli i stężenie wylotowe w miligramach na litr. Rozpuszczone węglowodory są faktycznie w roztworze na poziomie molekularnym, zazwyczaj poniżej około 5 mikrometrów i zazwyczaj mierzone jako całkowite węglowodory ropopochodne lub jako specyficzne związki, takie jak benzen; żadna metoda grawitacyjna, flotacyjna ani filtracyjna ich nie usunie. Rozpuszczone węglowodory są usuwane przez odgazowanie powietrzem lub parą, adsorpcję na węglu aktywnym lub organoglinkach, lub obróbkę biologiczną w bioreaktorze z osadem czynnym lub membranowym. To rozróżnienie jest ważne, ponieważ zakład spełniający limit 10 mg/L oleju i tłuszczu może nadal nie spełniać limitu rozpuszczonych węglowodorów, a metody analityczne są różne: olej i tłuszcz metodą grawimetryczną lub ekstrakcją podczerwienią, rozpuszczone węglowodory chromatografią gazową.