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 t