Какой метод разделения нефти и воды лучше всего: руководство по выбору

Отвечая на основной вопрос:Какой метод разделения нефти и воды является лучшим?Не существует единственного лучшего метода; правильный задается размером капель масла в воде, а все остальное вытекает из этого. Свободное масло, капли размером более 150 микрометров, отделяется только под действием силы тяжести в сепараторе API 421, достигая 50-150 мг/л. Дисперсная нефть размером 20–150 микрометров требует использования пластинчатого улавливателя или гидроциклона, достигая концентрации 20–60 мг/л. Эмульгированная нефть размером менее 20 микрометров вообще не может осаждаться и требует флотации растворенным воздухом с химической коагуляцией, достигая концентрации 10-30 мг/л. Растворенная нефть размером менее 5 микрометров требует коагулятора или мембраны, а концентрация ниже 5–10 мг/л. Поэтому отбор начинается с измерения распределения капель по размерам, а не с выбора оборудования: определяющей физикой является закон Стокса, согласно которому скорость подъема зависит от квадрата диаметра капли, поэтому уменьшение размера капли вдвое уменьшает скорость осаждения вчетверо.

1. Четыре нефтяных состояния и метод, который требуется для каждого из них

Нефть в воде существует в четырех физически различных состояниях, и каждое из них можно разделить только соответствующим ему методом:

• Свободная нефть: Гравитационное разделение:Свободное масло присутствует в виде капель, достаточно больших, чтобы подниматься под действием силы тяжести в течение разумного времени пребывания, обычно более 150 микрометров, и именно его удаляет сепаратор API 421 или простой отстойник. Поскольку скорость подъема пропорциональна квадрату диаметра, капля масла объемом 850 кг/м3 размером 300 микрометров поднимается примерно со скоростью 12 мм/с, тогда как капля размером 75 микрометров поднимается со скоростью всего 1 мм/с, поэтому размер среза определяет сосуд. Обычный бассейн API ограничивает горизонтальную скорость до 0,9 м/мин и поддерживает число Рейнольдса ниже 2000, обеспечивая подачу 50–150 мг/л от нескольких сотен до нескольких тысяч. Это всегда первый этап в линии очистки, поскольку он является самым дешевым на тонну удаленной нефти, выдерживает пробковые нагрузки и твердые частицы и защищает все, что находится ниже по потоку.
• Дисперсная нефть: пакеты пластин и гидроциклоны:Дисперсная нефть размером 20–150 микрометров оседает слишком медленно для открытого бассейна, поэтому конструкция сокращает расстояние, которое должна пройти капля, а не удлиняет время. Перехватчик из гофрированной пластины укладывает пластины на расстоянии 20-40 мм друг от друга под углом 45-60 градусов, поэтому капля поднимается только к пластине, расположенной выше, слипается в пленку и стекает вверх в сборный канал; это сокращает требуемую площадь бассейна API до 20–50 % и достигает 20–60 мг/л. Вместо этого жидкостно-жидкостный гидроциклон использует центробежное ускорение, закручивая поток так, что более тяжелая вода перемещается к стенке, а нефтяное ядро ​​вытягивается, при этом размер корпуса составляет лишь часть размера любого гравитационного устройства. Гидроциклоны являются лучшим выбором для морских работ и там, где пространство ограничено, но им требуется перепад давления 200–500 кПа, они нетерпимы к твердым частицам и газу и теряют эффективность при диапазоне регулирования ниже 40–50%.
• Эмульгированная нефть: флотация и химическая обработка:Капли размером менее 20 микрометров стабилизируются поверхностно-активными веществами, природными поверхностно-активными соединениями или мелкими твердыми частицами на границе раздела, и гравитация не разделит их ни в одном практичном сосуде. Ответ заключается в изменении физики: коагулянт, такой как хлорид железа или сульфат алюминия, нейтрализует поверхностный заряд, полиэлектролит связывает капли в более крупные хлопья, а флотация растворенным воздухом затем присоединяет пузырьки воздуха размером 10-100 микрометров, которые выносят хлопья на поверхность для снятия пены. Дозировку необходимо определять путем испытания в банке на реальном потоке, поскольку оптимум узок, а передозировка восстанавливает стабилизацию эмульсии, что делает сточные воды хуже, чем отсутствие обработки. Правильно дозированная концентрация DAF достигает 10–30 мг/л и является стандартной вторичной очисткой на нефтеперерабатывающих и нефтехимических заводах, при этом индуцированная газовая флотация предпочтительна там, где высокое содержание твердых веществ или где сатуратор нежелателен.
• Растворение и полировка: коалесцеры, мембраны и адсорбция:Если предел сброса очень низок или воду необходимо использовать повторно, добавляется стадия очистки. Коалесцирующий фильтр пропускает поток через волокнистую или специально увлажненную среду, где мелкие капли прикрепляются, сливаются и растут, пока их не удастся отделить под действием силы тяжести в камере, расположенной ниже по потоку, достигая концентрации 5–20 мг/л. Ультрафильтрация или керамические мембраны почти полностью удаляют масло, давая менее 5–10 мг/л, а часто и менее 1–5 мг/л, за счет потока концентрата, с которым необходимо обращаться, и регулярной очистки. Адсорбция органоглиной или активированным углем удаляет растворенные углеводороды, с которыми не может справиться никакой механический метод, и используется в качестве последнего защитного слоя. Для судовых льяльных вод предел составляет 15 частей на миллион в соответствии с IMO MEPC.107(49), при этом используется специальный сепаратор, ступень коалесценции и фильтрации, устройство контроля содержания нефти и автоматический забортный клапан, который закрывается в случае превышения предела.

2. Как выбрать: последовательность принятия решения

Выбор представляет собой последовательность из пяти вопросов, и ответ на них по порядку почти всегда дает правильный поезд:

• Сначала измерьте распределение капель по размерам:Это единственное измерение определяет все, однако именно этот шаг чаще всего пропускают. Лазерный дифракционный анализатор размера частиц или простой микроскопический анализ свежего, необработанного образца дает распределение, а значения d50 и d90 подскажут вам, какая технология будет работать. Если большая часть нефти имеет толщину более 150 микрометров, гравитации достаточно, и любые дальнейшие инвестиции будут потрачены впустую. Если d50 меньше 20 микрометров, ни одно гравитационное устройство не будет работать ни при каком размере, и деньги придется потратить на химическое кондиционирование и флотацию. Если пробу невозможно взять без сдвига, что является обычным явлением, поскольку отбор пробы через клапан разбивает капли, правильный подход состоит в том, чтобы взять пробу на низкой скорости из специальной точки отбора проб и проанализировать ее сразу, а не после транспортировки.
• Проверьте, создается ли эмульсия на входе:Очень часто проблема не в сепараторе, а в трубопроводах. Центробежный насос, дроссельный регулирующий клапан, частично закрытый клапан или резкое ограничение превращают свободное масло в стабильную эмульсию из капель размером 5–20 микрометров, которую не может восстановить ни один гравитационный сепаратор. Прежде чем выбирать какое-либо новое оборудование, пройдите по линии и определите каждую точку сдвига между источником и сепаратором; замена центробежного насоса винтовым насосом с прогрессивной подачей или винтовым насосом с низким сдвиговым усилием или замена дроссельного клапана приводом с регулируемой скоростью часто повышает производительность больше, чем любой капитальный проект, и при этом за небольшую часть затрат. Аналогичным образом проверьте, не упала ли температура, так как вязкость воды при охлаждении резко возрастает и пропорционально падает скорость осаждения.
• Определите предел разряда и профиль нагрузки:Требуемая концентрация на выходе определяет, сколько ступеней необходимо: для 50–150 мг/л требуется только гравитация, для 10–30 мг/л требуется флотация, для концентрации ниже 10 мг/л требуется коагулятор или мембрана, а для 15 частей на миллион требуется специальный сепаратор нефтесодержащей воды с контролем. Профиль обязанностей имеет такое же значение, как и лимит. Стабильный поток — это легко; поток, вызванный штормом или периодическим потоком с пиками, в три-десять раз превышающими средний показатель, требует либо гораздо большего резервуара, либо уравнительного бассейна вверх по течению, поскольку сепараторы, рассчитанные на средний поток, выходят из строя во время каждого скачка потока. Нагрузка на пробки, содержание твердых частиц и присутствие поверхностно-активных веществ или чистящих средств подталкивают конструкцию к более надежной и менее оптимизированной конфигурации.
• Оцените занимаемую площадь, коммунальные услуги и эксплуатационные расходы:Капитальные затраты редко имеют решающее значение после подсчета площади и коммунальных услуг. Бассейн API дешев на единицу производительности, но требует большого участка, которого может не быть на существующем заводе или на море, поэтому пакет пластин или гидроциклон выигрывает, несмотря на более высокий капитал на кубический метр в час. Флотация требует химикатов, насоса-сатуратора, рециркуляционного потока и обработки нефтесборов, поэтому она требует постоянных эксплуатационных расходов и трудозатрат, которых нет при гравитации. Мембраны обеспечивают наилучшее качество воды, но требуют предварительной обработки, чистящих химикатов, периодической замены элементов и маршрута подачи концентрата. Правильным сравнением является общая стоимость владения в течение срока службы установки при фактическом режиме работы, включая стоимость утилизации извлеченной нефти и шлама, которая часто является самой крупной отдельной операционной статьей.
• Проектируйте поезд, а не отряд:Настоящие растения используют последовательность, и стадии дополняют друг друга, а не конкурируют. Типичная нефтеперерабатывающая линия представляет собой сепаратор API для свободной нефти, уравнительный бассейн для гашения пульсаций, флотацию растворенным воздухом с химическим дозированием эмульгированной нефти, а также песчаный фильтр или коагулятор для очистки с последующей биологической очисткой растворенных органических веществ. Каждый этап рассчитан на то, что оставляет после себя предыдущий, и каждый защищает следующий от перегрузки. Там, где собранная нефть имеет ценность, поезд предназначен для поддержания ее в чистоте и обезвоженности, а не просто для ее удаления, поскольку нефтесодержащий шлам представляет собой затраты на утилизацию, а собранная нефть является статьей дохода. И каждому поезду необходимы контрольно-измерительные приборы: контроль содержания масла на входе и выходе, перепад давления на каждом элементе и измерение расхода, чтобы снижение производительности обнаруживалось и диагностировалось, а не обнаруживалось в точке слива.

Сравнительная таблица методов разделения нефти и воды

Часто задаваемые вопросы (FAQ)

Вопрос: Можете ли вы разделить нефть и воду только гравитацией?

Ответ: Да, но только за бесплатную нефть. Гравитационное разделение работает, когда капли масла достаточно велики, чтобы подняться на поверхность за время пребывания в резервуаре, что для практических проектов означает высоту более 150 микрометров. Физика — это закон Стокса: скорость подъема пропорциональна квадрату диаметра капли и разности плотностей и обратно пропорциональна вязкости воды. Капля обычного минерального масла размером 300 микрометров поднимается со скоростью около 12 мм/с и легко улавливается, капля размером 75 микрометров поднимается со скоростью всего 1 мм/с, а капля диаметром 20 микрометров фактически никогда не отделяется в реальном сосуде. Вот почему гравитация всегда является первой стадией и почему за ней всегда следует что-то еще, когда предел сброса ниже примерно 50 мг/л или когда нефть эмульгируется перекачиванием или поверхностно-активными веществами.

Вопрос: Почему мой водомасляный сепаратор работает летом, но выходит из строя зимой?

О: Почти всегда из-за вязкости. Вязкость воды примерно удваивается при температуре от 25°C до 5°C, а поскольку скорость подъема капель обратно пропорциональна вязкости, скорость осаждения уменьшается вдвое в том же диапазоне. Поэтому сепаратор, который был спроектирован с небольшим запасом или уже работает на пределе своих возможностей, будет переносить масло, как только вода остынет, даже если ничего больше не изменилось. Тот же механизм объясняет, почему нагрев тяжелой нефти улучшает сепарацию: нефть становится менее вязкой, а разница плотностей увеличивается. Практические меры заключаются в том, чтобы подобрать размер сепаратора с учетом вязкости при самой низкой ожидаемой рабочей температуре, а не при температуре окружающей среды, изолировать или нагреть резервуар и впускную линию там, где этого требует климат, и проверить, не заключается ли более широкая проблема в том, что расчетный запас изначально был слишком мал.

Вопрос: Что разрушает эмульсию масла в воде?

Ответ: Четыре подхода, в порядке возрастания интенсивности. Химический: коагулянт, такой как хлорид железа или сульфат алюминия, нейтрализует поверхностный заряд, который удерживает капли отдельно, а полиэлектролит связывает их в более крупные хлопья; дозу необходимо определять путем тестирования в банке, поскольку она зависит от химического состава воды. Термический: нагрев снижает вязкость, увеличивает разницу плотностей и дестабилизирует межфазную пленку, поэтому некоторые заводы нагревают корм до 50-70°С. Механический: мягкое перемешивание с низким усилием сдвига после дозирования способствует росту хлопьев, тогда как перемешивание с высоким усилием сдвига разрушает его, поэтому в бассейнах для флокуляции используются низкоскоростные лопасти. И электрический: электростатический коагулятор создает поле высокого напряжения, которое поляризует и растягивает капли, разрывая пленку и объединяя их, и используется при обезвоживании сырой нефти, а не при очистке сточных вод. Общим элементом является то, что разрушение эмульсии представляет собой предварительную обработку, которая затем позволяет работать на стадии гравитации или флотации.

Вопрос: В чем разница между удалением нефти и удалением растворенных углеводородов?

Ответ: Механическое разделение удаляет масло, которое существует в виде отдельной фазы, будь то в виде свободных, дисперсных или эмульгированных капель, и его эффективность описывается размером капли и концентрацией на выходе в миллиграммах на литр. Растворенные углеводороды на самом деле находятся в растворе на молекулярном уровне, обычно размером менее 5 микрометров и обычно измеряются как общее количество нефтяных углеводородов или как определенное соединение, такое как бензол; Никакая сила тяжести, флотация или фильтрация не удалит их. С растворенными углеводородами справляются отгонкой воздухом или паром, адсорбцией на активированном угле или органоглине или биологической очисткой в ​​активном иле или мембранном биореакторе. Это различие имеет значение, поскольку предприятие, которое соответствует предельному уровню содержания масел и жиров в 10 мг/л, все же может не соответствовать предельному значению растворенных углеводородов, а также потому, что аналитические методы различаются: масло и жир - путем гравиметрической или инфракрасной экстракции, растворенные углеводороды - с помощью газовой хроматографии.