Nghiên cứu thiết bị tách pha, tính toán các thông số cơ bản cho bình tách

: V= Trong bình tách đứng: V= Vl – Vg Độ lớn của Vl phụ thuộc vào kích thước hạt chất lỏng, của Vg phụ thuộc vào tốc độ khí. Vì vậy để quá trình tách có hiệu quả thì Vl > Vg. Bảng (3.1) So sánh sự thuận lợi và không thuận lợi của các loại bình tách Số TT Các chỉ số so sánh Thiết bị tách hình trụ ngang (1) Thiết bị tách hình trụ dứng (2) Thiết bị tách Hình cầu (3) 1 Hiệu quả của bình tách 1 2 3 2 Sự ổn định của lưu chất tách 1 2 3 3 Khả năng thích ứng với các điều kiện thay đổi 1 2 3 4 Sự linh hoạt trong vận hành 2 1 3 5 Dung tích (cùng đường kính) 1 2 3 6 Giá thành của một đơn vị dung tích 1 2 3 7 Khả năng kiểm soát vật lạ 3 1 2 8 Khả năng kiểm soát bọt dầu 1 2 3 9 Khả năng linh hoạt trong sử dụng 1 3 2 10 Khoảng không gian lắp đặt Phương đứng 1 3 2 Phương ngang 3 1 2 11 Tiện lợi cho việc lắp đặt 2 3 1 12 Dễ dàng trong việc kiểm tra bảo dưỡng 1 3 2 Trong đó 1, 2, 3 lần lượt là các điều kiện: thuận lợi, trung bình và kém Từ sự so sánh trên cho ta thấy bình tách hình trụ ngang được sử dụng phổ biến hơn cả. Vì vậy những tính toán ở phần sau ta đi tính toán cho bình tách ngang. 3.5. Cấu tạo thiết bị tách. 3.5.1. Cấu tạo chung. Tất cả những bình tách đã nêu ở trên, mặc dù có hình dáng, chức năng, điều kiện làm việc… Khác nhau, nhưng nhìn chung về nguyên lý cấu tạo của chúng là giống nhau. Một thiết bị tách thông thường gồm 5 phần chính: 1. Ngăn tách chính: dùng để tách một khối lượng lớn dầu khỏi khí. 2. Ngăn làm sạch khí: tách tiếp các phần còn lại như bọt khí bằng thiết bị khử mù. 3. Ngăn thu dầu. 4. Ngăn chắn nước. 5. Một số bộ phận điều khiển áp suất thích hợp trong bình tách và thiết bị điều khiển mực chất lỏng trong bình. 3.5.2. Các chi tiết bên trong bình tách. Việc lựa trọn hợp lý các yếu tố bên trong sẽ làm tăng đáng kể năng suất cũng như hiệu quả bình tách, hiểu rõ được các yếu tố bên trong rất có lợi trong việc giảm lượng chất lỏng bị cuốn theo trong quá trình thiết kế. Sau đây là một số chi tiết cơ bản bên trong bình tách đang được sử dụng phổ biến. a. Tấm đổi hướng và thiết bị tạo ly tâm cửa vào. Những thiết bị này thường được lắp đặt ngay ở lối vào của bình tách, với nhiệm vụ tách sơ bộ một lượng lớn chất lỏng khỏi khí và làm cho hỗn hợp bắt đầu phân lớp, khí chuyển động lên trên còn pha lỏng đi xuống khoang thoát bên dưới. Hình III.9 minh hoạ đơn giản thiết bị này. Hình III.9. Bình tách hình trụ ngang b. Thiết bị khử mù. Có 2 loại thiết bị khử mù chính: loại dùng va đập và loại dùng lực ly tâm. Thiết bị va đập: Được ứng dụng phổ biến là 2 kiểu: kiểu tấm cánh và kiểu lưới dầy. Kiểu tấm cánh bao gồm một mạng lưới phức tạp, được tạo nên bởi những thanh kim loại đặt song song với những khoang thu chất lỏng, khí trong khi đi qua các máng bị khuấy trộn liên tục và bị đổi hướng nhiều lần làm cho những hạt chất lỏng nặng hơn sẽ bị bắn ra ngoài và được giữ lại trong khoang thu chất lỏng. Hình III.10 mô tả thiết bị khử mù kiểu tấm cánh, thiết bị này tận dụng được các lực va đập, thay đổi hướng dòng chảy, thay đổi vận tốc dòng chảy và hấp tụ để tách các hạt sương lỏng khỏi khí. Chúng được ứng dụng rộng rãi bởi hiệu quả tách cao, không bị kẹt hay cáu bẩn bởi các vật lạ và parafin, giá thành thấp. Hình III.10. Bộ phận khử mù Hình III.11. Thiết bị khử mù Tấm cánh lưới dầy Kiểu lưới dầy hình III.11, là một lưới dầy đan chặt vào một tấm đệm có vô số khe hở không thẳng hàng. Cơ chế chủ yếu của nó là va đập và làm đổi hướng của khí nhiều lần, bề mặt của kim loại lưới dầy phải không ướt để cho các giọt chất lỏng ngưng tụ chảy xuống các mắt. Tại những điểm này chất lỏng kết tụ lại, khi đủ lớn thắng được sức căng bề mặt thì chúng rơi xuống bằng trọng lực. Hầu hết lưới dầy được sử dụng có thể tích khoảng trống từ 97 – 98%, diện tích bề mặt khoảng 328 – 410 m2/m3, độ dày hiệu quả thường 4 – 6 inch và mật độ xấp xỉ khoảng 192 kg/m3. Vật liệu lưới dầy được chế tạo từ thép cacbon hoặc thép không gỉ, đường kính dây là 0,28 mm. Kiểu dùng lực ly tâm: Nó làm việc như một thiết bị ly tâm đặt ở đầu vào, đối với kiểu thiết bị này vận tốc khí là yếu tố quan trọng để tách các hạt chất lỏng nhỏ. Vì thế những cyclon phải tạo được vận tốc cần thiết đối với khí ngoài ra nó còn được trang bị một bộ phận tập chung và vận chuyển những phần tử được tích tụ, tránh sự lôi cuốn trở lại. Hình III.12 là những kiểu điển hình của thiết bị khử khí mù bằng lực ly tâm. Hình III.12. Các thiết bị khử khí mù bằng lực ly tâm c. Đĩa kết tụ. Là một chi tiết được lắp trong hình III.1, khi sản phẩm đi vào chúng sẽ va đập vào thiết bị ly tâm đặt ở cửa vào. Do tác dụng của lực ly tâm, các hạt chất lỏng bị văng ra rồi bám vào thành của đĩa kết tụ sau đó rơi xuống, còn phần khí xẽ đi lên vào đĩ kết tụ. Ở đây chúng tiếp tục được tách các giọt lỏng, khí sau khi thoát khỏi đĩa kết tụ sẽ đi vào bộ phận khử khí mù, tại bộ phận này những phần tử nhỏ hơn tiếp tục bị loại bỏ. d. Cánh quạt thẳng đứng (đệm khử sương). Thiết bị này được sử dụng trong bình tách khi sản phẩm nhiều parafin cản trở công dụng của tấm chắn dạng lưới. e. Bộ lọc bụi. Được dùng trong các thiết bị làm sạch khí, nó dùng một tấm đệm gần giống như bộ lọc lưới dầy. Bụi sẽ được giữ trên bề mặt đệm, còn chất lỏng được tích tụ làm đường kính phần tử lớn hơn và sau đó được loại bỏ bằng bộ khử mù. Vật liệu chính làm bộ lọc bụi là các sợi thuỷ tinh. f. Tấm chặn. Là tấm chặn thẳng đứng dùng trong bồn chất lỏng. Nó có tác dụng chặn, chất lỏng nhẹ hơn sẽ tràn qua bên kia còn bùn và chất rắn bị giữ lại. g. Tấm cản thẳng đứng. Nó được dùng trong bình tách có tác dụng làm đổi hướng dòng chảy, nó thường được đặt gần mực chất lỏng trong bình. h. Buồng lắng. Thường được lắp đặt ở các vòi phun đầu ra của chất lỏng nhằm chống lại dòng xoáy và ngăn cản khí đi ra ngoài cùng với chất lỏng, một số kiểu bộ phận này được minh hoạ trong hình III.13. i. Bảo vệ phao. Thiết bị này sử dụng khi phao làm việc ở bên trong để điều chỉnh mức chất lỏng, nó giữ cho phao không bị lắc khi chất lỏng chuyển động. Hình III.14 là hộp bảo vệ phao trong bình tách đứng. Hình III.13. Một số thiết bị chống xoáy ở đường dầu ra Hình III.14. Hộp bảo vệ phao trong bình tách đứng 3.6. Nguyên lý hoạt động của bình tách và hệ thống điều khiển kiểm soát hoạt động của bình tách. 3.6.1. Nguyên lý hoạt động của bình tách. Các bình tách nói chung đều có nguyên lý hoạt động tương tự nhau đó là: Dòng sản phẩm đi vào trong bình theo lối cửa vào, ở ngay đầu vào có lắp thiết bị làm lệch (tấm chặn hoặc thiết bị ly tâm). Nó có tác dụng tách sơ bộ và tạo phân lớp giữa các pha. Hỗn hợp sau đó đi vào phần tách chính của bình tách, ở đây có các chi tiết được lắp đặt để làm giảm bớt sự hỗn loạn, dòng xoáy… giúp cho quá trình tách thuận lợi hơn. Chất lỏng có tỷ trọng lớn hơn sẽ lắng xuống dưới, trong quá trình lắng đó việc tách vẫn được tiếp tục đối với những bọt khí. Trong buồng chứa chất lỏng xảy ra quá trình khử nhũ tương nhằm thu được sản phẩm đạt giá trị thương mại ở cửa ra. Từ phần tách chính, khí tách ra sẽ đi lên bên trên và đi vào các thiết bị làm sạch khí, tại đây những giọt chất lỏng bị cuốn theo dòng khí sẽ được loại bỏ rồi rơi xuống dưới. Cơ chế tách trong phần này thường là va đập, thay đổi hướng chuyển động của dòng khí nhiều lần làm cho các hạt chất lỏng nhỏ tích tụ lại thành những giọt lớn rồi rơi xuống bằng trọng lực. Khí sau khi đi qua các thiết bị này sẽ đi ra ngoài qua đường xã khí. 3.6.2. Hệ thống điều khiển kiểm soát hoạt động của bình tách. Các thiết bị điều khiển kiểm soát có nhiệm vụ khống chế các thông số như: mức tiếp xúc khí – dầu, dầu – nước và giá trị áp suất làm việc trong bình tách. Để đảm bảm quy trình vận hành được an toàn tin cậy tất cả các bình tách đều được trang bị thiết bị kiểm soát như: Bộ khuyếch đại tín hiệu, thiết bị báo mức, đồng hồ đo và các loại van (hình III.15 sơ đồ thiết bị và nguyên lý làm việc của hệ thống điều khiển bình tách HГC 16-25) nhằm mục đích: 1. Khống chế mức chất lỏng nhờ hệ thống rơle phao, để tránh hiện tượng bọt khí từ bình HГC sang bình 100 m3 hoặch dầu tràn trên đường ống dẫn khí. 2. Khống chế giá trị áp suất nhằm ngăn ngừa trị số áp suất cao hoặc thấp gây cản trở sự làm việc bình thường của bình tách, các hoạt động đó được thực hiện nhờ sự đóng mở của các van theo nguyên lý cơ học hoặc khí nén. Giá trị áp suất này phải luôn lớn hơn giá trị áp suất của bình 100 m3 (khoảng từ 8 – 10 at). Việc khống chế nhiệt độ trong giới hạn làm việc của bình, trường hợp này không phải bắt buộc cho tất cả các thiết bị tách mà chỉ dùng trong trường hợp đặc biệt nhằm đóng mở tự động đường dẫn vào bộ gia nhiệt. Tất cả các thiết bị khống chế mức, áp suất, nhiệt độ đều có thể đánh tín hiệu báo động khi đạt đến giá trị nguy hiểm, khi lắp đặt van an toàn sẽ có một giá trị áp suất nhất định theo thiết kế. 1. Phao báo mức. 4,15: Van min. 7: Van an toàn. 2,3,5,6,8,9,10,12,13,14: Các van chặn thông thường. 11: Bộ đo mực chất lỏng. 16: Bộ truyền tín hiệu áp suất. 17,18,20,21,22: Đường truyền tín hiệu điều khiển. A: Bộ điều khiển áp suất trong bình. B: Bộ điều khiển mực chất lỏng. Hình III.15. Sơ đồ hệ thống điều khiển kiểm soát bình tách HГC 16-25 Các thiết bị trong sơ đồ làm việc như sau: a. Thiết bị kiểm tra và điều khiển mực chất lỏng. Thiết bị này bao gồm bộ đo mực chất lỏng (11), bộ П B10 và П B331 để ghi mực chất lỏng trong bình và điều khiển đóng mở van min (15). Bộ đo (11) được nối với bình bằng các van (9) và (10), bộ đo mức dùng phao (1) được nuôi bằng nguồn khí nuôi 1,4 at. Tuỳ theo mực chất lỏng trong bình cao hay thấp thì lực đẩy lên phao yếu hay khoẻ, do đó tuỳ theo mức dầu trong bình mà trọng lượng phao có giá trị khác nhau. Nhờ bộ biến đổi của thiết bị đo (11) làm tín hiệu lối ra của nó có giá trị thay đổi từ 0,2-1 at (khi mực chất lỏng ở van (10) thì có giá trị là 0,2 at, còn ở van (9) là 1 at). Tín hiệu lối ra của (11) được đưa về bộ điều khiển П B10 và П B331 bằng ống tín hiệu (18), tín hiệu này tỷ lệ với mực chất lỏng trong bình, ở bộ П B10 và П B331 có một giá trị ngưỡng đặt trước. Nếu tín hiệu lối ra của (11) lớn hơn giá trị ngưỡng này thì bộ П B331 sẽ điều khiển tín hiệu lối ra của П B10 để mở van min cho chất lỏng thoát sang bình 100 m3. Nếu tín hiệu lối ra của (11) nhỏ hơn giá trị ngưỡng thì tín hiệu lối ra của П B10 sẽ điều khiển đóng van min (15), nhờ đó mà mực chất lỏng trong bình luôn được duy trì ở mức nhất định. B. Thiết bị điều khiển và kiểm tra áp suất bình HГC. Hệ thống này bao gồm: van min (4), đồng hồ M П 4(16), bộ điều khiển П B10 và П B331. Đồng hồ (16) được nuôi bằng nguồn khí 1,4 at, tuỳ theo giá trị áp suất trong bình cao hay thấp thì tín hiệu lối ra của đồng hồ (16) chỉ cao hay thấp và có giá trị từ 0,2-1 at. Khi (16) có giá trị bằng 0 thì lối ra của nó là 0,2 at và khi (16) hết thang chia độ thì giá trị của nó là 1 at. Như vậy tín hiệu lối ra của (16) tỷ lệ thuận với áp suất trong bình, tín hiệu này đưa đến bộ П B10 và П B331 nhờ đường dẫn (22) và cũng được đặt ngưỡng nhất định, nếu lối ra của (16) lớn hơn giá trị ngưỡng này thì bộ П B331 sẽ đưa tín hiệu điều khiển tới van min (4) và van (4) được mở ra nhằm giảm áp suất trong bình. Còn ngược lại thì bộ П B331 sẽ điều khiển van (4) đóng lại, nhờ đó áp suất trong bình luôn ổn định. Van an toàn (7) dùng để dự phòng khi van (4) hỏng hoặc áp suất tăng nhanh, cao hơn giá trị cho phép thì van (7) mở ra để cho khí thoát ra phaken. CHƯƠNG IV – TÍNH TOÁN CÁC THÔNG SỐ CƠ BẢN CHO BÌNH TÁCH 4.1. Tính toán lượng dung dịch tách. a. Dầu thô. Khí tự nhiên (không hoà tan) có chứa trong dầu thô đã tách luôn có một lượng biến đổi khá lớn, lượng biến đổi này phụ thuộc vào các yếu tố: Kích cỡ và hình dáng của bình tách. Thiết kế và bố trí các chi tiết bên trong bình tách. Áp suất và nhiệt độ vận hành. Tốc độ chảy, GOR. Chiều sâu của chất lỏng trong bình. Độ nhớt và ứng suất bề mặt của dầu. Lượng khí và lượng nước tính toán chứa trong dầu thô đã tách và thoát ra ngoài từ một bình tách thông dụng và vận hành dưới các điều kiện giếng bình thường được nêu ra trong bảng 4.1, các giá trị trong bảng được tính gần đúng. Các kết quả trong bảng 4.1 sẽ không còn đúng nếu ta sử dụng một trong những yếu tố điều chỉnh đã nêu ở trên. Tương tự như khí, nước có chứa trong dầu thô đã tách cũng có một lượng biến đổi lớn (bảng 4.1). Các yếu tố đã nêu ở trên, cùng với những rung động do sự giảm áp suất và dòng chảy, lượng nước chứa trong dung dịch giếng khoan, tạp chất, nhiệt độ nhũ tương hoá của dầu và nước sẽ quyết định lượng nước chứa trong dầu đã tách. Những giá trị trong bảng thực hiện vối bình tách không có các thiết bị hay các hoá chất đặc biệt sử dụng hoặc áp dụng để tăng sản lượng dầu thô đã tách, khi các yếu tố này được áp dụng thì sẽ thu được kết quả cao hơn. Bảng 4.1. Thành phần nước, khí không hoà tan trong dầu thô sau khi tách. Thời gian lưu Giữ (phút) Khí không hoà tan chứa trong dầu đã tách (%)* Nước chứa trong dầu đã tách (%)** Nhỏ nhất Lớn nhất Nhỏ nhất Lớn nhất 1 ÷ 2 5,0 20 1,60 8,00 2 ÷ 3 4,0 16 0,80 4,00 3 ÷ 4 3,0 12 0,40 2,00 4 ÷ 5 2,5 10 0,20 1,00 5 ÷ 6 2,0 8 0,10 0,50 6 + 1,5 6 0,05 0,25 * Tỷ lệ phần trăm về thể tích của khí không hoà tan trong dầu đã tách ở điều kiện tiêu chuẩn. ** Tỷ lệ phần trăm về thể tích của nước chứa trong dầu đã tách. b. Nước tách. Trong thực tế thì lượng nước thoát ra từ bình tách ba pha có chứa một lượng dầu nào đó, khoảng biến đổi của nó được nêu ở bảng 4.2. Lượng nước thoát ra khỏi bình tách ba pha phụ thuộc vào các yếu tố như đã nêu trên. Nếu trong điều kiện làm việc của bình tách, sự khác nhau về tỷ trọng của dầu và nước nhỏ hơn 0,2 thì cần phải chú ý bởi sự chênh lệch về khối lượng riêng sẽ dẫn đến hạn chế và không hoàn thành sự tách. Bảng 4.2. Tỷ lệ dầu có chứa trong nước đã tách. Thời gian lưu giữ nước (phút) Khoảng tính toán của dầu có trong nước thoát ra từ bình tách Nhỏ nhất (%)* Lớn nhất (%)* 1 ÷ 2 0,40 2,00 2 ÷ 3 0,20 1,00 3 ÷ 4 0,10 0,50 4 ÷ 5 0,05 0,25 5 ÷ 6 0,02 0,10 6 + 0,004 0,02 * Phần trăm về thể tích. c. Khí. Hydrocacbon lỏng có chứa trong khí thoát ra từ bình tách dầu khí nằm trong khoảng chỉ ra trong bảng 4.3. Trong thực tế thì việc đo lượng dầu chứa trong khí thoát ra dưới điều kiện làm việc của vỉa rất khó khăn, số liệu trên bảng dựa trên sự tính toán gần đúng đối với bình tách thông dụng, làm việc trong điều kiện bình thường, có bộ chiết sương phù hợp. Bảng 4.3. Lượng dầu có trong khí đã tách. ÁP suất vận hành (psig) Nhiệt độ vận hành (0F) Lượng dầu tính toán có trong khí thoát ra từ bình tách Nhỏ nhất Lớn nhất % Gal/MMscf % Gal/MMscf 0 ÷ 3000 60 ÷ 130 0,001335 0,10 0,01335 1,00 Chất lỏng có chứa trong khí thoát ra từ bình lọc khí ít hơn chất lỏng có trong khí đi ra từ bình tách dầu khí, bình lọc khí thông thường được lắp đặt ở hạ nguồn của bình tách hoặc các thiết bị tách. Nếu có một bình tách lắp đặt phía trước bình lọc khí thì hydrcacbon lỏng chứa trong khí sau khi đi ra khỏi hệ thống này nhỏ hơn 0,00135 %. 4.2. Tính toán công suất và kích thước bình tách. 4.2.1. Tính công suất của bình tách. Công suất của bình tách phụ thuộc vào các yếu tố sau: - Kích thước (đường kính và chiều dài), hình dáng và các thiết bị bên trong của bình tách. Số giai đoạn tách. Nhiệt độ và áp suất của bình. Tính chất lý hoá của dầu (độ nhớt, trọng lượng…). Tỷ số dầu khí của chất lưu. - Kích thước và phân bố các phần tử chất lỏng trong khí ở cửa vào của bình tách. Mực chất lỏng được duy trì trong bình tách. Kiểu chảy của chất lưu, chảy tầng hay chảy rối. Hàm lượng tạp chất trong dầu. Khuynh hướng tạo bọt của dầu, hoặc một số yêu cầu khác. Việc xác định chính xác kích thước của bình tách để mang lại hiệu suất tách cao nhất đòi hỏi phải dựa vào các yếu tố trên, tính chất lý hoá của dầu hay kích thước và phân bố các phần tử chất lỏng trong khí ở cửa ra của bình là những yếu tố rất cần thiết cho việc xác định kích thước bình tách. Song chúng là những yếu tố rất khó xác định được đầy đủ và chính xác, trong bình tách đứng những phần tử chất lỏng tách khỏi khí rơi xuống sẽ gặp sự cản trở của khí bay lên. Trong bình tách ngang, các phần tử lỏng bay qua bình tương tự như quỹ đạo của viên đạn. Vì vậy bình tách ngang sẽ tách được một lượng chất lỏng lớn hơn bình tách đứng có cùng kích thước, khi mà mực chất lỏng trong bình duy trì ở một mức thích hợp để tránh hiện tượng khí mang theo dầu khi mà mực chất lỏng quá cao. Hiệu suất làm việc của bình tách phụ thuộc vào hiệu suất làm việc của khoang ngưng và vách ngăn, trong đó hiệu suất tách khí được đánh giá bằng lượng chất lỏng ở dạng sương bị cuốn theo khí ra khỏi bình tách và được đặc trưng bằng hệ số Kd, được gọi là hệ số mang chất lỏng đi. Kd = (4.1) Trong đó: Gd - là lượng chất lỏng cuốn theo khí ra khỏi bình. Gkh- là lượng khí ra khỏi bình. Mặt khác pha khí và pha dầu luôn cân bằng nhiệt động khi tính toán thiết kế bình tách nên người ta chọn hệ số Kd ≤ 10-8 (hệ số thực nghiệm). Vận tốc khí lớn nhất trong bình tách cho phép sự tách sương chất lỏng khỏi khí được tính theo công thức Stokes như sau: Vg = Fhv . (4.2) Trong đó: Vg Là vận tốc khí lớn nhất có thể chảy trong bình tách mà vẫn đạt được hiệu quả tách như mong muốn, (m/s). - Là khối lượng riêng của pha lỏng, kg/m3 - Là khối lượng riêng của pha khí, kg/m3 Giá trị Fhv trong công thức (4.2) là một biến độc lập thực nghiệm, là hệ số kể đến hình dáng và hoạt động của bình tách. Thường lấy (thực nghiệm): Fhv = 0,05 ÷ 0,167 đối với bình tách đứng. Fhv = 0,2 ÷ 0,7 đối với bình tách ngang. Nó bao gồm các yếu tố ảnh hưởng đến sự tách chất lỏng khỏi khí loại trừ: Tính chịu nén của khí. Áp suất thường và áp suất làm việc. Nhiệt độ thường và nhiệt độ làm việc. Tỷ trọng của chất lưu đem tách. Những yếu tố ảnh hưởng tới hệ số Fhv là:- Tỷ số chiều dài / đường kính (L / D). Kiểu dáng các chi tiết bên trong. Độ sâu mực chất lỏng. Khuynh hướng tạo bọt của dầu. Sự chuyển động ổn định của dòng khí. Tỷ lệ khí / chất lỏng. Sự hiện diện của các vật liệu khác. Trong đó tỷ số L / D có ảnh hưởng đến Fhv nhiều nhất, với bình tách đứng nếu như lưu lượng khí quyết định kích thước bình tách thì L / D trong phạm vi từ 2 ÷ 3, còn nếu bị chi phối bởi lưu lượng dầu thì nó thay đổi từ 2 ÷ 6. Với bình tách ngang, giá trị L / D thay đổi trong phạm vi từ 2 ÷ 6, khí và lỏng quyết định đồng thời kích thước thiết bị vì trong đó cả hai chất lưu cùng chuyển động từ đầu vào cho tới đầu ra. Hình IV.1. Quan hệ giữ tỷ số L / D và hệ số hình dáng làm việc của thiết bị tách Fhv 1: Điều kiện làm việc không thuận lợi. 2: Điều kiện làm việc tốt nhất của thiết bị tách đứng. 3: Thiết bị lọc khí thẳng đứng có bộ chiết sương lá chặn. 4: Thiết bị lọc khí thẳng đứng có bộ chiết sương bằng lưới thép. 5: Điều kiện không thuận lợi cho thiết bị tách ngang có D < 24 inch. 6: Điều kiện lý tưởng cho thiết bị tách ngang có D 24 inch. 7: Điều kiện lý tưởng cho thiết bị tách ngang có D > 24 inch. Quan hệ giữa tỷ số L / D và hệ số Fhv được thể hiện trên hình IV.1 cho các thiết bị tách hình trụ nằm ngang, thẳng đứng và bộ lọc khí. Khi biết hai trong ba thông số L, D, Fhv ta sẽ dễ dàng xác định được thông số thứ ba. Việc sử dụng ống nắn dòng, tấm chặn làm lệch và các thiết bị đặc biệt ở cửa vào sẽ làm tăng giá trị của Fhv và công suất bình tách. Công suất tách khí của một bình tách có thể được xác định theo công thức sau: Qg = Sg. Vg (4.3) Trong đó: Qg - Là thể tích khí chảy qua trong bình tách, ft3/ s Sg - Là diện tích mặt cắt ngang phần cho khí đi qua của bình tách, ft2 Trong công thức (4.2) được xác định như sau: = (4.4) Trong đó: P - Là áp suất làm việc của bình tách, psi Mg - Là phân tử lượng của khí. Zg - Là khả năng chịu nén của khí. R - Là hằng số khí, R = 10.732. T - Là nhiệt độ làm việc của bình, 0R Thay (4.2) vào (4.3) ta có:Qg =Sg. Fhv. (4.5) Phương trình tính toán công suất tách Khi phương trình (4.5) đúng cho khả năng chịu nén, áp suất và nhiệt độ, đơn vị được đổi thành ft3/ ngày, phương trình trở thành: Qg =67824. d2. Fhv. F. (4.6) Trong đó: Pb - Là áp suất tiêu chuẩn, 1at. Tb - Là nhiệt độ tiêu chuẩn 16 0C hay 289 0K. F - Là hệ số trong bình tách, bảng 4.4 (trong bình tách đứng F = 1). d - Là đường kính của bình tách, ft Bảnh 4.4. Bảng hệ số F đối với bình tách h/d F h/d F 0,00 0,05 0,10 0,15 0,20 0,25 1,000 0,981 0,948 0,906 0,858 0,804 0,30 0,35 0,40 0,45 0,50 0,55 0,748 0,688 0,626 0,564 0,500 0,436 h - Là chiều cao của mực chất lỏng trong bình tách. Phương trình (4.6) dùng để tính thể tích khí của một bình tách có kích thước đã cho, làm việc với những điều kiện cụ thể. Từ phương trình này ta cũng có thể tính được kích thước bình để sử lý một lượng khí ở điều kiện nào đó. Giá trị Fhv trong các phương trình tỷ lệ thuận với tỷ số L / D của bình, nếu giá trị Fhv hợp lý được áp dụng trong phương trình (4.6), thì tất cả các phần tử chất lỏng có kích thước lớn hơn 100 μm có thể được tách bằng trọng lực trước khi đến màng ngăn. 4.2.2. Tính kích thước bình tách. a. Tính đường kính bình tách. Đường kính bình tách được xác định thông qua công suất của bình tách. Công suất liên quan đến vận tốc theo phương ngang bởi phương trình: W = 3600. v. (4.7) Thay phương trình (4.2) vào (4.7) ta có: W = 3600. Fhv. (4.8) Mặt khác lưu lượng khối lượng m (kg/giờ) được xác định theo công thức: m = 0,785. W. d2. F (4.9) Trong đó: W – Là công suất tách của bình, kg.giờ/m2 v – Là vận tốc theo phương ngang, m/s Kết hợp phương trình (4.8) và (4.9) ta được công thức tính đường kính của bình: d = (4.10) Giá trị của m liên quan với lưu lượng dòng chảy như sau: m = 0,050. (std m3/ngày). ( của khí) (4.11) m = 0,00173. (std m3/ngày). MW khí) (4.12) Giá trị của F như là một hàm số của chiều sâu mực chất lỏng trong bình tách được cho trong bảng 4.4. Để có được giá trị của F ta phải đi xác định giá trị tỷ số h/d bằng cách tính toán cân bằng pha trong bình tách đã được trình bầy trong phần 2.4.3. b. Tính thể tích bình tách. Thể tích của bình tách được xác định theo công thức: V = (4.13) Trong đó: Qn – Là công suất tách, tấn/ngày t – Là thời gian lưu giữ chất lỏng, giây c. Tính chiều dài bình tách. Chiều dài bình tách được xác định theo công thức: L = (4.14) 4.3. Thời gian lưu giữ chất lỏng trong bình tách. Thời gian lưu giữ chất lỏng trong bình là thời gian giới hạn để cho khí thoát ra khỏi pha lỏng, nó là đại lượng gián tiếp để xác định thể tích của bình tách cần thiết để kiểm soát được dòng chảy có lưu lượng cho trước. Thể tích của bình tách bằng lưu lượng nhân với thời gian lưu, với một bình cho trước, thể tích lỏng cần thiết (theo thời gian lưu) có ảnh hưởng nhiều hơn đến kích thước bình tách so với lưu lượng khí. Điều này đúng cho các bình tách lớn với tỷ số dầu-khí thấp. Phương trình xác định thời gian lắng: VL = (4.15) Trong đó: VL – Là phần thể tích lỏng đòi hỏi của bình tách, m3 t – Là thời gian lưu giữ thiết kế, phút QL – Là lưu lượng chất lỏng qua bình, m3/ngày Bọt dầu và các thành phần chất rắn hay nhũ tương có ảnh hưởng tới thời gian lưu giữ, thời gian lưu giữ là một thông số rất quan trọng trong bình tách, ở đó các phản ứng hoá học có thể xảy ra. Bảng 4.5. Thời gian lắng tiêu biểu Dầu khí tự nhiên Dầu nghèo Xử lý phân đoạn Trong bình làm lạnh 1 ÷ 3 phút (chung nhất là 2 ÷ 4 phút) 10 ÷ 15 phút 8 ÷ 15 phút 4 ÷ 7 phút Theo tiêu chuẩn của API 12J dùng cho bình tách dầu và khí dựa vào tỷ trọng tương đối của dầu Tỷ trọng tương đối của dầu Phút < 0,85 0,85 ÷ 0,93 0,93 ÷ 1 1 1 ÷ 2 2 ÷ 4 4.4. Tính toán bền cho bình tách. Để kiểm toán bền cho bình tách, ta đi thiết lập mối tương quan giữa chiều dầy và đường kính của bình tách, dựa vào mối tương quan này để làm cơ sở kiểm toán bền cho bình tách. Các thành phần lực tách dụng trong bình tách được phân tích như hình IV.2. Đường kính trong của bình tách: Dt Đường kính trung bình của bình tách: Dc Áp suất trong bình: P Chiều dầy thành bình: t Chiều dài bình: L Lực F tác dụng lên hai đầu bình tách được tính theo công thức: F = л. P. Dc2/ 4 Diện tích chịu lực f tính theo đường kính trong của bình: f = л. Dt. t Ta có: F2 = F/ f = P. Dt/ 4t Bình làm việc ổn định khi lực tác dụng lên thành bình cân bằng với phản lực tại mối hàn. Điều kiện ổn định: P. Dc. L = 2. N (N là phản lực tại mối hàn). N = P. Dc. L/2 Mặt khác: F1 = N/ t.L = P.Dc. L / 2. t. L = Dc. P/2t Khi so sánh F1 với F2 ta thấy: F1 >> F2. Vì vậy ta tính toán độ bền theo F1. Khi kiểm toán bền cho bình tách chúng ta dựa vào F1 và trong thực tế nó được thay bằng ứng suất cho phép và có thể kể đến hệ số bền của mối hàn. Từ đó ta xác định được chiều dầy của bình tách: t = (4.16) t = (4.17) t= (4.18) Trong đó: φ – Là hệ số bền của mối hàn (0,85 ÷ 1), thông thường lấy φ = 1. [σ] – Là ứng suất lớn nhất cho phép (giới hạn bền) của vật liệu dùng để chế tạo bình. C – Là chiều dầy dự phòng do sự ăn mòn của môi trường, C = 2,5 ÷ 3,2. Có nhiều tiêu chuẩn để đánh giá các chi tiết kỹ thuật của thiết bị tách do các hãng sản xuất đưa ra. Nhưng tiêu chuẩn ASME là được sử dụng phổ biến hơn cả và được xem như một tiêu chuẩn chung cho các nước. ASME đã đưa ra công thức xác định độ dầy thành bình cần thiết theo áp suất bên trong như sau: t = hay t = (4.19) Đây là công thức xác định chiều dầy thành lớn nhất và bao quanh toàn bộ bình. Trong đó: t – Là chiều dầy vỏ bình. Ri – Là bán kính bên trong. R0 – Là bán kính ngoài. 4.5. Khối lượng, diện tích mặt sàn lắp đặt và sàn chịu tải. a. Khối lượng. Khối lượng của một bình rỗng (không có các bộ phận bên trong) được xác định theo công thức: WB = 3,47. Dt. t (4.20) WB – Là khối lượng trên đơn vị dài (kg/h). Gọi khối lượng của các chi tiết bên trong bình tách là WT. Gọi khối lượng của những vòi phun bên ngoài là WN. Như vậy khối lượng của cả bình tách là: WA = WB. L + WT + WN (4.21) Trên cơ sở tính toán theo công thức này đối với các bình tách ngang, ASME đã đưa ra đồ thị (hình IV.3) tương quan giữa chiều dài, đường kính, chiều dầy. Từ đồ thị này ta có thể tính được khối lượng bình tách. Hình IV.3. Khối lượng và diện tích mặt sàn lắp đặt b. Diện tích mặt sàn lắp đặt. Xung quanh bình tách có một hệ thống các đường ống dẫn, trong đó bao gồm các đường ống dẫn chính (có đường kính khoảng 4 inch) và các đường ống phụ. Vì thế không gian lắp đặt bình tách cần tính hợp lý cho cả hệ thống ống dẫn này. Ngoài ra, yêu cầu về diện tích lắp đặt phải bao gồm cả các máy bơm, hệ thống điều khiển áp suất, mực chất lỏng… Trong hình IV.3 là ước tính về diện tích mặt sàn cho các bình tách hình trụ nằm ngang. c. Sàn chịu tải. Bình tách và các hệ thống phụ trợ được lắp đặt trên một sàn chịu tải, sàn này phải đảm bảo chịu được tải trọng của bình tách trong quá trình làm việc cũng như việc thử thuỷ lực. Vì vậy cần phải xác định được tải trọng tối đa mà sàn có thể chịu đựng được. Theo ASME tải trọng tối đa (Ww) có thể được coi như khối lượng của chất lỏng trong bình cộng với khối lượng của bình tách. WW = 1000. V + WA (4.22) 4.6. Áp dụng tính toán chọn bình tách công suất 5000 tấn/ ngày đêm. Tính toán cân bằng pha. Khi bình tách làm việc ở 45 0C, áp suất 15,5 at thì ở điều kiện này dầu mỏ Bạch Hổ có tính chất như sau: Bảng 4.6. Thành phần dầu mỏ Bạch Hổ ở 45 0C, 15,5 at STT Cấu tử Thành phần dầu vỉa (%mol) Hệ số cân bằng (Ki) Thành phần lỏng (Xi) Thành phần hơi (Yi) 1 N2 0,292 86,90 0,006 0,519 2 C02 0,093 6,77 0,002 0,149 3 C1 46,193 16,26 4,860 78,976 4 C2 8,636 2,87 4,228 12,132 5 C3 5,423 0,98 5,757 5,158 6 i-C4 1,479 0,40 2,226 0,886 7 n-C4 2,308 0,30 3,781 0,140 8 i-C5 0,870 0,14 1,671 0,235 9 n-C5 0,991 0,11 1,962 0,221 10 C6 1,298 0,05 2,760 0,139 11 C7+ 32,417 0,006 72,727 0,445 Theo công thức tính toán cân bằng pha (2.20) ta có: Cho i chạy từ 1 đến 11 khi đó ta sẽ có giá trị Zi, Ki tương ứng như trên bảng thay số ta được: Giải phương trình bằng phương pháp tính gần đúng ta được nghiệm là: VG = 0,55 Thay VG vào phương trình (2.13): VG + VL = 1 =>VL = 0,45 Do đó ta có: h/d = 0,45. Tra bảng 4.4 ta được: F = 0,564. Tính đường kính bình tách. Lấy L/D = 2, từ hình IV.1 ta xác định được: Fhv = 0,25 m/s Khối lượng riêng của dầu ở 45 0C = 815 kg/m3 Khối lượng riêng của khí ở 45 0C = 1,202 kg/m3 Tỷ lệ khí trong hỗn hợp Γ = 170,5m3/m3 Hệ số khí hoà tan trong dầu Kp = 1,0565.10-5 m3/m3Pa (Giá trị và ở 45 0C được tra tương đối bằng phần mềm Hysys). Lưu lượng khối lượng qua bình tách trong một giờ là: m = (Γ – Kp. P). Qgiờ. (4.23) m = (170,5 – 1,0565.10-5.15,5.105). (kg/giờ) Theo công thức (4.10) ta có: d = d = (m) Thể tích của bình tách. Theo công thức (4.13): V = Thay số ta có: V = (m3) Chiều dài của bình. L = (m) Chiều dầy thành bình. Theo công thức (4.17): t = Thay số với S = 120 Mpa (thép hợp kim) ta có: t = (cm) Chiều dầy bao quanh toàn bộ bình chưa kể đến độ ăn mòn cho phép là 1,5 cm. Với các thông số đã tính toán, dựa vào cactalog của hãng chế tạo SiiRTEC NIGI.S.p.A ta chọn bình tách có các thông số kỹ thuật sau: Kích thước bình d × L = 2000 × 7960 mm Thể tích bình 25 m3 Tiêu chuẩn thiết kế và chế tạo: ASME SECTION VIII DIVISION 1. Áp suất tính toán 2,7 Mpa. Áp suất làm việc 1,6 Mpa. Nhiệt độ tính toán 125 0C. Nhiệt độ làm việc 45 0C. Loại bình nằm ngang. Bây giờ ta đi tính khối lượng, diện tích mặt sàn lắp đặt, sàn chịu tải cho phù hợp với các thông số trên. Khối lượng bình. Hệ mét Hệ anh L = 7,96 m 25 ft d = 200 cm 6,2 ft t = 1,5 cm 0,59 inch Đối chiếu với hình IV.3 ta được: WA = 15.000 (lb) = 6803 (kg) = 6,803 (tấn). Đây là khối lượng chưa kể đến chất lưu làm việc hay thử thuỷ lực. Diện tích mặt sàn lắp đặt. Với các số liệu ở trên và dựa vào toán đồ hình IV.3 ta xác định được diện tích mặt sàn dùng để lắp đặt bình tách là 610 ft2, tức cần diện tích khoảng 57 m2. Sàn chịu tải. Áp dụng công thức (4.22) ta có: Ww = 1000. V + WA (kg) Thay số ta được: Ww = 1000. 25 + 6803 = 31803 (kg) = 31,803 (tấn). Có nghĩa là sàn chị tải phải chịu một tải trọng phân bố trên sàn là 31,803/57 = 0,56 (tấn/m2). 4.7. Áp dụng tính toán cho bình tách áp suất thấp (E1). Một vài thông số kỹ thuật của bình tách E1: Áp suất làm việc: 0,8 Mpa Áp suất thiết kế: 0,8 Mpa Áp suất thuỷ lực: 1.1 Mpa Nhiệt độ chuẩn làm việc: 38 0C Nhiệt độ làm việc lớn nhất cho phép: 100 0C Nhiệt độ thấp nhất cho phép: 30 0C Đường kính ngoài: 3500 mm (11ft) Chiều dài: 9150 mm (30 ft) Thể tích: 100 m3 Tính toán chiều dầy thành bình. Áp dụng công thức (4.19) t = hay t = Thay số ta có: t = (cm) Đây là bề dầy bao quanh toàn bộ bình chưa tính đến độ ăn mòn cho phép. Khối lượng bình. Với các thông số đã có ở trên và dựa vào toán đồ hình IV.3, ta xác định được khối lượng khô, chưa kể đến chất lưu làm viêc hay thử thuỷ lực của bình tách E1 là: WA = 23000 (lb) = 10432 (kg) = 10,43 (tấn) Diện tích mặt sàn lắp đặt. Với các số liệu của bình tách E1 như trên, dựa vào toán đồ hình IV.3 ta xác định được bình E1 cần một diện tích lắp đặt khoảng 1250 ft2. Tức cần diện tích bề mặt khoảng 120 m2. Sàn chịu tải. Cũng theo công thức 4.22 và thay số ta có: Ww = 1000. V + WA = 1000. 100 + 10432 = 110432 (kg) = 110,432 (tấn). Như vậy, sàn tải trọng phải chịu được khối lượng là 110,432 tấn. Có nghĩa tải tọng phân bố trên sàn chịu tải là: 110,432/120 = 0,92 (tấn/m2). 4.8. Tính toán gia cố đầu nối. a. Sơ đồ gia cố. Việc đảm bảo độ bền của các mối nối giữa các chi tiết với bình tách trong điều kiện làm việc của bình là một yêu cầu cần thiết, phương pháp được sử dụng phổ biến là gia cố đầu nối. Hình IV.5 là sơ đồ phần ống nối với bình. d: Đường kính của lỗ cần gia cố. S1: Chiều dầy thành ống nối. l1: Chiều dài phần bên ngoài của ống nối. l2: Độ rộng của tấm đệm. l3: Chiều dài phần bên trong của thân ống nối. t: Chiều dầy thành bình. C: Chiều dầy kể đến sự ăn mòn. D: Đường kính trong bình. Để đánh giá chất lượng của mối nối, người ta đưa ra đường kính giới hạn d0 để xác định xem lỗ có cần phải gia cố không (với các lỗ có đường kính khi kiểm tra lớn hơn d0 thì cần phải gia cố). Hình IV.4. Sơ đồ phần ống nối Áp dụng tiêu chuẩn OCT 14249-80 về công thức xác định bề dầy thành bình và đáy bình với các số liệu tính toán như sau: Áp suất tính toán: 1,6 Mpa. Đường kính trong của bình: 200 cm. Bình làm bằng thép, thành và đáy sử dụng thép [σ] = 120 Mpa. Hệ số bền của mối hàn: φ = 1. Dự phòng ăn mòn bình: Đối với thành: Ctb = 0,28 (cm). Đối với đáy: Cdb = 0,42 (cm). Công thức xác định bề dầy thành bình. tt = (4.23) Thay số vào ta được: tt = (cm). Công thức xác định bề dầy đáy bình tđ = (4.24) R – Bán kính cong của đáy bình. Thay số ta được: tđ = (cm) Do điều kiện làm việc của bình tách chịu sự ăn mòn hoá học, cơ học nên ta có thể lấy bề dầy chung của bình là: t = 1,8 (cm). Đường kính giới hạn lỗ gia cố trên thành bình. d0 = (4.25) ttk – Bề dầy thiết kế, ttk = 1,34 cm. Thay số ta được: d0 = (cm) Vậy, với các lỗ có đường kính bé hơn 110 mm trên thành bình không cần thiết phải gia cố. Đường kính giới hạn lỗ cần gia cố trên đáy bình. d0 = (4.26) Trong đó: Dr = 2.D. r – Bán kính cong ở đỉnh đáy elip, r = 40 cm. Thay số ta được: Dr = (cm) Với: tr = Thay số ta được: tr = (cm) Vậy đường kính giới hạn cần gia cố trên đáy bình là: d0 = (cm). Với các lỗ có đường kính bé hơn 140 mm thì không cần thiết phải gia cố bổ sung. b. Tính toán gia cố. Áp dụng tính toán cho lỗ có đường kính 40 cm (đường vào hỗn hợp dầu khí A). ● Chiều dầy thân ống cần gia cố: S1R = (cm) ● Chiều dài phần bên ngoài của thân ống nối: l1 = (cm) Lấy chiều dầy thành ống ban dầu là: S1 = 1 cm. ● Chiều dài bên trong phần thân ống: l3R = (cm) ● Độ rộng tính toán của tấm đệm: l2R = Với S2 = 1 cm ta có: l2 = (cm) * Với các lỗ còn lại (nắp đậy C, đường khí ra r, đường dầu ra D, lắp đặt van E) phương pháp tính hoàn toàn tương tự. Sau khi gia cố ống nối cần: + Làm sạch mối hàn, phun cát đánh sạch bình sơn phủ 2 lớp. + Để chống xoắn cho bình, bình chịu lực tốt ta thiết kế 2 chân chịu lực chạy dọc theo bình bằng thép chữ V, đồng thời thiết kế các thanh chống bên trong bình và thiết kế các chân đế để lắp đặt với bệ đỡ. CHƯƠNG V – NHỮNG SỰ CỐ THƯỜNG GẶP TRONG THIẾT BỊ TÁCH VÀ CÔNG TÁC AN TOÀN ĐỐI VỚI THIẾT BỊ TÁCH 5.1. Những sự cố thường gặp, nguyên nhân và biện pháp khắc phục. Trong quá trình làm việc thiết bị tách thường xảy ra 3 sự cố chính đó là: + Chất lỏng bị cuốn theo dòng khí ra ngoài. + Mực chất lỏng không ổn định. + Quá tải chất lỏng. a. Chất lỏng bị cuốn ra ngoài theo khí Nguyên nhân Biện pháp khắc phục 1. Lưu lượng khí vào dư nhiều. 2. Các thiết bị bên trong bị kẹt do bụi, nước. 3. Mực chất lỏng lên vùng khí chưa tách. 4. Dao động mạnh (sóng) ở phần chất lỏng. 5. Áp suất hoạt động lớn hơn áp suất thiết kế. 6. Tỷ trọng chất lỏng (0API) cao hơn thiết kế. 1. Kiểm tra lại lưu lượng khí đầu vào, chỉnh lại theo đúng thiết kế. 2. Kiểm tra lại nhiệt độ, áp suất tính theo lượng nước được tạo ra. 3. Kiểm tra mực chất lỏng, chỉnh thấp hơn thiết kế. 4. Do áp suất (bé hơn 0,1 bar), kiểm tra lại hay cài đặt thêm màng ngăn ngang. 5. Kiểm tra áp suất hoạt động tăng lưu lượng khí. 6. Giảm lưu lượng khí theo tỷ trọng. b. Quá tải chất lỏng Nguyên nhân Biện pháp khắc phục 1. Lưu lượng các dòng cao. 2. Nhiệt độ tách thấp quá thiết kế. 3. Bộ ngưng tụ, lọc bị tắc 1. Điều chỉng lại lưu lượng các dòng theo đúng thiết kế. 2. Tăng nhiệt độ tách lên mức thiết kế. 3. Kiểm tra áp suất rơi (sụt áp) phục hồi, sửa chữa, tẩy rửa bộ ngưng tụ hoặc thay thế. c. Mực chất lỏng không ổn định * Phao bị phủ hoàn toàn bởi chất lỏng, do vậy ta cần phải thổi ra đường ống chia độ để lấy mức đo chính xác. Nếu thùng đo lắp đặt ở ngoài thì cần phải thổi chìm xuống xem có bị kẹt không. Khi ống đo mức và phao đã kiểm tra xong thì xem có bị chìm không, phải thường xuyên rút chất lỏng ra để phao chìm 1/2 , nhập mực chất lỏng các bộ điều khiển. * Mực chất lỏng thấp dưới phao: Kiểm tra xem phao có bị kẹt không, đóng van tháo lỏng để van chìm 1/2. * Van điều khiển chất lỏng không làm việc cần: + Kiểm tra lại sự hoạt động của van xem đóng mở có đúng không. + Vặn van đóng, mở hoàn toàn xem có lực cản hay không. + Kiểm tra lưu lượng lỏng để xác định trở lực trong đường ống. * Phao bị lắc do sóng: Kiểm tra hộp bảo vệ phao để đảm bảo phao luôn cân bằng, làm việc ổn định. * Bộ điều chỉnh mực chất lỏng không tương ứng bị thay đổi mực: Có thể do bộ điều khiển hỏng, phao thủng hoặc chất lỏng ở dưới phao, đóng, mở van xả để chất lỏng dao động bằng chiều dài của phao. Nếu bộ điều khiển không tương ứng sẽ làm phao rơi. 5.2. Công tác an toàn đối với thiết bị tách dầu khí, một số biện pháp nâng cao hiệu quả cho thiết bị tách. 5.2.1. Quy phạm an toàn kiểm tra thiết bị tách theo tiêu chuẩn Việt Nam. Viêc vận các hành thiết bị tách cần phải tuân theo các quy trình công nghệ và các hướng dẫn về an toàn: * Vận hành các thiết bị tách phải tuân theo các yêu cầu trong ‘’Quy trình lắp đặt thiết bị và an toàn sử dụng các bình cao áp’’ đã được cơ quan giám sát kỹ thuật Liên Xô phê duyệt, tuân theo các quy tắc an toàn trong lĩnh vực công nghiệp. * Vận hành các thiết bị không được vượt quá các thông số đã ghi trong sách hướng dẫn sử dụng thiết bị, nếu sử dụng khác đi cần phải có sự phê duyệt của bộ phận nghiên cứu và thiết kế kỹ thuật. * Thiết bị tách phải đầy đủ các bộ phận an toàn như ghi trong tài liệu hướng dẫn đính kèm. * Thiết bị phải ngừng hoạt động trong các trường hợp sau đây: 1. Áp suất vượt quá mức cho phép. 2. Hỏng van an toàn. 3. Hỏng áp kế và không thể xác định được áp suất bằng các dụng cụ khác. 4. Các bulông gia cố mặt bích bị hỏng hoặc không đủ số lượng yêu cầu. 5. Các đồng hồ đo, báo, thiết bị điều chỉnh chất lỏng hoạt động không ổn định. 6. Nghiêm cấm sữa chữa thiết bị dưới áp suất cao. 7. Việc xả khí từ thiết bị ra ngoài chỉ được thực hiện qua đường xả ra đuốc, nghiêm cấm việc xả ra khe hở mặt bích. 8. Để kiểm tra tốc độ ăn mòn của thiết bị cần tiến hành đo độ dày tối thiểu là 2 năm một lần bằng các biện pháp kiểm tra không phá huỷ. 5.2.2. Chế độ bảo dưỡng. Cần phải thực hiện đầy đủ và nghiêm túc các yêu cầu đặt ra, thiết bị tách sau một thời gian làm việc nhất định do nhiễm bẩn mà dẫn đến hiện tượng bị tắc các van, các ống dẫn hay do lắng đọng parafin hoặc các vật liệu khác mà có thể làm cho thiết bị ngừng làm việc gây ngưng trệ sản xuất. Vì vậy phải có kế hoạch định kỳ dọn, rửa làm sạch thiết bị tách, tất cả các thiết bị tách đều được thiết kế một số cách làm sạch chính như những lỗ nạo cặn. Những bình lớn có thể được thiết kế một vài cách để thuận tiện cho việc làm sạch, những bình nhỏ có thể được gắn những tay nắm và các dụng cụ sửa để dễ dàng làm sạch và rửa định kỳ. + Thường xuyên xem xét kiểm tra bên ngoài tại các mối hàn và các điểm nối. + Làm sạch các mối hàn. + Bề mặt các phần không sơn phủ được phủ bằng vật liệu keo dính. + Các bề mặt trước khi sơn phủ phải được phun cát để làm sạch bề mặt. + Sơn lớp sơn lót loại sơn một thành phần và sơn 2 lớp loại sơn hai thành phần sau khi đã thử và nghiệm thu. 5.2.3. Các biện pháp nâng cao hiệu quả thiết bị tách. a. Những yếu tố ảnh hưởng tới quá trình tách. Phần lớn các công nghệ được sử dụng trong quá trình tách có thể được chia làm hai loại đó là: tách cơ học và tách hoá học. Một thiết bị tách có hiệu quả được xem là hoàn thiện về kỹ thuật khi không thoát các bọt khí cũng như các giọt dầu theo đường xả, thời gian lưu giữ chất lỏng thấp, tiêu hao ít kim loại, thiết bị phải tạo được cân bằng pha. Bề mặt tiếu xúc dầu - khí cũng là một yếu tố quan trọng, giảm thời gian đạt tới trạng thái cân bằng và tránh sự thoát các bọt khí theo đường lỏng. Việc tách khí có hiệu quả khi hỗn hợp được phân tán tốt, tạo ra các giọt dầu có kích thước 1 – 2 mm và sẽ bị giữ lại ở bộ phận tách sương, kích thước này là tỷ số giữa sức căng bề mặt và hiệu số mật độ: ∆δ / ∆p. Khả năng tách của các thiết bị phụ thuộc vào các yếu tố: Thiết bị tách: chiều dài, đường kính, thiết kế và cách bố trí các chi tiết bên trong, số cấp tách, áp suất và nhiệt độ vận hành hay mức chất lỏng. Tính chất của chất lưu bao gồm: tính chất lý hóa, mật độ, độ nhớt, hệ số cân bằng…, tỷ lệ khí – lỏng, kích thước giọt dầu đi vào bộ chiết sương. Dòng chảy chất lỏng là chảy tầng hay chảy rối, hàm lượng tạp chất, xu hướng tạo bọt. Nhiệt độ là yếu tố quan trọng nhất trong việc tối ưu hoá sản lượng từ một dòng dầu, nhiệt độ này được kiểm soát theo một hoặc nhiều cách sau đây: Mở rộng dòng chảy qua van tiết lưu. Trao đổi nhiệt qua các cột ống. Tháp làm lạnh hay thiết bị làm lạnh kiểu bốc hơi. Tính chất lý hoá của dầu và kích thước giọt dầu rất khó nhận biết một cách chính xác, khi tính toán khả năng và kích thước thiết bị tách thường căn cứ vào tài liệu thực nghiệm hoặc giả định theo cách so sánh hoặc kinh nghiệm. b. Các biện pháp nâng cao hiệu quả thiết bị tách. Từ những yếu tố ảnh hưởng tới hiệu quả làm việc của thiết bị tách ta đưa ra các phương pháp nâng cao hiệu quả sử dụng như sau: 1. Khử nhũ trên đường ống trước khi hỗn hợp dầu - khí đi vào thiết bị tách Dầu khai thác lên sau giai đoạn tách nước cơ bản vẫn còn lại một lượng nước tồn tại dưới dạng nhũ, thành phần chủ yếu là nước vỉa có chứa các muối khoáng chủ yếu như: NaCl, CaCl2, MgCl2… và các tạp chất cơ học khác. Khí hữu cơ, vô cơ cũng còn sót lại trong dầu thô sau khi tách nước cơ bản thành phần khí chủ yếu như: CH4, C2H6, C3H8, C4H10, H2S, CO2, He. Hàm lượng nước và dung dịch nước của các muối khoáng tạo thành nhũ tương bền vững gây cản trở cho công tác vận chuyển (có thể gây tắc nghẽn đường ống), chế biến dầu làm han gỉ đường ống và thiết bị. Nhiệm vụ chủ yếu lúc này là tách nước và tách muối hơn nữa đa số muối trong nước vỉa là muối hoà tan nên chủ yếu là tách nước. Nước tồn tại trong thời điểm này chủ yếu dưới dạng nhũ mà phổ biến là nhũ thuận nghịch (nước trong dầu), nên trọng tâm của việc tách nước là khử nhũ thuận nghịch, giải pháp chính dùng khử nhũ gồm: + Giải pháp cơ học: lắng, ly tâm. + Giải pháp nhiệt. + Giải pháp điện. + Giải pháp hoá học. Các giải pháp đưa ra mục đích cuối cùng là dầu thu được phải đạt tiêu chuẩn thương mại như trong bảng sau: Bảng 5.1. Các chỉ tiêu dầu đạt tiêu chuẩn thương mại Các chỉ tiêu Định mức theo nhóm dầu 1 2 3 Hàm lượng nước, % trọng lượng 0,5 1,0 1,0 Muối clo, mg/lít 100,0 300,0 1800,0 Tạp chất cơ học, % trọng lượng 0,05 0,05 0,05 Áp lực hơi bão hoà tại điểm cấp, Pa (mmHg) 66650 (300) 66650 (300) 66650 (300) Dầu thương mại trước khi tới nhà máy chế biến lại phải khử nước đến 0,1 mg/lít và muối tới 5 mg/lít hoặc thấp hơn. Bây giờ ta đi tìm hiểu cụ thể từng phương pháp sử lý. ● Khử nhũ trên đường ống bằng hoá chất. Đây là giải pháp phổ biến nhất và mang lại hiệu quả cao nhất, bằng cách dùng các hoá chất có tính chất hoạt tính bề mặt nhân tạo có hoạt tính cao hơn các hoạt chất bề mặt có trong tự nhiên bơm vào trong đường ống (nâng, thu gom) 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 trên đường ống thì chất khử nhũ có điều kiện và thời gian hoà trộn, khử lớp bảo vệ và tách nhũ thành hai pha dầu – nước, quá trình này xảy ra tương đối phức tạp. Việc khử nhũ trên đường ống còn tăng việc chống già hoá của nhũ, giúp cho việc khử nhũ dễ dàng khi nhũ mới hình thành. ● Phương pháp kết lắng và phân ly trọng lực. Trong các bể lắng – chứa, dầu được phân dòng đều theo tiết diện bể từ phía dưới, nổi qua một lớp nước thực hiện qúa trình rửa, keo tụ. Dầu nổi lên phía trên cùng của bể và nước lắng xuống dưới, đây là giải pháp sử dụng sự khác nhau về tỷ trọng của các pha. ● Phương pháp nhiệt hoá. Khoảng 80% sản lượng dầu khai thác có ngậm nước đã được xử lý bằng phương pháp nhiệt hoá, phương pháp đáp ứng được sự thay đổi hàm lượng nước trong một phạm vi rộng, có thể thay đổi dễ dàng chất khử nhũ và chế độ làm việc cho phù hợp với tính chất của nhũ, hạn chế được sự tổn hao của các thành phần nhẹ. Các loại dầu nặng và dầu nhớt thì khử nhũ trên đường ống kèm theo nhiệt hoá là hợp lý nhất để tách muối và nước. Với dầu mật độ trung bình (0,83 – 0,85) độ nhớt trung bình 10 – 15 cp và độ ngậm nước đến 40% thì có thể không cần xử lý trên đường ống mà chỉ cần xử lý bằng nhiệt hoá. ● Phương pháp lọc và rửa. Trong thực tế các nhũ tương dầu kiểu thuận nghịch không ổn định hoặc độ ổn định trung bình sẽ bị phá huỷ khi đi qua lớp lọc rắn háo nước chế tạo từ sỏi, dăm, kính vụn, các quả cầu polimer, phoi gỗ, phoi kim loại… Sự khử nhũ dựa vào hiện tượng tẩm ướt lựa chon, đi kèm với sự hấp thụ. Khi tương tác giữa các phần tử chất lỏng và các phần tử chất rắn mạnh hơn so với liên kết giữ các phần lỏng với nhau thì chất lỏng sẽ loang theo bề mặt và tẩm ướt chất rắn. Tuỳ theo tính chất rắn – lỏng mà sự tẩm ướt có thể hoàn toàn, từng phần hoặc không tẩm ướt, các chất lỏng phân cực như dầu với sức căng bề mặt bé thường tẩm ướt bề mặt rắn rất tốt. Vật liệu lọc từ rắn dùng khi khử nhũ phải thoả mãn một số điều kiện như: + Phải có tính tẩm ướt tốt, có khả năng tạo liên kết giữa các vật liệu thấm với các giọt nước, phá huỷ màng ngăn cách giữa các pha của nhũ, tạo điều kiện cho nước kết dính. + Có độ bền cao, có thể sử dụng lâu dài ít phải thay thế. ● Phương pháp khử nhũ bằng điện trường. Điện trường là một giải pháp dùng chủ yếu để tách muối ra khỏi dầu nặng, dầu trung bình và thường được bố trí sau giai đoạn tách lắng và phân ly trọng lực. Dưới tác dụng của điện trường thì các giọt nước chuyển động đồng pha với trường điện chính và ở mọi thời điểm chúng luôn ở trạng thái dao động, do đó chúng bị biến dạng liên tục, hình dáng luôn thay đổi thuận lợi cho việc phá huỷ và kết dính của các giọt. Ngoài ra thì phương pháp khử nhũ bằng tĩnh điện cũng mang lại hiệu quả cao. ● Khử nhũ theo cơ chế sủi bọt. Đây là phương pháp nhờ vào sự tách khí của các giọt dầu khi nổi qua một đệm nước, trong quá trình nhũ chuyển động từ đáy bể đi lên hay qua hệ thống thu gom, thiết bị sử lý dầu – nước thì áp suất sẽ giảm từ từ làm cho các bọt khí trong dầu được hình thành, giãn nở tăng kích thước, xích lại gần nhau, kết dính tăng kích thước giọt và dần dần tách ra khỏi dầu. Quá trình này không xảy ra với các giọt nước vì rằng lượng khí hoà tan trong nước không đáng kể, gần như các bọt khí không tồn tại trong nước. 2. Xử lý lắng đọng parafin. Quá trình xử lý lắng đọng parafin góp phần làm tăng hiệu quả làm việc của các thiết bị tách. Khi bề dầy lắng đọng đạt giới hạn chúng ta phải tiến hành khử, các phương pháp khử phụ thuộc vào tuyến ống và thành phần lớp lắng đọng. Quá trình lắng đọng parafin chịu ảnh hưởng của các yếu tố như: chất lượng đường ống, áp suất và tốc độ vận chuyển, nhiệt độ môi trường và tính chất của dầu. Từ đó ta có một số phương pháp vận chuyển dầu nhiều parafin như sau: + Duy trì áp suất cao trên tuyến ống thu gom (10 – 15 at) để hạn chế việc tách khí và để duy trì tốc độ dòng chảy cao ngăn cản sự lắng đọng. + Duy trì nhiệt độ của dầu cao hơn nhiệt độ đông đặc của parafin. + Vận chuyển dầu cùng khí hoặc nước. + Giảm độ nhám và khả năng bám dính của ống bằng cách sơn phủ hoặc tráng thuỷ tinh bên trong bề mặt ống. + Pha loãng dầu trước khi vận chuyển, đây là phương pháp làm giảm tổn hao áp suất, giảm độ nhớt tăng tốc độ vận chuyển và làm giảm nồng độ parafin. + Sử dụng hoá chất, đó là các hoạt chất bề mặt ngăn cản sự hình thành nhũ tương dầu, thành ống sẽ tiếp xúc với nước chứ không tiếp xúc với dầu. + Sử dụng các phương pháp hỗn hợp như: nhiệt hoá, nhiệt từ. Khi đã xảy ra lắng đọng parafin thì ta sử dụng các phương pháp sau đây để sử lý: + Giải pháp cơ học: Dùng các máy cào, máy nạo hoặc phoi đẩy. + Dùng dung môi hoà tan: Dùng CHCl3 hoặc CS2 pha cùng với nước và bơm vào đường ống. + Dùng chất phân tán: Không có tác dụng hoà tan nhưng có tác dụng tăng độ phân tán của lắng đọng. + Giải pháp nhiệt: Chủ yếu dùng nước nóng để tuần hoàn và chỉ dùng khi sự lắng đọng ở mức độ thấp. Phải tiến hành phân loại dầu cũng như nắm rõ tính chất lý hoá của dầu như: độ nhớt, nhiệt độ đông đặc, sức căng bề mặt, độ dẫn nhiệt…, từ đó bố trí thiết bị tách một cách hợp lý để đạt hiệu quả tách cao nhất. Thực hiện tốt các quy tình công nghệ của thiết bị tách, từ việc tính toán các thông số cơ bản như chiều dài, đường kính, bố trí các chi tiết bên trong đến điều kiện vật lý nơi lắp đặt, áp suất và nhiệt độ làm việc, số cấp tách… Đồng thời phải thực hiện tốt công tác bảo dưỡng và các quy phạm an toàn khi vận hành thiết bị tách. KẾT LUẬN Do đặc điểm dầu mỏ Việt Nam có chứa một hàm lượng parafin, nhựa asphaten lớn, độ nhớt nhiệt độ đông đặc cao nên gặp khá nhiều khó khăn trong quá trình thu gom, vận chuyển và cất chứa. Hiện nay công nghệ xử lý dầu mỏ trên các giàn cố định là hệ thống các bình tách, nhờ các thiết bị này mà sản phẩm dầu thô sau khi qua hệ thống sẽ được phân ra thành các pha riêng biệt có sự ổn đinh cao thuận tiện cho quá trình thu gom và xử lý, tránh được các sự cố xảy ra đối với các thiết bị. Qua quá trình tìm hiểu và hoàn thành đề tài ‘’Nghiên cứa thiết bị tách pha, tính toán các thông số cơ bản cho bình tách’’ đã giúp cho em có những kiến thức quan trọng về thiết bị tách qua đó tính toán các thông số cụ thể của bình tách và đưa ra những nhận xét, lựa chọn, sử dụng thiết bị một cách hợp lý, hiệu quả. Kết quả tính toán một số thông số kỹ thuật cơ bản cho bình tách đem so sánh với các số liệu của thiết bị đang sử dụng thì thấy tương đối phù hợp. Trong quá trình sử dụng các loại thiết bị tách, phải tuyệt đối tuân thủ theo các tiêu chuẩn, quy định lắp đặt và vận hành, có kế hoạch kiểm tra an toàn, bão dưỡng theo định kỳ. Ngày nay tuy công nghệ thiết kế bình tách được thực hiện trên máy vi tính điện tử hiện đại, song đối với mỗi điều kiện làm việc của từng giàn thì lại cho phép xác định các thông số cơ bản, thông số kỹ thuật cho bình tách một cách phù hợp và khá đơn giản. Đó là ưu điểm của phương pháp tính tắt so với việc thiết kế bình tách trên máy tính và việc nắm rõ được phương pháp tính tắt là điều rất quan trọng đối với một kỹ sư Thiết bị dầu khí. Hà Nội, 6/2009 SVTH: Nguyễn Văn Tiến