Tiểu luận Các phương pháp vận chuyển dầu nặng

Tiểu luận Các phương pháp vận chuyển dầu nặng Đề Tài : Các Phương Pháp Vận Chuyển Dầu Nặng GVHD: Dương Thành Trung i TÓM TẮT Hai trở ngại lớn nhất của vận chuyển dầu thô nặng là độ nhớt cao ( do chứa nhiều asphalten) và nhiệt độ đông đặc cao ( 0API cao chứa nhiều wax). Do đó chi phí đầu tư cho quá trình vận chuyển dầu nặng cao và phức tạp hơn nhiều so với dầu truyền thống. Do đó, để vận chuyển dầu nặng chúng cần phải qua một quá trình xử lý trước đó. Nội dung bài báo cáo này sẽ đề cặp đến các phương pháp sau: - Phương pháp vận chuyển bằng đường giao thông - Phương pháp vận chuyển bằng đường ống Phương pháp gia nhiệt Phương pháp nhũ tương hóa Phương pháp pha loãng Phương pháp tạo dòng chảy tâm ống Phương pháp dùng dòng hơi nước áp lực cao Trong đó, chủ yếu đề cặp đến đặc điểm kỹ thuật của các phương pháp vận chuyển bằng đường ống Đề Tài : Các Phương Pháp Vận Chuyển Dầu Nặng GVHD: Dương Thành Trung ii Mục Lục Chương I: Tính Chất Dầu Nặng Ảnh Hưởng Đến Quá Trình Vận Chuyển ............................................... 1 I.1 Giới Thiệu ................................................................................................................................ 1 I.2 Độ nhớt ................................................................................................................................... 2 I.3 Tỉ trọng ................................................................................................................................... 5 Chương II : Vận Chuyển Dầu Nặng ..................................................................................................... 7 II.1 Giới Thiệu .................................................................................................................................... 7 II.2 Vận chuyển dầu nặng bằng các phương tiện giao thông ............................................................... 7 II.2 Vận chuyển dầu nặng bằng đường ống ......................................................................................... 8 II.2.1 Vận chuyển dầu nặng bằng phương pháp gia nhiệt ............................................................... 8 II.2.1.1. Quy Trình ........................................................................................................................ 9 II.2.1.2 Ưu điểm và nhược điểm .............................................................................................. 10 II.2.2 Phương pháp tạo nhũ tương với nước................................................................................ 11 II.2.2.1 Công nghệ nhũ tương hóa dầu nặng .............................................................................. 11 II.2.2.2 Ưu điểm và nhược điểm ................................................................................................ 17 II.2.3 Phương pháp pha loãng ...................................................................................................... 18 II.2.3.1 Dung môi ...................................................................................................................... 18 I.2.3.2 Quy Trình ....................................................................................................................... 20 I.2.3.3 Ưu điểm và nhược điểm ............................................................................................... 20 II.2.4 Phương pháp tạo dòng chảy tâm ống .................................................................................. 21 II.2.4.1 Core annular flow (CAF) ................................................................................................. 21 II.2.4.2 Hệ thống, thiết bị ......................................................................................................... 21 II.2.4.3 Ưu điểm và nhược điểm .............................................................................................. 24 II.2.5 Phương pháp dùng dòng hơi nước áp lực cao ..................................................................... 24 II.2.5.1 Một cải thiện so với phương pháp gia nhiệt truyền thống ............................................. 24 II.2.5.2 Máy bơm phun ............................................................................................................. 25 II.2.5.3 Thời gian gia nhiệt và lượng hơi nước được sử dụng .................................................... 26 II.2.5.4 Khởi động lại hệ thống ................................................................................................ 28 II.3 Kết luận ...................................................................................................................................... 28 TÀI LIỆU THAM KHẢO ............................................................................................................................ 29 Đề Tài : Các Phương Pháp Vận Chuyển Dầu Nặng GVHD: Dương Thành Trung iii Danh Sách Hình Vẽ Hình 1-1. Độ API, khối lượng riêng và cách phân loại dầu .................................................... 1 Hình 1-2. Nguồn dầu nặng chủ yếu ở một số quốc gia.. ….................................................... 2 Hình 1-3. Sự thay đổi độ nhớt theo nhiệt độ của bitumen Athabasca, Canada (8,60API)....... 3 Hình 1-4. Sự thay đổi độ nhớt của dầu theo số hydrocacbon ở 250C ..................................... 4 Hình 1-5. Sự thay đổi độ nhớt theo trọng lượng phân tử trung bình....................................... 5 Hình 2-1. Vận chuyển dầu nặng bằng phương pháp gia nhiệt............................................... 9 Hình 2-2. Độ nhớt hệ nhũ tương dầu/nước theo ứng suất cắt ............................................. 14 Hình 2-3. Độ nhớt của dầu thô và hỗn hợp sau khi được xử lí............................................. 15 Hình 2-4. Độ nhớt của dầu thô sau theo hàm lượng dung môi ............................................ 19 Hình 2-5. Bộ phận tạo dòng chảy tâm ống .......................................................................... 22 Hình 2-6. Hệ thống tách dầu và nước tại các trạm bơm ...................................................... 23 Hình 2-7. Bộ phận tách và cung cấp nước .......................................................................... 23 Hình 2-8. Máy bơm phun..................................................................................................... 25 Hình 2-9. Hệ thống gia nhiệt gồm nhiều máy bơm phun...................................................... 27 Đề Tài : Các Phương Pháp Vận Chuyển Dầu Nặng GVHD: Dương Thành Trung 1 Chương I: Tính Chất Dầu Nặng Ảnh Hưởng Đến Quá Trình Vận Chuyển I.1 Giới Thiệu: Dầu nặng là loại dầu thô có độ nhớt cao và khó lưu chuyển. Đặc tính chung của loại dầu này là tỉ trọng cao, tỉ số Hydro/Cacbon thấp, hàm lượng asphalten cao, hàm lượng lưu huỳnh, nitơ và kim loại cao. Tùy vào độ nhớt, tỉ trọng API mà người ta chia ra thành dầu nặng,dầu siêu nặng và bitumen. Thông thường, khi đề cập đến khái niệm dầu nặng thì nó đã bao hàm cả dầu siêu nặng và bitumen. Hình 1-1. Độ API, khối lượng riêng và cách phân loại dầu (Nguồn: viện Dầu Khí Mỹ – America Petroleu Institute) Hình 1-1 là cách phân loại dầu theo viện Dầu Khí Mỹ. Dầu truyền thống là loại dầu có độ API lớn hơn 20. Và ngược lại, loại dầu có độ API nhỏ hơn 20 là dầu nặng. Trong các loại dầu nặng, người ta phân chia thành ba loại là: dầu nặng, dầu siêu nặng và bitumen. Đề Tài : Các Phương Pháp Vận Chuyển Dầu Nặng GVHD: Dương Thành Trung 2 Hình 1-2. nguồn dầu nặng chủ yếu ở một số quốc gia. I.2 Độ nhớt Độ nhớt biểu thị khả năng lưu chuyển của dầu. Dầu nặng có độ nhớt cao nên rất khó lưu chuyển ở điều kiện thông thường như dầu truyền thống. Độ nhớt của dầu nặng có giá trị rất lớn. Nó có thể lên đến hàng vạn cSt ở 1000F. Đề Tài : Các Phương Pháp Vận Chuyển Dầu Nặng GVHD: Dương Thành Trung 3 Hinh 1-3 Sự thay đổi độ nhớt theo nhiệt độ của bitumen Athabasca, Canada (8,60API) (Nguồn: Độ nhớt của dầu nặng thay đổi theo nhiệt độ. Khi nhiệt độ tăng, độ nhớt giảm dần theo hàm lũy thừa. đối với các loại dầu khác nhau thì sự thay đổi độ nhớt cũng khác nhau. Đề Tài : Các Phương Pháp Vận Chuyển Dầu Nặng GVHD: Dương Thành Trung 4 Đ ộ n h ớ t (c P ) Hình 1-4. Sự thay đổi độ nhớt của dầu theo số hydrocacbon ở 250C Hình 143 cho ta thấy sự thay đổi độ nhớt của dầu bitumen (có nguồn gốc từ Canada, độ API là 8,6) theo nhiệt độ. Theo đó, khi nhiệt độ tăng độ nhớt của dầu giảm. Ngoài nhiệt độ, độ nhớt của dầu còn phụ thuộc vào số hydrocacbon và trọng lượng phân tử trung bình. Theo Hình 1-2, khi số hydrocacbon tăng thì độ nhớt của dầu cũng tăng theo. Đường biểu diễn có độ dốc cao cho thấy số hydrocacbon có ảnh hưởng rất lớn đến tính chất nhớt của dầu. Đề Tài : Các Phương Pháp Vận Chuyển Dầu Nặng GVHD: Dương Thành Trung 5 Đ ộ n h ớ t (m P a .s ) Hình 1-5. Sự thay đổi độ nhớt theo trọng lượng phân tử trung bình Trọng lượng phân tử trung bình (Nguồn: P.J. Closmann & R.D. Seba JCPT, July-August, 1990 vol.29, No4 pp115) Tương tự như trên, độ nhớt của dầu cũng tăng theo trọng lượng phân tử trung bình của dầu (Hình 1-3) I.3 Tỉ trọng Để phân biệt dầu nặng và dầu truyền thống, người ta dựa vào thông số độ API. 5,131 5,141  SG API Trong đó : SG là tỉ trọng dầu. Dầu nặng có API lớn hơn 10. Dầu siêu nặng và bitumen có độ API nhỏ hơn 10. Loại dầu có độ API càng nhỏ thì khối lượng riêng càng lớn và gây khó khăn cho quá trình vận chuyển. Đề Tài : Các Phương Pháp Vận Chuyển Dầu Nặng GVHD: Dương Thành Trung 6 Bảng 1-1 trình bày tính chất của ba loại dầu từ Venezuela và Canada. Bảng 1-1. Tính chất của một số loại dầu Loại dầu Tính chất Độ nhớt 0 A P I Điểm chảy Cerro Negro, Venezuela 8x104 đến 105 (mPa.s) ở 250C 8 38 (0C) Bitumen Athabasca, Canada 7x10-3 (m2/s) ở 400C 9 - Morichal, Venezuela 14257 (cSt) ở 500C 5533 (cSt) ở 600C 8 , 5 27 (0C) Dựa vào Bảng 1-1 ta nhận thấy dầu có nguồn gốc khác nhau thì có tính chất khác nhau. Cụ thể ở đây là độ nhớt và độ API. Do đó, tùy vào từng loại dầu mà ta có cách xử lý khác nhau sao cho thuận lợi cho quá trình vận chuyển. Một điều dễ thấy là dầu có độ nhớt càng lớn thì việc vận chuyển càng tốn kém. Vấn đề vận chuyển dầu nặng sẽ được trình bày trong những phần sau. Đề Tài : Các Phương Pháp Vận Chuyển Dầu Nặng GVHD: Dương Thành Trung 7 Chương II : Vận Chuyển Dầu Nặng II.1 Giới Thiệu: Vận chuyển dầu là một khâu quan trọng không kém phần khai thác và chế biến. Chi phí vận chuyển thường chiếm 15 đến 20 % giá thành dầu thô. Đặc biệt, đối với dầu nặng, chi phí vận chuyển rất tốn kém. Chi phí này chủ yếu tập trung vào các quá trình xử lí nhằm làm giảm độ nhớt của dầu, cũng như một số kỹ thuật khác để dầu có thể di chuyển từ nơi này đến nơi khác. Do các tính chất hóa lý rất đặc biệt của dầu nặng nên việc vận chuyển nó là rất khó khăn. Do đó, quá trình vận chuyển dầu nặng trở thành một chiến lược, một thử thách có tính kinh tế và kỹ thuật. Để vận chuyển dầu nặng, người ta có thể sử dụng các phương tiện giao thông hoặc đường ống. Trong đó, việc vận chuyển dầu nặng bằng đường ống thì kinh tế hơn nhiều so với phương án vận chuyển bằng các phương tiện giao thông. II.2 Vận chuyển dầu nặng bằng các phương tiện giao thông: Phương tiện vận chuyển Ưu Điểm Nhược Điểm Vận chuyển bằng tàu thủy Khối lượng vận chuyển lớn Linh động Hiệu quả cao Được ứng dụng rộng rãi Gây ô nhiễm môi trường Không an toàn (do cướp biển, bão –) Vận chuyển bằng xe tải Tính linh động cao Thời gian nhanh Chi phí cao Ô nhiễm môi trường Khối lượng vận chuyển ít Phạm vi vận chuyển hẹp Vận chuyển bằng tàu hỏa Chi phí khá thấp Vận chuyển nhanh Khối lượng dầu được vận Tính linh động thấp Ô nhiễm Đề Tài : Các Phương Pháp Vận Chuyển Dầu Nặng GVHD: Dương Thành Trung 8 chuyển lớn Các phương tiện giao thông được sử dụng trong việc vận chuyển dầu, bao gồm: tàu thủy, xe tải và tàu hỏa. Các phương tiện này là các phương tiện chuyên dụng để vận chuyển dầu. II.2 Vận chuyển dầu nặng bằng đường ống: Phương pháp vận chuyển dầu bằng đường ống thường được sử dụng hơn so với các phương pháp khác. Ưu điểm của chúng là có thể vận chuyển được khối lượng lớn dầu với chi phí thấp trong thời gian nhanh. Thêm vào đó, phương pháp vận chuyển này ít gây ô nhiểm môi trường hơn phương pháp vận chuyển bằng các phương tiện giao thông. Nhược điểm chính của phương pháp vận chuyển dầu bằng đường ống là chi phí đầu tư rất cao. Bên cạnh đó, khả năng linh động của các hệ thống đường ống rất ít và phạm vi hoạt động thường không cao. Như đã đề cập ở phần trước, dầu nặng có độ nhớt rất cao nên rất khó khăn cho việc vận chuyển. Một phương pháp thường được sử dụng là giảm độ nhớt của chúng trước khi được vận chuyển bằng đường ống. Các phương pháp giảm độ nhớt của dầu đã được sử dụng như là: o Phương pháp gia nhiệt o Phương pháp tạo hệ nhũ tương dầu – nước o Phương pháp pha loãng dầu nặng với dung môi o Kỹ thuật tạo dòng chảy tâm ống o Kỹ thuật sử dụng dòng hơi nước áp lực cao II.2.1 Vận chuyển dầu nặng bằng phương pháp gia nhiệt Đây là phương pháp đã được sử dụng từ rất lâu. Phương pháp này dựa trên cơ sở sự giảm độ nhớt của dầu theo nhiệt độ. Do đó, để dầu có thể chảy được trong đường ống, nó phải được gia nhiệt trước khi đưa vào hệ thống đường ống. Như đã trình bày trong phần 1.1.1, khi tăng nhiệt độ thì độ nhớt của dầu giảm và tuân theo hàm lũy thừa (Hình 1-1). Tùy vào từng loại dầu và xuất xứ của chúng Đề Tài : Các Phương Pháp Vận Chuyển Dầu Nặng GVHD: Dương Thành Trung 9 mà đường cong độ nhớt theo nhiệt độ có kích thước khác nhau. Nhiệt độ nung nóng phải được tính toán sao cho cân bằng giữa chi phí năng lượng của quá trình và đảm bảo độ nhớt của dầu cho quá trình vận chuyển. Một điểm cần lưu ý là nếu nhiệt độ càng cao thì tổn thất nhiệt dọc theo đường ống càng lớn. Độ nhớt của dầu không giảm tuyến tính theo nhiệt độ. Khi nhiệt độ càng cao, sự giảm độ nhớt của dầu theo nhiệt độ càng ít. Nhìn chung, nhiệt độ vận chuyển thường không quá 800C để giảm tổn thất nhiệt trong quá trình vận chuyển cũng như chi phí để gia nhiệt. Ví dụ nhiệt độ hoạt động của đường ống Aleyska ở Alaska xấp xỉ 600C. II.2.1.1. Quy Trình Hình 2-1. Vận chuyển dầu nặng bằng phương pháp gia nhiệt Vận chuyển Dầu Nặng Hình 2-1 trình bày sơ đồ gia nhiệt cho đường ống trước khi vận chuyển. Đầu tiên, dầu được đưa vào thiết bị gia nhiệt để gia tăng nhiệt độ của dầu. Thời gian gia nhiệt tùy thuộc vào loại dầu, loại thiết bị gia nhiệt và chế độ vận hành, cũng như nhiệt độ cần thiết cho quá trình vận chuyển. Sau khi đạt đến nhiệt độ vận hành (T 0C), dầu nặng sẽ có độ nhớt đảm bảo yêu cầu cho quá trình vận chuyển. khi đó, nó được bơm vào hệ thống đường ống để vận chuyển. Do nhiệt độ của dòng dầu bên trong đường ống cao hơn nhiệt độ môi trường bên ngoài nên sự tổn thất nhiệt là tất nhiên. Vì thế, đường ống phải được thiết kế sao cho dòng nhiệt tổn thất là ít nhất, ví dụ: sử dụng lớp bọc cách nhiệt. Tuy vậy, phương pháp bọc cách nhiệt cũng không thể ngăn cản dòng nhiệt tổn thất khi đường ống quá dài. Do đó, khả năng xảy ra hiện tượng nghẹt đường ống là rất lớn. để giải quyết vấn đề này, người ta lắp đặt thêm các trạm gia nhiệt trên hệ thống đường ống. Đề Tài : Các Phương Pháp Vận Chuyển Dầu Nặng GVHD: Dương Thành Trung 10 II.2.1.2 Ưu điểm và nhược điểm  Ưu điểm: Dầu thô khi đưa đến nhà máy lọc dầu có thể được sử dụng ngay mà không cần qua các khâu xử lý nhằm hoàn nguyên tính chất của dầu như các phương pháp khác. Ví dụ: đối với phương pháp pha loãng và tạo hệ nhũ tương, người ta phải tách dung môi và nước ra khỏi dầu trước khi dầu này được đưa vào làm nguyên liệu cho nhà máy.  Nhược điểm: Để gia nhiệt cho dầu người ta phải tiêu tốn rất nhiều năng lượng. Do đó, nhược điểm lớn nhất của phương pháp này là chi phí vận hành rất lớn. Đối với những đường ống dài, cần có nhiều trạm gia nhiệt được đặt dọc theo đường ống để đảm bảo nhiệt độ của dầu được duy trì ở mức cần thiết bên trong đường ống. Việc này giúp đường ống không bị nghẹt do sự tăng độ nhớt của dầu khi nhiệt độ giảm. Việc tiêu tốn nhiều năng lượng cho các quá trình này sẽ làm tăng giá thành của dầu thô. Việc thiết kế và xây dựng đường ống sẽ gặp nhiều khó khăn do nó liên quan đến nhiều yếu tố, như là: khả năng tăng công suất của đường ống, số lượng các trạm bơm và trạm gia nhiệt. Đường ống phải được xây dựng sao cho việc tổn thất nhiệt dọc theo đường ống là thấp nhất. Cách bố trí các trạm gia nhiệt để đảm bảo duy trì nhiệt độ của dầu bên trong đường ống. Ngoài chi phí năng lượng, khó khăn trong việc thiết kế và xây dựng, một nhược điểm khác là khả năng gây ăn mòn bên trong đường ống của dầu thô ở nhiệt độ cao. Với cùng một loại dầu và tốc độ chảy của dòng lưu chất, dầu có nhiệt độ cao hơn sẽ gây ăn mòn nhiều hơn cho đường ống. Hậu quả của các quá trình ăn mòn là không thể lường trước. Do đó, hoạt động kiểm tra, bảo trì phải được tiến hành thường xuyên để đảm bảo an toàn và liên tục trong quá trình vận chuyển. Do các nhược điểm trên, hiện nay, phương pháp này ít được sử dụng Đề Tài : Các Phương Pháp Vận Chuyển Dầu Nặng GVHD: Dương Thành Trung 11 II.2.2 Phương pháp tạo nhũ tương với nước Phương pháp tạo nhũ tương giữa dầu và nước nhằm giảm độ nhớt của dầu, tạo điều kiện thuận lợi cho quá trình vận chuyển. Phương pháp này có cùng mục đích với phương pháp gia nhiệt. Tuy nhiên, nguyên lý và cách tiến hành thì hoàn toàn khác. Phương pháp này không dựa trên tính chất thay đổi độ nhớt theo nhiệt độ của dầu mà dựa vào hiện tượng hình thành hệ nhũ tương giữa dầu và nước. II.2.2.1 Công nghệ nhũ tương hóa dầu nặng Hệ nhũ tương được tạo ra bằng cách trộn dầu nặng vào dung dịch NaOH. Dung dịch này đã được xử lí để loại bỏ khí và có độ pH tối thiểu là 11. Sự nhũ hóa dầu nhằm làm giảm độ nhớt của dầu tạo điều kiện thuận lợi để vận chuyển dầu bằng đường ống. Độ nhớt của hệ nhũ phải nhỏ hơn 200 cSt ở 500F (150C). Giá trị của hệ nhũ phải đạt điều kiện này để dầu có thể vận chuyển được bằng đường ống. Nhiệt độ càng cao thì hệ nhũ tương hình thành càng nhanh Nồng độ của dầu trong hệ nhũ tương phải đạt giá trị sao cho lượng dầu di chuyển được là lớn nhất trong một đơn vị thể tích nhũ tương được vận chuyển. Đối với bitumen, nồng độ thường từ 40% đến 60 % khối lượng bitumen (hoặc từ 70% đến 75% thể tích). Đối với dầu cát (sand oil), nồng độ bitumen thấp hơn, chỉ từ 10 đến 15 % khối lượng. Để đạt hàm lượng dầu cao hơn, hệ nhũ phải được hồi lưu để tăng thời gian tiếp xúc với dầu. Ngoài NaOH, ta cũng có thể sử dụng các loại hóa chất khác, như là: LiOH, KOH, NH4OH, ethylene diamine. Tuy nhiên, giá thành của các loại hóa chất này tương đối cao. Sự khử khí nhằm loại bỏ oxy hòa tan trong nước. Bởi vì, oxy sẽ gây ra những ảnh hưởng đối với những phản ứng hóa học trong quá trình nhũ hóa. Sự khử khí có thể được tiến hành với nhiều phương pháp, như là: sự cất bằng hơi nước. Nước phải được làm mềm bằng cách loại bỏ các ion Ca2+ và Mg2+. Vì những ion này sẽ ảnh hưởng đến phản ứng nhũ hóa. Đề Tài : Các Phương Pháp Vận Chuyển Dầu Nặng GVHD: Dương Thành Trung 12 Tính chất lưu biến của hệ nhũ phụ thuộc nhiệt độ nhiều hơn dầu thô. Do đó, để vận chuyển tốt phải giảm thiểu sự ảnh hưởng của nhiệt độ môi trường bên ngoài đường ống lên tính chất lưu biến của hệ nhũ. Hệ nhũ dầu trong nước có thể được vận chuyển trong đường ống với bất kì tốc độ nào. Ví dụ: tốc độ vận chuyển dầu thô thường là từ 5 đến 6 ft/s ( khoảng 2 m/s) có thể được sử dụng để vận chuyển hệ nhũ. Có thể thêm vào hệ dầu natri clorua và chất hoạt động bề mặt để giảm nhiệt độ đông đặc của hệ nhũ. Việc này giúp cho quá trình vận chuyển có thể được tiến hành ở những nơi có điều kiện thời tiết khắc nghiệt. Theo sơ đồ này, dầu nặng được pha với nước để tạo thành hệ nhũ tương. Quá trình pha trộn có thể được thực hiện trong các thiết bị, bồn bể hoặc trên đường Đề Tài : Các Phương Pháp Vận Chuyển Dầu Nặng GVHD: Dương Thành Trung 13 ống. Để ổn định các hệ nhũ tương này, người ta thêm vào đó các chất nhũ hóa. Để có thể vận chuyển trong đường ống, hệ nhũ tương được tạo thành là hệ dầu trong nước. Sau khi được nhũ hóa, hỗn hợp dầu – nước sẽ được vận chuyển đến nhà máy lọc dầu. Tại đây, hệ thống phân tách có nhiệm vụ khử hệ nhũ tương. Các chất nhũ hóa sẽ được hoàn lưu về hệ thống ban đầu.  Ứng dụng của hệ nhũ tương dầu – nước trong vận chuyển dầu nặng Khi dầu và nước được trộn lẫn với nhau trong tự nhiên, sự hình thành hệ nhũ tương theo kiểu nước trong dầu. Nguyên nhân của xu hướng này là vì tính chất của các chất hoạt động bề mặt có sẵn trong dầu: độ phân cực kém và trọng lượng phân tử lớn. độ nhớt của hệ nhũ tương này luôn cao hơn độ nhớt của pha liên tục. Do đó, để giảm độ nhớt của dầu thông, ta phải chống lại xu hướng hình thành hệ nhũ tương nước trong dầu. Có hai phương pháp để làm việc này, như sau: Cách thứ nhất là thêm vào dầu chất hoạt động bề mặt tự nhiên hoặc tổng hợp. Các chất này có tác dụng cân bằng giữa pha kị nước và pha háo nước. Thông thường, các chất nhũ hóa phi ion thì có ưu điểm nhiều hơn, như là: không bị ảnh hưởng bởi độ muốn của nước, tương đối rẻ tiền và không tạo ra các sản phẩm hữu cơ khác có ảnh hưởng đến tính chất của dầu. Các thứ hai là hoạt hóa chất hoạt động bề mặt có sẵn trong dầu để tăng tính háo nước của chúng bằng cách ion hóa các nhóm chức acid có trên các acid béo và asphalten. Để thực hiện việc này, người ta thường sử dụng các base mạnh như soda. Hình 2-2 cho thấy sự giảm độ nhớt của dầu theo thành phần của chúng trong hỗn hợp với nước. Dựa vào đồ thị, ta nhận thấy rằng độ nhớt tăng theo hàm lượng của dầu. Vì lí do kinh tế, người ta sẽ tính toán sao cho lượng dầu được di chuyển nhiều nhất với lượng nước bị tiêu tốn ít nhất. Để giữ độ nhớt của hỗn hợp dầu nước ở mức nhỏ hơn giá trị cần thiết cho quá trình vận chuyển (thông thường là 400 cP ở nhiệt độ môi trường), thành phần thể tích của bitumen lớn nhất là 70% đến 75%. Đề Tài : Các Phương Pháp Vận Chuyển Dầu Nặng GVHD: Dương Thành Trung 14 Đ ộ n h ớ t (P a .s ) Hình 2-2. Độ nhớt hệ nhũ tương dầu/nước theo ứng suất cắt Ứng suất cắt (1/s) (Nguồn: Oil & Gas Science and Technology – Rev. IFP, Vol. 59 (2004), No. 5, pp. 511-521) Sự hình thành hệ nhũ tương dầu trong nước sẽ giúp giảm độ nhớt của dầu nặng. từ đó, nó giúp cho quá trình vận chuyển dầu nặng được dễ dàng hơn. Hơn thế nữa, độ nhớt của hệ nhũ tương dầu – nước ít chịu ảnh hưởng bởi nhiệt độ hơn dầu nặng thông thường. Độ ổn định của hệ nhũ tương cũng là một vấn đề cần quan tâm. Để đảm bảo cho quá trình vận chuyển thì hệ nhũ tương phải đạt một độ bền nhất định. Độ bền của hệ nhũ tương phụ thuộc vào nhiều thông số, một trong những yếu tố chính là: thành phần dầu, độ muối và độ pH của nước, tỉ lệ dầu/nước, kích thước và độ phân tán của các giọt nhũ, nhiệt độ, loại chất hoạt động bề mặt và nồng độ của chúng, năng lượng pha trộn. Bên cạnh thông số độ nhớt, tính lưu biến của các hệ nhũ tương cũng cần được chú ý trong quá trình vận chuyển. Hai thông số chính quyết định tính chất lưu biến của hệ là thành phần thể tích của dầu so với nước và sự phân bố kích thước hạt nhũ tương. Tùy thuộc vào từng điều kiện mà tính lưu biến của hệ nhũ tương Đề Tài : Các Phương Pháp Vận Chuyển Dầu Nặng GVHD: Dương Thành Trung 15 Đ ộ n h ớ t (P a .s ) có thể là tính chất của lưu chất newton hoặc phi newton. Sự phân bố kích thước của các giọt nhũ tương phụ thuộc vào nhiều thông số khác, bao gồm: loại chất hoạt động bề mặt và nồng độ của chúng, độ pH của môi trường, sức căng bề mặt, năng lượng pha trộn, độ ion hóa, nhiệt độ, tính chất hóa học của chất hoạt động bề mặt có sẵn trong thành phần của dầu, áp suất. Bên cạnh kiềm, amoni hydroxit cũng có thể được sử dụng làm tác chất nhũ hóa. Nó sẽ xà phòng hóa các acid béo để hình thành hệ nhũ tương dầu trong nước. Sau quá trình vận chuyển, amoniac sẽ dễ dàng được thu hồi bằng cách gia nhiệt. Hình 2-3. Độ nhớt của dầu thô và hỗn hợp sau khi được xử lí Nhiệt độ (0C) (Nguồn: Heavy Hydrocarbon Emulsions. Making use of the state of the art in formulation engineering-Jean-lousisn2001) Hình 2-3 biểu diễn sự thay đổi độ nhớt của dầu nặng (từ Orinoco Oil Belt) và các hỗn hợp (pha loãng với 25% dung môi – đường giữa và tạo nhũ tương với 30% nước-đường dưới cùng) theo nhiệt độ. Qua đồ thị, ta nhận thấy: hỗn hợp nhũ tương dầu –nước có độ nhớt thấp nhất và ít thay đổi theo nhiệt độ nhất so với hai hỗn hợp còn lại Đề Tài : Các Phương Pháp Vận Chuyển Dầu Nặng GVHD: Dương Thành Trung 16 Sau quá trình vận chuyển, hệ nhũ tương sẽ được phá vỡ để trả lại trạng thái ban đầu của dầu cũng như hoàn nguyên tác chất nhũ hóa. Việc này sẽ gặp một số khó khăn như: Khối lượng riêng của dầu và nước gần bằng nhau. Do đó, các phương pháp tách truyền thống (như là: hệ thống ly tâm, tách trọng lực) thì không hiệu quả. Hiệu quả tách có thể được nâng lên bằng nhiều cách, như là: tăng nhiệt độ của hỗn hợp, thêm các dung môi hoặc muối để tăng hoặc giảm tỷ trọng của dầu so với nước. Dầu nặng có chứa nhiều asphalten. Như đã trình bày ở trên, đây là chất có tác dụng làm bền hệ nhũ tương. Quá trình khử hệ nhũ khó tránh việc tạo ra các giọt nước nhỏ. Chúng sẽ phân tán trong dầu và hình thành các hệ nhũ tương nước trong dầu. Quá trình này sẽ làm tăng độ nhớt của dầu. Quá trình khử hệ nhũ có thể được tiến hành bằng cách kết hợp nhiều phương pháp với nhau, như là: gia nhiệt, sử dụng các chất khử nhũ, dùng dung môi, thêm muối, điều chỉnh độ pH, áp dụng kỹ thuật trường điện từ, phân tách bởi dòng khí.  Tách dầu ra khỏi hệ nhũ tương Sự phá vỡ hệ nhũ để thu dầu thô có thể được tiến hành theo nhiều biện pháp. Một trong số đó là gia nhiệt hệ nhũ với vôi tôi để tách kiềm. Sau khi kiềm được tách ra, hệ dầu nước sẽ hình thành và dễ dàng tách nước ra khỏi dầu. Hệ nước được tách ra sau quá trình tách dầu khỏi hệ nhũ tương có chứa một lượng lớn NaOH. Lượng hóa chất này có thể được hoàn lưu trở lại để tiếp tục quá trình nhũ hóa lúc ban đầu. Lưu ý, dung dịch chứa NaOH có thể cần phải được khử khí, làm mềm hoặc trộn với nước nếu cần. Một phương pháp khác để tách kiềm ra khỏi nước là dùng nhựa trao đổi ion. Nhựa trao đổi ion có thể được tái sinh nhiều lần trước khi bỏ đi. Một biện pháp khác đơn giản hơn là sử dụng bọt khí CO2 để trung hòa dung dịch kiềm hydroxit. Đề Tài : Các Phương Pháp Vận Chuyển Dầu Nặng GVHD: Dương Thành Trung 17 II.2.2.2 Ưu điểm và nhược điểm  Ưu điểm: Phương pháp hình thành hệ nhũ tương dầu trong nước rất hiệu quả trong việc giảm độ nhớt của dầu mà không cần tiêu tốn nhiều năng lượng như phương pháp gia nhiệt. Có thể áp dụng phương pháp này cho nhiều loại dầu khác nhau. Nhược điểm: Sau khi tạo ra hệ nhũ tương cho quá trình vận chuyển, ta phải tiến hành khử hệ nhũ để hoàn nguyên tính chất của dầu thô ban đầu. Việc này gặp nhiều khó khăn và gây tốn kém. Tuy nhiên, hiện nay người ta đã có những nghiên cứu và ứng dụng hệ nhũ tương dầu – nước mà không cần phân tách sau khi tạo nhũ. Đề Tài : Các Phương Pháp Vận Chuyển Dầu Nặng GVHD: Dương Thành Trung 18 II.2.3 Phương pháp pha loãng Một phương pháp khác để giảm độ nhớt của dầu nặng giúp cho quá trình vận chuyển được dễ dàng là phương pháp pha loãng dầu nặng. Khác với phương pháp tạo hệ nhũ tương với nước, phương pháp pha loãng sử dụng dung môi là các hydrocacbon nhẹ. Dung môi thường được sử dụng là: condensate, gasoline và naphtha. Đây là phương pháp được sử dụng nhiều nhất cho quá trình vận chuyển dầu nặng. II.2.3.1 Dung môi Cho đến cuối thập niên 80, condensate được sử dụng làm dung môi pha loãng cho quá trình vận chuyển hầu hết dầu nặng của Canada. Có một số nhược điểm khi sử dụng condensate làm dung môi pha loãng, như sau: o Nguồn condesate hạn chế và tùy thuộc vào nguồn khí thiên nhiên. Trong những năm cuối thập niên 1980, người ta đã tiên đoán: lượng condensate khai thác không đủ để đáp ứng nhu cầu làm chất pha loãng dầu nặng khi sản lượng dầu nặng ngày càng tăng. o Hơn nữa, sản phẩm condensate không hiệu quả trong việc pha loãng asphaltene. Một lựa chọn khác để pha loãng dầu nặng là dùng dầu thô nhẹ. Độ API của những loại dầu thô này nên từ 350API đến 420API. Tuy nhiên, hiệu quả giảm trong việc giảm độ nhớt của dầu thô nhẹ không bằng condensate. Thêm vào đó, việc sử dụng dầu thô nhẹ cũng gặp phải nhược điểm bị giới hạn nguồn nguyên liệu như condensate. Một hạn chế khác của dầu thô nhẹ trong việc sử dụng làm dung môi pha loãng là tính tương thích của nó với asphaltene không cao. Naphtha có thể là sự thay thế tốt cho condensate. Độ API của naphtha cao nên rất hiệu quả trong việc pha loãng. Hơn thế, naphtha rất tương thích với asphaltene và có thể dễ dàng tái sử dụng. Sự pha loãng dầu nặng bởi naphtha luôn đi kèm với hệ thống hoàn lưu dung môi. Công nghệ này đã được ứng dụng ở Canada (Cold Lake và Lloydminster) và Venezuela. Đối với hỗn hợp hydrocacbon lỏng, bao gồm dầu thô và các phân đoạn khác, đường cong thành phần - độ nhớt thường đơn điệu (Hình 1-2). Thông thường Đề Tài : Các Phương Pháp Vận Chuyển Dầu Nặng GVHD: Dương Thành Trung 19 Đ ộ n h ớ t c ủ a d ầ u đ ư ợ c p h a l o ã n g ( c S ) độ nhớt chất pha loãng càng thấp thì độ nhớt của dầu được pha loãng càng thấp.Tỉ số độ nhớt giữa dầu nặng và dung môi thì rất quan trọng. Thông số này không thể được tính toán dựa trên các định luật pha trộn đơn giản. Vì vậy, tùy theo từng loại dầu nặng và loại dung môi được sử dụng, ta phải tiến hành các thí nghiệm để phân tích, đánh giá và tiên đoán độ nhớt của hỗn hợp sau khi pha loãng. Hình 2-4 là đồ thị thể hiện độ giảm độ nhớt của dầu thô theo hàm lượng của dung môi. Trục tung thể hiện độ nhớt của dầu thô sau khi pha loãng, trục hoành thể hiện phần thể tích của dung môi được sử dụng. Hình biểu diễn cho ba loại dầu có độ API khác nhau (80API, 120API và 160API). Dựa vào hình này, ta nhận thấy đường cong thể hiện sự giảm độ nhớt của dầu theo hàm lượng chất pha loãng có dạng hàm lũy thừa. Hình 2-4. Độ nhớt của dầu thô sau theo hàm lượng dung môi Phần thể tích của dung môi Việc sử dụng một số dung môi hữu cơ khác đã được một số nhà khoa học nghiên cứu. Ví dụ: Metyl-tert butyl-eter (MTBE) và tert-amyl metyl eter (TAME) đã được nghiên cứu trong phòng thí nghiệm như chất thay thế để pha loãng dầu nặng. Những dung môi này phần lớn được sử dụng trong xăng nhằm cải thiện chỉ số octan. Rượu (Alcohol), đặc biệt là pentanol, có hiệu quả cao bằng 2 lần kerozen trong việc giảm độ nhớt của dầu nặng. hiệu quả trong việc giảm độ nhớt của dầu nặng Đề Tài : Các Phương Pháp Vận Chuyển Dầu Nặng GVHD: Dương Thành Trung 20 bởi dung môi rượu được cho là do sự tương tác giữa nhóm hydroxyl và một số nhóm chức của asphaltene. I.2.3.2 Quy Trình Dầu nặng Pha trộn Vận chuyển bằng đường ống Tách dung môi Nhà máy lọc dầu Dung môi Dung môi hoàn lưu Dầu thô sau khi được pha trộn với dung môi sẽ được bơm vào hệ thống đường ống và vận chuyển đến các nhà máy. Việc pha trộn có thể được tiến hành trong các thiết bị, bồn bể hoặc ngay trên đường ống. Lượng dung môi được sử dụng có thể từ 25 – 50 % thể tích. Sau khi được vận chuyển đến nhà máy, dầu sẽ được phân tách khỏi dung môi. Sau đó, dung môi được hoàn lưu về hệ thống ban đầu; còn dầu đi vào nhà máy. I.2.3.3 Ưu điểm và nhược điểm  Ưu điểm Việc sử dụng dung môi không làm ảnh hưởng nhiều đến tính chất của dầu thô như phương pháp gia nhiệt và tạo hệ nhũ tương. Bên cạnh đó, dầu thô sau khi pha loãng với dung môi có thể được sử dụng như nhiên liệu cho nhà máy lọc dầu mà không cần phân tách.  Nhược điểm Thể tích dầu thô sẽ tăng lên khi được pha loãng với dung môi. Do đó, công suất vận chuyển cũng lớn hơn so với bình thường. Thông thường, để đạt điều kiện cho quá trình vận chuyển hàm lượng dung môi cần thiết khoảng 30% thể tích. Việc xây dựng các hệ thống hoàn lưu dung môi là cần thiết nếu chi phí dung môi quá cao. Khi đó, chi phí đầu tư cho hệ thống vận chuyển sẽ tăng mặc dù chi phí vận hành giảm Đề Tài : Các Phương Pháp Vận Chuyển Dầu Nặng GVHD: Dương Thành Trung 21 II.2.4 Phương pháp tạo dòng chảy tâm ống Đây là phương pháp vận chuyển dầu nặng dựa trên nguyên tắc giảm ma sát của dòng chảy giữa dầu nặng và thành ống bằng cách cho nó lướt trên một lớp đệm. Lớp đệm này là một lớp lưu chất có tác dụng như chất bôi trơn. Phương pháp này có thể khắc phục một số nhược điểm của các phương pháp trước, như là: biến tính của dầu trong phương pháp gia nhiệt và phương pháp tạo nhũ; tăng thể tích của dầu khi sử dụng phương pháp pha loãng. II.2.4.1 Core annular flow (CAF) CAF là dòng chảy của hai lớp lưu chất không tan lẫn vào nhau trong một đường ống; trong đó, lưu chất có độ nhớt cao sẽ tập trung ở phần tâm ống, lưu chất có độ nhớt thấp sẽ bao bọc xung quanh lưu chất có độ nhớt cao. Kỹ thuật này có tác dụng là giảm ma sát giữa lưu chất có độ nhớt cao và thành ống bằng cách bao bọc xung quanh nó một lớp lưu chất khác có độ nhớt thấp hơn. Lớp lưu chất này có tác dụng như là chất bôi trơn cho quá trình vận chuyển. Lưu chất được ứng dụng trong kỹ thuật này là các lưu chất newton. Kỹ thuật CAF được ứng dụng để vận chuyển dầu nặng. Khi đó, dầu sẽ nằm trong tâm ống và bao bọc xung quanh nó là một lưu chất có độ nhớt thấp hơn. Trên thực tế, nước thường được sử dụng cho quá trình này. CAF có tác dụng giảm ma sát dòng chảy của dầu nặng bằng cách tao ra một lớp đệm nước xung quanh nó. Hay nói cách khác, ma sát giữa dầu và thành ống được thay bằng ma sát giữa nước và thành ống. Trong dòng chảy lúc này có các loại ma sát, bao gồm: ma sát giữa các lớp dầu, giữa các lớp nước, giữa lớp dầu và nước, và ma sát giữa nước với thành ống. II.2.4.2 Hệ thống, thiết bị  Bộ phận tạo CAF Đề Tài : Các Phương Pháp Vận Chuyển Dầu Nặng GVHD: Dương Thành Trung 22 Hình 2-5. Bộ phận tạo dòng chảy tâm ống (Nguồn: Inlet Device for Introducing Water and Oil in a Pipeline – E. VERSCHUUR) Hình 2-5 là hình vẽ mặt cắt dọc của một bộ phận tạo ra dòng chảy tâm ống. Bộ phận này được đặt ở đầu đường ống vận chuyển. Nó gồm các phần như sau: 1 đường ống vận chuyển 2 ống dẫn nước 3 ống hình côn 4 ống trung tâm 5 bơm cung cấp dầu 7 bơm cung cấp nước 6 rãnh giữa giữa ống trung tâm và ống dẫn nước Dầu sẽ được bơm vào ống 4, còn nước đi vào rãnh 6 bởi bơm 7. Rãnh 6 được tạo ra bởi hai ống 2 và 6 đặt đồng trục. Ống côn 3 có tác dụng tạo môi trường chuyển tiếp, giúp dòng chảy không bị xáo trộn khi vào đường ống vận chuyển. Có nhiều yếu tố tác động đến dòng chảy của quá trình vận chuyển, như là: chênh lệch khối lượng riêng giữa dầu và nước, độ nhớt của dầu, tốc độ bơm.  Hệ thống tách dầu và nước tại các trạm bơm Đối với hệ thống đường ống dài, các trạm bơm luôn được bố trí dọc theo đường ống. Nhiệm vụ của chúng là cung cấp năng lượng cho dòng chảy. Năng lượng này bị mất do ma sát trong quá trình vận chuyển. Một điều đáng lưu ý là: khi dòng chảy tâm ống đi vào các máy bơm, chúng sẽ bị xáo trộn. Nếu nước được sử dụng thì hệ nhũ tương nước trong dầu sẽ hình thành. Khi đó, nó sẽ làm tăng độ nhớt của dầu nặng. Do đó, dầu và nước phải được tách ra trước khi đi vào máy bơm. Đề Tài : Các Phương Pháp Vận Chuyển Dầu Nặng GVHD: Dương Thành Trung 23 Hình 2-6. Hệ thống tách dầu và nước tại các trạm bơm Hình 2-6 biểu diễn sơ đồ nguyên lý hệ thống tách dầu và nước tại các trạm bơm. Đường ống số 11 chạy giữa hai trạm bơm 12 và 13. Các trạm bơm này được bố trí theo từng đoạn dọc chiều dài đường ống. Hai trạm bơm này hoàn toàn giống nhau về cấu tạo và chức năng. Mỗi trạm bơm được bố trí các bộ phận dùng để cung cấp và tách nước. Bộ phận được gắn trên đầu hút của bơm có tác dụng tách nước từ đường ống (18 và 19). Bộ phận trên đầu đẩy có nhiệm vụ cung cấp nước cho quá trình vận chuyển (16 và 17). Cấu tạo chi tiết các bộ phận này được trình bày ở Hình 2-7. Hình 2-7. Bộ phận tách và cung cấp nước (Nguồn:Method and Apparatus for Lubricating Pipelines – E.G. CHITON ET AL) Hình 2-7 trình bày bản vẽ mặt cắt dọc của bộ phận tách nước và cung cấp nước. Đề Tài : Các Phương Pháp Vận Chuyển Dầu Nặng GVHD: Dương Thành Trung 24 Phần quan trọng nhất của hai bộ phận này là khe 23 và 27. Các khe này là cửa ngõ để nước đi vào và đi ra khỏi dòng chảy. Cấu tạo và kích thước của chúng ảnh hưởng rất lớn đến khả năng tạo ra lớp màng nước cho quá trình vận chuyển. II.2.4.3 Ưu điểm và nhược điểm  Ưu điểm Tính chất của dầu không bị thay đổi nhiều so với phương pháp gia nhiệt và nhũ tương hóa. Không cần bố trí thêm các đường ống phụ bên cạnh đường ống chính nên chi phí đầu thư thấp.  Nhược điểm Khó vận hành, nhất là lúc khởi động hệ thống. Việc tạo nên dòng chảy tâm ống đòi hỏi người vận hành phải có kinh nghiệm vì dầu luôn có xu hướng bám vào thành ống hơn là nằm ở tâm của dòng chảy. II.2.5 Phương pháp dùng dòng hơi nước áp lực cao Đây là phương pháp sử dụng dòng hơi nước áp lực cao để gia nhiệt cho dầu thô. Dòng nhiệt này có tác dụng nâng cao nhiệt độ của dầu và từ đó giúp giảm độ nhớt của dầu. Dầu có độ nhớt thấp sẽ được vận chuyển một cách dễ dàng bằng đường ống. Kỹ thuật sử dụng dòng hơi nước có tác dụng rất lớn trong việc nâng cao nhiệt độ của dầu thô nặng. Với một lượng nhỏ dòng hơi nước cũng có thể làm tăng nhiệt độ của dầu đến mức cần thiết bởi vì dòng hơi nước có nhiệt lượng lớn và sự trao đổi nhiệt trực tiếp giữa hai dòng lưu chất. Máy bơm phun được thiết kế đặc biệt sao cho quá trình trao đổi được diễn ra với hiệu suất cao nhất (bao gồm: năng lượng, động lượng và vật chất). II.2.5.1 Một cải thiện so với phương pháp gia nhiệt truyền thống Dầu nặng có độ nhớt quá cao nên khó có thể vận chuyển bằng đường ống. Để có thể tiến hành vận chuyển bằng đường ống, độ nhớt của dầu nên nhỏ hơn 2x103 Đề Tài : Các Phương Pháp Vận Chuyển Dầu Nặng GVHD: Dương Thành Trung 25 (mPas). Như đã biết, độ nhớt của dầu giảm theo nhiệt độ. Hàm số độ nhớt của dầu theo nhiệt độ là một hàm lũy thừa và nghịch biến. Do đó, phương pháp gia nhiệt thường được sử dụng để giúp dầu có thể được vận chuyển bằng đường ống. Tuy nhiên, phương pháp gia nhiệt thông thường không hiệu quả và tiêu tốn năng lượng. Các nhà khoa học đã tìm ra một phương pháp để gia nhiệt cho dầu nặng với hiệu suất cao. Đó là phương pháp sử dụng máy bơm phun. Một hệ thống bơm phun được sử dụng để gia nhiệt cho dầu nặng. Hơi nước ở trạng thái bão hòa sẽ được bơm và phun với áp lực rất lớn vào dầu. Sau khi tiếp xúc với dầu, dòng hơi nước sẽ chuyển pha và thải ra một lượng nhiệt rất lớn. Lượng nhiệt này có tác dụng gia nhiệt cho dầu. Theo phương pháp này, sự trao đổi nhiệt diễn ra một cách trực tiếp nên hiệu quả truyền nhiệt sẽ rất lớn. Đây chính là ưu điểm của phương pháp này so với cách gia nhiệt truyền thống. II.2.5.2 Máy bơm phun Máy bơm phun gồm ba đường ống đặt đồng trục: ống bên trong, ống ở giữa và ống bên ngoài. Khoảng không gian giữa ống bên trong và ống ở giữa dùng để gia nhiệt. Còn, khoảng không gian giữa ống ở giữa và ống bên ngoài có tác dụng ổn định nhiệt độ cho phần bên trong. Hai khoảng không gian này đều được nối với dòng hơi bão hòa. Hình 2-8. Máy bơm phun Đề Tài : Các Phương Pháp Vận Chuyển Dầu Nặng GVHD: Dương Thành Trung 26 Khoảng không gian giữa đường ống bên ngoài và ở giữa : có tác dụng ổn định nhiệt độ cho phần bên trong. Dòng hơi đi vào đây sẽ chạy dọc theo đường ống theo một cấu trúc hình xoắn ốc bao bọc thành ngoài của đường ống ở giữa. Dòng hơi nước này có tác dụng gia nhiệt cho phần đường ống ở giữa và bên trong nó nên giúp giảm mất mát nhiệt cho quá trình gia nhiệt dầu nặng. Cấu trúc xoắn ốc có tác dụng tăng thời gian lưu của dòng hơi khi di chuyển trong đường ống nên giúp quá trình truyền nhiệt diễn ra hiệu quả hơn. Khoảng không gian giữa đường ống ở giữa và đường ống bên trong: là phần được sử dụng để gia nhiệt cho dầu – khu vực gia nhiệt. Hơi nước sẽ được bơm vào khu vực gia nhiệt và tạo ra sự chênh lệch áp suất giữa khu vực gia nhiệt và bên trong đường ống chứa dầu. Tỉ lệ áp suất giữa hai khu vực này có thể đến giá trị tới hạn – độ chênh lệch áp suất mà tốc độ của dòng lưu chất bằng với tốc độ âm thanh. Trên thành của đường ống bên trong có các miệng vòi để dòng hơi bão hòa đi qua. Khi sự chênh lệch áp suất đủ lớn, dòng hơi nước sẽ được phun vào dòng dầu qua các miệng vòi. Sự trao đổi nhiệt sẽ diễn ra trực tiếp giữa dầu và dòng hơi nước bão hòa ngưng tụ. Thông số chính của thiết bị là lưu lượng dòng hơi đi qua miệng vòi. Thông số này tùy thuộc vào kích thước miệng vòi và đô chênh lệch áp suất của hai khu vực. Theo những nghiên cứu đã được tiến hành bởi Simpson và Chan: kích thước của miệng vòi càng nhỏ thì quá trình trao đổi nhiệt diễn ra càng hiệu quả. Tuy nhiên, khi đó độ tổn thất áp suất qua miệng vòi sẽ rất lớn. II.2.5.3 Thời gian gia nhiệt và lượng hơi nước được sử dụng  Thời gian gia nhiệt Đây là một trong những yếu tố quyết định tính hiệu quả của phương pháp. Nếu thời gian gia nhiệt kéo dài thì tính hiệu quả của phương pháp sẽ không còn. Khi đó, chi phí vận hành hệ thống sẽ tăng. Để giảm thời gian gia nhiệt, người ta sử dụng một hệ thống gồm nhiều bơm phun. Các bơm phun này được lắp đặt nối tiếp với nhau, dọc theo chiều dài của đường ống. Xem Hình 2-9 Đề Tài : Các Phương Pháp Vận Chuyển Dầu Nặng GVHD: Dương Thành Trung 27 Hình 2-9. Hệ thống gia nhiệt gồm nhiều máy bơm phun (Nguồn: A New Technique of Oil Transportation in Pipeline by Steam Injection – Lai Yingxu) Chú thích: 1 – cảm biến áp suất 2 – cảm biến nhiệt độ 3 – bơm phun 4 – van một chiều 5 – van điều áp  Lượng hơi nước được sử dụng Chi phí của quá trình gia nhiệt phụ thuộc nhiều và lượng nước được sử dụng. Đây cũng là một yếu tố quan trọng quyết định tính kinh tế của hệ thống gia nhiệt. Vấn đề đặt ra là làm thế nào để tối thiểu lượng hơi nước được sử dụng mà hệ thống gia nhiệt vẫn hoạt động hiệu quả. Lượng hơi nước được sử dụng quyết định lưu lượng và tốc độ của nó. Từ đó, nó ảnh hưởng đến hệ số truyền nhiệt của quá trình. Theo kết quả thí nghiệm của Simpso và Chan, hệ số truyền nhiệt của quá trình tăng theo tốc độ của dòng hơi đi qua miệng vòi. Cụ thể, đối với quá trình có tốc độ dòng hơi nhỏ hơn tốc độ âm thanh và quá trình có tốc độ dòng hơi bằng tốc độ âm thanh thì hệ số truyền nhiệt sẽ chênh lệch nhau từ 5 đến 10 lần. Như vậy, hệ thống nên được vận hành ở tốc Đề Tài : Các Phương Pháp Vận Chuyển Dầu Nặng GVHD: Dương Thành Trung 28 độ dòng hơi bằng với tốc độ âm. Có thể điều chỉnh tốc độ này bằng cách thay đổi áp suất của dòng hơi. Lượng hơi nước cần thiết có thể được tính toán bằng các phương trình thực nghiệm hoặc phương trình cân bằng năng lượng và vật chất. Dù tính toán trên lý thuyết hoặc đo đạc từ thực tế thì lượng nước cần thiết để tăng nhiệt độ của dầu lên 300C cũng không lớn hơn 8%. II.2.5.4 Khởi động lại hệ thống Bởi vì nhiều lí do mà hệ thống phải dừng hoạt động. khi đó, dầu trong đường ống sẽ tràng qua các miệng vòi và đi vào khu vực gia nhiệt. Tại đây, chúng sẽ tiếp tục đi đến các ống dẫn hơi và làm ngẹt ống. Việc bố trí các van một chiều là rất cần thiết trong những trường hợp này. Chúng sẽ làm nhiệm vụ ngăn cản dòng dầu chảy vào các ống dẫn hơi để tránh làm ngẹt các ống dẫn này. Khi nhiệt độ môi trường quá thấp (nhỏ hơn nhiệt độ đóng băng của dầu) thì dầu sẽ bị đóng lại thành dạng gel. Để phá vỡ hệ gel này, ta phải vận hành hệ thống ở áp suất lớn hơn áp suất vận hành thông thường. Đầu tiên, dòng hơi bão hòa sẽ được đưa vào nhằm làm tan chảy phần dầu nằm trong phần gia nhiệt. Sau đó, áp suất dòng hơi sẽ được tăng lên đển đẩy lượng dầu này ra khỏi phần gia nhiệt cùng với dòng hơi. Việc khởi động lại hệ thống trong những điều kiện này sẽ tiêu tốn nhiều năng lượng hơn so với điều kiện vận hành thông thường. II.3 Kết luận Nhìn chung, mỗi phương pháp vận chuyển đều có những ưu điểm và nhược điểm riêng. Hiệu quả của quá trình vận chuyển tùy thuộc vào từng điều kiện cụ thể và đặc điểm của từng phương pháp. Chi phí đầu tư và vận hành cho các hệ thống này rất cao. nó chiếm một phần không nhỏ trong chi phí của dầu thô nặng. Việc cải thiện các phương pháp vận chuyển hiện có và tìm ra những phương pháp vận chuyển mới hiệu quả hơn là cần thiết để giảm thiểu chi phí cũng như tác hại đối với môi trường. Đề Tài : Các Phương Pháp Vận Chuyển Dầu Nặng GVHD: Dương Thành Trung 29 TÀI LIỆU THAM KHẢO - A. Saniere, I. Hénaut and J.F. Argillier, “Pipeline Transportation of Heavy Oils, a Strategic, Economic and Technological Challenge”, Oil & Gas Science and Technology – Rev. IFP, Vol. 59 (2004), No. 5, pp. 455-466 - D. Langevin, S. Poteau, I. Hénaut and J.F. Argillier,” Crude Oil Emulsion Properties and their Application to Heavy Oil Transportation”, Oil & Gas Science and Technology – Rev. IFP, Vol. 59 (2004), No. 5, pp. 511-521 - D.X. WU, C.F. ZHANG, “Technology and Practice of Super-Heavy Oil PipelineTransportation”, World Heavy Oil Conference Paper 2006-460. - E. G. Chilton et al., “Method and Apparatus for Lubricating Pipelines”, United States Patent 2821205 – Jan 28, 1958. - E. Verschuur, “Inlet Device for Introducing Water and Oil In a Pipeline”, United States Patent 3502103 – March 24, 1970. - P. Gateau , I. Hénaut, L. Barré and J.F. Argillier, “Heavy Oil Dilution”, Oil & Gas Science and Technology – Rev. IFP, Vol. 59 (2004), No. 5, pp. 503-509. - P.L.J. ZITHA, “Core-Annular Flow of Heavy Oil and Herschel-Bulkley Fluids in Straight and Slowly-Varying Tubes”, World Heavy Oil Conference Paper 2006- 684. - Kessick et al., “Pipeline Transportation of Heavy Crude Oil”, United States Patent 4343323 - Aug. 10, 1982. - Lai Ying-xu , Zheng Zhi-chu , Shi Zai-hong , Wu Ying-xiang, “A New Technique of Oil Transportation in Pipeline by Steam Injection”, Journal of Hydrodynamics , Se r . B ,4 (2002) ,1 – 6. - Zagustin et al., “Core – Annular Flow Process”, United States Patent 4753261 – Jun. 28, 1988. Đề Tài : Các Phương Pháp Vận Chuyển Dầu Nặng GVHD: Dương Thành Trung 30 . Đề Tài : Các Phương Pháp Vận Chuyển Dầu Nặng GVHD: Dương Thành Trung 31 Đề Tài : Các Phương Pháp Vận Chuyển Dầu Nặng GVHD: Dương Thành Trung 32