Nguyên tắc hoạt động cốt lõi của các chất đồng nhất siêu âm dựa trên hiệu ứng xâm thực siêu âm. Khi cao - sóng siêu âm tần số (thường là từ 20kHz đến 100kHz) hoạt động trên môi trường lỏng, một số lượng lớn các bong bóng nhỏ (bong bóng hang) được tạo ra trong chất lỏng. Những bong bóng này nhanh chóng mở rộng trong pha áp suất âm của sóng siêu âm và sụp đổ ngay lập tức trong giai đoạn áp suất dương. Sự sụp đổ này giải phóng năng lượng địa phương cực kỳ cao (nhiệt độ địa phương có thể đạt tới hơn 5000k và áp lực địa phương có thể đạt đến hàng trăm khí quyển), kèm theo sóng xung kích mạnh mẽ, microjets và nhiễu loạn.
Trong các ứng dụng xử lý dầu, giải phóng năng lượng này có nhiều tác động đến hệ thống dầu: Thứ nhất, rung động cơ học mạnh mẽ phá vỡ các tập hợp phân tử (như asphaltenes và keo) trong dầu, làm giảm lực liên phân tử. Thứ hai, các microjets có thể xé tan màng giao thoa ổn định giữa dầu và nhũ tương nước, thúc đẩy dầu - tách nước. Hơn nữa, hiệu ứng Cavites làm sạch thang đo và tạp chất từ các bức tường đường ống, giảm nguy cơ tắc nghẽn thiết bị. Chính xác là đặc điểm này của "chủ yếu là hành động vật lý và không có ô nhiễm hóa học" mang lại lợi thế đồng nhất siêu âm trong xử lý dầu mỏ rất khó phù hợp với các công nghệ truyền thống.
2. Kịch bản ứng dụng cốt lõi của chất đồng nhất siêu âm trong chế biến dầu
Các đặc điểm kỹ thuật của các chất đồng nhất siêu âm cho phép chúng bao gồm các liên kết xử lý chính trên toàn bộ chuỗi sản xuất dầu, từ khai thác và vận chuyển đến tinh chế. Sau đây là phân tích chi tiết về ba kịch bản ứng dụng cốt lõi:
2.1 Khai thác và vận chuyển dầu thô: Giảm độ nhớt hiệu quả và vận chuyển an toàn
Việc khai thác và vận chuyển dầu thô - độ nhớt cao (như dầu thô và dầu nhớt nặng) đưa ra một thách thức lớn trong ngành công nghiệp dầu mỏ. Do nồng độ cao của asphalten, nhựa và sáp, độ nhớt của loại dầu thô này có thể đạt tới hàng ngàn hoặc thậm chí hàng chục ngàn MPA ở nhiệt độ phòng. Các phương pháp vận chuyển truyền thống đòi hỏi phải sưởi ấm (tiêu thụ nhiều năng lượng) hoặc thêm các bộ giảm độ nhớt hóa học (dễ bị ô nhiễm môi trường) để giảm độ nhớt, dẫn đến áp lực chi phí và môi trường đáng kể.
Các chất đồng nhất siêu âm đạt được giảm độ nhớt vật lý thông qua hiệu ứng xâm thực. Thứ nhất, các rung động tần số cao - phá vỡ cấu trúc không gian của các tập hợp phân tử lớn trong dầu thô, giảm ma sát liên phân tử. Thứ hai, nhiệt độ cao cục bộ được tạo ra bởi sự sụp đổ của bong bóng xâm thực có thể tạm thời làm tan chảy các tinh thể sáp trong dầu thô, ngăn chặn sự lắng đọng của chúng và các đường ống bị tắc. Dữ liệu thực tế cho thấy rằng khi các chất đồng nhất siêu âm được sử dụng trong các đường ống dẫn dầu nặng, độ nhớt dầu thô có thể giảm 30%- 60%và áp suất truyền 20%- 35%. Điều này giúp loại bỏ sự cần thiết của thuốc thử hóa học, giảm tiêu thụ năng lượng và tránh ô nhiễm môi trường. Hơn nữa, việc lắp đặt các chất đồng nhất siêu âm nhỏ tại các giếng dầu thô có thể cải thiện lưu lượng dầu thô và tăng hiệu quả chiết xuất, làm cho chúng đặc biệt phù hợp để chiết xuất từ các hồ chứa thấm thấp.
2.2 Mất nước dầu thô: Khử nhũ và phân tách để cải thiện chất lượng dầu thô
Khi dầu thô được chiết xuất từ sự hình thành, nó thường mang một lượng nước đáng kể (tạo thành một loại dầu - nước nhũ tương). Nước này không chỉ làm tăng chi phí vận chuyển mà còn ăn mòn thiết bị trong quá trình tinh chế tiếp theo, ảnh hưởng đến chất lượng sản phẩm. Do đó, mất nước dầu thô là một bước quan trọng trong chế biến dầu. Các công nghệ mất nước dầu thô truyền thống (như trầm tích, ly tâm và khử hóa học) bị ảnh hưởng mất nước thấp, thuốc thử hóa chất còn lại và dấu chân thiết bị lớn. Nguyên tắc khử nước và khử nước của chất đồng nhất siêu âm phụ thuộc vào hiệu ứng xâm thực, phá vỡ màng giao thoa của nhũ tương. Pha phân tán (các giọt nước) trong dầu - Nhũ tương nước được phủ một màng giao thoa ổn định (bao gồm các chất hoạt động bề mặt như asphaltenes và keo), rất khó để phá vỡ bằng phương pháp truyền thống. Các sóng sốc và microjet được tạo ra bởi sự sụp đổ của bong bóng xâm thực siêu âm trực tiếp xé qua màng giao thoa, khiến các giọt nước va chạm và kết hợp vào các giọt lớn hơn, cuối cùng tách ra khỏi dầu thô dưới trọng lực. So với các công nghệ truyền thống, các chất đồng nhất siêu âm có thể tăng hiệu quả mất nước dầu thô lên 40%- 70%, làm giảm hàm lượng nước của dầu thô mất nước xuống dưới 0,5%(đáp ứng tiêu chuẩn công nghiệp tinh chế). Điều này giúp loại bỏ sự cần thiết của các chất khử hóa học, giảm gánh nặng cho việc xử lý nước thải tiếp theo. Hơn nữa, công nghệ này cũng phù hợp với khó khăn - để - xử lý "nhũ tương già" (nhũ tương đã trở nên cực kỳ ổn định sau khi lưu trữ dài hạn - thời hạn), giải quyết một nút cổ chai xử lý các công nghệ truyền thống.
2.3. Tinh chế dầu mỏ: Tối ưu hóa các quá trình phản ứng và cải thiện sản lượng sản phẩm
Trong các quá trình tinh chế dầu mỏ (như nứt xúc tác và điều trị hydrotreat), độ đồng nhất và hàm lượng tạp chất của nguyên liệu ảnh hưởng trực tiếp đến hiệu quả phản ứng và chất lượng sản phẩm. Các chất đồng nhất siêu âm có thể tối ưu hóa quá trình tinh chế theo những cách sau:
2.3.1 Tiền xử lý nguyên liệu: Khải siêu âm phá vỡ các hạt than cốc và các tập hợp tạp chất kim loại (như niken và vanadi) trong nguyên liệu, ngăn chúng làm tắc nghẽn các lỗ chân lông và kéo dài tuổi thọ xúc tác. Các chất đồng nhất siêu âm cũng trộn đồng đều nguyên liệu và chất xúc tác, làm tăng khu vực tiếp xúc phản ứng xúc tác và tăng hiệu quả phản ứng.
2.3.2 Tinh chế sản phẩm: Trong quá trình tinh chế dầu bôi trơn, dầu diesel và các sản phẩm khác, chất đồng nhất siêu âm có thể loại bỏ các hạt tạp chất nhỏ (như chất keo và dư lượng asphaltene) khỏi sản phẩm, cải thiện độ rõ và độ ổn định của sản phẩm. Hơn nữa, các chất đồng nhất siêu âm thúc đẩy sự phân tán đồng đều của các chất phụ gia (như chất chống oxy hóa và chất tẩy rửa) trong suốt dầu, tăng cường hiệu suất sản phẩm. Một nghiên cứu trường hợp tại một nhà máy lọc dầu cho thấy rằng việc lắp đặt hệ thống tiền xử lý đồng nhất siêu âm trước khi một đơn vị nứt xúc tác mở rộng chu kỳ thay thế chất xúc tác tăng 30%, tăng năng suất xăng tăng 2%- 3%và giảm tần suất bảo trì thiết bị, dẫn đến lợi ích kinh tế tổng thể đáng kể.
Khi ngành công nghiệp dầu chuyển sang các quá trình chi phí xanh, hiệu quả và thấp -, các chất đồng nhất siêu âm, với công nghệ xâm thực độc đáo của chúng, cung cấp các giải pháp sáng tạo cho các quy trình chính như giảm độ nhớt dầu thô, khử nước và mất nước, và xử lý tiền xử lý. Điều này không chỉ giải quyết các điểm đau của các công nghệ truyền thống mà còn cung cấp hỗ trợ mạnh mẽ cho việc giảm chi phí, cải thiện hiệu quả, bảo tồn năng lượng và giảm phát thải. Với sự tiến bộ liên tục của công nghệ và tiếp tục mở rộng các kịch bản ứng dụng của nó, các chất đồng nhất siêu âm đã sẵn sàng trở thành một công nghệ cốt lõi trong lĩnh vực chế biến dầu, góp phần đáng kể vào sự phát triển bền vững của ngành năng lượng toàn cầu.