Thiết bị tách khí là một thuật ngữ dùng để chỉ một bình áp suất đƣợc sử dụng để tách lƣu chất thành các pha riêng biệt trong quá trình khai thác và thu hồi sản phẩm khí để đạt đƣợc hiệu suất và giá trị kinh tế cao. Có ba dạng bình tách cơ bản thƣờng đƣợc dùng là: bình tách trụ trụ đứng, bình tách trụ ngang, bình tách hình cầu.
Mỗi loại bình tách đều có ƣu, nhƣợc điểm nhất định trong mỗi quá trình lắp đặt và sử dụng để duy trì giá trị của sản phẩm thu đƣợc với mục đích sử dụng chung của thiết bị tách là:
Loại bỏ chất lỏng ra khỏi khí để tránh hiện tƣợng tích tụ tạo cặn, chất bẩn trong đƣờng ống dẫn khí.
Thu khí khô để làm khí nhiên liệu.
Loại bỏ các tạp chất gây hại đƣa lên từ vỉa sản phẩm tránh hiện tƣợng tắc và hƣ hại đƣờng ống dẫn cũng nhƣ các thiết bị đi kèm.
Với mục đích tách, xử lý và thu gom khí thì bình tách hai pha trụ đứng đƣợc sử dụng hầu hết để tách riêng biệt hỗn hợp lỏng/khí dựa vào mật độ dòng nguyên liệu nhờ nhiệt độ, áp suất và đặc tính dòng lƣu chất sau khi đƣợc xử lý sơ bộ - tách bỏ tạp chất độc hại, khử nƣớc bị nhũ hóa để tránh tạo sự phân tán của hệ nhũ tƣơng nƣớc/dầu lẫn trong dòng lƣu chất đi vào tháp tách để thu gom và xử lý khí, ngăn cho cho khí thu đƣợc không bị cuốn theo dòng lỏng tách ra, đảm bảo hiệu suất tách lỏng/khí và giá trị kinh tế cao nhất cho dòng khí thƣơng phẩm. Bình tách Scrubber (bình rửa lọc khí) là một bình tách dạng trụ đứng thƣờng đƣợc lắp đặt và sử dụng để tách dòng trƣớc khi dòng vào máy nén khí và hệ thống nhiên liệu với vai trò là bình tách thứ cấp. Việc sử dụng lắp đặt thiết bị Scrubber trong hệ thống xử lý khí có mục đích:
Khi nguồn nguyên liệu cấp cho thiết bị tách có tỷ lệ khí/lỏng cao.
Bình tách Scrubber ít chiếm chỗ, có khả năng lắng cát lớn và dễ làm sạch đáy đồng thời khả năng bốc hơi của chất lỏng giảm tối thiểu.
Bình tách Scrubber ít chiếm chỗ, có khả năng lắng cát lớn và dễ làm sạch đáy đồng thời khả năng bốc hơi của chất lỏng giảm tối thiểu.
Đƣợc lắp đặt ở những nơi mà thể tích nguồn nguyên liệu có thể thay đổi nhiều, đột ngột nhƣ cạnh giếng tự phun, các giếng Gaslift gián đoạn.
Dùng cho quá trình tách khí nhiên liệu ít chứa dầu, sản phẩm lỏng đƣợc lấy từ các giếng khí tự nhiên, giếng khí – condensate.
Sử dụng để tách dòng khí ra khỏi dòng lỏng với hiệu suất tối đa nhất.
a) Cấu tạo thiết bị tách khí kiểu trụ đứng
Ở trong bình tách có các bộ phận chính đảm bảo tách sơ cấp lỏng, lắng lỏng và triết sƣơng. Tốc độ tách lỏng/khí là một hàm biến thiên theo áp suất
và nhiệt độ của bình tách. Các thiết bị tách hai pha trụ đứng thƣờng có sơ đồ cấu tạo chính nhƣ dƣới đây (hình 1.6)
Hình 2.1. Sơ đồ bình tách hai pha trụ đứng
1- Đƣờng vào của hỗn hợp. 5- Bộ phận chiết sƣơng.
2- Tấm lệch dòng. 6- Đƣờng xả khí.
3- Thiết bị điều khiển mức. 7- Van an toàn. 4- Đƣờng xả chất lỏng.
Trong thiết bị tách thƣờng phân ra các vùng tách riêng biệt gồm có 4 vùng sau:
Bộ phận tách cơ bản A: đƣợc lắp đặt trực tiếp ở của vào đảm bảo nhiệm vụ tách khí (giải phóng bọt khí tự do). Hiệu qủa làm việc phụ thuộc vào cấu trúc đƣờng vào: hƣớng tâm, tiếp tuyến của vòi phun (bộ phận phân tán để tạo dòng cho hốn hợp lỏng – khí).
+ Theo nguyên tắc hướng tâm: bố trí theo nguyên tắc này sẽ đƣợc các va đập, thay đổi hƣớng và tốc độ chuyển động của hỗn hợp vào bình tách. Hỗn hợp đƣợc phân tán, tạo rối qua các vòi phun và đập vào các tấm chắn đƣợc thể hiện quá trình tách lỏng – khí.
Hình 2.2. Tách cơ bản kiểu cửa vào hƣớng tâm.
Hỗn hợp sản phẩm khai thác (lỏng/khí) theo đƣờng số (5) vào ống phân tán, qua các vòi phun số (4) đƣợc tăng tốc và va đập vào các tấm chắn số (3) làm đổi chiều chuyển động và giảm tốc độ thoát qua khe hở giữa các tấm chắn. Khi bay lên phía trên, chất lỏng bám ở các tấm chắn và lắng xuống bộ phận tách thứ cấp theo lỗ thoát (6).
+ Theo nguyên tắc ly tâm: theo bố trí này của nhập liệu đƣợc lắp theo hƣớng tiếp tuyến với bình tách. Dòng hỗn hợp sẽ đi vào theo hƣớng tiếp tuyến với thành bình tách. Chất lỏng sẽ có xu hƣớng bám vào thành bình và lắng xuống dƣới đồng thời chất khí sẽ thoát lên do hình thành chuyển động quỹ đạo xoáy của lực ly tâm gây nên.
Lực ly tâm tạo ra các dòng xoáy với tốc độ cao đủ để tách chất lỏng. Tốc độ cần thiết để tách ly tâm thay đổi từ 3- 20 m/sec và giá trị phổ biến từ 6- 8 m/sec. Đa số những thiết bị tách khí hình trụ đứng thì bộ phận tách cơ bản đƣợc bố trí theo nguyên tắc ly tâm.
Hình 2.3. Bình tách 2 pha bộ phận tách cơ bản kiểu ly tâm
Bộ phận tách thứ cấp B: là phần lắng trọng lực, thực hiện tách bổ sung các bọt khí còn sót lại ở phần tách A. Để tăng hiệu quả khí ra khỏi lỏng bằng cách tăng số lƣợng tấm lệch dòng lên.
Bộ phận lưu giữ chất lỏng C: phần thấp nhất của thiết bị để thu gom chất lỏng đƣa chất lỏng ra khỏi thiết bị. Đồng thời ở đây có quá trình để tách thêm lỏng – khí.
Bộ phận chiết sương D: là bộ phận đƣợc lắp ở vị trí cao nhất của thiết bị với mục đích giữ lại các chất lỏng nhỏ bị dòng khí cuốn theo. Tại đây các giọt lỏng đƣợc giữ lại và chiết xuống đáy tháp tách theo đƣờng tháo khô chảy trực tiếp. Có nhiều cách thiết kế bộ phận chiết sƣơng khác nhau nhƣ kiểu đồng tâm, dạng cánh, dạng nan chớp,…
b) Nguyên lý hoạt động của thiết bị tách khí trụ đứng
Ở trong bình tách có các bộ phận chính đảm bảo tách sơ cấp lỏng, lắng lỏng và triết sƣơng. Tốc độ tách lỏng/khí là một hàm biến thiên theo áp suất và nhiệt độ của bình tách. Nguyên lý tách của thiết bị tách khí trụ đứng dựa trên cơ sở:
Tách nhờ trọng lực: chất lỏng có tỉ trọng lớn hơn nhiều so với chất khí, nếu tốc độ của dòng khí nhỏ thì những giọt chất lỏng lớn hơn sẽ nhanh chóng thoát ra ngoài, còn những hạt nhỏ sẽ tồn tại lâu hơn trong pha khí.
Sự va đập: Một dòng khí mang theo chất lỏng (dạng sƣơng) khi di chuyển thì màng sƣơng này sẽ gây ảnh hƣởng trở lại dòng khí. Màng sƣơng sẽ liên kết với nhau thành những giọt chất lỏng lớn hơn và bị rơi xuống phía dƣới.
Thay đổi hướng dòng chảy: Khi hƣớng của dòng khí-lỏng (dạng sƣơng) bị thay đổi độ ngột, chất lỏng có quán tính lớn hơn vẫn tiếp tục chuyển động theo hƣớng cũ. Khí linh động hơn nên đễ dàng thay đổi hƣớng và sẽ chuyển động ra xa so với hƣớng ban đầu, chất lỏng đƣợc tách sẽ đông tụ trên bề mặt và rơi xuống phía dƣới.
Thay đổi tốc độ dòng chảy: Cũng giống nhƣ thay đổi hƣớng dòng chảy, tốc độ dòng cũng ảnh hƣởng tƣơng tự nhƣng tùy thuộc vào tốc độ nhanh hay chậm của dòng khí-lỏng (dạng sƣơng).
Lực ly tâm: Dòng khí mang theo chất lỏng chảy theo một vòng tròn chuyển động với tốc độ đủ lớn, lực ly tâm làm cho các chất lỏng văng ra ngoài đập vào thành của thiết bị, tại đây các giọt chất lỏng tụ lại với nhau thành các hạt lớn hơn và rơi xuống phía dƣới.
Sự lọc – tách: dòng khí đi qua màng lọc tách (khối đông tụ), khí sẽ đƣợc thoát ra ở đỉnh tháp, lỏng đƣợc giữ lại ngƣng tụ rồi rơi xuống phía dƣới đáy tháp và dẫn ra ngoài.
