B. NỘI DUNG LUẬN ÁN
3.4.1. Ảnh hưởng của nồng độ phụ gia đến nhiệt độ đông đặc dầu thô Diamond
Hệ phụ gia chế tạo từ polyme OP 01 (BK 0102) theo phương pháp đã được đưa ra trong phần thực nghiệm. Phụ gia BK 0102 này sẽ được sử dụng ở các nồng độ khác nhau khi bổ sung cho dầu thô mỏ Diamond. Bên cạnh phụ gia BK 0102, hai loại phụ gia thương mại có tác dụng hạ điểm đông đặc cho dầu thô kí hiệu là VX-7484 và PAO 83363 cũng được sử dụng để so sánh hiệu quả. Kết quả khảo sát ảnh hưởng của nồng độ sử dụng các phụ gia đến nhiệt độ đông đặc của dầu thô mỏ Diamond được đưa ra trong Bảng 3.10.
Bảng 3.10. Nhiệt độ đông đặc của dầu thô mỏ Diamond trước và sau khi được xử lý với BK 0102 và các phụ gia thương mại khác ở các nồng độ khác nhau
Nồng độ, ppm Nhiệt độ đông đặc của dầu thô Diamond, oC
BK 0102 VX-7484 PAO 83363 0 (Mẫu trắng) 36 36 36 1000 27 30 33 1250 24 30 30 1500 21 27 27 1750 21 24 27 2000 21 24 27
Kết quả cho thấy, phụ gia BK 0102 có hiệu quả giảm nhiệt độ đông đặc cho dầu thô Diamond tốt hơn nhiều so với các hóa phẩm thương mại VX-7484 của Nalco và PAO 83363 của Baker Petrolite. Điểm đông đặc của dầu đã giảm từ 36°C xuống 21°C ở nồng độ 1500 ppm, tức là đã giảm được 15oC.
Ngoài các nguyên nhân về độ dài mạch polyme phù hợp và độ đồng đều cao, còn một nguyên nhân quan trọng làm giảm mạnh nhiệt độ đông đặc của dầu thô, đó là do cấu trúc mạch cacbon của polyme: polyme OP 01 có rất nhiều mạch nhánh hydrocacbon đan xen. Nếu số lượng các mạch nhánh này càng nhiều, khi được cài vào khung tinh thể parafin trong dầu thô sẽ làm thay đổi quy luật kết tinh và ức chế việc phát triển của tinh thể trong không gian ma trận. Nói cách khác sự có mặt của phụ gia BK 0102 sẽ ngăn cản việc kết tinh và phát triển parafin thành các mảng tinh thể lớn
[74, 83, 89].
Từ các kết quả trên có thể thấy, nồng độ thích hợp của dung dịch phụ gia sử dụng cho dầu thô mỏ Diamond nên là 1500 ppm, thay vì 2000 ppm như trong các thử nghiệm trước đó (do nếu sử dụng 2000 ppm thì hiệu quả cũng chỉ bằng khi sử dụng 1500 ppm mà lại tiêu tốn lượng lớn phụ gia).
Cơ chế làm giảm nhiệt độ đông đặc của phụ gia BK 0102
Mặc dù các cơ chế chính xác của phụ gia giảm nhiệt độ đông đặc (PPD) hoặc các chất ức chế sáp là không rõ ràng, nhưng các hợp chất này được biết đến là có khả
năng thay đổi hình thái (hình dạng và kích thước) của tinh thể sáp thông qua sự tương tác với sáp parafin, hạn chế xu hướng hình thành mạng không gian ba chiều của tinh thể sáp [74, 83, 89]. Hệ quả là đặc tính lưu biến và nhiệt độ đông đặc của dầu thô được cải thiện. Dựa trên quan điểm của các nhà khoa học trong lĩnh vực này [tác giả 74, 89] và hiệu quả cụ thể trong nghiên cứu luận án, có thể đưa ra một số giải thích về cơ chế giảm nhiệt độ đông đặc của dầu thô do các nguyên nhân như sau:
*Do sự cản trở không gian dẫn đến giảm kích thước tinh thể
Tại nhiệt độ lớn hơn nhiệt độ xuất hiện sáp (wax appearance temperature – WAT), phụ gia giảm nhiệt độ đông đặc tự sắp xếp thành các bó giống như các bó mixen của các chất HĐBM, với lõi là các tinh thể được bao quanh bởi các nhánh kị nước [74, 83, 89], chính là các trung tâm có ái lực với sáp. Các trung tâm này dễ dàng tương tác với thành phần sáp trong dầu thô thông qua lực Van der Waals, do sáp parafin và phần nhánh ankyl của phụ gia đều không phân cực [17, 20, 75, 101, 110]. Lõi tinh thể bị án ngữ không gian bởi các nhánh kị nước nên giảm thiểu hiệu ứng quá bão hòa và làm giảm tốc độ phát triển tinh thể và thúc đẩy sự hình thành các tinh thể sáp có kích thước nhỏ. Sự giảm kích thước tinh thể sáp thúc đẩy sự ức chế kết tinh và mang lại tính lưu biến tốt hơn cho dầu.
*Do sự hấp phụ và đồng kết tinh
Khi nhiệt độ xấp xỉ hoặc dưới WAT, nhiều loại PPD sẽ đồng kết tinh với các phân tử sáp hoặc hấp phụ lên bề mặt tinh thể sáp đang phát triển. Sự tham dự của PPD vào các tinh thể sáp sẽ làm gián đoạn sự phát triển bình thường của nó, ức chế sự lắng đọng sáp và cải thiện đặc tính dòng chảy [17, 20, 75, 101, 110]. Kết quả cho thấy khi
PPD hấp phụ và đồng kết tinh lên bề mặt một tinh thể sáp đang phát triển bình thường, sự phát triển này bị hạn chế do hiệu ứng chiếm chỗ và buộc phải chuyển hướng sang các mặt tinh thể bất lợi hơn. Trong nhiều trường hợp, hình thái tinh thể sáp biến đổi từ dạng đĩa phẳng sang dạng hình cầu [17, 20, 75, 101, 110], điều này dẫn đến hạn chế sự đông đặc.
*Do sự hòa tan
Tại nhiệt độ cao hơn so với WAT, các chất PPD có thể tương tác hiệu quả với sáp hòa tan trong dầu nhờ lực Van der Waals giữa các mạch parafin và nhánh ankyl của PPD. Sự hòa tan của sáp parafin trong dầu đôi khi được tăng cường với sự có mặt của PPD, làm giảm WAT. Tuy vậy, hiệu ứng hòa tan không thể giảm lượng sáp lắng đọng, và do đó sự giảm WAT cũng được ghi nhận là khá hạn chế.
Có thể thấy rằng, dưới tác động của PPD, hình thái tinh thể sáp bị thay đổi khiến chúng khó liên kết với nhau tạo để tạo thành mạng lưới không gian ba chiều-tức là kết tụ với nhau để tạo thành phân tử lớn, có kích thước cồng kềnh, qua đó cải thiện đặc tính lưu biến cũng như giảm nhiệt độ đông đặc của dầu thô.
Sáp parafin lắng đọng gồm các thành phần như hydrocacbon no, thơm, các phân tử phân cực và asphalten. Tương quan giữa các thành phần này thay đổi theo nhiệt độ. Sự lắng đọng nếu xảy ra ở nhiệt độ cao hơn nhiệt độ đông đặc của dầu thô, sáp sẽ chứa các thành phần có khối lượng phân tử cao, hàm lượng asphalten lớn. Nếu sự lắng đọng xảy ra ở nhiệt độ thấp hơn, thành phần lắng đọng chủ yếu có khối lượng phân tử thấp và các chất bão hòa [5, 57, 63, 96, 111, 116].
Phụ gia sẽ tương tác tốt với phần parafin trong dầu khi độ dài mạch ankyl của nó tương thích với parafin. Chuỗi ankyl trong phụ gia có độ dài càng lớn thì độ tan của phụ gia trong dầu tăng theo làm gia tăng sự tương tác giữa phụ gia và dầu. Vì vậy, việc cải thiện khả năng chảy của dầu phụ thuộc vào sự tương thích của chuỗi ankyl với thành phần parafin trong dầu.
Các nghiên cứu cho thấy PPD không có tác dụng chống lại lắng đọng parafin mà chỉ chuyển hướng lắng đọng xuống nhiệt độ thấp hơn. Theo Wuhua Chen và cộng sự [29], parafin chủ yếu kết tinh theo cấu trúc trực thoi (orthorhombic). Khi tạo gel trong dung môi, cấu trúc mạng của parafin biến đổi thành dạng lục phương (hexagonal). PPD thúc đẩy sự phát triển của các mặt phẳng trong hệ lục phương, các phần tử phụ gia có tác dụng cung cấp năng lượng cần thiết để các phân tử parafin kết tinh ở dạng năng lượng cao này. Hiện tượng này cũng được lý giải khi Zhang Fusheng tiến hành nghiên cứu tương tác giữa parafin và PPD bằng phổ hồng ngoại. Kết quả cho thấy sau khi mẫu được xử lý bằng PPD, các tỷ lệ pic hấp phụ tương ứng với các nhóm liên kết CH2, CH3
tăng lên đáng kể. Hiện tượng này cho thấy cấu trúc của tinh thể parafin biến đổi từ dạng trực thoi sang dạng lục phương.
Việc lựa chọn PPD cho dầu thô phụ thuộc vào tính chất của dầu. Hiệu quả của phụ gia sử dụng phụ thuộc vào hàm lượng parafin rắn cũng như hàm lượng các chất nhựa, asphalten trong dầu. Do vậy, để lựa chọn phụ gia thích hợp cần phải nghiên cứu, khảo sát thành phần dầu thô.