Phương pháp tách dầu và nước tốt nhất là gì: Hướng dẫn lựa chọn

Trả lời câu hỏi cốt lõi:Phương pháp tách dầu và nước tốt nhất là gì?Không có một phương pháp tốt nhất nào cả; cái bên phải được thiết lập bởi kích thước giọt dầu trong nước và mọi thứ khác diễn ra sau đó. Dầu tự do, các giọt có kích thước trên 150 micromet, tách riêng bằng trọng lực trong thiết bị phân tách API 421, đạt 50-150 mg/L. Dầu phân tán có kích thước 20-150 micromet cần thiết bị chặn dạng tấm hoặc hydrocyclone, đạt 20-60 mg/L. Dầu nhũ hóa dưới 20 micromet hoàn toàn không thể lắng xuống và cần tuyển nổi không khí hòa tan bằng phương pháp đông tụ hóa học, đạt 10-30 mg/L. Dầu hòa tan có kích thước dưới 5 micromet cần có chất kết tụ hoặc màng, đạt nồng độ dưới 5-10 mg/L. Do đó, việc lựa chọn bắt đầu bằng cách đo sự phân bố kích thước giọt, không phải bằng cách chọn thiết bị: nguyên tắc vật lý chi phối là định luật Stokes, trong đó tốc độ tăng tỷ lệ với bình phương đường kính giọt, do đó giảm một nửa kích thước giọt một phần tư tốc độ lắng.

1. Bốn quốc gia dầu lửa và phương pháp mà mỗi quốc gia yêu cầu

Dầu trong nước tồn tại ở bốn trạng thái vật lý riêng biệt và mỗi trạng thái chỉ có thể tách rời bằng phương pháp phù hợp với nó:

• Dầu miễn phí: Tách trọng lực:Dầu tự do hiện diện dưới dạng các giọt đủ lớn để dâng lên theo trọng lực trong thời gian lưu trú hợp lý, thường trên 150 micromet, và đó là thứ mà thiết bị phân tách API 421 hoặc bể lắng đơn giản loại bỏ. Bởi vì tốc độ dâng lên tỷ lệ thuận với bình phương đường kính, một giọt dầu 300 micromet 850 kg/m3 tăng lên với tốc độ khoảng 12 mm/s trong khi một giọt 75 micromet chỉ quản lý được 1 mm/s, đó là lý do tại sao kích thước cắt xác định tàu. Bể API thông thường giới hạn vận tốc ngang ở mức 0,9 m/phút và giữ số Reynolds dưới 2.000, cung cấp 50-150 mg/L từ đầu vào vài trăm đến vài nghìn. Đây luôn là giai đoạn đầu tiên trong quy trình xử lý vì đây là giai đoạn rẻ nhất tính trên mỗi tấn dầu được loại bỏ, chịu được tải trọng sên và chất rắn, đồng thời bảo vệ mọi thứ ở hạ lưu.
• Dầu phân tán: Gói dạng tấm và Hydrocyclones:Dầu phân tán có kích thước 20-150 micromet lắng xuống quá chậm đối với một bể hở, do đó thiết kế rút ngắn khoảng cách mà giọt nước phải di chuyển thay vì kéo dài thời gian. Thiết bị chặn tấm sóng xếp chồng các tấm cách nhau 20-40 mm ở góc 45-60 độ, do đó, một giọt nước chỉ dâng lên tấm phía trên, kết lại thành màng và chảy lên kênh thu gom; điều này giúp cắt giảm lượng tiêu thụ cần thiết xuống còn 20-50% diện tích bể API và đạt 20-60 mg/L. Thay vào đó, hydrocyclone lỏng-lỏng sử dụng gia tốc ly tâm, quay dòng để nước nặng hơn di chuyển vào thành và lõi dầu được rút ra, trong một gói có kích thước chỉ bằng một phần nhỏ của bất kỳ thiết bị trọng lực nào. Hydrocyclones là sự lựa chọn ở ngoài khơi và nơi không gian hạn chế, nhưng chúng cần giảm áp suất 200-500 kPa, không dung nạp được chất rắn và khí, đồng thời mất hiệu suất khi giảm tốc độ xuống dưới 40-50%.
• Dầu nhũ hóa: Tuyển nổi và xử lý hóa học:Dưới khoảng 20 micromet, các giọt được ổn định bằng chất hoạt động bề mặt, bằng các hợp chất hoạt động bề mặt tự nhiên hoặc bằng chất rắn mịn ở bề mặt và trọng lực sẽ không tách chúng ra trong bất kỳ bình thực tế nào. Câu trả lời là thay đổi cơ chế vật lý: một chất keo tụ như clorua sắt hoặc nhôm sunfat sẽ trung hòa điện tích bề mặt, một chất điện phân kết nối các giọt thành các khối lớn hơn và tuyển nổi không khí hòa tan sau đó gắn các bong bóng khí 10-100 micromet mang các khối này lên bề mặt để hớt. Liều lượng phải được xác định bằng cách kiểm tra bình trên dòng thực tế, vì mức tối ưu rất hẹp và việc dùng quá liều sẽ làm ổn định nhũ tương, làm cho nước thải trở nên tồi tệ hơn là không xử lý. DAF được định lượng chính xác đạt 10-30 mg/L và là phương pháp xử lý thứ cấp tiêu chuẩn trong các nhà máy lọc dầu và hóa dầu, với phương pháp tuyển nổi khí cảm ứng được ưu tiên ở những nơi có hàm lượng chất rắn cao hoặc nơi không mong muốn sử dụng chất bão hòa.
• Hòa tan và đánh bóng: Chất kết tụ, màng và hấp phụ:Khi giới hạn xả rất thấp hoặc khi nước được tái sử dụng, công đoạn đánh bóng sẽ được thêm vào. Bộ lọc kết hợp đưa dòng qua môi trường sợi hoặc môi trường được làm ướt đặc biệt nơi các giọt nhỏ bám vào, hợp nhất và phát triển cho đến khi chúng có thể được tách ra bằng trọng lực trong buồng hạ lưu, đạt 5-20 mg/L. Màng siêu lọc hoặc màng gốm loại bỏ dầu gần như hoàn toàn, cho ra dưới 5-10 mg/L và thường dưới 1-5 mg/L, với chi phí phải xử lý dòng cô đặc và làm sạch thường xuyên. Sự hấp phụ bằng đất sét hữu cơ hoặc than hoạt tính sẽ loại bỏ các hydrocacbon hòa tan mà không phương pháp cơ học nào có thể chạm tới và được sử dụng làm lớp bảo vệ cuối cùng. Đối với nước đáy tàu, giới hạn là 15 ppm theo IMO MEPC.107(49), đi kèm với thiết bị phân tách chuyên dụng, giai đoạn kết tụ và lọc, bộ giám sát hàm lượng dầu và van tự động đóng trên tàu nếu vượt quá giới hạn.

2. Cách chọn: Trình tự quyết định

Lựa chọn là một chuỗi gồm năm câu hỏi và việc trả lời chúng theo thứ tự hầu như luôn mang lại kết quả đúng:

• Đo lường sự phân bố kích thước giọt nước trước tiên:Phép đo duy nhất này quyết định mọi thứ, tuy nhiên đây là bước thường bị bỏ qua nhất. Máy phân tích kích thước hạt nhiễu xạ laser hoặc số lượng vi mô đơn giản trên mẫu mới, chưa bị cắt sẽ đưa ra sự phân bố và các giá trị d50 và d90 cho bạn biết công nghệ nào sẽ hoạt động. Nếu phần lớn dầu có kích thước trên 150 micromet thì trọng lực là đủ và mọi khoản đầu tư thêm đều bị lãng phí. Nếu d50 dưới 20 micromet, sẽ không có thiết bị trọng lực nào hoạt động ở bất kỳ kích thước nào và tiền phải được xử lý bằng hóa chất và tuyển nổi. Trong trường hợp không thể lấy mẫu mà không cắt, điều này thường xảy ra do việc lấy mẫu qua van sẽ làm vỡ các giọt, cách tiếp cận đúng là lấy mẫu ở tốc độ thấp từ điểm lấy mẫu chuyên dụng và phân tích ngay lập tức thay vì sau khi vận chuyển.
• Kiểm tra xem nhũ tương có được tạo ngược dòng hay không:Rất thường xuyên vấn đề không phải là thiết bị phân tách mà là hệ thống đường ống. Một máy bơm ly tâm, một van điều khiển tiết lưu, một van đóng một phần hoặc một bộ hạn chế sắc bén sẽ cắt dầu tự do thành một nhũ tương ổn định gồm các giọt 5-20 micromet mà không có thiết bị phân tách trọng lực nào có thể thu hồi được. Trước khi chỉ định bất kỳ thiết bị mới nào, hãy đi theo đường thẳng và xác định mọi điểm cắt giữa nguồn và thiết bị phân tách; thay thế máy bơm ly tâm bằng khoang lũy ​​tiến hoặc máy bơm trục vít cắt thấp, hoặc thay thế van tiết lưu bằng bộ truyền động tốc độ thay đổi, thường xuyên cải thiện hiệu suất hơn bất kỳ dự án vốn nào và với chi phí thấp hơn. Tương tự, kiểm tra xem nhiệt độ có giảm không, vì độ nhớt của nước tăng mạnh khi nước nguội và tốc độ lắng giảm theo tỷ lệ.
• Xác định giới hạn xả thải và hồ sơ nhiệm vụ:Nồng độ đầu ra cần thiết đặt ra bao nhiêu giai đoạn cần thiết: 50-150 mg/L chỉ cần trọng lực, 10-30 mg/L cần tuyển nổi, dưới 10 mg/L cần máy kết tụ hoặc màng, và 15 ppm cần máy tách nước dầu chuyên dụng có giám sát. Hồ sơ nhiệm vụ quan trọng như giới hạn. Một dòng chảy ổn định là điều dễ dàng; dòng chảy do bão hoặc theo đợt có đỉnh từ ba đến mười lần mức trung bình đòi hỏi phải có tàu lớn hơn nhiều hoặc lưu vực cân bằng ở thượng nguồn, vì các thiết bị phân tách có kích thước trên dòng chảy trung bình sẽ hỏng trong mỗi lần nước dâng. Tải trọng sên, hàm lượng chất rắn và sự hiện diện của chất hoạt động bề mặt hoặc chất tẩy rửa đều thúc đẩy thiết kế hướng tới cấu hình mạnh mẽ hơn, ít tối ưu hóa hơn.
• Đánh giá Dấu chân, Tiện ích và Chi phí Vận hành:Chi phí vốn hiếm khi mang tính quyết định một khi dấu chân và tiện ích được tính đến. Bể API rẻ trên mỗi đơn vị hiệu suất nhưng cần một lô đất lớn, có thể không tồn tại ở một nhà máy hiện có hoặc ngoài khơi, do đó, gói tấm hoặc lốc xoáy thủy điện sẽ thắng mặc dù vốn trên mỗi mét khối mỗi giờ cao hơn. Quá trình tuyển nổi cần có hóa chất, máy bơm bão hòa, dòng tái chế và xử lý chất béo, do đó, nó đòi hỏi chi phí vận hành liên tục và yêu cầu về lao động mà trọng lực không làm được. Màng lọc cho chất lượng nước tốt nhất nhưng cần tiền xử lý, hóa chất làm sạch, thay thế bộ phận định kỳ và lộ trình cô đặc. Sự so sánh chính xác là tổng chi phí sở hữu trong suốt thời gian hoạt động của nhà máy ở mức hoạt động thực tế, bao gồm chi phí xử lý dầu và bùn thu hồi, thường là hạng mục vận hành lớn nhất.
• Thiết kế đoàn tàu, không phải đơn vị:Thực vật thực sự sử dụng trình tự và các giai đoạn mang tính bổ sung chứ không phải cạnh tranh. Một hệ thống lọc dầu điển hình là một bộ phân tách API cho dầu tự do, một bể cân bằng cho các dòng ẩm, tuyển nổi không khí hòa tan với liều lượng hóa học cho dầu nhũ hóa và một bộ lọc cát hoặc máy kết tụ để đánh bóng, sau đó là xử lý sinh học các chất hữu cơ hòa tan. Mỗi giai đoạn có kích thước phù hợp với những gì giai đoạn trước để lại và mỗi giai đoạn bảo vệ giai đoạn tiếp theo khỏi quá tải. Khi dầu thu hồi có giá trị, đoàn tàu được thiết kế để giữ cho dầu sạch và không có nước thay vì chỉ loại bỏ nó, vì cặn dầu là chi phí xử lý trong khi dầu thu hồi là một khoản doanh thu. Và mọi đoàn tàu đều cần thiết bị đo: giám sát hàm lượng dầu đầu vào và đầu ra, chênh lệch áp suất trên từng bộ phận và đo lưu lượng để phát hiện và chẩn đoán sự suy giảm hiệu suất thay vì phát hiện tại điểm xả.

Ma trận so sánh các phương pháp tách dầu và nước

Câu hỏi thường gặp (FAQ)

Hỏi: Bạn có thể tách dầu và nước chỉ bằng trọng lực không?

A: Có, nhưng chỉ được cung cấp dầu miễn phí. Quá trình tách trọng lực hoạt động khi các giọt dầu đủ lớn để nổi lên bề mặt trong thời gian lưu trú của bình, đối với các thiết kế thực tế có nghĩa là trên khoảng 150 micromet. Nguyên lý vật lý là định luật Stokes: tốc độ dâng lên tỷ lệ thuận với bình phương đường kính giọt nước và chênh lệch mật độ, đồng thời tỷ lệ nghịch với độ nhớt của nước. Một giọt dầu khoáng thông thường có đường kính 300 micromet dâng lên với tốc độ khoảng 12 mm/s và dễ dàng bị giữ lại, nhưng một giọt 75 micromet bay lên chỉ với tốc độ 1 mm/s và một giọt 20 micromet trên thực tế không bao giờ tách ra trong bình thật. Đây là lý do tại sao trọng lực luôn là giai đoạn đầu tiên và tại sao nó luôn được theo sau bởi giai đoạn khác khi giới hạn xả dưới khoảng 50 mg/L hoặc khi dầu đã được nhũ hóa bằng cách bơm hoặc bằng chất hoạt động bề mặt.

Hỏi: Tại sao bộ tách nước dầu của tôi hoạt động vào mùa hè nhưng lại hỏng vào mùa đông?

A: Hầu như luôn luôn là do độ nhớt. Độ nhớt của nước tăng gần gấp đôi trong khoảng từ 25°C đến 5°C, và do vận tốc dâng lên của giọt nước tỷ lệ nghịch với độ nhớt nên tốc độ lắng giảm một nửa trong cùng một phạm vi. Do đó, một bộ tách được thiết kế chỉ với một biên độ khiêm tốn hoặc đã hoạt động gần đến giới hạn của nó, sẽ mang dầu qua ngay khi nước nguội, mặc dù không có gì khác thay đổi. Cơ chế tương tự giải thích tại sao việc đun nóng nguyên liệu dầu nặng lại cải thiện khả năng phân tách: dầu trở nên ít nhớt hơn và chênh lệch tỷ trọng tăng lên. Các giải pháp thực tế là xác định kích thước thiết bị phân tách bằng cách sử dụng độ nhớt ở nhiệt độ vận hành dự kiến ​​thấp nhất thay vì ở nhiệt độ môi trường xung quanh, để cách nhiệt hoặc làm nóng bình chứa và đường dẫn vào nơi khí hậu yêu cầu, đồng thời kiểm tra xem liệu vấn đề rộng hơn có phải là biên độ thiết kế ban đầu quá nhỏ hay không.

Hỏi: Điều gì phá vỡ nhũ tương dầu trong nước?

Đáp: Bốn cách tiếp cận, theo thứ tự cường độ tăng dần. Hóa học: chất keo tụ như clorua sắt hoặc nhôm sunfat trung hòa điện tích bề mặt giữ các giọt tách rời nhau và chất điện phân kết nối chúng thành các khối lớn hơn; liều lượng phải được xác định bằng cách kiểm tra bình vì nó đặc trưng cho thành phần hóa học của nước. Nhiệt: đun nóng làm giảm độ nhớt, tăng chênh lệch mật độ và làm mất ổn định lớp màng tiếp xúc, đó là lý do tại sao một số nhà máy đun nóng thức ăn đến 50-70°C. Cơ học: trộn nhẹ nhàng, tốc độ cắt thấp sau khi định lượng sẽ thúc đẩy sự phát triển của bông bùn, trong khi việc trộn với tốc độ cắt cao sẽ phá hủy nó, đó là lý do tại sao các bể keo tụ sử dụng cánh khuấy tốc độ chậm. Và điện: máy kết hợp tĩnh điện sử dụng một trường điện áp cao để phân cực và kéo giãn các giọt, làm vỡ màng và hợp nhất chúng, đồng thời được sử dụng trong xử lý khử nước dầu thô thay vì trong dịch vụ xử lý nước thải. Yếu tố chung là việc phá vỡ nhũ tương là quá trình tiền xử lý, sau đó cho phép giai đoạn trọng lực hoặc tuyển nổi hoạt động.

Hỏi: Sự khác biệt giữa loại bỏ dầu và loại bỏ hydrocarbon hòa tan là gì?

Trả lời: Tách cơ học loại bỏ dầu tồn tại dưới dạng pha riêng biệt, dù ở dạng giọt tự do, phân tán hay nhũ hóa, và hiệu suất của nó được mô tả bằng kích thước cắt giọt và nồng độ đầu ra tính bằng miligam trên lít. Hydrocacbon hòa tan thực sự ở dạng dung dịch ở cấp độ phân tử, thường dưới khoảng 5 micromet và thường được đo dưới dạng tổng lượng hydrocacbon dầu mỏ hoặc dưới dạng một hợp chất cụ thể như benzen; không có trọng lực, tuyển nổi hoặc phương pháp lọc sẽ loại bỏ chúng. Hydrocacbon hòa tan được xử lý bằng cách loại bỏ bằng không khí hoặc hơi nước, bằng cách hấp phụ trên than hoạt tính hoặc đất sét hữu cơ, hoặc bằng cách xử lý sinh học trong bùn hoạt tính hoặc lò phản ứng sinh học màng. Sự khác biệt này quan trọng vì một nhà máy đáp ứng giới hạn dầu mỡ 10 mg/L vẫn có thể không đạt giới hạn hydrocarbon hòa tan và vì các phương pháp phân tích khác nhau: dầu và mỡ bằng phương pháp chiết trọng lực hoặc hồng ngoại, hydrocarbon hòa tan bằng sắc ký khí.