Tách pha

Trong lĩnh vực hóa dầu, tách pha là các kỹ thuật được sử dụng để tách sản phẩm khai thác từ vỉa dầu thành các pha rắn, lỏng, khí khác nhau. Hỗn hợp khai thác từ vỉa dầu lên (gọi là sản phẩm khai thác) có thành phần chủ yếu là hợp chất hydrocarbon ở pha lỏng (gồm dầu và nước, hay còn gọi là pha dầu và pha nước), pha khí và một hàm lượng rất nhỏ chất rắn (cặn, pha rắn). Sản phẩm khai thác trước khi được vận chuyển tới nhà máy lọc dầu hay xuất khẩu thô, cần phải được tách từng pha riêng biệt đáp ứng yêu cầu của bên tiếp nhận. Quá trình tách pha được thực hiện trong một thiết bị chuyên dụng gọi là bình tách với các chi tiết đặc biệt giúp quá trình tách đạt được kết quả theo yêu cầu.

Khi có sự thay đổi về nhiệt độ và áp suất sẽ xảy ra quá trình bay hơi và ngưng tụ rất phức tạp (quá trình chuyển pha). Chính vì vậy mà tuỳ thuộc vào thành phần chất lưu và sản phẩm khai thác cần tách, chế độ áp suất và nhiệt độ mà người ta gọi tên các loại tách pha khác nhau: tách dầu ra khỏi khí, tách khí ra khỏi dầu, tách nước ra khỏi dầu, tách dầu ra khỏi nước...

Tách dầu ra khỏi khí

Pha khí sau khi được tách ra khỏi hỗn hợp sản phẩm khai thác thường vẫn còn một hàm lượng dầu nhất định dưới dạng các bụi dầu dạng sương mù hoặc các giọt dầu do hiệu suất tách thấp hoặc do dầu ngưng tụ sau quá trình giảm nhiệt độ. Việc tách dầu ra khỏi khí được thực hiện bằng các phương pháp khác nhau như: trọng lực, va đập, thay đổi hướng dòng chảy, thay đổi tốc độ, ly tâm, keo tụ và thấm.

Phương pháp trọng lực

Cơ chế này dựa vào sự chênh lệch về tỷ trọng giữa khí và dầu. Ở điều kiện tiêu chuẩn, dầu nặng hơn khí tự nhiên từ 400 đến 1600 lần. Tuy nhiên khi nhiệt độ và áp suất tăng thì sự chênh lệch đó giảm rất nhanh. Ngoài ra tốc độ cũng có vai trò rất quan trọng trong quá trình tách, nếu ta giới hạn tốc độ dòng khí thì có thể đảm bảo quá trình tách theo yêu cầu nhờ cơ chế phân ly trọng lực. Các hạt chất lỏng có đường kính từ 100 μm trở lên sẽ được tách cơ bản nhờ cơ chế phân ly trọng lực còn các hạt có kích thước nhỏ hơn thì phải sử dụng đến bộ chiết sương.

Phương pháp va đập

Khi dòng khí có chứa hỗn hợp lỏng va đập vào tấm chắn, chất lỏng sẽ được giữ lại trên bề mặt tấm chắn, chúng sẽ nhập lại với nhau thành các giọt lớn và lắng xuống nhờ trọng lực. Khi hàm lượng chất lỏng cao hoặc kích thước các hạt chất lỏng bé, lúc này để tách có hiệu quả cần phải tạo ra nhiều va đập nhờ vào sự bố trí các tấm chắn kế tiếp nhau theo từng góc nghiêng nhất định.

Phương pháp thay đổi hướng và tốc độ chuyển động

Đây là phương pháp dựa trên nguyên lý lực quán tính của chất lỏng lớn hơn chất khí. Khi dòng khí có mang theo các hạt chất lỏng gặp các chướng ngại vật sẽ thay đổi hướng chuyển động một cách đột ngột. Do có quán tính lớn, các hạt chất lỏng vẫn tiếp tục đi theo hướng cũ và sẽ va vào bề mặt vật cản và dính vào đó, chập lại thành những giọt lớn và lắng xuống nhờ trọng lực. Đối với chất khí, do có quán tính bé hơn nên sự thay đổi hướng là dễ dàng, bỏ lại các hạt chất lỏng để bay theo hướng mới. Ngoài ra việc thay đổi tốc độ dòng khí đột ngột cũng có thể tách được pha lỏng ra khỏi khí. Khi giảm tốc độ thì do lực quán tính, chất lỏng vượt lên trước tách khỏi khí và chập lại với nhau, ngược lại khi tăng tốc thì pha khí vượt lên trước bỏ lại pha lỏng .

Minh họa việc tách dầu ra khỏi khí bằng phương pháp va đập, thay đổi hướng, và thay đổi tốc độ chuyển động. (A): va đập, (B): thay đổi hướng, (C): thay đổi vận tốc.

Phương pháp ly tâm

Mô phỏng dòng khí đi vào bộ tách dầu ly tâm

Khi hỗn hợp khí chuyển động theo quỹ đạo vòng với tốc độ đủ lớn, lực ly tâm sẽ đẩy chất lỏng ra xa hơn, bám vào thành bình và chập lại với nhau thành các giọt lớn. Đây là một trong những phương pháp có hiệu quả để tách pha lỏng ra khỏi pha khí.

Hình bên minh họa việc tách dầu ra khỏi khí bằng phương pháp ly tâm, với đồ họa mô phỏng tốc độ dòng khí trong bộ tách dầu ly tâm. Khí có hơi dầu đi vào ở tốc độ cao, thể hiện bằng màu đỏ cam, cuộn xoáy trong bộ tách dầu. Dầu văng ra ở thân bộ tách và rơi xuống dưới ở tốc độ thấp, thể hiện bằng màu xanh thẫm. Dòng khí sạch đi ra bên trên, cũng ở tốc độ thấp với màu xanh thẫm.

Phương pháp đông tụ

Phương pháp đông tụ (còn được gọi là phương pháp keo tụ) sử dụng các đệm đông tụ là một phương tiện hiệu quả để tách lỏng ra khỏi khí. Trong đệm đông tụ được sử dụng tập hợp các cơ chế tách như: va đập, thay đổi hướng chuyển động, thay đổi tốc độ chuyển động và keo tụ.

Phương pháp thấm

Trong một số trường hợp phương pháp thấm cũng phát huy tác dụng tốt. Vật liệu xốp có tác dụng loại bỏ hoặc tách dầu ra khỏi dòng khí. Khí đi qua vật liệu xốp sẽ chịu va đập, thay đổi hướng và tốc độ chuyển động. Khi đó khí sẽ dễ dàng đi qua còn các hạt chất lỏng bị giữ lại.

Minh họa việc tách dầu ra khỏi khí bằng phương pháp thấm, đông tụ

Tách khí ra khỏi dầu

Việc tách khí ra khỏi dầu là một việc làm cần thiết để thu được dầu thương phẩm. Bên cạnh đó việc tách khí ra khỏi dầu còn thu được một lượng khí rất lớn để sử dụng vào nhiều mục đích khác nhau. Các phương pháp phổ biến để tách khí ra khỏi dầu bao gồm: phương pháp cơ học, phương pháp nhiệt và phương pháp hoá học.

Phương pháp cơ học

Thực hiện quá trình tách bằng cách tạo rung động, va đập, lắng và lực ly tâm:

• Các rung động điều hoà có kiểm soát tác động lên khối hỗn hợp cần tách sẽ làm giảm sức căng bề mặt và độ nhớt của dầu giúp cho việc tách khí dễ dàng hơn khi đó các bọt khí sẽ liên kết lại với nhau và thoát lên trên.
• Quá trình va đập: trên đường hỗn hợp dầu đi vào bình tách, nhờ các chi tiết tạo ra sự va đập trong bình sẽ tạo ra những va đập cần thiết để phân tán dầu cho khí thoát ra. Ngoài ra, các tấm chắn còn được bố trí trên đường lắng của dầu để trải dầu thành những lớp mỏng trên đường chảy xuống phần lắng làm tăng hiệu quả tách bọt khí.
• Quá trình lắng: quá trình này cần một khoảng thời gian đủ để khí tự do tách ra khỏi dầu. Việc kéo dài thời gian lưu trữ sẽ kéo theo sự gia tăng đường kính và chiều sâu lớp chất lỏng trong bình tách. Tuy nhiên, nếu chiều sâu lớp chất lỏng quá lớn lại gây cản trở quá trình giải thoát khí tự do.
• Dưới tác dụng của lực ly tâm thì dầu nặng hơn sẽ được giữ lại ở thành bình còn khí sẽ chiếm vị trí giữa bình.

Phương pháp nhiệt

Nhiệt độ đóng vai trò làm giảm sức căng bề mặt trên các bọt khí và giảm độ nhớt của dầu. Phương pháp hiệu quả nhất để làm nóng dầu thô là cho hỗn hợp đi qua nước nóng, khi đó dầu sẽ được phân tán thành từng pha làm tăng khả năng tiếp xúc của dầu với nước nóng rồi chảy qua nước đi lên, kết hợp với việc tạo rung động các bọt khí sẽ keo tụ và tách khỏi dầu. Đây là phương pháp tách hiệu quả nhất đối với các loại dầu bọt. Tuy nhiên, phương pháp này không áp dụng cho bình tách mà chỉ sử dụng ở các bể công nghệ.

Phương pháp hoá học

Phương pháp này có sử dụng một số hoá chất để thêm vào với mục đích làm giảm sức căng bề mặt, giảm xu hướng tạo bọt của dầu làm cho khí dễ dàng tách ra khỏi dầu hơn.

Tách nước ra khỏi dầu

Sau quá trình tách pha, dầu vẫn còn tồn tại một lượng nước nhất định dưới dạng nhũ tương (nước ở đây chủ yếu là nước vỉa có chứa các muối khoáng khác nhau như NaCl, MgCl2, CaCl2…). Hàm lượng nước trong dầu sẽ tạo điều kiện thuận lợi để hình thành các nhũ tương bền vững, gây trở ngại cho việc vận chuyển, chế biến dầu, làm tăng chi phí cho quá trình xử lý.

Vì vậy việc tách nước ra khỏi dầu để đảm bảo đạt tiêu chuẩn dầu thương phẩm chính là việc tách nước tồn tại dưới dạng nhũ tương nghịch (nước trong dầu) khỏi dầu. Có nhiều phương pháp khác nhau để phá huỷ nhũ tương nghịch như: phương pháp khử nhũ tương ngay trên đường ống, phương pháp kết lắng do trong lực, phương pháp tách nước ra khỏi dầu bằng nhiệt hoá, phương pháp dùng điện trường, phương pháp lọc rửa qua lớp lọc rắn háo nước, phương pháp ly tâm… Tuy nhiên, trong thực tế thường người ta kết hợp nhiều phương pháp để phá huỷ nhũ tương.

Khái niệm chung nhũ tương dầu - nước

Nhũ tương là một hệ phân tán gồm hai pha lỏng hoàn toàn không hoặc ít hoà tan lẫn nhau, một pha được phân tán vào pha kia với kích thước khoảng 0,1m. Khái niệm này có thể mở rộng cho sự phân tán của các bọt khí tự do phân tán đều trong chất lỏng. Phổ biến là một hỗn hợp cơ học phân tán nhỏ trong dầu và nước. Yếu tố chủ yếu để hình thành và tạo ra mức độ ổn định là tốc độ chuyển động của hỗn hợp dầu - nước, hàm lượng tương đối và tính chất hoá lý của các pha cũng như chế độ nhiệt.

Nhũ tương không tạo thành trong điều kiện vỉa vì có tốc độ chuyển động thấp mà chỉ hình thành ở vùng cận đáy giếng, trong ống nâng và trong các thiết bị trên mặt. Cường độ thành tạo nhũ tương phụ thuộc vào phương pháp khai thác.

Khi khai thác, trong dầu hoặc trong nước vỉa có chứa các tạp chất hòa tan thích hợp cho việc thành tạo và ổn định hệ thống nhũ ta gọi là chất tạo nhũ hay tác nhân nhũ hóa. Chẳng hạn trong dầu có chứa asphaltene, naften, hắc ín, parafin. Trong nước có chứa các loại muối và axít, có ảnh hưởng đến việc thành tạo và ổn định nhũ.

Ngoài ra trong dầu có thể có các thành phần khác như: axít naften, axít béo, ête, lưu huỳnh, nitơ. Phân tử của các hợp chất này có độ phân cực lớn, có khả năng hấp phụ lên mặt phân cách dầu nước.

Dầu thô có khuynh hướng tạo nhũ tương rất khác nhau. Một số loại dầu có thể tạo nên nhũ tương nghịch có độ ổn định đạt tới mức rất khó xử lý. Trong khi đó có loại dầu thô lại tạo thành nhũ tương phân tán tự do rất dễ bị phân tách, đặc biệt có loại không có khả năng tạo nhũ tương. Sự có mặt, hàm lượng và tính chất của các chất tạo nhũ sẽ quyết định có tạo thành nhũ hay không và độ ổn định của nhũ tương đạt mức độ nào. Nếu dầu thô và nước không chứa các chất tạo nhũ thì chúng chỉ có thể tạo nên sự phân tán trong nhau khi có xáo trộn mạnh. Khi ngừng xáo trộn hoặc cường độ xáo trộn không đủ lớn, các hạt nước phân tán dễ dàng chập dính lại do không có sự cản trở của lớp vỏ nhũ bền vững và lắng xuống do chênh lệch trọng lượng.

Các chất tạo nhũ là hỗn hợp các hoạt chất bề mặt, chúng tập chung ở lớp phân cách dầu-nước với hàm lượng cao hơn so với trong thể tích giọt, làm giảm sức căng bề mặt của giọt, kết hợp với cường độ xáo trộn do dòng chảy tạo ra hoặc do khuấy trộn cơ học, tạo nên hiện tượng đập vỡ các hạt nước phân tán, hình thành các giọt nước có kích thước nhỏ hơn dẫn đến độ ổn định của nhũ tương tăng. Hiện tượng làm giảm sức căng trên bề mặt tiếp xúc là do lực hút của các phân tử hoạt chất hòa tan với phân tử dung dịch (các giọt nước hoặc giọt dầu) bé hơn lực hút tương hỗ của các phân tử dung dịch. Do đó, các phân tử hòa tan của chất hoạt tính bị đẩy khỏi thể tích dung dịch lên mặt phân cách, tạo ra hiện tượng hấp phụ, làm giảm năng lượng tự do bề mặt, giảm sức căng bề mặt.

Đa số các hoạt chất tạo nhũ ở dạng hợp chất, phân tử của một số hoạt chất trong số này có tính lưỡng cực, tức cấu tạo phân tử gồm hai phần là nhóm phân cực và gốc hydrocarbon không phân cực. Nhóm phân cực có mô men lưỡng cực lớn tương tự như nước, còn gốc hydrocarbon ưa dầu lại tương tự như chất lỏng hydrocarbon. Tác dụng tạo nhũ của chúng càng cao nếu như hai phần của phân tử càng cân bằng đối với hai pha của nhũ, nghĩa là các phân tử của một chất tạo nhũ mạnh phải có ái lực với cả hai pha phân cực và không phân cực. Khi đó các phân tử của hoạt chất tạo nhũ không thể ưu tiên hòa tan vào một pha nào, mà nó chiếm vị trí trung gian trên mặt phân cách. Nếu phần phân cực trong hoạt chất tạo nhũ chiếm ưu thế, nó sẽ dễ dàng hòa tan trong nước, tạo thành lớp vỏ bọc phía ngoài các giọt dầu đối với nhũ tương thuận dầu trong nước, chủ yếu làm tăng độ bền của nhũ thuận. Ngược lại, nếu phần không phân cực trong hoạt chất tạo nhũ chiếm ưu thế, nó sẽ dễ tan trong dầu và chủ yếu làm tăng độ bền của nhũ nghịch.

Có rất nhiều lý thuyết nói về các hợp chất được coi là các chất tạo nhũ tự nhiên có trong dầu thô. Trong đó phải kể đến thành phần hạt parafin kết tinh, các axít naften và vật chất asphaltene, một số tạp chất cơ học và hóa học khác.

Phân loại nhũ tương dầu - nước

- Theo kiểu nhũ và mức độ phân tán:

Khi phân loại theo tiêu chí này thì trong nhũ tương dầu thường có hai pha: pha phân tán và môi trường phân tán. Môi trường phân tán là chất lỏng trong đó chứa các giọt nhỏ của chất lỏng khác (pha ngoài, pha liên lục), còn pha phân tán là chất lỏng được phân bố thành giọt trong môi trường phân tán (pha trong, pha gián đoạn).

- Theo tính chất phân cực của các pha:

Nhũ tương nghịch (loại 2) và nhũ tương thuận (loại 1):

+ Nhũ tương thuận là dầu không phân cực, phân tán trong môi trường nước phân cực. Nước là môi trường ngoài, dầu là pha phân tán với tỷ lệ bất kỳ nào đó, có tính dẫn điện cao. Kiểu nhũ phụ thuộc vào tương quan thể tích dầu nước, môi trường phân tán là nước luôn có xu hướng chiếm thể tích lớn hơn.

+ Nhũ tương nghịch chỉ hệ thống chất phân cực là nước phân tán trong môi trường dầu không phân cực.

- Theo hàm lượng của pha phân tán:

Nhũ loãng, nhũ đậm đặc và rất đậm đặc tương ứng với hàm lượng thể tích đến 0,2%, đến 74% và lớn hơn 74%

Các tính chất cơ bản của nhũ tương dầu - nước

Các tính chất cơ bản của nhũ bao gồm: tính phân tán, độ nhớt, mật độ, tính ổn định và tính điện:

Độ phân tán của nhũ

Độ phân tán của nhũ là độ phân nhỏ của pha phân tán trong môi trường phân tán. Độ phân tán phụ thuộc vào tốc độ, sức căng bề mặt giữa các pha, tần số và biên độ va đập. Độ phân tán thường được xác định qua phương pháp lắng.

Độ nhớt

Độ nhớt của nhũ phụ thuộc vào độ nhớt của dầu và độ nhớt của nước, phụ thuộc vào nhiệt độ tạo nhũ, hàm lượng nước, mức độ phân tán… Độ nhớt của nhũ không tuân theo quy luật Newton và nó sẽ thay đổi theo gradien vận tốc. Sự gia tăng hàm lượng nước trong nhũ sẽ làm tăng độ nhớt biểu kiến đến một giá trị lớn nhất (tương ứng là hàm lượng nước tiêu chuẩn) nếu vượt quá trị số này độ nhớt biểu kiến sẽ giảm.

Khi đó sẽ xảy ra sự thay đổi vai trò của các pha. Pha phân tán (nước) trở thành môi trường phân tán và môi trường phân tán (dầu) sẽ trở thành pha phân tán. Nghĩa là xảy ra sự chuyển đổi từ kiểu nhũ nghịch (nước trong dầu) sang nhũ thuận (dầu trong nước). Ngoài sự gia tăng hàm lượng nước, sự chuyển đổi cũng xảy ra khi ta cho vào nhũ các hoạt chất bề mặt (PAV).

Mật độ nhũ

Mật độ nhũ phụ thuộc vào mật độ dầu, mật độ nước và hàm lượng thể tích các pha.

trong đó:

- Q0, QW là lưu lượng dầu và nước;

- 0, W là mật độ của dầu và nước;

-  là phần thể tích của môi trường phân tán.

Tính chất điện của nhũ

Dầu và nước ở dạng tinh khiết là các chất điện môi tốt, độ dẫn của dầu trong khoảng từ 10-10-10-15 và của nước từ 10-7-10-8 (.cm)-1. Tuy nhiên khi có thêm một hàm lượng nhỏ muối hoà tan hoặc axit thì độ dẫn điện sẽ tăng lên. Khi đặt nhũ tương trong một điện trường thì các giọt nước sắp xếp dọc theo đường sức vì các giọt nước có độ thấm điện cao hơn dầu tới 40 lần. Nhờ tính chất điện của nhũ có thể sử dụng để tách nước ra khỏi dầu.

Độ ổn định của nhũ

Là tính chất quan trọng nhất của nhũ dầu, thể hiện khả năng bảo toàn trạng thái theo thời gian không bị phân ly dầu – nước hoặc không bị phá huỷ.

Độ ổn định có thể tính theo công thức đơn giản  = H/V.

Trong đó: H là chiều cao cột nhũ (cm); V là tốc độ phân lớp của nhũ (cm/s).

Độ ổn định của nhũ phụ thuộc vào độ phân tán, tính chất lý hoá của chất tạo nhũ, nhiệt độ, độ pH của nước, các hạt tích điện…

Sự hình thành lớp điện tích kép quanh hạt nhũ

Các phương pháp tách nước ra khỏi dầu

Khử nhũ bằng phương pháp nhiệt

Đây là phương pháp được sử dụng rộng rãi nhờ tính hiệu quả của nó, đặc biệt đối với nhũ tương nghịch mà lớp vỏ của giọt phân tán bền vững, độ nhớt của môi trường phân tán cao, môi trường phân tán là dầu nặng, dầu nhiều parafin và vật chất asphaltene. Tuy nhiên, phương pháp này đòi hỏi trang thiết bị phức tạp, cồng kềnh như nồi hơi, hệ thống ống dẫn và ống gia nhiệt, hệ thống trưng cất nước cấp cho nồi hơi v.v., nếu như không thể tận dụng nguồn nhiệt của bản thân các giếng có nhiệt độ cao.

Bản chất của phương pháp nhiệt và ảnh hưởng của nhiệt độ đến hiệu quả khử nhũ như sau:

- Nhiệt làm giảm độ nhớt của dầu, do đó làm giảm sức cản đối với chuyển động tương đối giữa các giọt, giảm thiểu sự cản trở đến tốc độ lắng của các giọt. Mặt khác, nhiệt lại làm tăng chuyển động đối lưu do chênh lệch nhiệt độ giữa các vùng dẫn đến khả năng va chạm giữa các giọt nước phân tán tăng.

- Nhiệt làm tăng chuyển động phân tử của các giọt, tạo các xung trong nội hạt và lớp vỏ, làm cho lớp vỏ yếu đi trong khi tần số va chạm tăng lên.Do đó sự chập dính giữa các giọt phân tán diễn ra thuận lợi hơn.

- Nhiệt làm giảm tác dụng của chất nhũ hóa như: phân hủy thành phần parafin kết tinh, làm nóng chảy thành phần nhựa-asphaltene, từ đó làm tăng khả năng khuếch tán của chất khử nhũ vào cấu trúc của nhũ tương. Lúc này, nhiệt đóng vai trò như chất xúc tác giúp cho chất khử nhũ hoạt động hiệu quả hơn.

- Nhiệt làm tăng độ chênh lệch về tỷ trọng giữa dầu và nước, có lợi cho quá trình lắng của các giọt nước.

Khử nhũ bằng hoá chất

Trong thực tế gặp phải một số loại nhũ có độ ổn định rất cao, lớp vỏ bao bọc giọt phân tán đạt độ bền khó phá hủy bằng các phương pháp nhiệt, lắng, lọc rửa. Để giải quyết vấn đề này người ta đưa ra phương pháp khử nhũ bằng các hóa chất.

Nội dung của phương pháp này là đưa chất khử nhũ vào đường ống trước trạm xử lý để tăng năng suất và chất lượng làm việc của trạm, tăng khả năng vận chuyển của hệ thống thu gom. Khi chảy trong đường ống, chất khử nhũ có điều kiện và thời gian hoà trộn với hỗn hợp sản phẩm cần xử lý, nó sẽ phá vỡ lớp bảo vệ và tách nhũ thành hai pha dầu, nước.

Bản chất của phương pháp là đưa vào hệ thống nhũ một lượng hợp chất có tính hoạt động bề mặt gọi là chất khử nhũ. Hợp chất này sẽ trung hòa các chất tạo nhũ tự nhiên và đẩy chúng ra khỏi lớp hấp thụ, không có khả năng ổn định trở lại để tạo thành một kiểu nhũ khác.

Quá trình khử nhũ bằng hoá phẩm được chia ra làm ba giai đoạn chính:

- Giai đoạn 1: Phân tán chất khử nhũ đều trong môi trường phân tán;

- Giai đoạn 2: Xâm nhập chất phá nhũ vào lớp bảo vệ của hạt nhũ và phá huỷ chúng;

- Giai đoạn 3: Chập dính, keo tụ các giọt nước lại với nhau và lắng xuống nhờ trọng lực.

Chất phá nhũ có thể hoà tan trong nước hoặc trong dầu và thường dùng ở dạng dung dịch loãng. Khi dùng chất phá nhũ hoà tan trong dầu thì các phần tử chất phá nhũ sẽ phân bố đều trong thể tích của dầu nhờ vào hiện tượng khuếch tán, đối lưu vì vậy không cần đến sự xáo trộn mạnh. Ngược lại, nếu dùng hoá chất phá nhũ hoà tan trong nước thì để chất phá nhũ có thể phân tán mịn trong dầu, đòi hỏi phải có sự xáo trộn mạnh.

Quá trình phá huỷ nhũ thực sự bắt đầu khi có một lượng hoá chất nhỏ chạm đến vỏ của lớp bảo vệ nhũ và phá huỷ chúng để các giọt nước chập dính lại với nhau và lắng xuống. Quá trình phá huỷ nhũ trên đường ống phụ thuộc vào cường độ hoà trộn dung dịch phá nhũ với môi trường phân tán, phụ thuộc vào sự kết dính của chất phá nhũ với lớp bảo vệ của pha phân tán.

Hiệu quả của quá trình khử nhũ tương nghịch phụ thuộc vào các yếu tố:

- Hoạt tính bề mặt của chất khử nhũ;

- Cường độ và thời gian hoà trộn chất khử nhũ với nhũ;

- Số lượng và mức độ phân tán của nước;

- Nhiệt độ của nhũ và tốc độ suy giảm nhiệt theo đường ống;

- Tính chất lý hoá của dầu – nước, đặc biệt là độ nhớt của môi trường phân tán (độ nhớt của dầu).

Tuy nhiên, hai yếu tố quan trọng quyết định đến hiệu quả của quá trình khử nhũ là: cường độ hoà trộn và điều kiện nhiệt trên đường ống.

+ Cường độ hoà trộn của chất khử nhũ với nhũ tương: cường độ này phụ thuộc vào tốc độ chuyển động, tức là phụ thuộc vào hệ số Raynol (Re). Tuy nhiên việc tăng cường độ không phải bao giờ cũng làm tăng hiệu quả. Để đạt được kết quả tốt nhất, chúng ta phải xác định được tốc độ chuyển động hợp lý của các pha tạo nhũ và chất khử nhũ…

+ Nhiệt độ nhũ và mức độ suy giảm nhiệt: yếu tố này ảnh hưởng lớn đến việc thành tạo cũng như mức độ ổn định của nhũ. Nếu ta giữ giá trị nhiệt độ như ở miệng giếng hoặc tăng thêm nhiệt độ để vận chuyển thì độ bền cấu trúc cơ học của lớp vỏ bọc pha phân tán sẽ giảm. Nhũ bị phá nhanh hơn với hàm lượng chất khử nhũ thấp.

Khử nhũ bằng kết lắng nhờ trọng lực

Hiệu quả của quá trình kết lắng hoàn toàn phụ thuộc vào hiệu ứng thủy động lực tạo ra bởi lực trọng trường, tốc độ chuyển động của dòng nhũ và chênh lệch mật độ giữa các pha trong hệ nhũ.

Quá trình lắng xảy ra do sự chênh lệch về mật độ của nước vỉa (1010-1200kG/m3) và dầu (970-950kG/m3). Sau quá trình khử nhũ tương trong đường ống, quá trình phân lớp sẽ xảy ra trong khoảng thời gian từ 2 ữ 3 giờ ngay trong các bình lắng mà không cần phải nung nóng. Nhũ tương phải được bơm vào bình lắng đều khắp bề mặt bằng cách bơm qua một ống phân dòng nhiều lỗ. ống phân dòng nhiều lỗ được lắp đặt dưới mực nước trong bình, nhờ vậy mà tăng cường bề mặt tiếp xúc của nhũ tương với nước và tăng cường quá trình phân lớp của nhũ tương.

1. Đường vào của nhũ đã được phá huỷ; 2. Ống gom phân phối; 3. ống đục lỗ; 4. Đệm nước;

5. Ống xả nước; 6. Phao; 7. Cơ cấu chỉnh mức; 8. Lớp nhũ khó phá huỷ; 9. Lưới keo tụ;

10. ống gom dầu; 11. Đường dầu ra; 12. Máng chặn; 13. Vùng dầu sạch; 14. Van an toàn.

Sơ đồ nguyên lý của một bể kết lắng điển hình

Bồn khử nhũ được thiết kế rất đa dạng. Theo hình dạng bên ngoài có loại trụ đứng và trụ nằm, trong đó lại có kiểu kín và kiểu hở. Theo sự trang bị bên trong có loại một ngăn và loại hai ngăn, trong đó lại có loại được trang bị bộ gia nhiệt, bộ xung điện và có loại không, điều này phụ thuộc vào đặc tính của dầu thô ở từng mỏ. Hiện nay mô hình bồn khử nhũ như hình 2.8 được sử dụng khá phổ biến nhờ những ưu điểm của nó như:

- Khoảng cách giữa đầu vào và đầu ra đủ lớn để điều chỉnh chế độ dòng chảy phù hợp với tốc độ lắng.

- Nhũ tương được lọc qua đệm nước hai lần, tăng hiệu quả khử nhũ.

- Có thể lắp đặt một hoặc nhiều tấm lưới phá nhũ dọc theo trục bồn để tăng hiệu quả khử nhũ, đặc biệt đối với nhũ tương có độ ổn định cao.

Nhũ được phá huỷ trên đường ống nhưng chưa phân tách còn ở dạng hỗn hợp vào bình theo ống (1), qua ống phân nhánh (3) có các lỗ đục để thoát theo các dòng được phân bố đều theo tiết diện của bể. Các lỗ đục được bố trí ở mặt dưới của ống, khi dòng nhũ thoát sẽ va đập vào máng chặn (12) phía dưới và đổi hướng chuyển động đi lên. Nhũ được dâng lên qua đệm nước (4) – rửa dầu bằng nước. Khi đó phần lớn nước được giữ lại và tiêu dần theo ống gom nước (5). Mực nước trong bể được kiểm soát bởi van phao (6) và cơ cấu chỉnh mức (7).

Sau quá trình rửa vẫn còn một lượng nước chưa tách hoàn toàn, cho nên trên mặt phân cách dầu – nước sẽ hình thành một lớp nhũ (8) có bề dày tăng dần rất khó phá huỷ, ngay cả khi có tác dụng của chất phá nhũ. Để ngăn ngừa sự thành tạo của lớp nhũ này, người ta tiến hành phá huỷ chúng bằng cách lắp thêm một lưới keo tụ có thể điều chỉnh được độ cao, tức là có thể chuyển động lên xuống để phá huỷ lớp bảo vệ của các giọt nước, kết dính chúng lại và lắng xuống. Dầu tích luỹ ở phần trên của bể được thu về ống gom (10) và thoát ra theo đường (11) về bể chứa.

Khử nhũ bằng điện trường

Để khử nhũ tương có độ hạt cao thì đây là phương pháp có ưu điểm vượt trội so với các phương pháp khác. Nó có thể khử được loại nhũ có độ hạt rất cao mà các phương pháp khác không thể khử được. Tuy nhiên, phương pháp này cũng có hạn chế cơ bản là không thể áp dụng để khử nhũ có hàm lượng nước và muối cao do nguy cơ chập mạch các bản cực. Rất khó áp dụng cho nhũ ở trạng thái tĩnh, vì khi đó các bản cực phải có khả năng di động. Điều này là không khả thi vì không bảo đảm an toàn về điện.

Thông thường người ta chọn giai đoạn sau lọc rửa và kết lắng để tiến hành khử nhũ bằng điện trường vì lý do sau:

- Hàm lượng nước và muối trong nhũ thấp, bảo đảm an toàn cho hệ thống bản cực làm việc ở điện áp cao.

- Hàm lượng nước trong dầu còn cao, chưa đạt tiêu chuẩn thương mại, chúng tồn tại dưới dạng các hạt vô cùng nhỏ, không thể khử bằng các phương pháp khác.

- Lợi dụng sự chuyển động của nhũ trong thiết bị khử theo chiều từ dưới lên để đặt cố định các bản cực, bảo đảm độ cứng vững và an toàn.

Bản chất của phương pháp là sử dụng lực điện trường tác động vào các giọt nước phân tán tạo ra sự phân cực. Đồng thời, sự đổi chiều liên tục của điện trường sẽ tạo lên xáo trộn làm cho các hạt va chạm vào nhau, các thành phần trái dấu thì hút nhau tạo sự chập dính.

Kết quả thí nghiệm đối với dòng điện một chiều và xoay chiều cho thấy, dòng điện xoay chiều có tác dụng tốt hơn trong việc tạo ra xáo trộn cần thiết. Bản chất của hiện tượng được minh họa bằng hình 3.4.

Hình 6: Sự phân cực của các hạt nước trong điện trường

Trên hình 5, khi đặt hai điện cực vào nhũ tương nghịch thì các đường sức này sẽ thay đổi, chúng lệch về phía các giọt nước. Hiện tượng cảm ứng điện trường sẽ làm cho các giọt nước phân cực và bị kéo dài dọc theo đường sức, điện tích tại đỉnh các giọt trái dấu với điện tích ở điện cực (3). Hiện tượng các giọt bị kéo dài ra sẽ làm cho lớp vỏ của chúng bị dát mỏng và yếu đi, giúp cho sự liên kết giữa chúng dễ dàng hơn (4). Nếu sử dụng dòng điện một chiều, sự phân cực ở các giọt là không thay đổi, do đó chúng chuyển động theo một trật tự xác định, dẫn đến khả năng va chạm là không đáng kể. Nếu thay bằng dòng điện xoay chiều, sự phân cực sẽ thay đổi liên tục theo chu kỳ của dòng điện. Dưới tác dụng của điện trường chính và phụ, giọt nước không ngừng chuyển động xoay quanh vị trí của nó và bị bóp méo thay đổi hình dạng liên tục, làm cho khoảng cách giữa chúng thu hẹp lại, mức độ va chạm giữa chúng tăng lên. Khi cường độ va chạm thích hợp thì sự liên kết giữa các giọt sẽ diễn ra.

Trên thực tế thường sử dụng điện áp xoay chiều điều chỉnh được từ 12000V đến 22000V tùy theo hàm lượng nước trong dầu. Tuy nhiên, để tránh sự ngắn mạch cho các điện cực nên khống chế hàm lượng nước nhỏ hơn 10%. Đây cũng chính là lý do người ta thường sử dụng phương pháp này sau giai đoạn kết lắng.

Điện cực được chế tạo dạng khung thép hình chữ nhật và được bố trí nằm ngang song song với bề mặt lớp nước đệm tạo thành cặp điện cực trái dấu mà nước đệm đóng vai trò là một cực. Cần lưu ý là diện tích điện cực phải choán hết tiết diện ngang của bồn, nơi đặt nó, để toàn bộ nhũ tương đều chịu tác động của điện trường. Có thể đặt từ hai đến ba điện cực để tạo lên một vùng điện trường kép, tăng hiệu quả tác động.

1, 2. Điện cực; 3. Bộ phận cách điện; 4. Đường ra của dầu đã tách nước và muối khoáng;

5. Phần chứa dầu sạch; 6. Phần chứa nhũ tương; 7. Phần chứa nước;

8. Đường thải nước; 9. Đường dẫn nhũ tương vào thiết bị

Sơ đồ tách nước ra khỏi dầu bằng phương pháp điện trường (VIEC)

Trên cơ sở phương pháp điện trường, người ta đã phát triển một thiết bị VIEC (Vessel Internal Electrostatic Coalescer). VIEC được trang bị một lưới điện cực cao áp, được bố trí bên trong bình tách và tạo ra một điện trường xoay chiều.

Quá trình xử lý được tiến hành như sau: Hỗn hợp nhũ đi qua (9) xuống phía dưới, đảm bảo nhũ được phân bố đều theo mặt cắt ngang của thiết bị. Nhũ tương chuyển động chậm từ dưới lên trên qua ba vùng:

- Vùng nước lắng đọng (7), được duy trì tự động ở mức cao hơn ống (9) từ 20-30cm;

- Vùng điện trường yếu giữa mực nước và điện cực (1);

- Vùng điện trường mạnh giữa hai điện cực (1) và (2).

Nguyên lý phá nhũ là do sự va chạm giữa các giọt nước dưới tác dụng của điện trường làm kết tụ chúng lại. Cụ thể, dưới tác dụng của điện trường xoay chiều gây ra các hiệu ứng sau:

- Các giọt nước bị phân cực và bị hút về dọc theo các đường sức, đồng thời tạo ra các điện tích trái dấu ở trên chóp các giọt nước;

- Các giọt luôn ở trạng thái dao động và biến dạng làm cho lớp vỏ bọc của chúng dễ bị phá huỷ và các giọt nước này dễ dàng va chạm và kết dính lại thành giọt lớn và lắng xuống khoang (7).

Dầu thương phẩm (đã được xử lý nhũ tương) đi lên trên và qua hệ thống ống gom dầu 4 đến bể chứa.

Khử nhũ bằng lực ly tâm

Đây là phương pháp cho chất lượng sản phẩm sau xử lý rất cao, phù hợp với tất cả các loại nhũ. Tuy nhiên ít được áp dụng để khử nhũ tương nghịch trong công nghiệp do thiết bị tương đối phức tạp, năng suất xử lý không cao. Hiện nay phương pháp này được sử dụng nhiều hơn để xử lý nước thải từ quá trình khử nhũ tương nghịch, nhưng không sử dụng kiểu truyền thống là động cơ và mâm quay mà sử dụng bơm ly tâm và thiết bị tạo ra dòng chảy xoáy.

Về bản chất, phương pháp này dựa trên nguyên tắc: trong cùng một trường lực ly tâm, cùng một thể vật chất (rắn, lỏng, khí), vật chất nào có khối lượng riêng lớn hơn sẽ chịu một lực ly tâm lớn hơn và văng ra xa hơn. Đây chính là nguyên nhân tạo ra sự phân ly các pha trong phương pháp khử nhũ bằng lực ly tâm.

Trong thực tế, một hạt nước khi chịu tác động của lực ly tâm đẩy ra xa thì cũng đồng thời chịu tác động của một lực cản theo chiều ngược lại.

Tài liệu tham khảo

• Petroleum engineering handbook.
• Ken Arnold, Maurice Stewart; Surface Production Operations; Vol. 1: Design of Oil-Handling Systems and Facilities; ISBN 0-88415-821-7, Gulf Publishing, 1999.