วิธีการแยกอิมัลชันน้ำมันดิบอย่างมีประสิทธิภาพด้วยตัวทำอิมัลชันคุณภาพสูง?

เหตุใดน้ำมันดิบจึงก่อตัวเป็นอิมัลชันที่คงตัว และอะไรทำให้สารทำลายอิมัลชันมีประสิทธิภาพ

สารทำให้เกิดอิมัลชันตามธรรมชาติในน้ำมันดิบ: แอสฟัลเทน, เรซิน และกรดแนฟธีนิก

น้ำมันดิบตามธรรมชาติมีสารบางชนิดที่ช่วยให้มันผสมกับน้ำได้ในตัวเองอยู่แล้ว ซึ่งรวมถึงสิ่งต่างๆ เช่น แอสฟัลเทน (asphaltenes), เรซิน (resins) และกรดแนฟธีนิก (naphthenic acids) ที่เรามักพูดถึงกันบ่อยๆ เมื่อเกิดการเขย่าและผสมอย่างรุนแรงระหว่างกระบวนการผลิต โมเลกุลเหล่านี้มักจะรวมตัวกันที่แนวแบ่งระหว่างน้ำมันและน้ำ โดยสร้างชั้นป้องกันรอบหยดน้ำขนาดเล็กที่ลอยตัวอยู่ในน้ำมัน ซึ่งจะช่วยป้องกันไม่ให้หยดน้ำเหล่านั้นรวมตัวกันอีกครั้ง แอสฟัลเทนที่มีโครงสร้างซับซ้อนเป็นพิเศษนั้นมีประสิทธิภาพมากในการทำหน้าที่นี้ เพราะสามารถจัดเรียงตัวซ้อนกันได้ดีบนผิวต่างๆ ในขณะเดียวกัน กรดแนฟธีนิกจะทำงานในลักษณะต่างออกไป โดยเปลี่ยนประจุที่ผิวขอบเขตและลดแรงตึงผิว สิ่งที่น่าสนใจคือ แม้จะมีเพียงปริมาณแอสฟัลเทนน้อยมาก (น้อยกว่า 0.1% โดยน้ำหนัก) ก็ยังสามารถสร้างอิมัลชันที่มีความคงตัวสูงมากได้ สิ่งนี้ทำให้ส่วนผสมโดยรวมมีความหนืดมากกว่าน้ำมันดิบปกติหลายเท่า บางครั้งอาจหนืดขึ้นได้ถึงห้าเท่า และเมื่อความหนืดเพิ่มขึ้นก็หมายถึงการสูบและการแปรรูปที่ยากขึ้น ซึ่งย่อมส่งผลให้ต้นทุนการดำเนินงานของโรงกลั่นและบริษัทขนส่งเพิ่มสูงขึ้นตามไปด้วย

กลไกการแยกตัวของอิมัลชันหลัก: การรวมตัวเป็นก้อน, การรวมตัวรวมกัน, และการรบกวนฟิล์มที่ผิวสัมผัส

การแยกตัวของอิมัลชันอย่างมีประสิทธิภาพเกิดขึ้นผ่านสามขั้นตอนที่เกี่ยวข้องกัน:

• การตกตะกอนเป็นก้อน โดยหยดของเหลวจะรวมตัวกันผ่านการลดประจุหรือการเชื่อมโยงด้วยพอลิเมอร์;
• การรวมตัวรวมกัน ทำให้หยดที่รวมกันสามารถเติบโตจนมีขนาดใหญ่พอสำหรับการแยกตัวด้วยแรงโน้มถ่วงได้; และ
• การรบกวนฟิล์มที่ผิวสัมผัส ซึ่งโมเลกุลของตัวทำลายอิมัลชันจะเข้าไปแทนที่สารสร้างความเสถียรตามธรรมชาติที่ผิวสัมผัสระหว่างน้ำมันกับน้ำ

สารเคมีถอดน้ำคุณภาพสูงทำงานได้อย่างรวดเร็ว โดยดูดซึมเข้าสู่พื้นผิวได้เร็วกว่ากระบวนการที่เกิดขึ้นตามธรรมชาติ จากนั้นจะทำให้ชั้นฟิล์มที่แข็งแรงระหว่างน้ำมันและน้ำละลายหรือหลุดออก ซึ่งการกระทำนี้จะช่วยลดความเหนียวบริเวณอินเตอร์เฟสลงประมาณ 70 ถึงเกือบ 90 เปอร์เซ็นต์ในกรณีส่วนใหญ่ สิ่งที่ทำให้ผลิตภัณฑ์เหล่านี้มีประสิทธิภาพคือการเลือกผสมผสานคุณสมบัติที่ชอบน้ำและชอบน้ำมันอย่างเหมาะสมในสูตรการผลิต ความสมดุลนี้เป็นตัวกำหนดประสิทธิภาพในการแยกตัวของอิมัลชัน และความสามารถในการใช้งานร่วมกับน้ำมันดิบชนิดต่างๆ ได้อย่างราบรื่น การทดสอบภาคสนามแสดงให้เห็นว่าเมื่อทุกอย่างเหมาะสมอย่างถูกต้อง เวลาในการดำเนินการของเครื่องแยกสามารถลดลงได้มากกว่า 50% ทำให้กระบวนการทั้งหมดมีประสิทธิภาพเพิ่มขึ้นอย่างมาก

การเลือกสารเคมีถอดน้ำที่เหมาะสม: เคมีของสารลดแรงตึงผิว, HLB และความเข้ากันได้เฉพาะน้ำมันดิบ

สารถอดน้ำแบบนอนไอออนิกกับแบบไอออนิก: ข้อแลกเปลี่ยนด้านกิจกรรมที่อินเตอร์เฟสและความทนทานต่อเกลือ

สารลดแรงตึงผิวแบบนอนไอออนิกมักจัดการกับน้ำที่มีปริมาณเกลือสูงในน้ำที่แยกออกมาได้ดีกว่าชนิดอื่น แม้ว่าจะทำงานได้ไม่ดีเท่าในการสร้างพื้นผิวแบ่งระหว่างน้ำมันและน้ำอย่างมีประสิทธิภาพ ในทางกลับกัน สารลดแรงตึงผิวไอออนิกสามารถทำลายพื้นผิวแบ่งเหล่านั้นได้อย่างมีประสิทธิภาพ โดยเฉพาะเมื่อจัดการกับน้ำที่มีความเค็มต่ำ แต่ต้องระวังปัญหาในสภาพแวดล้อมที่มีความเค็มสูง เพราะสารประเภทไอออนิกอาจก่อให้เกิดตะกอนหรือเสียประสิทธิภาพลงอย่างสิ้นเชิง ระบบสมดุลไฮโดรฟิล-ไลโปฟิล (Hydrophilic-Lipophilic Balance หรือ HLB) ช่วยให้ผู้ปฏิบัติงานมีเกณฑ์ที่ชัดเจนในการเลือกสารลดแรงตึงผิวที่เหมาะสม ส่วนใหญ่มักพบว่าค่า HLB ประมาณ 4 ถึง 6 ใช้ได้ผลดีสำหรับการสร้างอิมัลชันน้ำในน้ำมัน (water-in-oil emulsions) ในการแปรรูปน้ำมันดิบ การเลือกสมดุลผิดพลาดมักนำไปสู่การแยกน้ำออกจากน้ำมันไม่สมบูรณ์ ซึ่งส่งผลให้ต้นทุนการดำเนินงานเพิ่มขึ้นอย่างมาก จากการศึกษาบางชิ้นที่ตีพิมพ์เมื่อปีที่แล้วในวารสาร Petroleum Science แสดงให้เห็นว่าต้นทุนอาจเพิ่มขึ้นได้ถึงประมาณ 15% เนื่องจากการเลือกค่า HLB ที่ไม่เหมาะสม ดังนั้นการเลือกให้ถูกต้องจึงมีความสำคัญอย่างยิ่งต่อผลประกอบการโดยรวม

ตัวช่วยกระจายโพลีเมอร์และโครงสร้างกิ่งก้านสำหรับการซึมผ่านของฟิล์มที่ดียิ่งขึ้น

ตัวช่วยกระจายโพลีเมอร์แบบสายกิ่งสามารถแทรกซึมเข้าสู่ฟิล์มอินเตอร์เฟสที่อุดมด้วยแอสฟัลเทนได้เร็วกว่าแบบเส้นตรงประมาณร้อยละ 40 เนื่องจากมีจุดยึดเกาะหลายตำแหน่งที่ช่วยทำลายโครงสร้างฟิล์มได้ดีกว่า โครงสร้างโพลีเมอร์เหล่านี้ทำงานได้ดีแม้อุณหภูมิจะสูงเกิน 150 องศาเซลเซียส ซึ่งถือเป็นสิ่งสำคัญมากสำหรับกระบวนการกู้คืนน้ำมันความร้อน เช่น วิธีการระบายน้ำมันโดยแรงโน้มถ่วงช่วยด้วยไอน้ำ หรือ SAGD การทดสอบจริงแสดงให้เห็นว่ารุ่นแบบกิ่งก้านสามารถลดปริมาณตัวช่วยแยกน้ำมันที่ต้องใช้ลงได้ประมาณร้อยละ 30 และรักษาระดับ BS&W ต่ำกว่าร้อยละ 0.5 อย่างต่อเนื่องในน้ำมันดิบที่ผ่านกระบวนการ ณ สถานที่ต่างๆ

การตรวจสอบประสิทธิภาพของตัวช่วยกระจาย: แนวทางปฏิบัติที่ดีที่สุดสำหรับการทดสอบแบบขวดและการสัมพันธ์กับสภาพสนาม

การทดสอบด้วยขวดยังคงเป็นวิธีในห้องปฏิบัติการที่นิยมใช้เพื่อคัดกรองสารลดแรงตึงผิวอย่างรวดเร็วในอุตสาหกรรม โดยสิ่งที่ทำให้วิธีนี้ได้ผลคือการยึดถือตามขั้นตอนอย่างเคร่งครัด เพื่อให้ได้ผลลัพธ์ที่มีความหมาย เราจำเป็นต้องใช้ตัวอย่างน้ำมันดิบที่เป็นตัวแทนซึ่งเก็บมาโดยตรงจากสายการผลิตที่กำลังดำเนินอยู่ เพื่อรักษากลุ่มน้ำมันผสม (emulsion) ไว้ตามสภาพเดิม เมื่อดำเนินการทดสอบ ควรจัดสภาวะให้ใกล้เคียงกับสภาพจริงในชั้นธรณีสัมฐาน ซึ่งหมายถึงการควบคุมอุณหภูมิให้แม่นยำภายในช่วงประมาณ 5 องศาเซลเซียส การให้แรงเฉือนที่เหมาะสมโดยใช้วิธีการเขย่ามาตรฐาน และการปรับสัดส่วนน้ำที่แยกออกมาให้ตรงกับที่พบในการปฏิบัติงานจริงในสนาม สิ่งที่เราพิจารณารวมถึงอัตราการแยกชั้นที่วัดได้ในหน่วยมิลลิลิตรต่อนาที ปริมาณของตะกอนและน้ำที่เหลืออยู่ด้านล่างหลังการตกตะกอน ซึ่งควรมีไม่เกินร้อยละ 0.5 และความชัดเจนของแนวแบ่งชั้นระหว่างของเหลว หากยังมีลักษณะขุ่นปรากฏอยู่ จะบ่งชี้ว่าอาจมีของแข็งตกค้างหรือปัญหาในการรวมตัวของหยดน้ำมันอย่างสมบูรณ์

การทดสอบในห้องปฏิบัติการไม่สามารถสะท้อนผลลัพธ์ที่เกิดขึ้นจริงในการดำเนินงานภาคสนามได้ เนื่องจากในสภาพแวดล้อมจริงมีปัจจัยซับซ้อน เช่น แรงเฉือนในท่อส่ง ก๊าซฟองลอยตัว และช่วงเวลาหยุดชะงักที่ไม่สามารถคาดเดาได้ภายในเครื่องกำจัดเกลือแบบไฟฟ้าสถิต นั่นคือเหตุผลที่ผลการทดสอบแบบขวดมักจะแตกต่างจากระบบที่ทำงานจริงในไซต์งานอย่างมาก ตัวอย่างเช่น โรงกลั่นขนาดใหญ่แห่งหนึ่งพบว่าประสิทธิภาพของเครื่องกำจัดเกลือลดลงเกือบ 40% หลังจากการเปลี่ยนจากการใช้น้ำมันดิบชนิดเบามาเป็นน้ำมันดิบผสมหนัก แล้วเราจะแก้ไขปัญหานี้อย่างไร? เริ่มต้นด้วยการตรวจสอบผลลัพธ์จริงในสนามเป็นขั้นตอน โดยเริ่มจากการใช้สารเคมีเพียงครึ่งหนึ่งของปริมาณที่แนะนำจากผลการทดสอบในห้องปฏิบัติการ จากนั้นติดตามประสิทธิภาพของเครื่องแยกเป็นระยะเวลาสามวันติดต่อกัน แล้วค่อยๆ ปรับแต่งระบบไปเรื่อยๆ ในขณะที่สังเกตการแห้งตัวของน้ำมันดิบและคุณภาพของน้ำที่ผลิตขึ้น วิธีการปรับทีละน้อยนี้จะช่วยหลีกเลี่ยงปัญหาจากการใช้สารเคมีบำบัดมากเกินไป ซึ่งอาจทำให้เกิดปัญหาต่างๆ เช่น การสะสมของสารในอุปกรณ์และการเพิ่มขึ้นของค่าใช้จ่ายในการกำจัดของเสีย หรือในทางตรงกันข้าม หากใช้สารบำบัดไม่เพียงพอ ก็อาจนำไปสู่การหยุดทำงานกะทันหันและปัญหาการกัดกร่อน อีกทั้งสรุปได้ว่า ไม่มีใครสามารถถือว่าผลการทดสอบในสภาพแวดล้อมควบคุมนั้นเพียงพอได้ เมื่อสภาพแวดล้อมจริงมีการเปลี่ยนแปลงตลอดเวลา

ส่วน FAQ

อะไรเป็นสาเหตุที่ทำให้เกิดอิมัลชันที่คงตัวในน้ำมันดิบ

อิมัลชันที่คงตัวในน้ำมันดิบเกิดจากสารลดแรงตึงผิวตามธรรมชาติ เช่น อัสฟัลเทนส์ เรซิน และกรดแนฟธีนิก ซึ่งสร้างชั้นป้องกันรอบหยดน้ำและป้องกันไม่ให้หยดน้ำรวมตัวกัน

สามารถปรับปรุงกระบวนการแยกอิมัลชันได้อย่างไร

การแยกอิมัลชันสามารถปรับปรุงได้โดยใช้กลไกต่างๆ เช่น การจับตัวเป็นก้อน การรวมตัว และการทำลายฟิล์มที่ผิวสัมผัสด้วยสารเคมีแยกอิมัลชันที่สามารถลดความเหนียวของผิวสัมผัสได้อย่างมีประสิทธิภาพ

ไฮดรอฟิลิก-ไลโปฟิลิก บาลานซ์ (HLB) มีบทบาทอย่างไรในการเลือกสารลดแรงตึงผิว

HLB ช่วยในการพิจารณาสารลดแรงตึงผิวที่เหมาะสมสำหรับกระบวนการแปรรูปน้ำมันดิบ โดยค่า HLB ประมาณ 4 ถึง 6 เหมาะสำหรับการสร้างอิมัลชันแบบน้ำในน้ำมัน ซึ่งช่วยลดต้นทุนการดำเนินงานและความไม่มีประสิทธิภาพ

เมื่อใดควรเลือกใช้สารลดแรงตึงผิวชนิดโพลีเมอร์

สารลดแรงตึงผิวชนิดโพลีเมอร์ โดยเฉพาะแบบกิ่งก้าน นิยมใช้เพื่อเพิ่มความสามารถในการแทรกซึมฟิล์มภายใต้สภาวะอุณหภูมิสูง เช่น ในวิธีการกู้คืนน้ำมันด้วยความร้อน

ทำไมการทดสอบในโลกแห่งความเป็นจริงจึงมีความสำคัญต่อการตรวจสอบความถูกต้องของสารลดแรงตึงผิว

การทดสอบในโลกแห่งความเป็นจริงมีความสำคัญเนื่องจากสามารถคำนึงถึงปัจจัยซับซ้อนต่างๆ เช่น แรงเฉือนในท่อ สภาวะฟองก๊าซ และสภาวะแวดล้อมที่หลากหลาย ซึ่งการทดสอบในห้องปฏิบัติการมักไม่สามารถจำลองได้อย่างถูกต้อง ทำให้มั่นใจได้ถึงความแม่นยำในการตรวจสอบและประสิทธิภาพในการดำเนินงาน