دستگاه تصفیه آب صنعتی پالایشگاه

دستگاه تصفیه آب صنعتی در پالایشگاه

دستگاه تصفیه آب صنعتی پالایشگاه: آب نقش حیاتی و اساسی در فرآیندهای پالایش نفت ایفا می‌کند. از خنک‌سازی تجهیزات و فرآیندها گرفته تا تولید بخار و شستشوی مواد، آب جزء لاینفک عملیات پالایشگاه‌های نفت محسوب می‌شود. با توجه به افزایش نگرانی‌ها در مورد کمبود منابع آب، وضع مقررات زیست‌محیطی سختگیرانه‌تر و فشارهای اقتصادی، مدیریت کارآمد منابع آب و استفاده از فناوری‌های مؤثر تصفیه آب در این صنعت از اهمیت روزافزون برخوردار شده است. هدف اصلی این گزارش، بررسی عملکرد دستگاه‌های تصفیه آب صنعتی مورد استفاده در پالایشگاه‌های نفت، تجزیه و تحلیل فناوری‌های مختلف تصفیه، ارائه بهترین شیوه‌ها در مدیریت آب و بحث در مورد مزایای اقتصادی و زیست‌محیطی تصفیه آب مؤثر است.

طراحی اولیه یک پالایشگاه تأثیر قابل توجهی بر میزان مصرف آب آن دارد، به ویژه تعادل بین استفاده از مبدل‌های حرارتی خنک‌شونده با هوا و مبدل‌های حرارتی خنک‌شونده با آب. نوسازی این سیستم‌ها برای بهبود کارایی مصرف آب پرهزینه است، که نشان می‌دهد ملاحظات مربوط به مدیریت آب باید در مراحل برنامه‌ریزی و طراحی اولیه یک پالایشگاه مورد توجه جدی قرار گیرد. صنعت پالایش نفت از نظر مصرف آب در رتبه‌ای مشابه با سایر صنایع بزرگ مصرف‌کننده آب مانند صنایع شیمیایی قرار دارد، اما مصرف آب در پالایشگاه‌های منفرد می‌تواند در سطح محلی قابل توجه باشد. این امر بر اهمیت راهکارهای مدیریت آب متناسب با شرایط خاص هر پالایشگاه تأکید می‌کند.

آشنایی با منابع و مصارف آب در پالایشگاه‌های نفت

مصرف آب در پالایشگاه‌های نفت در مقادیر قابل توجهی و برای کاربردهای متنوعی صورت می‌گیرد، از جمله خنک‌سازی، فرآوری و تولید بخار. سیستم‌های خنک‌کننده آب، که برای خنک‌سازی فرآیندهای مختلف مورد استفاده قرار می‌گیرند، بزرگترین مصرف‌کنندگان آب در پالایشگاه‌ها هستند. این سیستم‌ها می‌توانند به صورت یک‌بارگذر یا چرخشی با مدار بسته باشند. آب فرآیند در مراحل مختلف پالایش مانند نمک‌زدایی، تقطیر، شکست حرارتی و کاتالیزوری، هیدروکراکینگ، پلیمریزاسیون و شستشوی محصولات  به کار می‌رود. تولید بخار برای تأمین انرژی مورد نیاز فرآیندهای پالایش نیز به آب با کیفیت بالا نیاز دارد. علاوه بر این، آب برای مصارف دیگری مانند سیستم‌های اطفاء حریق، مصارف بهداشتی و آب آشامیدنی نیز مورد استفاده قرار می‌گیرد.

کیفیت آب مورد استفاده در سیستم‌های خنک‌کننده به طور قابل توجهی به دمای محیط و نقطه شبنم بستگی دارد، که می‌تواند ظرفیت حذف حرارت مبدل‌ها را محدود کند. این موضوع نشان می‌دهد که پالایشگاه‌های واقع در مناطق گرمسیر یا در طول فصل تابستان ممکن است با چالش‌های بیشتری در حفظ دمای مطلوب آب خنک‌کننده مواجه شوند و نیاز به بررسی فناوری‌های خنک‌کننده تکمیلی یا کارآمدتر داشته باشند.

پالایشگاه‌ها آب مورد نیاز خود را عمدتاً از منابع آب سطحی (رودخانه‌ها، دریاچه‌ها، دریاها)، آب‌های زیرزمینی (سفره‌های آب زیرزمینی) و شبکه‌های آب شهری تأمین می‌کنند. انتخاب منبع آب اغلب به موقعیت پالایشگاه و در دسترس بودن منابع بستگی دارد.⁵ پالایشگاه‌های بزرگتر معمولاً از آب سطحی استفاده می‌کنند، در حالی که پالایشگاه‌های کوچکتر ممکن است بیشتر به منابع شهری متکی باشند. برخی از پالایشگاه‌ها، به ویژه آن‌هایی که در نزدیکی مناطق ساحلی قرار دارند، از سیستم‌های خنک‌کننده یک‌بارگذر با آب دریا استفاده می‌کنند. کیفیت آب منابع مختلف به طور قابل توجهی متفاوت است و نیاز به سطوح مختلف پیش‌تصفیه قبل از استفاده در فرآیندهای پالایشگاه دارد. به عنوان مثال، آب‌های زیرزمینی ممکن است دارای محتوای معدنی بالاتری باشند، در حالی که آب‌های سطحی می‌توانند حاوی مواد جامد معلق و مواد آلی بیشتری باشند. آب دریا نیز نیاز به نمک‌زدایی دارد. این امر لزوم اتخاذ رویکردی متناسب با نوع منبع آب برای تصفیه آب را نشان می‌دهد.

نقش حیاتی کیفیت آب در عملیات پالایشگاهی

کیفیت آب تأثیر مستقیمی بر کارایی و اثربخشی فرآیندهای کلیدی پالایشگاه دارد. آب با خلوص بالا برای تولید آب تغذیه بویلر ضروری است تا از تشکیل رسوب و خوردگی جلوگیری شود و تولید بخار کارآمد تضمین گردد. کیفیت آب فرآیند بر کارایی فرآیندهای مختلف پالایش مانند نمک‌زدایی و کراکینگ تأثیر می‌گذارد و می‌تواند بر کیفیت محصول نهایی اثر بگذارد. آلاینده‌ها در آب خنک‌کننده می‌توانند کارایی مبدل‌های حرارتی را کاهش داده و منجر به مصرف انرژی بیشتر شوند زیرا سیستم‌ها برای دستیابی به همان میزان خنک‌سازی سخت‌تر کار می‌کنند.

وجود آلاینده‌های خاص مانند سولفید هیدروژن و آمونیاک در آب ترش، نیاز به فرآیندهای حذف تخصصی قبل از استفاده مجدد از آب را ضروری می‌سازد. تصفیه ناکافی آب ترش می‌تواند منجر به خوردگی و سایر مشکلات عملیاتی شود. کیفیت پایین آب می‌تواند منجر به تشکیل رسوب از مواد معدنی محلول، خوردگی ناشی از آلاینده‌های مختلف، رسوب‌گذاری ناشی از مواد جامد معلق، مواد آلی و رشد بیولوژیکی (بیوفیلم) و آلودگی محصولات نهایی گردد.

شناسایی آلاینده‌های رایج در جریان‌های پساب پالایشگاهی

پساب پالایشگاه‌ها معمولاً حاوی ترکیبات پیچیده‌ای از آلاینده‌های آلی و معدنی است. آلاینده‌های رایج شامل هیدروکربن‌ها (نفت و گریس، BTEX، PAHs)، مواد جامد معلق (لجن، رسوبات)، نمک‌های محلول (کلریدها، سولفات‌ها)، فلزات سنگین (نیکل، روی، سرب، جیوه، آرسنیک، کروم، سلنیوم، مس، وانادیوم، باریم، استرانسیم)، آمونیاک، سولفیدها (سولفید هیدروژن)، فنل‌ها و ترکیبات آلی فرار (VOCs) (بنزن، تولوئن، زایلن) می‌باشند. آب ترش، یک جریان پساب مهم، حاوی سولفید هیدروژن و آمونیاک است.⁴ آب نمک‌زدایی، رسوبات مخازن و آب تخلیه برج‌های خنک‌کننده و بویلرها نیز به بار کلی پساب می‌افزایند. محصولات جانبی روش‌های تصفیه آب مانند لجن ناشی از آبگیری و احیای تبادل یونی نیز به جریان پساب اضافه می‌شوند. ترکیب پساب پالایشگاه‌ها به طور گسترده‌ای بسته به نوع نفت خام فرآوری شده (به عنوان مثال، نفت‌های ترش منجر به آلودگی بیشتر با سولفید می‌شوند)، فرآیندهای پالایش خاص مورد استفاده (به عنوان مثال، کراکینگ VOCs تولید می‌کند) و الگوهای مصرف آب در داخل تأسیسات متفاوت است. این تنوع، نیاز به شناسایی جامع آلاینده‌ها و راهکارهای تصفیه متناسب را ضروری می‌سازد.

منابع این آلاینده‌ها در فرآیند پالایش متنوع است. هیدروکربن‌ها از نشت‌ها، ریزش‌ها و فرآیندهای مختلف جداسازی و کراکینگ ناشی می‌شوند. مواد جامد معلق از نمک‌زدایی، محصولات خوردگی و تمیز کردن تجهیزات به وجود می‌آیند. نمک‌های محلول در برج‌های خنک‌کننده به دلیل تبخیر متمرکز می‌شوند و در آب منبع نیز وجود دارند. فلزات سنگین می‌توانند در نفت خام وجود داشته باشند و از تجهیزات نیز به آب راه پیدا کنند. آمونیاک و سولفیدها از محصولات جانبی فرآوری نفت خام، به ویژه در جریان‌های آب ترش، هستند.⁴ فنل‌ها و VOCs در طی فرآیندهای کراکینگ و سایر فرآیندهای تبدیل حرارتی تولید می‌شوند. مواد شوینده مورد استفاده در تعمیر و نگهداری نیز می‌توانند به آلاینده‌های آلی پساب اضافه شوند.

مروری بر فناوری‌های تصفیه آب صنعتی مورد استفاده در پالایشگاه‌ها

فناوری‌های مختلفی برای تصفیه آب در پالایشگاه‌های نفت مورد استفاده قرار می‌گیرند که به طور کلی به سه دسته اصلی تقسیم می‌شوند: تصفیه اولیه، تصفیه ثانویه و تصفیه ثالثیه.

• تصفیه اولیه: جداسازی نفت و آب با استفاده از جداکننده‌های API و جداسازی ثقلی، شفاف‌سازی و حذف مواد جامد معلق با استفاده از شفاف‌سازها (اغلب با کمک انعقاد و لخته‌سازی با استفاده از پلیمرهایی مانند پلی‌فسفات‌ها) و شناورسازی با هوای محلول (DAF) برای حذف روغن و گریس باقیمانده، مواد جامد معلق و برخی از مواد آلی با استفاده از میکرو حباب‌ها برای شناور کردن آلاینده‌ها به سطح از جمله فرآیندهای این مرحله هستند.
• تصفیه ثانویه: تصفیه بیولوژیکی با استفاده از سیستم‌های لجن فعال و بیوراکتورها به طور گسترده‌ای برای حذف ترکیبات آلی محلول (BOD، COD) و سایر آلاینده‌های قابل تجزیه بیولوژیکی مورد استفاده قرار می‌گیرد. این سیستم‌ها از میکروارگانیسم‌ها برای تجزیه مواد آلی به مواد کم‌ضررتر استفاده می‌کنند. سیستم‌های هوادهی با اکسیژن خالص می‌توانند ظرفیت تصفیه بیولوژیکی را افزایش دهند.
• تصفیه ثالثیه: فناوری‌های مختلفی در این مرحله به کار می‌روند، از جمله فیلتراسیون (فیلترهای شنی، چند بستره، غشایی مانند میکروفیلتراسیون، اولترافیلتراسیون، نانوفیلتراسیون) برای حذف مواد جامد معلق باقیمانده و سایر ذرات، اسمز معکوس (RO) به عنوان یک فناوری غشایی برای حذف نمک‌های محلول، فلزات سنگین و بیشتر آلاینده‌های دیگر و تولید آب با خلوص بالا برای استفاده مجدد، تبادل یونی برای حذف یون‌های خاص مانند فلزات سنگین و یون‌های سختی و فرآیندهای اکسیداسیون پیشرفته (AOPs) شامل ازن‌زنی، UV/H2O2 و واکنش‌های فنتون برای تجزیه آلاینده‌های آلی مقاوم و ضدعفونی پساب.

انتخاب و ترکیب این فناوری‌ها به نوع و غلظت آلاینده‌های موجود در پساب و کیفیت مورد نظر برای پساب تصفیه شده جهت تخلیه یا استفاده مجدد بستگی دارد. اغلب برای مقابله با ماهیت پیچیده پساب پالایشگاه‌ها، از یک رویکرد تصفیه چند مرحله‌ای استفاده می‌شود.

تجزیه و تحلیل عملکرد سیستم‌های تصفیه آب برای آلاینده‌های خاص

سیستم‌های DAF می‌توانند به راندمان حذف بالایی (90-95٪) برای TSS و روغن و گریس (95-99٪) دست یابند. تصفیه بیولوژیکی در کاهش BOD و COD مؤثر است که نشان‌دهنده حذف ترکیبات آلی است. سیستم‌های RO می‌توانند 97-99٪ از کل مواد جامد محلول (TDS) از جمله نمک‌های محلول و فلزات سنگین را حذف کنند. AOPs در تجزیه آلاینده‌های آلی پایدار مانند فنل‌ها و VOCs مؤثر هستند. ازن‌زنی به ویژه برای ضدعفونی‌کردن مؤثر است.

در حالی که RO در حذف طیف وسیعی از آلاینده‌ها بسیار مؤثر است، برای جلوگیری از گرفتگی غشا ناشی از مواد جامد معلق و مواد آلی، نیاز به پیش‌تصفیه دارد. اولترافیلتراسیون (UF) و میکروفیلتراسیون (MF) اغلب به عنوان مراحل پیش‌تصفیه برای RO در تصفیه پساب پالایشگاه‌ها استفاده می‌شوند.¹¹ راندمان هر فناوری تصفیه به ویژگی‌های پساب ورودی، از جمله غلظت و نوع آلاینده‌ها ¹²، پارامترهای طراحی سیستم (مانند زمان ماندگاری برای تصفیه بیولوژیکی، نرخ جریان و نوع غشا برای RO) و پارامترهای عملیاتی (مانند pH، دما و دوز مواد شیمیایی) بستگی دارد. برای بهینه‌سازی عملکرد فرآیندهای مختلف تصفیه، نظارت دقیق بر پارامترهای عملیاتی ضروری است.

راهکارهای بازیافت و استفاده مجدد از آب در پالایشگاه‌ها

استفاده مجدد از آب به طور قابل توجهی تقاضا برای آب شیرین را کاهش می‌دهد، به ویژه در مناطق با کمبود منابع آب. بازیافت پساب می‌تواند منجر به صرفه‌جویی قابل توجهی در هزینه‌ها از طریق کاهش هزینه‌های خرید آب و هزینه‌های تخلیه پساب شود.¹ استفاده مجدد از آب، با کاهش حجم پساب تخلیه شده به منابع طبیعی آب، اثرات زیست‌محیطی پالایشگاه‌ها را به حداقل می‌رساند.

پساب تصفیه شده می‌تواند به عنوان آب جبرانی برای برج‌های خنک‌کننده مورد استفاده قرار گیرد و مصرف آب شیرین را کاهش دهد. پساب تصفیه شده با کیفیت بالا، به ویژه پس از RO و دی‌مینرالیزاسیون، می‌تواند به عنوان آب تغذیه بویلر مورد استفاده قرار گیرد و مشکلات ناشی از رسوب و خوردگی را به حداقل برساند. آب بازیافت شده پس از تصفیه مناسب برای رفع نیازهای کیفیتی می‌تواند در برخی از کاربردهای فرآیندی مانند شستشو و آبکشی مورد استفاده قرار گیرد. حتی آب ترش تصفیه شده پس از حذف سولفید هیدروژن و آمونیاک می‌تواند برای شستشوی هیدروکربن‌ها مورد استفاده مجدد قرار گیرد. استفاده مجدد از آب ترش، نیاز به آب شیرین را کاهش داده و حجم پساب بسیار آلوده مورد نیاز برای دفع را به حداقل می‌رساند. این عمل نیاز به نظارت دقیق برای جلوگیری از خوردگی و رسوب‌گذاری دارد. اسمز معکوس یک فناوری کلیدی برای تولید آب با خلوص بالا مناسب برای کاربردهای مختلف استفاده مجدد است. RO مدار بسته کارایی و سازگاری بهتری را ارائه می‌دهد. بیوراکتورهای غشایی (MBR) با ترکیب تصفیه بیولوژیکی و فیلتراسیون غشایی، پساب با کیفیت بالا برای استفاده مجدد تولید می‌کنند. الکترود دی‌یونیزاسیون (EDI) می‌تواند برای پالایش بیشتر اسمز معکوس به منظور دستیابی به آب فوق خالص برای کاربردهای حساس مورد استفاده قرار گیرد.

مقررات زیست‌محیطی و استانداردهای تخلیه پساب برای پالایشگاه‌های نفت

پالایشگاه‌های نفت مشمول مقررات سختگیرانه زیست‌محیطی در مورد تخلیه پساب هستند، مانند قانون آب پاک در ایالات متحده و دستورالعمل‌های مختلف اتحادیه اروپا. این مقررات از طریق مجوزهای NPDES در ایالات متحده اجرا می‌شوند. پارامترهای متداول تنظیم شده شامل روغن و گریس، کل مواد جامد معلق (TSS)، تقاضای اکسیژن بیوشیمیایی (BOD)، تقاضای اکسیژن شیمیایی (COD)، pH، فلزات سنگین (از جمله فلزات خاص مانند سلنیوم، سیانید، روی) ، آمونیاک و ترکیبات آلی خاص می‌باشد. محدودیت‌های تخلیه بسته به حوزه قضایی، بدنه آب دریافت‌کننده و زیرگروه خاص پالایشگاه متفاوت است.

دستورالعمل‌های EPA برای پساب پالایشگاه‌های نفت از سال 1985 برای بسیاری از آلاینده‌ها به طور قابل توجهی به‌روزرسانی نشده است، با وجود پیشرفت در فناوری‌های تصفیه. این امر نشان می‌دهد که مقررات فعلی ممکن است توانایی‌های سیستم‌های تصفیه آب مدرن را منعکس نکند و احتمال وضع مقررات سختگیرانه‌تر در آینده، به ویژه برای آلاینده‌های تنظیم نشده مانند سلنیوم، بنزن و PFAS وجود دارد. رعایت مقررات زیست‌محیطی برای جلوگیری از جریمه‌های سنگین، اقدامات قانونی و آسیب به شهرت پالایشگاه بسیار مهم است. عدم رعایت استانداردهای تخلیه می‌تواند منجر به تعطیلی عملیات و افزایش نظارت از سوی سازمان‌های نظارتی شود. بسیاری از پالایشگاه‌ها تخلفاتی را در مورد محدودیت‌های مجاز خود گزارش کرده‌اند.

بهترین شیوه‌ها برای بهینه‌سازی تصفیه آب در پالایشگاه‌ها

ارزیابی و بهینه‌سازی تراز آب برای نقشه‌برداری از مصرف آب در تمام فرآیندها و شناسایی زمینه‌های بهبود کارایی  از جمله بهترین شیوه‌ها است. جداسازی جریان‌های مختلف پساب بر اساس مشخصات آلاینده آن‌ها برای بهینه‌سازی فرآیندهای تصفیه  و اجرای اقدامات کنترل منبع برای به حداقل رساندن تولید پساب بسیار آلوده نیز حائز اهمیت است. انتخاب مؤثرترین و مقرون به صرفه‌ترین فناوری‌های تصفیه بر اساس آلاینده‌های خاص موجود و کیفیت پساب مورد نظر برای تخلیه یا استفاده مجدد، از جمله در نظر گرفتن فناوری‌های پیشرفته مانند فیلتراسیون غشایی و AOPs ضروری است. اجرای سیستم‌های نظارت مداوم برای ردیابی پارامترهای کیفیت آب و بهینه‌سازی عملکرد تصفیه و استفاده از راهکارهایی برای به حداقل رساندن تولید لجن و دفع آن نیز از اهمیت بالایی برخوردار است. استفاده از تکنیک‌های ماشین‌کاری خشک یا بدون آب در صورت امکان می‌تواند به طور قابل توجهی مصرف آب و تولید پساب را در برخی از عملیات پالایشگاهی کاهش دهد. این امر مستلزم ارزیابی امکان‌سنجی فنی و اقتصادی فرآیندهای جایگزین است.

مزایای اقتصادی و زیست‌محیطی تصفیه آب مؤثر

تصفیه و استفاده مجدد از آب می‌تواند منجر به کاهش قابل توجهی در هزینه‌های خرید آب شود. فرآیندهای تصفیه بهینه می‌توانند مصرف مواد شیمیایی و انرژی مورد نیاز برای تصفیه آب و پساب را به حداقل برسانند. کاهش تخلیه از برج‌های خنک‌کننده از طریق تصفیه کارآمد می‌تواند در مصرف آب صرفه‌جویی کند. پساب تصفیه شده به درستی، تخلیه آلاینده‌ها به منابع طبیعی آب را به حداقل می‌رساند و از اکوسیستم‌های آبزی محافظت می‌کند. استفاده مجدد از آب به حفظ منابع آب شیرین، به ویژه در مناطقی که با کمبود آب مواجه هستند، کمک می‌کند. اجرای سیستم‌های تبدیل زباله به انرژی برای تصفیه جریان‌های پساب با بار آلی بالا می‌تواند با تولید بیوگاز مورد استفاده برای تأمین انرژی عملیات پالایشگاه، سود اقتصادی بیشتری را به همراه داشته باشد. این امر با اهداف پایداری اقتصادی و زیست‌محیطی همسو است.

مطالعات موردی پیاده‌سازی موفقیت‌آمیز تصفیه آب در پالایشگاه‌ها

پالایشگاه‌هایی وجود دارند که سیستم‌های تصفیه آب پیشرفته را پیاده‌سازی کرده و به بهبودهای قابل توجهی در عملکرد و پایداری دست یافته‌اند. به عنوان مثال، استفاده از عناصر اسمز معکوس FilmTec™ Fortilife™ CR100 برای بازیافت پساب در تولید فولاد نمونه‌ای از این موفقیت‌ها است.

نتیجه‌گیری: تضمین عملیات پایدار و کارآمد پالایشگاه از طریق تصفیه آب

تصفیه آب مؤثر برای پایداری و کارایی بلندمدت پالایشگاه‌های نفت از اهمیت بالایی برخوردار است. اجرای راهکارهای پیشرفته مدیریت آب مزایای کلیدی از جمله رعایت مقررات، کاهش هزینه‌ها و حفاظت از محیط زیست را به همراه دارد. توصیه نهایی برای متخصصان صنعت نفت و گاز، اتخاذ یک رویکرد جامع برای مدیریت آب است که شامل استفاده کارآمد، تصفیه پیشرفته و راهکارهای استفاده مجدد باشد.

جداول ارزشمند برای گزارش:

1. جدول: آلاینده‌های رایج در پساب پالایشگاه و منابع آن‌ها

2. جدول: مقایسه فناوری‌های تصفیه آب برای پالایشگاه‌های نفت

3. جدول: نمونه‌ای از محدودیت‌های تخلیه پساب برای پارامترهای کلیدی در پالایشگاه‌های نفت