Yağ ve Suyun Ayrılması İçin En İyi Yöntem Nedir: Bir Seçim Rehberi

Temel soruyu yanıtlamak: Yağ ve suyun ayrılması için en iyi yöntem nedir? Tek bir en iyi yöntem yoktur; doğru olanı, su içindeki yağ damlacıklarının boyutuna göre belirlenir ve gerisi buna göre ilerler. Serbest yağ, 150 mikrometrenin üzerindeki damlacıklar, API 421 ayırıcısında yalnızca yerçekimi ile ayrılır ve 50-150 mg/L'ye ulaşır. 20-150 mikrometre boyutundaki dağılmış yağ, bir plaka paketi ara kesicisi veya bir hidrosiklon gerektirir ve 20-60 mg/L'ye ulaşır. 20 mikrometrenin altındaki emülsifiye yağ hiç çökemez ve 10-30 mg/L'ye ulaşan çözünmüş hava yüzdürme ve kimyasal pıhtılaşma gerektirir. 5 mikrometrenin altındaki çözünmüş yağ, bir birleştirici veya bir membran gerektirir ve 5-10 mg/L'nin altına ulaşır. Bu nedenle seçim, ekipman seçerek değil, damlacık boyutu dağılımını ölçerek başlar: yönetici fizik, yükselme hızının damlacık çapının karesiyle orantılı olduğu Stokes yasasıdır, bu nedenle damlacık boyutunu yarıya indirmek çökme hızını dörtte bir oranında azaltır.

1. Dört Yağ Durumu ve Her Birinin Gerektirdiği Yöntem

Suda yağ, fiziksel olarak birbirinden farklı dört durumda bulunur ve her biri yalnızca ona uygun bir yöntemle ayrılabilir:

• Serbest Yağ: Yerçekimi ile Ayırma: Serbest yağ, tipik olarak 150 mikrometrenin üzerinde, makul bir kalış süresi içinde yerçekimi ile yüzeye çıkacak kadar büyük damlacıklar halinde bulunur ve API 421 ayırıcısı veya basit bir çökeltme havzasının giderdiği şeydir. Yükselme hızı çapın karesiyle orantılı olduğundan, 850 kg/m3 yoğunluğundaki bir yağın 300 mikrometrelik bir damlacığı yaklaşık 12 mm/s hızla yükselirken, 75 mikrometrelik bir damlacık yalnızca 1 mm/s hızla yükselir, bu nedenle kesme boyutu kabı tanımlar. Geleneksel bir API havzası, yatay hızı 0,9 m/dak ile sınırlar ve Reynolds sayısını 2.000'in altında tutarak, birkaç yüz ila birkaç bin girişten 50-150 mg/L sağlar. Bu, bir arıtma hattındaki ilk aşamadır, çünkü çıkarılan her ton yağ başına en ucuzudur, yığın yükleri ve katıları tolere eder ve aşağı akışdaki her şeyi korur.
• Dağılmış Yağ: Plaka Paketleri ve Hidrosiklonlar: 20-150 mikrometre boyutundaki dağılmış yağ, açık bir havza için çok yavaş çöker, bu nedenle tasarım, süreyi uzatmak yerine damlacığın seyahat etmesi gereken mesafeyi kısaltır. Oluklu bir plaka ara kesicisi, plakaları 20-40 mm aralıklarla 45-60 derece açıyla istifler, böylece bir damlacık yalnızca üstteki plakaya yükselir, bir filme birleşir ve yukarı doğru toplama kanalına akar; bu, gereken ayak izini bir API havzasının %20-50'sine indirir ve 20-60 mg/L'ye ulaşır. Bir sıvı-sıvı hidrosiklon bunun yerine santrifüj ivmeyi kullanır, akışı döndürerek daha ağır suyun duvara doğru hareket etmesini ve yağ çekirdeğinin çekilmesini sağlar; bu, herhangi bir yerçekimi cihazının boyutunun bir kesri kadar bir pakettir. Hidrosiklonlar, açık denizlerde ve alanın kısıtlı olduğu yerlerde tercih edilir, ancak 200-500 kPa basınç düşüşü gerektirirler, katı ve gazlara karşı toleranssızdırlar ve %40-50'nin altındaki düşüşlerde verimlilik kaybederler.
• Emülsifiye Yağ: Yüzdürme ve Kimyasal İşlem: Yaklaşık 20 mikrometrenin altında, damlacıklar yüzey aktif maddeler, doğal yüzey aktif bileşikler veya arayüzdeki ince katılar tarafından stabilize edilir ve yerçekimi bunları pratik hiçbir kapta ayıramaz. Cevap, fiziği değiştirmektir: demir klorür veya alüminyum sülfat gibi bir pıhtılaştırıcı, damlacıkları birbirinden tutan yüzey yükünü nötralize eder, bir polielektrolit damlacıkları daha büyük floklara bağlar ve çözünmüş hava yüzdürme daha sonra floku yüzeye taşıyarak sıyırmak için 10-100 mikrometre boyutunda hava kabarcıkları ekler. Dozaj, gerçek akış üzerindeki kavanoz testleri ile belirlenmelidir, çünkü optimum dar bir aralıktadır ve aşırı dozlama emülsiyonu yeniden stabilize ederek atığı işlemden daha kötü hale getirir. Doğru dozlanmış DAF, 10-30 mg/L'ye ulaşır ve rafinerilerde ve petrokimya tesislerinde standart ikincil arıtmadır, yüksek katı madde olduğunda veya doyurucu istenmediğinde indüklenmiş gaz yüzdürme tercih edilir.
• Çözünmüş ve Cilalama: Birleştiriciler, Membranlar ve Adsorpsiyon: Deşarj sınırı çok düşük olduğunda veya suyun yeniden kullanılacağı durumlarda bir cilalama aşaması eklenir. Bir birleştirici filtre, akışı, ince damlacıkların yapıştığı, birleştiği ve daha sonra aşağı akışdaki bir odada yerçekimi ile ayrılabilecek kadar büyüdüğü lifli veya özel olarak ıslatılmış bir ortamdan geçirir ve 5-20 mg/L'ye ulaşır. Ultrafiltrasyon veya seramik membranlar, yağı neredeyse tamamen reddeder, 5-10 mg/L'nin altına ve genellikle 1-5 mg/L'nin altına ulaşır, ancak işlenmesi gereken bir konsantre akışı ve düzenli temizlik maliyetiyle. Organokil veya aktif karbon adsorpsiyonu, hiçbir mekanik yöntemin dokunamadığı çözünmüş hidrokarbonları giderir ve son bir koruyucu yatak olarak kullanılır. Gemilerin sintine suyu için, IMO MEPC.107(49) uyarınca sınır 15 ppm'dir ve özel bir ayırıcı, bir birleştirici ve filtre aşaması, bir yağ içeriği izleyicisi ve sınır aşıldığında kapanan otomatik bir sintine valfi ile karşılanır.

2. Nasıl Seçilir: Karar Dizisi

Seçim, beş sorudan oluşan bir dizidir ve bunları sırayla yanıtlamak neredeyse her zaman doğru hattı verir:

• Önce Damlacık Boyutu Dağılımını Ölçün: Bu tek ölçüm her şeyi belirler, ancak en sık atlanan adımdır. Bir lazer kırınım parçacık boyutu analizörü veya taze, kesilmemiş bir numune üzerinde basit bir mikroskobik sayım, dağılımı verir ve d50 ve d90 değerleri hangi teknolojinin işe yarayacağını söyler. Yağın çoğu 150 mikrometrenin üzerindeyse, yerçekimi yeterlidir ve daha fazla yatırım boşa harcanır. d50 20 mikrometrenin altındaysa, hiçbir yerçekimi cihazı hiçbir boyutta çalışmaz ve para kimyasal şartlandırma ve yüzdürmeye gitmelidir. Numunenin kesilmeden alınamadığı durumlarda, numune almanın bir valften geçerek damlacıkları kırması yaygın olduğundan, doğru yaklaşım, numuneyi düşük hızda özel bir numune noktasından almak ve nakliyeden sonra değil, hemen analiz etmektir.
• Emülsiyonun Yukarı Akışda Oluşturulup Oluşturulmadığını Kontrol Edin: Çok sık sorun ayırıcı değil, boru hattıdır. Bir santrifüj pompa, bir boğma kontrol vanası, kısmen kapalı bir vana veya keskin bir kısıtlama, serbest yağı 5-20 mikrometre damlacıklarından oluşan kararlı bir emülsiyona keser ve hiçbir yerçekimi ayırıcısı geri kazanamaz. Herhangi bir yeni ekipman belirlemeden önce, hattı yürüyün ve kaynağı ile ayırıcı arasındaki her kesme noktasını belirleyin; bir santrifüj pompayı bir progresif kavite veya düşük kesmeli vidalı pompa ile değiştirmek veya bir boğma vanasını değişken hızlı bir sürücü ile değiştirmek, genellikle herhangi bir sermaye projesinden daha fazla performans artışı sağlar ve maliyetinin bir kesri kadardır. Benzer şekilde, sıcaklığın düşmediğinden emin olun, çünkü suyun viskozitesi soğudukça keskin bir şekilde artar ve çökme hızı buna orantılı olarak düşer.
• Deşarj Sınırını ve Görev Profilini Tanımlayın: Gerekli çıkış konsantrasyonu kaç aşama gerektiğini belirler: 50-150 mg/L yalnızca yerçekimi gerektirir, 10-30 mg/L yüzdürme gerektirir, 10 mg/L'nin altında birleştirici veya membran gerektirir ve 15 ppm izleme ile özel bir yağlı su ayırıcısı gerektirir. Görev profili, sınır kadar önemlidir. Sabit bir akış kolaydır; fırtına veya parti odaklı, ortalamanın üç ila on katı zirvelere sahip bir akış, ya çok daha büyük bir kap ya da yukarı akışda bir eşitleme havzası gerektirir, çünkü ortalama akışa göre boyutlandırılmış ayırıcılar her dalgalanmada başarısız olur. Yığın yükleri, katı madde içeriği ve yüzey aktif maddelerin veya temizlik maddelerinin varlığı, tasarımı daha sağlam, daha az optimize edilmiş bir yapılandırmaya doğru iter.
• Ayak İzi, Tesisler ve İşletme Maliyetini Değerlendirin: Sermaye maliyeti, ayak izi ve tesisler sayıldıktan sonra nadiren belirleyicidir. Bir API havzası, performans birimi başına ucuzdur ancak büyük bir alan gerektirir, bu da mevcut bir tesiste veya açık denizde bulunmayabilir, bu nedenle bir plaka paketi veya hidrosiklon, metreküp başına saat başına daha yüksek sermayeye rağmen kazanır. Yüzdürme, kimyasallar, bir doyurucu pompa, bir geri dönüş akışı ve sıyırma işleme gerektirir, bu nedenle yerçekiminin sağlamadığı devam eden bir işletme maliyeti ve işgücü gereksinimi taşır. Membranlar en iyi su kalitesini sağlar ancak ön işlem, temizlik kimyasalları, periyodik eleman değişimi ve konsantre için bir rota gerektirir. Doğru karşılaştırma, geri kazanılan yağ ve çamurun bertaraf maliyeti dahil olmak üzere, gerçek görev profiline göre tesis ömrü boyunca toplam sahip olma maliyetidir, bu da genellikle en büyük tek işletme kalemidir.
• Birim Değil, Hattı Tasarlayın: Gerçek tesisler bir dizi kullanır ve aşamalar rekabetçi değil, tamamlayıcıdır. Tipik bir rafineri hattı, serbest yağ için bir API ayırıcısı, dalgalanmaları sönümlemek için bir eşitleme havzası, emülsifiye yağ için kimyasal dozajlı çözünmüş hava yüzdürme ve cilalama için bir kum filtresi veya birleştirici ve ardından çözünmüş organik maddeler için biyolojik arıtmadır. Her aşama, bir önceki aşamanın geride bıraktığına göre boyutlandırılır ve her biri bir sonrakini aşırı yüklenmeden korur. Geri kazanılan yağın değeri varsa, hat, onu yalnızca çıkarmak yerine temiz ve susuz tutacak şekilde tasarlanır, çünkü yağlı çamur bir bertaraf maliyeti iken geri kazanılan yağ bir gelir kalemidir. Ve her hat enstrümantasyon gerektirir: giriş ve çıkış yağ içeriği izleme, her elemanın diferansiyel basıncı ve akış ölçümü, böylece performans düşüşü deşarj noktasında keşfedilmek yerine tespit edilir ve teşhis edilir.

Yağ Su Ayırma Yöntemleri Karşılaştırma Matrisi

Sıkça Sorulan Sorular (SSS)

S: Yağ ve suyu yalnızca yerçekimi ile ayırabilir miyiz?

C: Evet, ancak yalnızca serbest yağ için. Yerçekimi ayırması, yağ damlacıklarının kabın kalış süresi içinde yüzeye çıkacak kadar büyük olduğu durumlarda çalışır, bu da pratik tasarımlar için yaklaşık 150 mikrometrenin üzerinde anlamına gelir. Fizik Stokes yasasıdır: yükselme hızı damlacık çapının karesi ve yoğunluk farkı ile orantılı ve su viskozitesi ile ters orantılıdır. Tipik mineral yağın 300 mikrometrelik bir damlacığı yaklaşık 12 mm/s hızla yükselir ve kolayca yakalanır, ancak 75 mikrometrelik bir damlacık yalnızca 1 mm/s hızla yükselir ve 20 mikrometrelik bir damlacık gerçek bir kapta pratikte hiç ayrılmaz. Bu nedenle yerçekimi her zaman ilk aşamadır ve deşarj sınırı yaklaşık 50 mg/L'nin altında olduğunda veya yağ pompa veya yüzey aktif maddeler tarafından emülsifiye edildiğinde her zaman başka bir şeyle takip edilir.

S: Yağlı su ayırıcım neden yazın çalışıyor ama kışın arızalanıyor?

C: Neredeyse her zaman viskozite nedeniyle. Su viskozitesi 25°C ile 5°C arasında kabaca iki katına çıkar ve damlacık yükselme hızı viskozite ile ters orantılı olduğundan, çökme hızı aynı aralıkta yarıya iner. Sadece mütevazı bir marjla tasarlanmış veya zaten sınırında çalışan bir ayırıcı, su soğuduğunda, başka hiçbir şey değişmemiş olsa bile, yağ taşıyacaktır. Aynı mekanizma, ağır bir yağ beslemesini ısıtmanın ayrımı neden iyileştirdiğini açıklar: yağ daha az viskoz hale gelir ve yoğunluk farkı artar. Pratik yanıtlar, ayırıcıyı ortam sıcaklığında değil, beklenen en düşük çalışma sıcaklığındaki viskoziteye göre boyutlandırmak, iklim gerektirdiğinde kabı ve giriş hattını yalıtmak veya ısıtmak ve daha geniş sorunun tasarım marjının çok küçük olup olmadığını kontrol etmektir.

S: Suda yağı ne kırar?

C: Dört yaklaşım, artan yoğunluk sırasına göre. Kimyasal: demir klorür veya alüminyum sülfat gibi bir pıhtılaştırıcı, damlacıkları birbirinden tutan yüzey yükünü nötralize eder ve bir polielektrolit onları daha büyük floklara bağlar; doz, su kimyasına özgü olduğu için kavanoz testleri ile belirlenmelidir. Termal: ısıtma viskoziteyi azaltır, yoğunluk farkını artırır ve arayüzey filmini dengesizleştirir, bu nedenle bazı tesisler beslemeyi 50-70°C'ye ısıtır. Mekanik: dozlamadan sonra nazik, düşük kesmeli karıştırma flok büyümesini teşvik ederken, yüksek kesmeli karıştırma onu yok eder, bu nedenle flokülasyon havzaları yavaş hızlı kürekler kullanır. Ve elektriksel: bir elektrostatik birleştirici, damlacıkları polarize eden ve uzatan, filmi yırtan ve onları birleştiren yüksek voltajlı bir alan uygular ve atık su hizmetinde değil, ham petrol dehidrasyon işleminde kullanılır. Ortak nokta, emülsiyonu kırmanın, daha sonra yerçekimi veya yüzdürme aşamasının çalışmasını sağlayan bir ön işlem olmasıdır.

S: Yağ çıkarmak ile çözünmüş hidrokarbonları çıkarmak arasındaki fark nedir?

C: Mekanik ayırma, serbest, dağılmış veya emülsifiye damlacıklar halinde bulunan yağı çıkarır ve performansı bir damlacık kesme boyutu ve miligram litre cinsinden bir çıkış konsantrasyonu ile açıklanır. Çözünmüş hidrokarbonlar, moleküler düzeyde gerçekten çözünmüş haldedir, tipik olarak yaklaşık 5 mikrometrenin altında ve genellikle toplam petrol hidrokarbonları veya benzen gibi belirli bir bileşik olarak ölçülür; hiçbir yerçekimi, yüzdürme veya filtreleme yöntemi bunları gidermez. Çözünmüş hidrokarbonlar, hava veya buhar ile sıyırma, aktif karbon veya organokil üzerinde adsorpsiyon veya aktif çamur veya membran biyoreaktöründe biyolojik arıtma ile ele alınır. Bu ayrım önemlidir, çünkü 10 mg/L yağ ve gres sınırını karşılayan bir tesis hala çözünmüş bir hidrokarbon sınırını aşabilir ve analitik yöntemler farklıdır: yağ ve gres gravimetrik veya kızılötesi ekstraksiyonla, çözünmüş hidrokarbonlar gaz kromatografisi ile.