Máy tách dầu nước là gì: Nguyên lý hoạt động, các loại và ứng dụng

Trả lời câu hỏi cốt lõi: Máy tách dầu nước là gì và nó hoạt động như thế nào? Máy tách dầu nước là một bình chứa hoặc kênh dẫn loại bỏ dầu tự do và dầu phân tán khỏi nước thải công nghiệp bằng cách khai thác sự khác biệt về mật độ giữa hai pha không trộn lẫn. Sự tách biệt tuân theo định luật Stokes, trong đó vận tốc nổi lên của giọt dầu là v = g x d2 x (rho_nước - rho_dầu) / (18 x mu), do đó một giọt dầu 150 micromet có mật độ 850 kg/m3 trong nước nổi lên với tốc độ khoảng 3-4 mm/s. Để thu giữ nó, bộ tách phải làm chậm dòng chảy của chất lỏng đủ để giọt dầu nổi lên bề mặt trước khi nước thoát ra. Do đó, bộ tách trọng lực API 421 thông thường giới hạn vận tốc ngang ở mức 0,9 m/phút (3 ft/phút), giữ số Reynolds dưới 2.000 và sử dụng tỷ lệ chiều sâu trên chiều rộng là 0,3-0,5. Các đơn vị được định cỡ đúng có thể giảm lượng dầu đầu vào từ 100-1.000 mg/L xuống còn 10-50 mg/L, trong khi các giai đoạn đánh bóng đạt giới hạn xả 10-15 ppm do các cơ quan quản lý và IMO MEPC.107(49) đặt ra cho nước đáy tàu.

Bốn nguyên tắc vật lý quyết định xem bộ tách có đáp ứng thông số kỹ thuật đầu ra của nó hay không:

• Chênh lệch mật độ và Định luật Stokes: Mọi thứ bắt đầu từ sự chênh lệch mật độ giữa pha dầu và pha nước. Dầu khoáng điển hình có mật độ 820-880 kg/m3 so với nước khoảng 1.000 kg/m3, tạo ra sự chênh lệch động lực là 0,12-0,18 g/cm3, nhưng dầu thô nặng, bitum và một số loại dầu tổng hợp có mật độ 950-1.010 kg/m3 và tách rất chậm hoặc không tách được. Vì vận tốc nổi lên tỷ lệ với bình phương đường kính giọt dầu, việc giảm một nửa kích thước giọt dầu sẽ làm giảm bốn lần tốc độ nổi lên: giọt dầu 300 micromet nổi lên khoảng 12 mm/s trong khi giọt dầu 75 micromet chỉ đạt 1 mm/s. Đây chính là lý do tại sao các bộ tách được chỉ định theo kích thước cắt của chúng, và tại sao bất kỳ thiết bị nào ở thượng nguồn làm giảm kích thước giọt dầu nhỏ hơn, chẳng hạn như máy bơm ly tâm hoặc van tiết lưu, sẽ âm thầm phá hủy hiệu suất của bộ tách ở hạ nguồn.
• Thời gian lưu và Dòng chảy tĩnh lặng: Bộ tách là một thiết bị để mua thời gian. Chất lỏng phải ở trong bình đủ lâu để giọt dầu thiết kế di chuyển từ đáy đường đi của dòng chảy lên bề mặt, điều này trong bộ tách API có nghĩa là từ đáy đến bề mặt nước, thường là 1,5-3 m. Với vận tốc nổi lên 3 mm/s, điều này đòi hỏi thời gian lưu giữ 500-1.000 giây, hoặc 8-17 phút, và chiều dài bình chứa được tính bằng cách chia thời gian lưu giữ cần thiết cho vận tốc ngang cho phép. Sự nhiễu loạn phá hủy phép tính này, do đó, bộ phân phối đầu vào, vách ngăn đục lỗ và vùng tĩnh lặng dài là bắt buộc, và các nhà thiết kế xác minh hiệu suất bằng cách kiểm tra xem số Reynolds có dưới 2.000 và lý tưởng là dưới 500 trong vùng tách hay không.
• Sự kết tụ và sự phát triển của giọt dầu: Trọng lực đơn thuần không thể loại bỏ các giọt dầu có kích thước dưới khoảng 50-60 micromet trong một bể có kích thước hợp lý, vì vậy hầu hết các bộ tách hiện đại đều bổ sung vật liệu kết tụ. Trong bộ tách tấm lượn sóng, nước chảy qua một chồng các tấm cách nhau 20-40 mm đặt ở góc 45-60 độ. Các giọt dầu chỉ nổi lên một khoảng cách ngắn đến mặt dưới của tấm phía trên, kết tụ thành một lớp màng, và lớp màng này sau đó chảy ngược lên dọc theo tấm đến kênh thu gom. Vì khoảng cách lắng hiệu quả giảm từ mét xuống centimet, CPI đạt được sự tách biệt tương tự trong 20-50% diện tích của bể API hở. Các chất rắn có dầu trượt xuống các tấm vào phễu chứa bùn, phễu này phải được xả thường xuyên hoặc chồng tấm sẽ bị bùn làm tắc nghẽn và hoàn toàn mất đi lợi thế của nó.
• Sự nổi và Hỗ trợ hóa học: Khi dầu bị nhũ hóa hoặc các giọt dầu được ổn định bởi chất hoạt động bề mặt, sự tách biệt bằng trọng lực sẽ thất bại và nhà máy chuyển sang phương pháp nổi. Phương pháp nổi khí hòa tan bão hòa một dòng tuần hoàn bằng không khí ở áp suất 300-600 kPa và giải phóng nó qua van kim hoặc bộ phận trộn ở áp suất khí quyển, tạo ra một đám mây bong bóng 10-100 micromet bám vào các giọt dầu và mang chúng lên bề mặt, nơi một thiết bị gạt thu gom lớp nổi. Hỗ trợ hóa học gần như luôn đi kèm với nó: một polyelectrolyte cation hoặc anion phá vỡ nhũ tương, và một muối keo tụ sắt hoặc nhôm làm mất ổn định điện tích. DAF được định lượng đúng có thể đưa dầu đầu ra xuống 10-30 mg/L, nhưng định lượng quá mức sẽ làm tái ổn định nhũ tương và làm cho nước thải tệ hơn so với không xử lý.

Việc lựa chọn được thúc đẩy bởi nồng độ dầu đầu vào, phân bố kích thước giọt dầu, không gian có sẵn và giới hạn xả phải đáp ứng:

• Bộ tách trọng lực API: Thiết kế tham chiếu cho nước thải dầu mỏ và hóa dầu, được tiêu chuẩn hóa trong API 421 và được sử dụng từ lâu như giai đoạn xử lý đầu tiên. Đó là một bể bê tông hình chữ nhật dài với một thiết bị gạt dầu bằng xích quét dầu nổi đến một ống có rãnh ở cuối hạ lưu, và một bộ cào bùn di chuyển chất rắn lắng xuống phễu ở đầu vào. Ưu điểm của nó là sự đơn giản, khả năng chịu tải đột biến và chất rắn, và khả năng loại bỏ dầu tự do có thể dự đoán được từ 60-99%. Nhược điểm của nó là diện tích chiếm dụng: xử lý 1.000 m3/h đến kích thước cắt 150 micromet đòi hỏi một bể dài khoảng 40-60 m. Nó chỉ xử lý dầu tự do và không làm gì với dầu nhũ hóa hoặc hòa tan.
• Bộ tách tấm lượn sóng và Bộ tách tấm nghiêng: CPI hoặc TPI đóng gói cùng một nguyên tắc tách biệt vào một bể thép có kích thước bằng một phần nhỏ, sử dụng chồng tấm song song được mô tả ở trên. Khoảng cách tấm 20-40 mm và độ nghiêng 45-60 độ cho phép chất rắn di chuyển xuống trong khi màng dầu di chuyển lên, do đó đơn vị tự làm sạch ở một mức độ nhất định. Các đơn vị này được chế tạo sẵn tại nhà máy, lắp trên khung, và thường xử lý 5-500 m3/h, điều này làm cho chúng trở thành lựa chọn tiêu chuẩn cho các nền tảng ngoài khơi, nhà ga và các dự án cải tạo nhà máy nơi không thể đổ bể bê tông mới. Chúng dễ bị tắc nghẽn bởi chất rắn và mỡ nặng hơn bể hở, do đó, việc sàng lọc ở thượng nguồn và làm sạch tấm thường xuyên là không thể thương lượng.
• Nổi khí hòa tan và Nổi khí cưỡng bức: Các đơn vị nổi xử lý những gì trọng lực không thể: dầu nhũ hóa và các giọt phân tán mịn trong phạm vi 5-50 micromet. DAF sử dụng dòng tuần hoàn áp suất được mô tả trước đó và phổ biến trong xử lý nước thải mỏ và hóa dầu như một giai đoạn thứ cấp sau bộ tách API. IGF thay vào đó phân tán khí bằng cơ học với bộ phận trộn được tạo ra bởi cánh quạt hoặc rôto phun khí, tránh được bể bão hòa và máy bơm và chịu được lượng chất rắn cao hơn. Cả hai đều cần xử lý hóa học, cả hai đều tạo ra một dòng lớp nổi có 1-5% dầu phải được định tuyến lại để thu hồi hoặc xử lý, và cả hai đều nhạy cảm với sự biến động của dòng chảy, do đó, việc cân bằng ở thượng nguồn là yêu cầu thiết kế thay vì tùy chọn.
• Xyclon thủy lực, Bộ kết tụ và Đánh bóng màng: Khi không gian là yếu tố quan trọng, như trên các nền tảng ngoài khơi, xyclon thủy lực lỏng-lỏng quay dòng chảy với tốc độ cao để nước nặng hơn bị đẩy ra thành tường và lõi dầu nhẹ hơn được rút ra qua bộ phận tìm xoáy. Chúng nhỏ gọn và không có bộ phận chuyển động, nhưng chúng cần chênh lệch áp suất 200-500 kPa, không chịu được chất rắn và khí, và hiệu suất của chúng giảm mạnh khi giảm công suất xuống dưới 40-50% lưu lượng thiết kế. Để đánh bóng đến mức rất thấp, bộ lọc cartridge kết tụ hoặc màng siêu lọc hoặc màng gốm có thể đưa dầu xuống dưới 5-10 ppm, với chi phí thay thế vật liệu lọc thường xuyên và một dòng cô đặc phải được xử lý.

H: Sự khác biệt giữa máy tách dầu nước và máy tách API là gì?

A: Máy tách dầu nước là danh mục chung bao gồm bất kỳ thiết bị nào tách dầu khỏi nước, trong khi máy tách API là một thiết kế trọng lực cụ thể được tiêu chuẩn hóa bởi Viện Dầu khí Hoa Kỳ trong API 421. Máy tách API là một bể hình chữ nhật dài với thiết bị gạt dầu và bộ cào bùn được định cỡ để loại bỏ các giọt dầu trên 150 micromet, thường giữ vận tốc ngang ở mức 0,9 m/phút và số Reynolds dưới 2.000. Vì nó là một bể hở nên nó chịu tải đột biến và chất rắn tốt, nhưng nó cần một diện tích lớn. Trên thực tế, máy tách API là giai đoạn xử lý chính, và các đơn vị CPI, DAF, xyclon thủy lực và bộ kết tụ là các giai đoạn thứ cấp hoặc đánh bóng theo sau nó.

H: Máy tách dầu nước có thể đạt được nồng độ dầu bao nhiêu?

A: Điều này phụ thuộc vào công nghệ và phân bố kích thước giọt dầu đầu vào. Một máy tách trọng lực API hoạt động tốt thường cho ra 50-150 mg/L từ đầu vào vài trăm đến vài nghìn mg/L, vì nó chỉ loại bỏ dầu tự do. Bộ tách tấm lượn sóng cải thiện điều này lên 20-60 mg/L. Việc bổ sung DAF có hỗ trợ hóa học đưa nước thải vào phạm vi 10-30 mg/L, và giai đoạn đánh bóng bằng bộ kết tụ hoặc màng có thể đạt dưới 5-10 mg/L. Đối với nước đáy tàu, giới hạn quy định là 15 ppm theo IMO MEPC.107(49), được đáp ứng bằng máy tách dầu nước chuyên dụng sử dụng giai đoạn kết tụ và lọc theo sau là bộ giám sát hàm lượng dầu và van xả overboard tự động.

H: Tại sao máy tách dầu nước đột nhiên ngừng hoạt động?

A: Bốn nguyên nhân chiếm phần lớn các lỗi. Sự cắt xén ở thượng nguồn: một máy bơm ly tâm mới, một van điều khiển tiết lưu hoặc một lỗ hạn chế đóng một phần làm nhũ hóa dầu thành các giọt nhỏ hơn kích thước cắt thiết kế, và không có thiết bị trọng lực nào có thể thu hồi chúng. Sự tích tụ chất rắn: bùn, cặn và cặn làm đầy bể hoặc bắc cầu qua chồng tấm, làm giảm thể tích hiệu quả và làm ngắn mạch dòng chảy. Nhiệt độ giảm: độ nhớt của nước tăng mạnh khi nó nguội đi, và vì vận tốc nổi lên tỷ lệ nghịch với độ nhớt, một đơn vị hoạt động tốt vào mùa hè có thể bị lỗi vào mùa đông. Cuối cùng là những thay đổi hóa học: một chất hoạt động bề mặt mới, chất tẩy rửa hoặc chất ức chế ăn mòn trong dòng thải làm ổn định nhũ tương và hoàn toàn đánh bại sự tách biệt bằng trọng lực.

H: Máy tách dầu nước nên được định cỡ như thế nào?

A: Bắt đầu từ kích thước cắt giọt dầu thiết kế, thường là 150 micromet cho nhiệm vụ API, và tính toán vận tốc nổi lên bằng định luật Stokes sử dụng mật độ dầu và nước thực tế ở nhiệt độ hoạt động thay vì ở nhiệt độ môi trường. Đặt vận tốc ngang không quá 0,9 m/phút và tỷ lệ chiều sâu trên chiều rộng từ 0,3 đến 0,5, sau đó kiểm tra xem số Reynolds có dưới 2.000 hay không. Chiều dài bình chứa theo vận tốc ngang nhân với thời gian lưu giữ cần thiết, là chiều sâu tách biệt chia cho vận tốc nổi lên của giọt dầu. Luôn áp dụng hệ số an toàn 1,5-2,0 cho sự nhiễu loạn đầu vào, xác nhận hành vi giảm công suất xuống 30-40% lưu lượng thiết kế, và thêm báo động mức dầu và điều khiển gạt dầu tự động để ngăn dầu bị cuốn theo trong các tải đột biến.