2.3.1. Tách dầu thô có bọt
Khi áp suất giảm tới một mức độ nào đó, những bọt khí được bao bọc bởi một lớp dầu mỏng khi có khí hoà tan trong dầu. Điều này gây nên hiện tượng bọt, váng hoặc bị tán xạ lơ lửng trong dầu và tạo nên những chất gọi là bọt dầu. Độ nhớt và sức căng bề mặt của dầu có thể giữ khí trong dầu và gây tạo bọt trong dầu. Dầu thô sẽ dễ dàng tạo bọt khi:
• Tỷ trọng API <400 API
• Nhiệt độ làm việc<1600 F
• Dầu thô có độ nhớt >53 Cp.
Bọt dầu sẽ làm giảm đáng kể năng suất bình tách bởi vì thời gian lưu giữ cần thiết để tách hết lượng bọt trong dầu thô càng dài. Dầu chứa bọt không thể đo chính xác bằng đồng hồ hay bình đo thể tích theo một quy ước nào đó. Những khó khăn kết hợp với sự tách không hoàn toàn dầu khí để nhấn mạnh sự cần thiết cho các phương pháp và thiết bị đặc biệt trong xử lý bọt. Có nhiều kiểu bình đặc biệt để thiết kế xử lý bọt. Sự khuấy nhẹ chất lưu, hỗ trợ trong việc tách khí khỏi dầu và làm vỡ bọt khi dòng chảy đi qua thiết bị đầu vào. Những cái đĩa khử bọt được lắp đặt từ cuối đầu vào tới cuối đầu ra của bình tách, chúng được đặt cách nhau 4 inch tạo thành một hình chóp ở tâm theo chiều đứng của bình. Những đĩa này được nhúng trong dầu, hỗ trợ cho việc khuấy khí không hoà tan trong dầu và làm vỡ bọt khí trong dầu. Những đĩa trên bề mặt phân cách dầu khí thuộc phần chứa khí của bình dùng để lọc các hạt chất lỏng từ khí và làm vỡ những bọt còn lại trong khoang chứa khí của bình. Màng ngăn dạng luới dày 6 inch đặt ở cửa ra của khí lọc tiếp phần sương dầu còn lại trong khí và làm vỡ những bọt dầu còn sót laị trong đó. Bình tách đứng hình (2.5) được dùng để xử lý bọt dầu thô. Khi dầu chảy xuống đĩa thì bọt bị biến dạng và vỡ ra. Kiểu này có thể tăng hiệu suất của bình tách trong xử lý bọt dầu từ 10-15%. Những nhân tố chính trong việc hỗ trợ làm vỡ những bọt dầu là khuấy, nung nóng, hoá chất và lực ly tâm. Những nhân tố này cũng được dùng để tách khí sủi bọt trong dầu. Những kiểu bình tách sử dụng trong việc xử lý bọt dầu thô vừa được cải tiến, chúng được sản xuất ở nhiều nơi khác nhau và một số bình được thiết kế cho những ứng dụng riêng.
2.3.2 Lắng đọng paraffin
Parafin lắng đọng trong thiết bị tách làm giảm hiệu suất tách của thiết bị và nó có thể lắng đọng cục bộ trong bình cản trở hoạt động của màng chiết.
Để loại trừ ảnh hưởng của parafin lắng đọng có thể dùng hơi nóng hoặc dung môi hoà tan hoàn toàn parafin.
Giải pháp tốt nhất là ngăn cản sự lắng đọng ban đầu của nó bằng nhiệt hay hoá chất. Một phương pháp khác là phủ bọc bên trong của bình một lớp nhựa (phù hợp mọi thời điểm). Độ nặng của parafin sẽ làm cho nó rơi khỏi bề mặt trước khi tụ lại một lớp dày đến mức gây hại.
2.3.3 Cát, bùn, cặn khoan, muối và các tạp chất khác
Nếu dòng chất lưu đi lên chứa một lượng đáng kể cát và các vật liệu khác thì cần phải loại bỏ chúng trước khi đưa chúng vào đường ống. Những hạt cát vừa với số lượng nhỏ có thể loại bỏ bằng lắng đọng trong bình đứng với một cái phễu dưới đáy và loại bỏ chúng theo định kỳ. Muối có thể loại bỏ chúng bằng cách cho thêm nước vào trong dầu và khi muối hoà tan thì nước được tách khỏi dầu và được xả ra ngoài
2.3.4 Chất lỏng ăn mòn
Chất lỏng trong giếng có chứa các tạp chất gây ăn mòn, sự ăn mòn này có thể gây ngưng hoạt động của bình tách. Chất lưu trong giếng dễ gây rỉ sét nhất là nước và H2S,CO2. Hai loại khí này có thể tồn tại trong bình tách với số lượng lớn từ 40-50% thể tích khí. Trong khí tự nhiên có chứa một hàm lượng nước nào đó, hàm lượng này có thể thấp hơn hoặc cao hơn mức bão hoà. Sự tạo thành nước tự do cùng với sự giảm áp suất và nhiệt độ sẽ tạo thành hydrat nếu nhiệt độ thấp hơn nhiệt độ hydrat. Mặt khác, khi nước lắng xuống phần dưới của ống làm giảm diện tích chảy của khí và làm rỉ sét đường ống vì nước là chất gây rỉ mạnh. Khí chua (khí có chứa H2S ) gây rỉ sét khi gặp nứơc trong đường ống, hơn nữa khi cháy nó tạo thành SO rất độc. Trong khí có CO nhưng không hại bằng H2S, và cũng có đặc tính rỉ sét khi có sự hiện diện của nước. Nó là khí không cháy được nên nó làm giảm nhiệt lượng của khí tự nhiên và càng nghiêm trọng nếu lượng nước lớn.
2.4 Cấu tạo và nguyên lý hoạt động chung của bình tách2.4.1 Cấu tạo chung của bình tách 2.4.1 Cấu tạo chung của bình tách
Hình 2.6. Sơ đồ bình tách 2 pha trụ đứng Chú thích:
1- Đường vào của hỗn hợp; 5- Bộ phận chiết sương;
2- Tấm lệch dòng; 6- Đường xả khí;
3- Thiết bị điều khiển mức; 7- Van an toàn;
4- Đường xả chất lỏng;
2.4.1.1 Bộ phận tách cơ bản A
Được lắp đặt trực tiếp ở cửa vào đảm bảo nhiệm vụ tách khí ra khỏi dầu, tức là giải phóng được các bọt khí tự do. Hiệu quả làm việc phụ thuộc vào cấu trúc đường vào.
a. Theo nguyên tắc hướng tâm
Hình 2.7. Tách cơ bản kiểu cửa vào hướng tâm Chú thích:
1- Thành bình; 4- Vòi phun;
2- Đoạn ống đục lỗ; 5- Đường vào của hỗn hợp;
3- Tấm chặn; 6- Lỗ thoát chất lỏng;
Phải tạo được các va đập, thay đổi hướng và tốc độ chuyển động. Hỗn hợp phải được phân tán, tạo rối qua các vòi phun và đập vào các tấm chặn để thực hiện quá trình tách cơ bản.
Hỗn hợp sản phẩm khai thác theo đường số 5 vào ống phân tán, qua các vòi phun số 4 được tăng tốc và đập vào các tấm chặn số 3 làm đổi chiều chuyển động và giảm tốc độ thoát qua khe hở giữa các tấm chặn. Khí bay lên phần cao. Còn chất lỏng phần lớn bám vào các tấm chặn, kết dính và đi xuống bộ phận tách thứ cấp theo các lỗ thoát số 6.
b. Theo nguyên tắc ly tâm
Hình 2.8. Tách cơ bản bằng lực ly tâm 1. Cửa vào hỗn hợp;
2. Cửa vào kiểu ly tâm; 3. Thiết bị tách thứ cấp dung lực ly tâm; 4. Đầu nối của van an toàn;
5. Đường khí ra; 6. Ống gom khí;
7. Đường dầu ở bậc thứ cấp;
8. Thiết bị nối với bộ điều khiển mức; 9. Bộ phận tách thứ cấp;
10. Đường ra của chất lỏng; 11. Đường xả;
Phương án phổ biến là bố trí cửa vào theo hướng tiếp tuyến với thành bình. Thường được thiết kế bởi 2 ống hình trụ đồng tâm. Dòng sản phẩm hỗn hợp sẽ đi vào khoảng không gian giữa 2 ống theo hướng tiếp tuyến với thành ống. Dầu có xu hướng bám dính vào thành ống.
• Đối với bình trụ đứng: bộ phận tách cơ bản là 2 ống hình trụ
đồng tâm có đường kính không thay đổi. Ống trong có rãnh kiểu nan chớp. Khi dòng hỗn hợp sản phẩm khai thác đi vào theo hướng tiếp tuyến với thành ống và chuyển động theo quỹ đạo xoắy. Do khí có lực ly tâm nhỏ hơn sẽ đi vào ống hình trụ bên trong qua các màng chớp và thoát lên trên. Còn dầu có lực ly tâm lớn hơn sẽ văng ra và bám vào thành trong của ống hình trụ bên ngoài, kết dính lại và lắng xuống dưới đến bộ phận tách thứ cấp.
• Đối với bình trụ ngang: sử dụng 2 ống hình trụ đồng tâm, ống
hình trụ bên trong có đường kính thay đổi. Dòng hỗn hợp sẽ đi vào theo hướng rãnh xoắn ốc để tạo lực ly tâm để dễ dàng phân ly dầu - khí.
• Ngoài ra còn tách sơ bộ bằng đầu xoắy lốc thuỷ lực.
2.4.1.2 Bộ phận tách thứ cấp B
Là phần lắng trọng lực, thực hiện tách bổ sung các bọt khí còn sót lại ở phần A chưa tách triệt để. Để tăng hiệu quả tách các bọt khí ra khỏi dầu, cần hướng các lớp mỏng chất lưu theo các mặt phẳng nghiêng (tấm lệch dòng), phía trên có bố trí các gờ chặn nhỏ, đồng thời phải kéo dài đường chuyển động bằng cách tăng số lượng các tấm lệch dòng.
2.4.1.3 Bộ phận lưu giữ chất lỏng C
Là phần thấp nhất của thiết bị dùng để gom dầu và xả dầu ra khỏi bình tách. Dầu ở đây có thể là một pha hoặc hỗn hợp dầu - khí tuỳ thuộc vào hiệu quả làm việc của phần A và phần B, vào độ nhớt và thời gian lưu giữ. Trường hợp hỗn hợp thì phần này có nhiệm vụ lắng để tách khí, hơi ra khỏi dầu. Ở thiết bị 3 pha, nó còn có chức năng tách nước.
2.4.1.4 Bộ phận chiết sương D
Là bộ phận được lắp ráp ở phần cao nhất của thiết bị nhằm giữ lại các giọt dầu nhỏ bị cuốn theo dòng khí. Dầu thu giữ ở đây thì theo đường tháo khô chảy trực tiếp xuống phần lưu giữ chất lỏng.
Gồm 3 ống hình trụ đồng tâm, có lỗ thoát khí ở phía trên cao nhất và thấp nhất của trụ để hướng dòng khí đi lên xuống với trị số tốc độ khác nhau ở mỗi ống hình trụ trước khi ra đầu xả. Các giọt dầu bám vào thành ống sẽ chảy xuống phần lắng.
- Ưu điểm: chế tạo đơn giản, giá thành thấp và quá trình tách nhanh. - Nhược điểm: tách các bụi dầu ra khỏi dòng khí không triệt để.
• Bộ phận chiết sương kiểu nan chớp:
Hình 2.9. Bộ chiết sương kiểu nan chớp
Bao gồm các tấm uốn lượn sóng và các tấm đục lỗ sau khi qua bộ phận tách cơ bản ở đầu vào, khí bay lên đi vào chi tiết gồm các tấm lượn sóng song song không đục lỗ, khí sẽ chuyển động theo khe hở giữa các tấm, chiều
chuyển động được thay đổi liên tục, dầu sẽ bám dính vào các tấm này, sau đó
va đập vào các tấm chắn thẳng đứng có đục lỗ, hướng các giọt dầu chảy xuống phần thu và theo đường ống chảy xuống phần thấp nhất của thiết bị. Hiệu quả sẽ được tăng lên khi trên các tấm lượn sóng có các gờ và các cánh phụ.
+ Ưu điểm: chế tạo đơn giản, giá thành thấp, quá trình tách nhanh và khả năng tách bụi dầu là tốt hơn so với bộ chiết sương dạng đồng tâm.
• Bộ chiết sương dạng cánh
Hình 2.10. Bộ phận chiết sương dạng cánh
Bộ chiết sương dạng cánh được cấu tạo từ các tấm thép góc lắp song song. Đỉnh của các tấm này được bố trí hướng lên phía trên, các khe hở được bố trí sao cho dòng khí qua đó chịu va đập, thay đổi hướng, tốc độ chuyển động để tách pha lỏng ra khỏi pha khí. Bộ chiết sương dạng cánh có cấu tạo đơn giản, nhưng hiệu quả tách cao và giá thành hợp lý
2.4.2 Nguyên lý hoạt động của bình tách
Bình tách hoạt động theo 4 giai đoạn sau:
• Giai đoạn 1: là giai đoạn đầu của quá trình tách. Hỗn hợp sản
phẩm được tạo rối và phân tán để tách các bọt khí.
• Giai đoạn 2: là sự tách bằng trọng lực, thực hiện tách bổ sung các bọt khí còn sót mà giai đoạn 1 chưa tách được bằng cách trải hỗn hợp thành những lớp mỏng trên mặt phẳng nghiêng. Để tăng hiệu quả tách, trên mặt phẳng nghiêng có bố trí các gờ chặn nhỏ, đồng thời tăng số lượng các tấm lệch dòng.
• Giai đoạn 3: là sự tách sương, sử dụng bộ chiết sương để giữ lại các giọt dầu bị cuốn theo dòng khí. Sự tách các giọt lỏng ra khỏi dòng khí dựa trên tập hợp các cơ chế: va đập, trọng lực, thay đổi hướng và tốc độ dòng khí.
• Giai đoạn 4: là giai đoạn lắng trọng lực, sự phân lớp các chất lỏng: pha lỏng nhẹ hơn sẽ nổi trên pha lỏng nặng hơn. Sự sa lắng các giọt chất lỏng tuân theo định luật Stock.
Hỗn hợp sản phẩm khai thác qua đường vào tới bộ tách cơ bản. Tại đây pha khí được tách khỏi lỏng rồi đi lên bộ phận chiết sương để lọc các giọt lỏng bị cuốn theo dòng khí. Chất lỏng chảy xuống bộ phận tách thứ cấp là các tấm lệch dòng có bố trí các gờ để tách hiệu quả tách các bọt khí còn sót trong pha lỏng mà bộ phận tách cơ bản chưa tách được. Sau đó pha lỏng chảy xuống phần lắng, tại đây khí được tách triệt để và dầu nước được phân lớp rồi được xả ra ngoài qua các van xả tương ướng. Pha lỏng được lưu giữ ở phần lắng một thời gian theo thiết kế.
2.5 Phân loại bình tách
2.5.1 Phân loại theo chức năng
• Bình tách dầu và khí.
• Bình tách 3 pha: dầu, khí và nước.
• Bình tách dạng bẫy.
• Bình tách từng giai đoạn.
• Bình tách nước kiểu khô hay ướt.
• Bình lọc khí.
Thiết bị lọc trung bình thường được dùng trong bồn chứa để tách bụi, cặn đường ống, rỉ và các vật liệu khác khỏi khí.
• Bình làm sạch khí kiểu khô hay ướt.
Bình tách dầu và khí thường dùng trong thu gom, đường ống phân phối, những chỗ không yêu cầu phải kiểm soát slugg hoặc heads của chất lỏng. Bình làm sạch khí kiểu khô dùng thiết bị tách sương và thiết bị bên trong còn lại tương tự như bình tách dầu và khí.
Bình tách làm sạch khí kiểu ướt hướng dòng khí qua bồn chứa dầu hoặc các chất lỏng khác để rửa sạch bụi và các tạp chất khác còn lại khỏi khí. Khí được đưa qua một thiết bị tách sương để tách chất lỏng khỏi nó. Một thiết bị lọc có thể coi như một thiết bị đặt trước một tổ hợp thiết bị tách khí để bảo vệ nó khỏi chất lỏng hay nước.
2.5.2 Phân loại theo hình dạng• Bình tách hình trụ đứng. • Bình tách hình trụ đứng. • Bình tách hình trụ nằm ngang. • Bình tách hình cầu. 2.5.2.1 Bình tách trụ đứng • Bình tách trụ đứng 2 pha: dầu - khí.
• Bình tách trụ đứng 3 pha: dầu - khí - nước.
• Bình tách 3 pha sử dụng lực ly tâm.
Dòng nguyên liệu vào xiên theo một ống màng côn. Có các ống màng dẫn dòng tạo dòng chảy xoáy tròn, nước nặng nhất bị phân bố sát thành ống dẫn do lực ly tâm lớn nhất. Dầu nhẹ hơn sẽ phân bố ở mặt ngoài, khí ít chịu ảnh hưởng của lực ly tâm sẽ tách khỏi dầu và đi lên. Dầu và nước bị kéo xuống dưới theo máng dẫn. Nước nặng nhất chìm xuống dưới, dầu nổi lên trên
Hình 2.11 : Bình tách đứng 1. Dòng vào;
3. Bộ phận chiết sương; 4. Van kiểm tra áp suất; 5. Lắng trọng lực;
6. Van đo mức chất lỏng;
Hình 2.12. Bình tách hình trụ đứng 3 pha Chú thích:
1- Đường vào của hỗn hợp. 2- Bộ phận tạo va đập. 3- Bộ phận chiết sương. 4- Đường xả khí.
5- Đường gom các giọt chất lỏng. 6- Đường xả nước.
7- Đường xả dầu.
Hình 2.13. Bình tách hình trụ đứng 3 pha sử dụng lực ly tâm Chú thích:
1- Cửa vào của hỗn hợp.
2- Bộ phận chuyển động xoáy. 3- Vòng hình tròn.
4- Bề mặt tiếp xúc dầu - khí. 5- Bề mặt tiếp xúc dầu - nước
2.5.2.2 Bình tách hình trụ nằm ngang
- Hiện nay các thiết bị tách trụ ngang được sản xuất với 2 dạng: + Bình tách một ống trụ đơn.
+ Bình tách gồm hai ống trụ.
Loại kép gồm hai bình bố trí chồng lên nhau, cái này phía trên cái kia.