Transportul titeiurilor vascoase si usor congelabile

TRANSPORTUL TITEIURILOR VASCOASE sI UsOR CONGELABILE

1. cONSIDERAtII GENERALE

In cadrul acestui capitol se vor prezenta unele probleme teoretice si practice legate de transportul prin conducte al titeiurilor si produselor petroliere vascoase si a lichidelor usor congelabile [3].

Dupa cum se stie vascozitatea lichidelor variaza invers proportional cu temperatura; astfel, o scadere accentuata a acesteia conduce la o crestere importanta a vascozitatii, deci la scaderea fluiditatii (a pompabilitatii) ceea ce necesita statii de pompare mai puternice sau un numar mai mare de statii de pompare intermediare.

De asemenea, scaderea temperaturii in conducta poate conduce la congelarea titeiurilor usor congelabile (parafinoase). Daca temperatura titeiului de-a lungul conductei este mai mare decat temperatura de congelare, parafina continuta in titei este complet dizolvata. Daca temperatura scade, sub aceasta valoare parafina se separa sub forma de cristale care se leaga intre ele formand o retea. In astfel de conditii fluidul devine nenewtonian, prezentandu-se ca o solutie coloidala in care titeiul este faza continua iar parafina faza dispersa. Prin urmare, fenomenul de congelare a titeiului consta, de fapt,  in separarea parafinei si cu toate ca titeiul ramane lichid este distribuit atat de uniform in reteaua de parafina incat ansamblul formeaza ceeace se numeste un gel. Acesta poseda o structura care poate fi deranjata prin agitare dar se restabileste in stare de rapaus. Asadar, titeiul parafinos congelabil poseda proprietatea de tixotropie.

Determinarea temperaturii de congelare a unui titei parafinos este deci importanta pentru a se asigura transportul acestuia in bune conditii. Aceasta determinare prezinta dificultati deoarece metodele utilizate de obicei dau rezultate destul de diferite, care depind de tratamentul termic aplicat anterior probei de titei.

Scaderea in continuare a temperaturii poate conduce la obturarea partiala sau totala a conductei cu consecintele pe care le genereaza. Reluarea pomparii se poate face numai dupa operatii de deparafinare.

Zonele cu restrictii in pomparea titeiurilor usor congelabile ca si perioadele diurne pot fi puse in evidenta prin trasarea intr-o diagrama (figura 1) a variatiei temperaturii solului la adancimea de ingropare a conductei, de-a lungul acesteia, ca medie multianuala si a dreptei care reprezinta temperatura de siguranta (aceasta se ia cu 25⁰ mai mare decat temperatura de congelare).

Pentru transportul titeiurilor usor congelabile sau vascoase s-au propus mai multe procedee (tehnologii) unele utilizate in mod curent (transportul neizoterm) altele folosite sporadic (hidrotransportul, transport cu diluanti etc) altele aflate in diferite stadii de cercetare.

Fig. 1.  Variatia multianuala a temperaturii

2. TRANSPORTUL NEIZOTERM

In prezent procedeul cel mai folosit pentru transportul titeiurilor vascoase si a celor usor congelabile este pomparea acestora dupa o incalzire prealabila la temperaturi mai mici de 70⁰C pentru a evita pierderile fractiilor usoare dizolvate in titei.

Incalzirea titeiurilor se realizeaza in rezervoare prevazute cu serpentine prin care circula un agent termic (abur) si/sau cu schimbatoare de caldura.

Deoarece temperatura mediului ambiant este mai mica decat aceea din conducta, in timpul transportului titeiul cedeaza o parte din caldura, racindu-se treptat. Pentru ca transportul sa decurga in mod normal temperatura in orice punct al conductei trebuie sa fie mai mare decat temperatura de congelare.

Racirea titeiului depinde de variatia temperaturii mediului exterior conductei. De asemenea, schimbarea regimului de curgere () prin schimbarea debitului, a temperaturii, a proprietatilor in cazul transportului succesiv, oprirea si pornirea planificata si accidentala, sunt tot atatea elemente care produc modificari ale regimului termic din conducta, ceea ce face ca acestea sa aiba un caracter nestationar.

In cele ce urmeaza se vor discuta unele probleme considerand regimul termic ca fiind stationar.

TRANSPORTUL TITEIURILOR VASCOASE SAU USOR CONGELA-BILE FOLOSIND 'METODE NECONVENTIONALE'

1. Transportul titeiului cu ajutorul diluantilor

Transportul titeiului cu ajutorul diluantilor se face prin amestec. Ca diluant se poate folosi benzina, petrolul lampant, motorina, condensul lichid din zacamantul de gaz condensat sau un titei cu vascozitate mai mica ( se pot folosi si diluanti mai scumpi dar nu este rentabil).

Prezenta diluantilor in titei amelioreaza proprietatile de curgere ale acestuia prin scaderea vascozitatii si reducerea considerabila a concentratiilor de parafina din amestec. S-a mai constatat ca daca diluantul este titei usor, unele componente ale acestuia impiedica dezvoltarea cristalelor de parafina.

Experimentele au aratat ca efectele pozitive ale diluantilor depind de temperatura de amestecare si de concentratie. Aceste efecte sunt cu atat mai mari cu cat temperatura de amestecare si concentratia sunt mai mari.

Singurul dezavantaj al acestei metode apare in situatia opririi transportului cand exista posibilitatea formarii retelelor de cristale de parafina care face dificila reluarea pomparii. Spre exemplificare se redau in continuare rezultatele diluarii titeiului A₃ (Petromar) care la 20⁰C are o densitate de 890 kg/m³ si o vascozitate de 1 426,6 cP.

Tipul de diluanti, concentratia acestora, vascozitatea dinamica ca si scaderile de presiune de-a lungul unei conducte de 85 km, d = 14' care transporta un debit de 5 000 m³/zi in conditii de vara (temperatura solului, T₂=18⁰C si iarna, T₂=4⁰C) sunt redate in tabelul 1.

De aici rezulta cateva concluzii:

la aceeasi concentratie de diluanti (5%) petrosinul este mai eficient de circa 5 ori (749/137) fata de amestec cu titei tip C;

la aceeasi concentratie, insa mai mare (10%) tetraclorura de carbon (CCl₄) este de circa 4 ori mai avantajoasa (327/89) decat cea a amestecului de titeiuri A₃+C;

pentru perioada de vara s-ar recomanda varianta 5 deoarece petrosinul este ieftin, iar o parte din el s-ar putea recupera, titeiul C valorificandu-se la un nivel superior, iar in perioada de iarna doar varianta 2.

Tabelul 1. Influenta unor diluanti asupra vascozitatii

*) nu este nevoie de o concentratie atat de mare

**) procedeu prohibit din punct de vedere economic.

2. Transportul titeiurilor cu adaosuri

Aceasta metoda are ca scop, de asemeni, scaderea temperaturii de congelare. Mecanismul actiunii acestora nu este bine cunoscut pana in prezent. Se presupune ca moleculele de adaosuri sunt adsorbite pe suprafata cristalelor de parafina impiedicand formarea retelelor spatiale de cristale de parafina rezistente. Pentru ca acest procedeu sa fie eficient trebuie ca titeiul sa fie incalzit la temperatura care sa topeasca cristalele de parafina si apoi amestecarea cu adaosuri.

Drept adaosuri pot fi folositi compusi macromoleculari ca polimetil-acrilati, poliizobutilena, polimerii etilenei, propilenei etc. In functie de natura adaosului se recomanda ca el sa se incadreze intre limitele 0,02.2 % din greutate.

Se pare ca eficienta adaosurilor se manifesta numai in regim turbulent de miscare. In regim laminar nu sunt eficiente iar costul este destul de ridicat.

Spre exemplu, folosirea polimerului PULSER ( = 660 kg/m³) folosit ca adaos la titeiul A₃ in proportie de 2,66 % a redus vascozitatea de la 1427 la 1088 cP, scazand caderea de presiune de la 84 la 82 at (pentru perioada de vara) deci eficienta practic zero. Se asteapta folosirea unor compusi macromoleculari ieftini care sa aiba o eficienta mai mare.

Transportul titeiului termostatat

Transportul titeiului termostatat consta in incalzirea acestuia pana la o anumita temperatura si racirea lui cu o numita viteza.

Eficienta acestei metode depinde de caracteristicile titeiului, de temperatura de incalzire si de viteza de racire a acestuia.

De exemplu, pentru un titei parafinos (Aricesti) temperatura optima de racire a fost de 12⁰C/ora, punctul de congelare reducandu-se de 4 ori. Pentru alte titeiuri punctul de congelare s-a redus cu 50%.

Mecanismul de functionare: prin incalzire parafina din titei se dizolva, iar la racire componentele asfalto-rasinoase din titei sunt adsorbite pe suprafetele cristalelor de parafina impiedicand astfel formarea retelei.

Astfel, procedeul este cu atat mai eficient cu cat continutul in acesti componenti este mai mare.

Marele inconvenient este lipsa unei tehnologii industriale adecvate.

4. Transportul titeiului in camp magnetic

In laboratorul de Hidraulica si in cel al S.C. PETROSTAR S.A. Ploiesti a fost conceputa o instalatie care sa ne permita studierea efectelor unui camp magnetic permanent asupra parametrilor curgerii titeiurilor prin conducte[2]; [18].

S-a analizat comportarea a trei tipuri de titeiuri intr-un camp magnetic de intensitate 0,012 Tesla pe o durata de 30 minute. Rezultatele sunt prezentate in Tabelul 2.:

Tabelul 2. Comportarea diferitelor tipuri de titeiuri in camp magnetic

Din datele prezentate in acest tabel rezulta:

Eficienta procedeului creste odata cu cresterea intensitatii campului magnetic;

Eficienta procedeului depinde de compozitia titeiului;

Eficienta procedeului scade cu cresterea temperaturii peste 25⁰C;

Titeiul de Videle era magnetizat si dupa 3 zile.

Se cunoaste ca vascozitatea titeiurilor depinde de compozitia lor si in principal de cantitatea de rasini, asfaltene si nehidrocarburi aflate in titei. Vascozitatea titeiurilor poate fi corelata cu cantitatea de rasini, asfaltene si nehidrocarburi dupa o functie exponentiala, cu un grad acceptabil de eroare. Existenta unei astfel de corelatii exponentiale conduce la concluzia dovedita si in laborator ca vascozitatea titeiurilor nu este o medie a vascozitatii componentilor. Valoarea ridicata a vascozitatii unor titeiuri care contin molecule de tipul rasinilor, asfaltenelor sau de nehidrocarburi se poate explica prin faptul ca toate aceste molecule sunt polare. Datorita fortelor tip Van der Waals, de inductie si de dipol, apar in jurul moleculelor polare concentrari de alte molecule, polare sau nepolare, care fac sa apara particule mult mai mari. Acestea conduc la cresterea vascozitatii titeiurilor.

Realizand o orientare a moleculelor polare se micsoreaza dimensiunea particulelor care se afla in deplasare si deci implicit apare o reducere a vascozitatii. Si in cazul titeiurilor cu apa in emulsie fenomenul este similar. In jurul particulei de apa aflata in emulsie se aranjeaza molecule de hidrocarburi, polare sau nepolare, care fac sa creasca vascozitatea titeiului emulsionat. Cresterea procentului de apa aflat in emulsie conduce la marirea vascozitatii titeiului datorita cresterii diametrului particulei de apa emulsionate.

Din experiente rezulta ca tratarea magnetica trebuie facuta prin polarizarea unei tevi din material feromagnetic. Valoarea polarizarii nu trebuie sa fie foarte mare, deoarece rolul ei este de a reduce dimensiunile particulelor unite prin forte Van der Waals si nu aglomerarea moleculelor polare. Aceasta aglomerare a moleculelor polare poate conduce la valori mai mari ale vascozitatii.

Tratand magnetic 4 titeiuri diferite in conditii statice s-au obtinut urmatoarele reduceri ale vascozitatii lor:

Titeiul de Suplacul de Barcau               26,60%;

Titeiul de Videle           14,40%;

Titeiul de Mosoaia A1 3,0 %;

Titeiul de Otesti            11,82%.

Rezultatele diferite obtinute se datoreaza compozitiei chimice diferite a acestor titeiuri.

Determinarile efectuate in tratarea magnetica a titeiului de Otesti in regim dinamic au condus la concluzia ca viteza de curgere a fluidului prin dispozitiv trebuie sa fie de 0,5 - 0,7 m/s, iar timpul de tratare de minim 1,5-2 secunde. In aceste conditii rezultatele obtinute in regim static sunt similare cu cele in regim dinamic.

Tratarea magnetica a produsilor de distilare obtinuti din titeiurile analizate mai sus a condus la urmatoarele concluzii:

la fractiile formate in general din hidrocarburi, benzina, petrol si motorina nu exista efectul de reducere a vascozitatii;

la fractiile ramase din distilare, denumite pacura, efectul este in general similar cu cel produs de titei.

S-a studiat daca fenomenul de reducere a vascozitatii titeiurilor tratate magnetic se datoreaza cerurilor, compusilor cu sulf sau a rasinilor si asfaltenelor si au rezultat urmatoarele concluzii:

cresterea continutului de ceruri conduce la anularea efectului tratarii magnetice insa s-a obtinut o reducere a punctului de congelare;

cresterea cantitatii de rasini si asfaltene conduce la o scadere a efectului tratarii magnetice a titeiului, pana la anulare;

vascozitatea titeiurilor creste cu cresterea continutului de rasini si asfaltene. Ea s-a marit cu 3% pentru prima concentratie de 12,73% si cu 26% pentru concentratia de 18,83%. Reducerea ei in urma tratarii magnetice a scazut datorita faptului ca moleculele polare de rasini si asfaltene s-au unit creand particule iar stratul de molecule mici polare din invelis s-a micsorat;

cresterea cantitatii de sulf cu titei conduce de asemenea la scaderea efectului tratarii magnetice a titeiului. Vascozitatea titeiului a ramas insa practic constanta in urma cresterii continutului de sulf.

Temperatura la care se produce tratarea magnetica a titieului influenteaza valoarea efectului de reducere a vascozitatii de la valori mai mari de 15⁰C. La valori peste 25⁰C reducerea efectului este foarte puternica tinzand catre anulare.

Racirea titeiului tratat magnetic nu are influenta asupra efectului de reducere a vascozitatii. Incalzirea titeiului tratat magnetic conduce la micsorarea pana la anulare a efectului de reducere a vascozitatii.

Durata de mentinere a efectului tratarii magnetice a titeiului este in functie de temperatura la care s-a efectuat tratarea. Astfel, la temperaturi de 20⁰C efectul maxim a fost mentinut peste 2 ore, dupa care a scazut la jumatate. La temperaturi sub 10⁰C valoarea efectului s-a mentinut constanta peste 30 ore.

Efectul tratarii magnetice a titeiului este in functie de temperatura la care s-a efectuat tratarea. Astfel, la temperaturi de 20⁰C efectul maxim a fost mentinut peste 2 ore, dupa care a scazut la jumatate. La temperaturi sub 10⁰C valoarea efectului s-a mentinut constanta peste 30 ore.

Efectul tratarii magnetice a titeiurilor cu apa in emulsie este similar cu cel al titeiurilor curate conducand la reducerea vascozitatii lor.

Privite la microscopul electronic emulsiile de tip apa in titei au particule emulsionate cu diametre care cresc cu cresterea procentului de apa aflata in emulsie. In urma tratarii magnetice a emulsiilor particulele de apa emulsionata cresc in diametru conducand la o reducere a procentului de apa aflata in emulsie la care are loc schimbarea tipului de emulsie.

Reducerea vascozitatii titeiurilor emulsionate tratate magnetic este in general procentual constanta fata de titeiul curat, cu exceptia procentelor mici de apa in emulsia unde reducerile sunt mai mici.

La procente mici de apa in emulsie dimensiunile particulelor emulsionate sunt foarte mici si fortele de tip Van der Waals sunt mai puternice.

Utilizarea efectului tratarii magnetice a titeiurilor curate sau emulsionate in transportul prin conducte va conduce la importante economii energetice.

5. Folosirea energiei ultrasonice in transportul titeiurilor parafinoase

Pentru evidentierea efectului energiei ultrasonice asupra reducerii temperaturii de congelare a titeiurilor s-au folosit generatoare de ultrasunete care pot asigura o emisie in regim discontinuu, cel putin o ora, functioneaza cu alimentare de la reteaua electrica de 220 10 V si frecventa de 50..60 Hz. Energia maxima consumata de la retea este de 12 kWh.

Pentru experimentare au fost folosite trei tipuri de titeiuri; acestea au fost tratate sonic la puteri de 75, 150 si 300 W la un timp de 60..900 s, rezultatele fiind redate in Tabelul

Un alt efect care a rezultat in urma acestor experimente este cresterea temperaturii titeiului tratat, aportul caloric fiind de 0,1⁰C/s.

Tabelul  Comportarea titeiurilor in cazul folosirii energiei ultrasonice

Titeiurile sunt influentate de campul ultrasonic, care la randul sau este dependent de compozitia titeiului.

Se stie ca titeiurile parafinoase, datorita prezentei alcanilor, au temperaturi de congelare ridicate si depun cantitati importante de hidrocarburi solide. Celelalte titeiuri (altele decat cele parafinice) pot prezenta o vascozitate ridicata, favorizata in principal de predominanta rasinilor si asfaltenelor. Aceste caracteristici diferite ne-au condus la abordarea a doua directii diferite de cercetare, respectiv la influenta ultrasunetelor asupra:

titeiurilor parafinoase in ceea ce priveste reducerea temperaturii de congelare;

titeiurilor vascoase in ceea ce priveste reducerea vascozitatii.

Influenta tratamentului cu ultrasunete asupra titeiurilor parafinoase s-a aplicat titeiurilor de Aricesti, Urlati si Dudesti. Tratamentul ultrasonic a constat in mentinerea unor campuri ultrasonice de 100-600 W/m² timp de 5, 10 sau 60 minute.

Eficienta maxima a tratamentului cu ultrasunete a fost concretizata in reducerea temperaturii de congelare cu circa 50%, pentru un titei care contine circa 70% parafine si circa 15% aromate.

Interpretarea rezultatelor a condus la urmatoarele concluzii:

1.     reducerea temperaturii de congelare este influentata de fondul de hidrocarburi din compozitia titeiului, aceasta fiind cu atat mai mare cu cat procentul de carbon parafinic este mai mic, iar cel de aromate este mai mare;

2.     metoda de tratare sonica poate constitui pentru anumite titeiuri o metoda eficienta de scadere a temperaturii de congelare, cu conditia ca acestea sa nu contina apa;

3.     se obtin rezultate bune in cazul aplicarii unor intensitati sonore relativ mici (100 - 300 W/m²) si timpi redusi de tratare de 5 - 10 minute;

4.     depunerile de parafina, ca si procentul de parafina, au scazut proportional cu energia ultrasonica aplicata. In cazul titeiului brut depunerile de parafina au fost mai mari decat cele din titeiul curat;

5.     eficienta tratarii scade in timp. Efectul maxim se mentine circa 24 de ore, dupa care scade proportional cu cresterea duratei de urmarire a efectului.

Influenta tratamentului cu ultrasunete asupra titeiurilor vascoase, in vederea reducerii vascozitatii s-a studiat pe titeiuri de Mosoaia, Otesti, Urlati si Aricesti, urmarindu-se influenta temperaturii de tratare, a timpului si a intensitatii sonore.

Vascozitatea titeiurilor de mai sus are valori cuprinse intre 163 cP (titei din sonda 447 Urlati) si 1014 cP (titei de Otesti) la 20⁰C.

Concluziile la care s-a ajuns in urma tratamentului cu ultrasunete in vederea reducerii vascozitatii titeiurilor sunt urmatoarele:

1.     eficienta tratamentului este cu atat mai mare, cu cat vascozitatea titeiului este mai mica. La titeiuri cu vascozitatea < 300 cP s-a obtinut o reducere a acesteia cu circa 50%, pe cand la titeiuri cu vascozitate de peste 1000 cP reducerea a fost de numai 20%;

2.     tratarea are rezultate mai bune la intensitati ale sunetului de 100 - 300 W/m², aplicate timp de 1 - 2 minute;

3.     aplicarea tratamentului cu ultrasunete concomitent cu cel termic are efecte pozitive pana la temperatura de 10 - 20⁰C. Peste aceste limite se anuleaza practic efectul tratamentului ultrasonic. Titeiul mai putin vascos raspunde bine la temperaturi de pana la 10⁰C, iar cele foarte vascoase la temperaturi de 15 - 20⁰C;

4.     tratamentul nu se poate aplica titeiurilor brute intrucat provoaca emulsionarea acestora si implicit cresterea vascozitatii.

Rezulta deci ca tratamentul cu ultrasunete are efecte diferite in functie de natura mediului pe care se aplica, de intensitatea ultrasonica, de timpul de tratare, de temperatura de tratare, de compozitia chimica a mediului, de omogenitatea acestuia.

Tratamentul cu ultrasunete in gama 100-600 W/m² (frecventa de 20 - 40 kHz) are rezultate bune pentru ape de zacamant relativ slab mineralizate sau pe titeiuri parafinoase cu un procent scazut de hidrocarburi parafinice. Aplicat titeiurilor vascoase, eficienta tratamentului depinde de vascozitatea initiala. In cazul nostru, efecte pozitive se obtin la titeiuri cu vascozitate moderata, nu mai mare de 300 cP.

6. Transportul la cald al titeiului vascos sau congelabil

Transportul la cald al titeiului vascos sau congelabil consta in pomparea lui dupa o incalzire prealabila. Pentru a se reduce vascozitatea sau pentru a se evita atingerea temperaturii de congelare in conducta, titeiul este incalzit, inainte de intrarea in statia principala de pompare, la o temperatura acceptabila. De obicei, aceasta nu depaseste 343,15K pentru a se evita cresterea pierderilor prin evaporare. Incalzirea se realizeaza fie in rezervoare prevazute cu serpentine prin care circula un agent cald, de obicei abur, fie cu ajutorul unor schimbatoare de caldura.

In timpul deplasarii prin conducta, deoarece temperatura mediului exterior este mai scazuta, titeiul cedeaza o parte din caldura acumulata prin incalzire, racindu-se treptat. Pentru ca transportul sa decurga in conditii normale, este insa necesar ca temperatura din conducta sa ramana superioara temperaturii de congelare, daca se transporta un titei congelabil sau temperaturii admisibile, atunci cand se transporta un titei cu vascozitate mare. Temperatura admisibila poate fi definita ca aceea la care vascozitatea titeiului are cea mai mare valoare admisibila pentru transport.

Racirea titeiului transportat depinde de temperatura variabila a solului sau, mai general, a mediului in care se afla conducta. De asemenea, schimbarea regimului de pompare prin modificarea debitului, pornirea sau oprirea pomparii, fie planificata, fie in urma unei avarii, pomparea titeiurilor cu caracteristici diferite, afirma ca acest regim prezinta frecvent un caracter nestationar. Intrucat procesele care conduc la aceasta situatie au un caracter aleatoriu, este difícil sa fie luate in consideratie si ca urmare regimul termic din conducta este presupus stationar.