Водомасляный сепаратор API

Водомаслянный сепаратор API — это устройство, предназначенное для отделения значительных количеств нефти и взвешенных твёрдых частиц из промышленных сточных вод, образующихся на нефтеперерабатывающих заводах, нефтехимических и химических предприятиях, установках переработки природного газа и других промышленных источниках, производящих загрязнённые нефтью стоки, принципиальной конструкцией предложенной Американским институтом нефти (American Petroleum Institute, API). Сепаратор API является устройством гравитационного разделения, спроектированным на основе закона Стокса, который определяет скорость всплытия капель нефти в зависимости от их плотности и размера. Конструкция основана на разности удельных весов нефти и сточных вод, поскольку эта разница значительно меньше, чем разница удельных весов между взвешенными твёрдыми частицами и водой. Взвешенные твёрдые частицы оседают на дно сепаратора, образуя слой осадка (шлам), нефть всплывает наверх сепаратора, а очищенная сточная вода образует средний слой между нефтяной плёнкой и твёрдыми частицами.

Принцип действия

Сепаратор API представляет собой устройство гравитационного разделения, спроектированное с использованием принципов закона Стокса, которые определяют скорость всплытия капель нефти в зависимости от их плотности, размера и свойств воды. Конструкция сепаратора основана на разности удельных весов нефти и сточных вод, поскольку эта разница значительно меньше, чем разница удельных весов между взвешенными твёрдыми частицами и водой. Исходя из этого критерия проектирования, большая часть взвешенных твёрдых частиц оседает на дно сепаратора, образуя слой осадка, нефть всплывает на его поверхность, а сточные воды формируют средний слой между нефтью наверху и твёрдыми частицами внизу. Стандарты проектирования API, при правильном применении, вносят коррективы в геометрию, конструкцию и размер сепаратора, выходящие за рамки простых принципов закона Стокса. Это включает в себя поправки на турбулентные потери на входе и выходе потока воды, а также другие факторы. Спецификация API требует минимального соотношения длины к ширине 5:1 и минимального соотношения глубины к ширине от 0,3 до 0,5.

Закон Стокса, лежащий в основе расчёта, математически выражается формулой:

$v=(g*d^{2}*(\rho _{w}-\rho _{o})/18\mu )$

где:

• $v$ — скорость всплытия капли нефти (м/с);
• $g$ — ускорение свободного падения (м/с²);
• $d$ — диаметр капли нефти (м);
• $\rho _{w}$ - плотность воды (кг/м³);
• $\rho _{o}$ — плотность нефти (кг/м³);
• $\mu$ — динамическая вязкость воды (Па*с).

Из формулы следует, что скорость всплытия капли пропорциональна квадрату её диаметра. Поэтому основная задача — дать каплям нефти возможность коалесцировать (объединяться) в более крупные, для чего критически важен достаточно долгий период времени пребывания воды в аппарате (гидравлическая нагрузка).

Обычно нефтяной слой удаляется (скиммируется) и впоследствии повторно перерабатывается или утилизируется, а донный слой осадка удаляется с помощью скребкового механизма, такого как цепной скребок, и шламового насоса. Водный слой направляется на дальнейшую очистку для удаления остаточной нефти, а затем в сооружения биологической очистки для удаления нежелательных растворённых химических соединений.

Многие виды нефтепродуктов могут быть удалены с открытых водных поверхностей с помощью скиммеров. Считаясь надёжным и дешёвым способом удаления масла, жира и других углеводородов из воды, нефтесборщики иногда могут достичь желаемого уровня чистоты воды. В других случаях скимминг также является экономически эффективным методом удаления большей части нефти перед использованием мембранных фильтров и химических процессов. Скиммеры предотвращают преждевременное засорение фильтров и позволяют снизить затраты на химикаты, поскольку обрабатывать приходится меньшее количество нефти.

Поскольку удаление жира подразумевает работу с углеводородами повышенной вязкости, скиммеры должны быть оборудованы нагревателями, достаточно мощными, чтобы поддерживать жир в жидком состоянии для удаления. Если плавающий жир образует твёрдые комки или маты, для облегчения удаления может использоваться разбрызгивающая трубка (спрей-бар), аэратор или механическое устройство.

Однако гидравлические масла и большинство масел, в той или иной степени подвергшихся деградации, будут иметь растворимый или эмульгированный компонент, для устранения которого потребуется дополнительная обработка. Растворение или эмульгирование масла с помощью поверхностно-активных веществ или растворителей обычно усугубляет проблему, а не решает её, создавая сточные воды, которые труднее поддаются очистке.

Принцип действия сепаратора API, основанный на гравитационном разделении фаз, является фундаментальным для водоподготовки в нефтеперерабатывающей и нефтехимической промышленности. Ключевым параметром является скорость осаждения или всплытия частицы, которая, согласно закону Стокса, пропорциональна квадрату её диаметра. Это объясняет, почему основная задача сепаратора — обеспечить условия для коалесценции, то есть слияния мелких капель в более крупные агрегаты, которые могут быть эффективно отделены. Стандарты API, такие как API 421, регламентируют не только геометрические пропорции, но и такие critical параметры, как максимальная скорость потока, время гидравлического удерживания и конструкция входных/выходных устройств для минимизации турбулентности, которая может взмучивать осадок и разбивать нефтяные капли.

Последующие стадии очистки воды после сепаратора API являются обязательными, так как он удаляет только свободную нефть и легкоосаждаемые взвеси. Для удаления эмульгированных и растворённых форм нефтепродуктов применяются физико-химические методы, такие как напорная флотация, коагуляция и флокуляция, а также фильтрация. Завершающей стадией часто является биологическая очистка, где специализированные микроорганизмы метаболизируют растворённые органические соединения. Проблема эмульгированных нефтепродуктов, упомянутая в тексте, особенно актуальна. Использование ПАВ или растворителей для их «удаления» действительно лишь переводит загрязнение из одной формы в другую, часто более устойчивую и сложную для деструкции. Более эффективным подходом является разрушение эмульсии с помощью специальных реагентов-демульгаторов, термообработки или электрохимических методов.

Что касается скиммеров, то их разнообразие огромно: от простых барабанных и щёточных типов для маловязких нефтей до сложных поршневых и шнековых установок для высоковязких продуктов, таких как гудроны и битумы. Нагрев является критически важным для работы с вязкими материалами, так как позволяет снизить вязкость на несколько порядков, сделав возможным их перекачивание.

Принципиальная схема API-сепаратора.

Ключевые элементы конструкции типичного сепаратора

1. Впускная зона (входной патрубок с дифузором): Поток воды плавно распределяется по всему сечению аппарата, чтобы минимизировать турбулентность и не разбивать уже сформировавшиеся крупные капли нефти.
2. Основная зона осаждения и разделения: Самая большая часть сепаратора, где происходит ламинарное (спокойное) течение. Здесь под действием силы тяжести происходит основное разделение фаз: тяжёлые частицы оседают, лёгкие капли нефти всплывают.
3. Выходная зона (водослив): Очищенная вода переливается через водослив, который поддерживает слой нефти на поверхности, не давая ей покинуть сепаратор.
4. Нефтесборное устройство: Поверхностный скребок или вращающаяся труба с щелями постоянно удаляет скопившуюся на поверхности нефть в специальный лоток.
5. Шламосборный приямок: Наклонное дно сепаратора и скребковый механизм медленно перемещают осевший шлам в приямок на одном конце аппарата, откуда он периодически откачивается.

Ограничения и последующие стадии очистки

Сепаратор API является сооружением предварительной (механической) очистки и предназначен для удаления именно «грубых» количеств нефти и свободно диспергированных примесей. Его эффективность ограничена:

1. Средний размер капель масла в подаче составляет менее 150 микрон
2. Плотность масла превышает 925 кг/м3
3. Взвешенные твёрдые частицы (суспензии) притягиваются к масляным каплям
4. Температура воды менее 5 ° C
5. Существует высокий уровень растворённых углеводородов

Согласно закону Стокса, более тяжёлые масла требуют большего времени удержания, это означает, что если нефтеперерабатывающие завод переключается на более тяжёлые сырые сланцы, эффективность сепаратора API снизилась. Поэтому сток после сепаратора API обычно направляется на дальнейшую, более глубокую очистку. Часто следующими ступенями являются:

• Флотационные установки (DAF, IAF) — для удаления эмульгированных нефтепродуктов и мелких взвесей
• Биологические очистные сооружения — для удаления растворённых органических соединений.
• Фильтрация (песчаные, сорбционные фильтры) — для финишной очистки стоков.

Альтернативные сепараторы-маслоотделители

Пластинчатые сепараторы, или сепараторы с коалесцирующими пластинами, аналогичны сепараторам API в том смысле, что в их основе лежат принципы закона Стокса, но они дополнительно включают в себя блоки наклонных пластин (также известные как параллельные пакеты). Нижняя сторона каждой параллельной пластины предоставляет дополнительную поверхность, на которой взвешенные капли нефти могут оседать, объединяясь в более крупные глобулы. Важно отметить, что коалесцирующие пластинчатые сепараторы могут оказаться неэффективными в ситуациях, когда присутствующие в воде химические реагенты или взвешенные твёрдые частицы препятствуют или полностью блокируют процесс коалесценции нефтяных капель. В идеальных условиях эксплуатации предполагается, что осадок будет соскальзывать вниз по верхней стороне каждой параллельной пластины. Однако на практике осадок часто налипает на пластины, что требует их периодического демонтажа и ручной очистки, что является существенным эксплуатационным недостатком. Подобные сепараторы по-прежнему зависят от разницы удельных весов между взвешенной нефтью и водой. Ключевое преимущество заключается в том, что параллельные пластины могут значительно усилить степень разделения нефти и воды для капель размером более 50 микрон. В качестве альтернативы самостоятельному применению, блоки параллельных пластин часто интегрируют непосредственно в конструкцию стандартных сепараторов API, что позволяет добиться сопоставимой степени очистки, но при этом существенно экономить пространство.

Принципиальное сходство параллельных пластинчатых сепараторов с сепараторами API заключается в их зависимости от гравитационных сил. Однако именно наличие параллельных пластин кардинально меняет эффективность процесса. Эти пластины создают так называемый «ламинный» эффект: поток воды вынужден проходить через узкие каналы, что обеспечивает более стабильные и предсказуемые условия для разделения фаз. Увеличение поверхности коалесценции позволяет мелким, медленно всплывающим каплям нефти сталкиваться и сливаться в более крупные образования, которые, согласно закону Стокса, всплывают в разы быстрее. Этот инженерный подход радикально сокращает необходимое время гидравлического удерживания сточных вод в аппарате. Следствием этого является то, что параллельный пластинчатый сепаратор требует значительно меньше пространства, чем традиционный сепаратор API, для достижения той же, а зачастую и более высокой, степени разделения. Это делает их идеальным решением для модернизации существующих очистных сооружений с целью увеличения их пропускной способности без расширения занимаемой площади, а также для применения на морских платформах и других объектах с жёсткими ограничениями по пространству.

Несмотря на высокую эффективность, главным вызовом при эксплуатации таких сепараторов остаётся проблема загрязнения (фоулинга). Пластины могут забиваться отложениями, биологическими обрастаниями или полимеризующимися веществами, присутствующими в стоках, что со временем сводит на нет их эффективность. Поэтому критически важным является правильный подбор материалов пластин (часто это полипропилен или другие стойкие полимеры), их геометрии и угла наклона, а также разработка регламента регулярной промывки, которая может осуществляться как химическими, так и гидродинамическими методами.

История создания

Сепаратор API был разработан Американским институтом нефти (API) совместно с компанией Rex Chain Belt (ныне принадлежащей Evoqua Water Technologies). Первый сепаратор API был установлен в 1933 году на нефтеперерабатывающем заводе компании Atlantic Refining Company (ARCO) в Филадельфии. С того времени практически все НПЗ по всему миру установили сепараторы API в качестве первой первичной стадии своих установок для очистки нефтесодержащих сточных вод. Большинство этих заводов установили сепараторы API, используя оригинальную конструкцию, основанную на разности удельных весов нефти и воды. Однако многие современные НПЗ теперь используют наполнители из параллельных пластиковых пластин для усиления гравитационного разделения. Нормативные акты часто требуют оснащения сепараторов API стационарными или плавающими покрытиями для контроля выбросов летучих органических соединений (ЛОС). Кроме того, большинство сепараторов API теперь должны быть установлены над землёй для облегчения обнаружения утечек.

История создания сепаратора API является ярким примером успешного сотрудничества отраслевого института и инжиниринговой компании для решения критически важной экологической и технологической задачи. Разработка в 1933 году стала ответом на растущую необходимость стандартизации и повышения эффективности очистки больших объёмов промышленных стоков, характерных для быстро развивающейся нефтеперерабатывающей отрасли. Установка на заводе ARCO в Филадельфии послужила пилотным проектом, доказавшим свою исключительную эффективность и экономическую целесообразность, что и привело к их повсеместному распространению. Изначальная конструкция, основанная на фундаментальном физическом принципе разности плотностей, доказала свою надёжность и простоту эксплуатации, что и объясняет её долголетие. Если оригинальная конструкция представляла собой простой прямоугольный железобетонный лоток, то современные модификации значительно усовершенствованы. Одним из ключевых усовершенствований стало внедрение коалесцирующих пакетов из параллельных пластин, обычно изготавливаемых из полипропилена или других коррозионно-стойких полимерных материалов. Эти пакеты, устанавливаемые под углом, многократно увеличивают эффективную площадь осаждения и коалесценции, что позволяет значительно уменьшить габариты сооружения при сохранении или даже повышении его производительности. Это особенно важно для модернизации существующих очистных сооружений на стеснённых площадках действующих производств. Повышенные экологические требования стали причиной модернизации конструкции. Установка герметичных крышек (как стационарных, так и плавающих) стала стандартом для новых и реконструируемых объектов. Это решение направлено на решение двух задач: во-первых, предотвращение испарения летучих органических соединений в атмосферу, что является важной частью программы по сокращению выбросов и обеспечению безопасности труда, а во-вторых, минимизация риска возгорания паровоздушной смеси. Требование к надземному размещению продиктовано ужесточением законодательства в области защиты почв и грунтовых вод от загрязнения. Надземный монтаж позволяет визуально и с помощью приборного контроля непрерывно отслеживать целостность корпуса сепаратора и немедленно обнаруживать любые утечки, предотвращая длительное во времени и часто скрытое загрязнение геологической среды, ликвидация которого чрезвычайно затратна.

Литература

• American Petroleum Institute (API) Management of Water Discharges: Design and Operations of Oil-Water Separators. — American Petroleum Institute., 1990.
• Beychok, Milton R. Aqueous Wastes from Petroleum and Petrochemical Plants. — John Wiley & Sons, 1967. — (LCCN 67019834).

Одним из источников, использованных при создании данной статьи, является статья из википроекта «Рувики» («ruwiki.ru») под названием «Водомасляный сепаратор API», расположенная по адресу: — «https://ru.ruwiki.ru/wiki/Водомасляный_сепаратор_API» Материал указанной статьи полностью или частично использован в Циклопедии по лицензии CC-BY-SA 4.0 и более поздних версий. Всем участникам Рувики предлагается прочитать материал «Почему Циклопедия?».