Bài Giảng: Môn Đường Ống Vận Chuyển Dòng Nhiều Pha Trong Công Nghiệp Dầu khí

Trong một nhà máy hóa chất chi phí đầu tư cho hệ thống đường ống thường chiếm từ 25 – 40% tổng chi phí đầu tư của nhà máy. Đặc biệt đối với các nhà máy chế biến dầu khí, chi phí đầu tư này có thể lên tới 60% 70%.Thêm vào đó, năng lượng cần cung cấp cho hệ thống bơm (phụ thuộc vào kích thước đường ống) cũng đóng góp một phần quan trọng trong tổng chi phí vận hành nhà máy. Do vậy, kinh tế hóa kích thước đường ống đóng một vai trò quan trọng trong thiết kế nhà máy hóa chất. Khi đường kính của một ống dẫn tăng thì giá thành của nó tăng tuy nhiên lượng chi phí mất đi trong quá trình vận hành và chi phí của bơm lại giảm đi do giảm được ma sát. Như vậy tồn tại một cân bằng tối ưu giữa chi phí vận hành của đường ống với số vốn đầu tư hằng năm cho hệ thống đường ống. Chất lưu chuyển động trong đường ống có hai loại bao gồm chất lỏng và chất khí. Chất lỏng tiếp tục được chia làm 2 dạng phụ thuộc vào tính chất về độ nhớt của chúng, đó là chất lỏng Newton và chất lỏng phi Newton. Một chất lưu chuyển động được coi là chất lỏng Newton khi tỷ số tốc độ trượt và ứng suất trượt không thay đổi đối với các tốc độ trượt khác nhau. Khi sự khác nhau của các tỷ số này nhỏ, tác động của sự khuấy đảo cơ học lên độ nhớt là không đáng kể và chất lưu này có thể được coi là chất lỏng gần Newton. Nói một cách đơn giản hơn, chất lỏng Newton chuyển động không phụ thuộc vào các lực tác dụng lên nó. Nước là một chất lỏng Newton bởi vì các đặc tính chất lưu của nó không thay đổi cho dù bị khuấy hoặc trộn với bất kì tốc độ nào.

Bài giảng môn: Đường ống vận chuyển dòng nhiều pha

trong công nghiệp dầu khí

Trong một nhà máy hóa chất chi phí đầu tư cho hệ thống đường ống thường chiếm

từ 25 – 40% tổng chi phí đầu tư của nhà máy Đặc biệt đối với các nhà máy chế biến dầukhí, chi phí đầu tư này có thể lên tới 60%- 70%.Thêm vào đó, năng lượng cần cung cấpcho hệ thống bơm (phụ thuộc vào kích thước đường ống) cũng đóng góp một phần quantrọng trong tổng chi phí vận hành nhà máy Do vậy, kinh tế hóa kích thước đường ốngđóng một vai trò quan trọng trong thiết kế nhà máy hóa chất Khi đường kính của một ốngdẫn tăng thì giá thành của nó tăng tuy nhiên lượng chi phí mất đi trong quá trình vận hành

và chi phí của bơm lại giảm đi do giảm được ma sát Như vậy tồn tại một cân bằng tối ưugiữa chi phí vận hành của đường ống với số vốn đầu tư hằng năm cho hệ thống đườngống

Chất lưu chuyển động trong đường ống có hai loại bao gồm chất lỏng và chất khí.Chất lỏng tiếp tục được chia làm 2 dạng phụ thuộc vào tính chất về độ nhớt của chúng, đó

là chất lỏng Newton và chất lỏng phi Newton

Một chất lưu chuyển động được coi là chất lỏng Newton khi tỷ số tốc độ trượt và ứng suấttrượt không thay đổi đối với các tốc độ trượt khác nhau Khi sự khác nhau của các tỷ sốnày nhỏ, tác động của sự khuấy đảo cơ học lên độ nhớt là không đáng kể và chất lưu này

có thể được coi là chất lỏng gần Newton Nói một cách đơn giản hơn, chất lỏng Newtonchuyển động không phụ thuộc vào các lực tác dụng lên nó Nước là một chất lỏng Newtonbởi vì các đặc tính chất lưu của nó không thay đổi cho dù bị khuấy hoặc trộn với bất kìtốc độ nào

Ngược lại với nước, các chất lỏng phi Newton có độ nhớt thay đổi cùng với ứng suấttrượt tác dụng lên nó Dầu thô là một chất lỏng phi Newton, và tùy thuộc vào thành phầnhóa học của nó mà người ta phân nó vào dạng chất lỏng phi Newton nào (tùy thuộc vàoquan hệ giữa ứng suất trượt và độ nhớt như thế nào) Tuy nhiên việc tính toán đường ốngvận chuyển dầu thô lại là một công việc không hể đơn giản như đối với các chất lỏng phiNewton khác Nguyên nhân là do sự phân chia pha phức tạp của dầu thô chuyển động.Quá trình chuyển động của dầu thô trong ống bao gồm cả ba pha: rắn, lỏng khí Pha rắnđược tạo ra do cặn bẩn trong dầu, trong khi đó pha khí xuất hiện do sự chuyển pha củacác cấu tử dễ bay hơi Để tìm hiểu vấn đề này chúng ta cần nghiên cứu về vận chuyểndòng nhiều pha trong đường ống kín

Hệ thống các kiến thức có liên quan đến môn học

Những kiến thức cơ bản của thủy lực học

Vật liệu được sử dụng trong công nghệ hóa chất và thực phẩm thường ở thể rắn, lỏng

và khí Các quá trình vận chuyển chất lỏng, khí hay hơi trong ống dẫn hoặc thiết bị; quátrình khuấy trộn; quá trình phân riêng hệ không đồng nhất bằng phương pháp lắng, lọc,

ly tâm; quá trình tách các cấu tử trong hỗn hợp; v.v…mà ta thường gặp trong kỹ thuậthóa học đều có liên quan chuyển động của dòng và tuân theo các định luật thủy lực học

Vì vậy các quá trình này đều được gọi là quá trình thủy lực

Thủy lực học có đối tượng là chất lỏng (bao gồm cả chất khí) và nghiên cứu các quyluật tác dụng lên chất lỏng Thủy lực học được chia thành:

- Tĩnh lực học: Nghiên cứu các định luật cân bằng của chất lỏng và tác dụng của

nó lên các vật thể rắn ở trạng thái yên tĩnh khi tiếp xúc với nó

- Động lực học: nghiên cứu các định luật chuyển động của chất lỏng và tác dụngcủa chất lỏng đang chuyển động lên các vật rắn cùng chuyển động hay đứng yênkhi tiếp xúc với nó

Thủy lực học là một trong những yếu tố có ảnh hưởng đến quá trình truyền nhiệt vàchuyển khối Vì vậy nó quyết định hiệu quả của các quá trình phản ứng hóa học, nênviệc nghiên cứu về thủy lực học là rất cần thiết

A Tĩnh lực học của chất lỏng

I Khái niệm chung

- Sự chuyển động của chất lỏng và khí đều được tuân theo cùng một định luậttrong điều kiện tốc độ của chúng nhỏ hơn tốc độ âm thanh rất nhiều

- Trong thủy lực học, danh từ “chất lỏng” được dùng để chỉ chung cho cả chấtlỏng (theo nghĩa thông thường) lẫn chất khí và hơi Nghĩa là bao gồm các vật thể

có độ linh động, không có hình dáng riêng biệt mà phụ thuộc vào hình dáng bìnhchứa nó

- Các định luật về cân bằng cũng như về chuyển động của chất lỏng được thiết lậptrên quan điểm coi chất lỏng như một môi trường liên tục và đồng nhất Điềunày được chấp nhận vì kích thước của các phần tử lỏng nhỏ hơn rất nhiều so vớiquãng đường chuyển động tự do trung bình của chúng

Khi nghiên cứu các quá trình thủy lực, người ta dùng khái niệm có tính chất hoàn toàn

lý thuyết là “chất lỏng lý tưởng” Chất lỏng lý tưởng là chất lỏng hoàn toàn không bịnén ép, tức khi nén hoặc nhiệt độ thay đổi không bị thay đổi thể tích và không có lực

ma sát bên trong giữa các phần tử chất lỏng Trong thực tế ở mức độ khác nhau, cácchất lỏng đều bị nén ép và có độ nhớt (hệ số ma sát bên trong) khác không, nên đượckhỏi là chất lỏng thực hay chất lỏng nhớt Chất lỏng thực được phân thành chất lỏnggiọt và chất khí (hơi) Chất lỏng giọt hầu như không bị nén ép, khối lượng riêng của nóhầu như không bị thay đổi, không phụ thuộc vào áp suất và nhiệt độ vì hệ số giãn nở

nhiệt của nó rất nhỏ, Ví dụ như nước khi tăng áp suất từ 1at đến 100at thì thể tích của

nó chỉ giảm 1/200 thể tích ban đầu Trái lại chất khí có độ chịu nén ép rất lớn và có hệ

số giãn nở thể tích rất cao, nên khối lượng riêng của khí thay đổi khi thay đổi áp suất vànhiệt độ Vì vậy, khí (hoặc hơi) còn được gọi là chất lỏng đàn hồi

- Khi nghiên cứu tĩnh lực học của chất lỏng ta coi chất lỏng ở trạng thái yên tĩnhtương đối Có nghĩa khối chất lỏng trong một không gian có giới hạn cùngchuyển động với bình chứ nó, còn các phần tử chất lỏng trong khối thì không cóchuyển động tương đối với nhạu

Ở trạng thái tĩnh trong chất lỏng không có nội lực ma sát, khí đó chất lỏng hực cóthể được coi như chất lỏng lý tưởng

- Khi chất lỏng thực chuyển động sẽ xảy ra quá trình trượt giữa các lớp chất lỏng,

vì có lực ma sát trong Lực ma sát này gây ra sức cản của chất lỏng đối vớichuyển động tương đối của các phần tử chất lỏng Tính chất này của chất lỏngthực được gọi là độ nhớt

- Định nghĩa của Newton về lực ma sát bên trong chất lỏng theo chiều dọc là: Lực

ma sát bên trong theo chiều dọc của chất lỏng chảy thành dòng song song nhau

là lực xuất hiện khi các lớp chất lỏng trượt lên nhau sẽ:

- Tỷ lệ thuật với gradient vận tốc

- Tỷ lệ thuận với bề mặt tiếp xúc giữa hai lớp

- Không phụ thuộc vào áp suất mà chỉ phụ thuộc vào những tính chất vật lý củachất lỏng do đó phụ thuộc vào nhiệt độ

Vì sự chuyển động của chất lỏng được đặc trưng bởi tốc độ chuyển động của các phần

tử chất lỏng tại các điểm khác nhau, áp suất tại các độ sâu khác nhau và dạng của dòng,

là những đại lượng phụ thuộc vào vị trí và thay đổi theo thời gian, tức là hàm của tọa độ

và thời gian, nên dòng chảy được phân biệt thành: dòng ổn định và dòng không ổnđịnh Vậy ta có định nghĩa:

- Dòng ổn định là dòng mà trong đó vận tốc, gia tốc, áp suất, độ sâu.v.v khôngthay đổi theo thời gian mà chỉ phụ thuộc vào vị trí của điểm ta xét, tức là hàmcủa toạn độ:

w = f(x,y,z) P = f(x,y,z) h = f(x,y,z)

- Dòng không ổn định là dòng mà trong đó tất cả các đại lượng như vận tốc, giatốc, áp suất, chiều sâu, v.v… không những phụ thuộc vào vị trí mà còn phụ thuộcvào thời gian, nghĩa là hàm của tọa độ và thời gian:

w = f(x,y,z)

- Phương trình vi phân chuyển động của Ơle

Những trở lực này phụ thuộc vào cấu tạo của từng bộ phận và mang đặc trưng riêng,nên gọi là trở lực cục bộ

Phần I: Chuyển động của chất khí trong đường ống

Các phương trình cơ bản

Phương trình nhiệt động cơ bản sử dụng cho dòng chất khí chuyển động trongđường ống là:

(10.36)

Các giả định được đưa ra như sau:

1 Hệ không thực hiện công, W =0

2 Dòng khí chuyển động đẳng nhiệt

3 Ống nằm ngang hoặc độ cao thay đổi không đáng kể so với chiều dài ống ,

X = 0

4 Dòng khí chuyển động ổn định

5 Tổn thất áp suất do thay đổi động năng là không đáng kể

Từ các giả định trên, phương trình có thể được viết lại như sau:

Việc sử dụng hệ số nén zm ở đây khá thuận lợi, nó có thể được tính ra từ áp suấttrung bình, Pm :

và đường kính ống Phương trình AGA sử dụng biểu thức tính f được trình bày trongbảng 3

Hệ số trượt/kéo (drag), Ff, trong chế độ chảy xoáy từng phần (PartiallyTurbulent) ở phương trình AGA (10.46) phụ thuộc vào một vài yếu tố: điều kiện thànhống, các mối hàn, các thay đổi của hướng đường ống, các van, v.v Nó tương ứng với hệ

số hiệu chỉnh đường ống sử dụng trong các phương trình Panhandle Người ta đã thiếtlập một biểu đồ để xác định hệ số Ff trong đó coi nó như một hàm của một “chỉ sốcong” với đơn vị độ/dặm Đối với thành ống làm bằng thép trần hoặc gang đánh bóng,

hệ số trượt Ff thường thay đổi từ 0.92 đến 0.98 phụ thuộc vào chỉ số cong

Ft : hệ số truyền

Ff : hệ số trượt

Việc sử dụng hệ số truyền (1/f)0.5 rất phổ biến trong tính toán cho quá trinh dẫnkhí Nó là một hàm của Re Hình 10.5 cho ta biết mối quan hệ cơ bản đối với các điềukiện chuyển động kể trên Phương trình Weymouth là một đường nằm ngang đối vớidòng khí chuyển động xoáy toàn phần Phương trình Panhandle A song song vớiphương trình AGA cho dòng khí chuyển động xoáy một phần Phương trình AGA chodòng khí xoáy toàn phần là một chuỗi các đường thẳng nằm ngang phụ thuộc vào độnhám của đường ống ()

Hình 10.5 Bảng so sánh hệ số truyềnTuy hình 10.5 chỉ ra một sự khác biệt đáng kể giữa dòng khí chuyển động xoáymột phần và dòng khí chuyển động xoáy toàn bộ, nhưng giữa chúng có tồn tại một khuvực chuyển tiếp Khi muốn sử dụng phương trình AGA, người ta thường phải sử dụngthêm phương trình 10.47 để xác định trạng thái chuyển động nằm trong khu vực nào:

Nếu số Re thực , nhỏ hơn kết quả tính được từ phương trình 10.47 thì phải sửdụng phương trình cho chuyển động xoáy một phần; nếu lớn hơn thì dùng phương trìnhcho chuyển động xoáy toàn bộ Trong hầu hết các đường ống dẫn khí có đường kínhlớn hoạt động trong điều kiện khô và không ăn mòn, giá trị  = 15 – 33 m [600 – 1300

 in] và giá trị trung bình là 19 m [750  in]

Chú ý rằng nếu chất khí có độ ăn mòn cao thì  có thể cao tới 100 đến 1000 m[3940 – 39400  in]

Vận tốc cực đại

Vận tốc lớn nhất cho phép của chất khí chuyển động trong đường ống phụ thuộcvào tiếng ồn, tổn thất áp suất và hiện tượng dâng áp lực Phương trình 10.48 là phươngtrình cơ bản dùng để tính toán vận tốc lớn nhất cho phép Vận tốc thiết kế luôn luônphải nhỏ hơn vận tốc lớn nhất tính được

Đối với dòng khí chỉ có 1 một pha mối tương quan đôi khi được thiết lập dựatrên khoảng cách tương đối giữa điểm 1 và điểm 2 Để sử dụng các phương trình tínhtoán cho ống nằm ngang trong trường hợp này người ta phải đưa thêm giá trị Pelevation

Do chất khí có thể nén được và nhiệt độ thay đổi nên có nhiều phương trình đãđược thiết lập Phương trình đơn giản nhất sử dụng giá trị nhiệt độ trung bình và hệ sốnén, bỏ qua sự thay đổi động năng và giả định rằng hệ số ma sát là không đổi

PA : áp suất tại đáy cột áp tĩnh Mpa psia

PB : áp suất tại đỉnh cột áp tĩnh Mpa psia

Phương trình 10.49 có thể được viết lại dưới dạng sau:

(10.50)Trong đó: s = H/ATmzm

Hệ dẫn khí phức tạp

Các nguyên tắc áp dụng cho hệ dẫn chất lỏng cũng được áp dụng cho hệ đườngống dẫn khí ổn định Bảng 10.4 tóm tắt các phương trình thường được sử dụng Cáchình vẽ bên dưới giải thích các thuật ngữ được sử dụng trong bảng Chỉ số dưới (e) biểuthị cho đường ống đơn có đường kính hoặc chiều dài tương đương với một ống kháctrong chuỗi đường ống nối tiếp hay hệ đường ống song song

Chuyển động của dòng khí ở trạng thái không ổn định

Dòng khí chuyển động ở trạng thái không ổn định là một phần rất quan trọngtrong nghiên cứu đường ống dẫn khí Đây là một vấn đề rất phức tạp nên khó có thểtính toán chính xác và dễ dàng bằng các phương pháp thủ công, tuy nhiên một số phéptính xấp xỉ đơn giản vẫn được sử dụng

Dòng chuyển động tạm thời

Sự chuyển động không ổn định này của dòng khí xảy ra khi tốc độ khí đi ra khỏiđường ống chênh lệch so với vận tốc khí đi vào đường ống Trong thời gian mức tiêuthụ khí đạt đỉnh, lượng khí đi ra khỏi đường ống vượt quá lượng khí đi vào làm cho áp

suất giảm đi trong toàn bộ đường ống Ngược lại, trong khoảng thời gian giữa các giờtiêu thụ cao điểm, lượng khí đi vào lại vượt quá lượng khí đi ra làm cho áp suất lại tănglên.

Để dự đoán được quy luật của dòng khí trong đường ống, ta phải bắt đầu từphương trình liên tục cơ bản sau đó xây dựng một phương pháp tính toán gần đúngtrạng thái tạm thời của hệ đường ống Công việc này phải nhờ đến sự trợ giúp của máytính Chú ý phải kiểm tra kỹ càng phương pháp đó xem nó có phù hợp với từng trườnghợp cụ thể hay không

Nhiệt độ khí và hệ số nén thay đổi trong thời gian xả khí Trạng thái nhiệt độngcủa quá trình xả khí nằm đâu đó giữa trạng thái đẳng entropy và đẳng entanpi Việc xácđịnh nhiệt độ và hệ số nén trung bình yêu cầu phải có một số kiến thức về nhiệt động

mà thực tế vẫn chưa biết được chính xác Vì vậy trong hầu hết các trường hợp người ta

sử dụng nhiệt độ và hệ số nén tại cửa vào để tính toán

Phương trình 10.51 được xây dựng cho dòng khí chuyển động tới hạn Trongtrường hợp áp suất của hệ thống giảm xuống dưới 200 – 300 kPa [30 – 50 psia] chuyểnđộng của dòng khí có thể chưa tới hạn Thông thường thời gian cần thiết để đưa hệthống trở lại áp suất khí quyển không cần tính Trong trường hợp phải tính toán tổngthời gian xả khí thì ta sử dụng phương trình 10.51 với áp suất P2 bằng 80% áp suất khíquyển.

Hiện tượng dâng áp suất khi đóng van

Khi đóng một van trong đường ống sẽ xảy ra hiện tượng dâng áp suất Độngnăng của dòng khí được chuyển thành nội năng khi nó ngừng chuyển động Xuất hiệnmột đợt sóng di chuyển trong đường ống theo chiều ngược lại với chiều chuyển độngcủa dòng khí trước đó Mỗi khu vực của đường ống có trạng thái khác nhau Vì dòngkhí ở nguồn chưa dừng lại trong khi dòng khí ở cuối đường ống đã ngừng chuyển độngnên áp suất ở cuối nguồn sẽ tăng lên, càng về đầu nguồn thì lượng áp suất tăng lên càng

ít đi do có đợt sóng phản hồi di chuyển ngược lên trong ống

Một phần năng lượng bị hấp thụ bởi tính nén được của chất khí và sự nở ra củađường ống Năng lượng bị hấp thụ càng nhiều thì lượng áp suất tăng lên càng ít đi Do

đó, hệ số nén của chất lưu là một yếu tố quyết định Đối với nước và dầu thô ổn định vàcondensat đều là nhưng chất lưu không nén được thì hiện tượng dâng áp lực là một vấn

đề rất quan trong Với các chất lưu nén được như NGL thì vấn đề bớt nghiêm trọnghơn Còn đối với chất khí thì hiện tượng dâng áp lực không ảnh hưởng nhiều đến đườngống

Áp suất dâng lên tối đa là hàm của 2 yếu tố:

a) áp suất tức thời tăng lên tại vị trí đóng van

b) áp suất tăng lên sau đó do hiệu ứng “nén đường ống”

Áp suất dâng lên tức thời có thể được tính từ phương trình Joukowski:

Ps = (A)()(c)(v) (10.52)Trong đó:

 : khối lượng riêng của chất lỏng kg/m3 lbm/ft3

c : vận tốc âm thanh trong chất lỏng m/s ft/sec

c thay đổi theo hệ số nén của chất lưu, đường kính ống và độ dày thành ống Đốivới dầu thô ổn định và condensat “c” xấp xỉ bằng 1000 – 1200 m/s [3300 – 3900 ft/sec].

Áp suất tăng thêm xảy ra do hiệu ứng nén đường ống có thể lớn gấp 1.5 đến 3lần áp suất tăng tức thời và phụ thuộc vào chiều dài phần đường ống, vận tốc âm thanh

và gradient áp suất ở trạng thái ổn định bình thường

Áp suất tăng thêm có thể được làm giảm đi bằng cách kéo dài thời gian đóng vanhoặc lắp đặt một hệ thống giảm áp suất-phản ứng nhanh tại điểm bắt đầu xảy ra hiệntượng dâng áp suất Hiện này người ta thường sử dụng thiết bị có tên rupture disk (thiết

bị làm từ một màng kim loại, được sử dụng nhằm bảo vệ đường ống khỏi bất kỳ sự tăng

áp suất nào vượt quá giá trị cho trước, khi áp suất tăng, màng này sẽ bị phá hủy để bảo

vệ đường ống, vì vậy nó chỉ dùng được một lần)

Kiểm tra áp suất

Dòng khí chuyển động trong đường ống đang kiểm tra áp suất cũng là một dạngcủa dòng chất lưu chuyển động không ổn định Công việc kiểm tra bao gồm việc giữnguyên áp suất không đổi trong khoảng thời gian thích hợp để đảm bảo đường ôngkhông có rò rỉ Thời gian cần thiết cho quá trình kiểm tra có thể được tính ra từ phươngtrình sau:

(10.53)

Trong đó:

Khi một đường ống được đóng trong thời gian tối thiểu bằng thời gian tính được

ở trên, nó sẽ được coi là kín nếu tổn thất áp suất đo được không vượt quá giá trị tínhđược từ công thức sau:

(10.54)Trong đó:

Pmax : tổn thất áp suất có thể chấp nhận được kPa psi

d : đường kính ống cm in

Thay đổi nhiệt độ trong đường ống dẫn khí

Hầu hết các phương trình thông dụng được sử dụng trong tính toán tổn thất ápsuất đều đỏi hỏi người tính toán phải sử dụng một giá trị nhiệt độ không đổi Đó thường

là nhiệt độ trung bình Nếu việc tính toán được thực hiện bằng máy tính đường ốngthường được chia ra làm nhiều đoạn nối tiếp nhau, mỗi đoạn có một nhiệt độ không đổiriêng; nếu việc tính toán được thực hiện bằng tay thì chỉ có một giá trị nhiệt độ được sửdụng cho toàn bộ đường ống Giá trị trung bình này thường phải phù hợp với các điềukiện đã được dự đoán từ trước trong đường ống Nó đóng một vai trò hết sức quantrọng vì có ảnh hưởng trực tiếp đến các đường ống đang được sử dụng

Cộng việc dự đoán nhiệt độ phân bố trong hệ thống đường ống cũng đóng vai tròquan trọng như tính toán áp suất Nó ảnh hưởng rất nhiều đến việc tính toán thiết kế cóliên quan đến đường ống cũng như các yếu tố khác như nhiệt độ rót dầu thô, hiện tượnghydrate khí, quy luật thay đổi giữa 2 pha lỏng – hơi, tỷ lệ nước trong khí Chính vì vậymột trong những công việc đầu tiên tính toán cho hệ thống đường ống là xác định đượcmột nhiệt độ thích hợp

Nhiệt độ tại một điểm bất kỳ là có thể dự đoàn được thông qua việc sử dụng cânbằng năng lượng rút ra từ định luật thứ nhất của nhiệt động học Nếu thay đổi thế năng

và động năng được bỏ qua, công thực hiện bằng 0 thì cân bằng của định luật 1 cho một

hệ ở trạng thái ổn định còn lại là H = Q

Entanpy của chất khí tăng lên khi áp suất giảm đi; đối với chất lỏng thì thay đổi

áp suất không làm thay đổi entanpy Vì vậy, entanpy tại một điểm bất kỳ trong đườngống phụ thuộc cả vào áp suất tại điểm đó và nhiệt năng nhận được hoặc mất đi quathành ống

Từ phương trình truyền nhiệt Q = UAtm, đối với ống có tiết diện tròn nó có thểđược viết lại như sau:

Trong đó:

U : hệ số truyền nhiệt

d : đường kính ống

L : chiều dài đoạn ống = L1 – L2

Tg, Q sẽ mang dấu dương và đường cong sẽ tiếp cận với Tg từ phía dưới

Đường A mô tả trường hợp tác dụng của áp suất lên entanpy bị bỏ qua Đây làquá trình truyền nhiệt đơn giản và nhiệt độ của chất lưu không thể giảm xuống dướinhiệt độ Tg Đường B thể hiện sự thay đổi của nhiệt độ do có tính đến ảnh hưởng của ápsuất đến entanpy Trong thực tế nhiệt độ của đường ống thường không thấp hơn nhiệt

độ Tg quá 2 – 3 oC trong trường hợp áp suất giảm

Nếu không có sự thay đổi pha trong đường ống ta có thể sử dụng phương trìnhsau:

(10.56)

Phương trình trên thiết lập mối quan hệ giữa entanpy với nhiệt dung riêng (Cp),

P, V và T Đối với khí lý tưởng hoặc chất lỏng, số hạng thứ 2 có giá trị bằng 0

Nếu tổn thất áp suất trong đường ống (dP) nhỏ không đáng kể so với áp suấttuyệt đối thì số hạng thứ 2 thường nhỏ hơn số hạng thứ nhất Đối với những đường ốngdẫn khí có áp suất trên 3500 kPa [500 psi] thì có thể bỏ qua số hạng thứ 2 Từ đó có thểđưa ra 3 cách giải cơ bản cho phương trình tính h kể trên

1 Sử dụng phương trình entanpy – PVT

2 Tính xấp xỉ số hạng thứ 2 bằng cách giả định một chuỗi các giãn nở Joule –Thomson

3 Bỏ qua hoàn toàn số hạng thứ 2

Phương pháp (1) được sử dụng cho máy tính Phương pháp (3) thuận lợi choviệc tính tay Sử dụng phương pháp (1) cho độ chính xác cao nếu đường ống dẫn khíđược tính toán theo từng phần để tổn thất áp suất trên mỗi phần không vượt quá 20% ápsuất ban đầu Phương pháp (2) được sử dụng trong thời kỳ chưa sử dụng máy tính vàotính toán như một phương pháp tính tay để xác định ảnh hưởng của áp suất lên nhiệt độ(A,B) Có thể lập trình phương pháp này nhưng không tiện lợi như chương trình sửdụng phương pháp (1) Cả 2 phương pháp (1) và (2) đều đòi hỏi thuật toán lặp

Phương pháp (2) có thể được tính gần đúng bằng cách chuyển thay đổi củaentanpy do áp suất thành thay đổi của nhiệt độ theo đơn vị chiều dài Kết quả cho taphương trình sau:

(10.57)

Trong đó:

Cp: nhiệt dung riêng J/kg.oC Btu/lb-oF

J: hệ số Joule-Thomson oC/m oF/ft

U: hệ số truyền nhiệt W/m2.oC Btu/hr-ft2

Đối với phương pháp (3) số hạng J trong phương trình 10.54 bằng 0 và trở thànhphương trình sau đây:

(10.58)

Phương trình trên thường được giải cho T2 Kết quả thu được bằng cách lấy đốilogarit của vế bên trái Điều này cũng làm cho các sai số tăng lên

Hệ số truyền nhiệt tổng (U) Hệ số này đại diện cho tất cả các yếu tố cản trở quá

trình truyền nhiệt Đối với một đường ống được chôn xuống đất, tất cả các yếu tố cảntrở truyền nhiệt sau có thể xuất hiện:

1 hệ số màng giữa chất lưu và thành ống

2 độ dẫn nhiệt bên trong ống

3 khoảng không hình xuyến giữa trong và ngoài ống

Đường ống chôn dưới đất thường có các yếu tố cản trở 1, 4, 5, 8 và 9; chôn dướibiển có 1, 4, 5 và có thể có 7 Trong một giếng khoan có chất lưu chảy bên trong ống cóthể có 1, 2, 3, 4, 7 và 9 Lớp cách nhiệt chỉ được sử dụng trong một số trường hợp đặcbiêt.

Yếu tố cản trở số 9 được sử dụng để điều chỉnh nhiệt độ tăng xung quanh đườngống lên trên giá trị Tg Các khảo sát nhiệt độ chỉ ra rằng thông thường nhiệt độ của đấtcao hơn Tg ở vị trí cao hơn 5m [15ft] so với đường ống Đây là một yếu tố cản trở hiệuquả nhằm giảm bớt tổn thất nhiệt độ

Khi có thiết bị trao đổi nhiệt, giá trị chính xác nhất của U được xác định bằngkiểm tra Trong quá trình nghiên cứu một hệ thống đường ống dẫn và thu thập khíngười ta xác định được giá trị của U từ 0.4-3.5 W/m2.K [0.07-0.6 Btu/hr-ft2-oF] Hầu hếtcác giá trị đo được nằm trong nửa dưới của khoảng trên Tác dụng cản trở của đất làhạn chế Cận dưới trong khoảng giá trị trên là của đường ống nằm trong đất bở rời, cậntrên là đối với đường ống nằm trong đất chặt khít với độ ẩm cao

Các đường ống nằm dưới đáy biển hoặc dưới lòng sông có hệ số truyền nhiệt caohơn, đặc biệt là nếu dòng nước chuyển động mạnh Đối với những đường ống lộ thiênhoặc được bọc bê tông thì hệ số truyền nhiệt có thể cao đến 7.0 W/m2.K [1.25 Btu/hr-

ft2-oF] Đối với đường ống được chôn dưới đất hoặc một phần ở dưới đất thì hệ sốtruyền nhiệt tổng có giá trị gần bằng giá trị đã trình bày ở đoạn trên

Một đường ống có thể cắt qua một vài môi trường thất thoát nhiệt khác nhau.Phương pháp thực tế nhất cho thấy không có một giá trị U duy nhất nào đáp ứng đượcyêu cầu Thông thường người ta phải lấy một khoảng các giá trị của U từ các số liệuthử, sau đó thiết kế cho trường hợp có tổn thất nhiệt lớn nhất

Nhiệt độ T g Không có một giá trị xác định, nó phụ thuộc một phần vào nhiệt độkhông khí Tại độ sâu chôn ống dưới “đường đóng băng” nhiệt độ đất nói chung thayđổi từ 2-16 oC [35-60 oF] theo mùa Nhiệt độ lớn nhất của đất có thể thay đổi chậm hơn

so với nhiệt độ không khí từ 1 đến 2 tháng Đối với những ống chôn dưới nước ở độ sâu30m [100ft] khoảng thay đổi nhiệt độ cũng tương tự như trên Nếu nước lặng thìkhoảng dao động sẽ nhỏ hơn Một vài hồ có khoảng dao động nhiệt độ của nước đáychỉ vào khoảng 3oC [5 oF] trong suốt cả năm

Công việc khảo sát nhiệt độ nên là một phần của kế hoạch tính toán nếu thànhphần nhiệt độ của đường ống là yếu tố thiết kế chứ không phải là tổn thất áp suất.Thông thường khi xét nhiệt độ sơ bộ thì nhiệt độ thấp nhất ít khi nhỏ hơn 0-1oC [34-

35oF]

Do có các thay đổi nhiệt độ Tg, giá trị của U cũng thay đổi theo mùa Đối vớinhững khu vực có thể nhận biết được rõ sự thay đổi của mùa, giá trị U ở mùa đông cóthể cao hơn 50-60% so với mùa hè Trong giả thiết điều này không xảy ra do U độc lậpvới Tg, tuy nhiên nó nên được chú ý trong quá trình kiểm tra

Các đường ống nằm trên mặt đất Các phương trình ở trên không được áp dụng

cho các đường ông nằm trên mặt đất do không có một giá trị Tg nào có thể sử dụng.Nhiệt độ lớn nhất của chất lưu chuyển động trong đường ống loại này là kết quả củanhiệt độ nhận được từ mặt trời do bức xạ vào ban ngày trừ đi lượng mất đi tương ứng

do đối lưu Nhiệt độ trong trường hợp này phụ thuộc vào các yếu tố sau:

 Thời gian trong ngày

 Tốc độ gió

 Điều kiện khí quyển

 Màu sắc và đặc tính của bề mặt đường ống

 Nhiêt độ không khí Ta

 Tốc độ dòng khí và đặc tính của nó trong đường ống

Thực tế không có một phương pháp nào chính xác ước lượng được, người tathường phải dựa vào các số liệu kiểm tra đường ống có sẵn

Nhiệt độ lớn nhất của dòng khí chuyển động trong đường ống nằm trên mặt đất

có thể được tính từ phương trình sau:

(10.59)

Trong đó:

R: hệ số hấp thụ bực xạ mặt trời W/m2 Btu/hr/ft2

ha: hệ số màng không khí đối lưu W/m2. oC Btu/hr-ft2- oF

Ta: nhiệt độ không khí xung quanh oC oF

Giá trị của R và ha được cho trong bảng sau:

Phương trình 10.59 cho ta biết nhiệt độ lớn nhất có thể có trong điều kiện mặttrời chiếu vuông góc với mặt đất, bầu trời quang đãng và đường ống đủ dài để thiết lậpđược cân bằng nhiệt độ giữa năng lượng nhận được từ bức xạ và năng lượng mất đi dođối lưu Trong trường hợp tiêu biểu, nhiệt độ tăng lên thường không vượt quá nhiệt độxung quanh 10-16oC [18-30 oF].

Nhiệt độ thực tế có thể thấp hơn nhiệt độ lớn nhất trừ khi đường ống là rất dài.Các đặc tính của chất lưu, tốc độ, chiều dài ống, mùa trong năm (vị trí của mặt trời), và

vị trí địa lý đều ảnh hưởng đến hiệu ứng bức xạ thực tế Do các yếu tố trên thay đổitheo thời gian nên nhiệt độ cũng thay đổi theo

Vào ban đêm, thậm chí ở các khu vực nhiệt đới, lượng nhiệt mất đi do bức xạtrong đêm có thể rất lớn và làm cho nhiệt độ thay đổi rất nhanh Việc duy nhất ta có thểlàm là xác định lượng mất mát này để đưa ra các quyết định tiếp theo

Lớp cách nhiệt Mục đích của lớp cách nhiệt là nhằm làm giảm tốc độ nhận hoặc

mất nhiệt của đường ống theo một phương pháp chủ động hơn Trong một chuỗi cácyếu tố cản trở quá trình truyền nhiệt, yếu tố nào có độ dẫn nhiệt nhỏ nhất sẽ quyết địnhlượng nhiệt mất mát

Các tiến bộ khoa học về các kỹ thuật dưới biển, đặc biệt là ở khu vực nước sâu

đã thúc đẩy các nghiên cứu về cách nhiệt cho đường ống Có thể sử dụng lớp cách nhiệtcho đường ống để duy trì nhiệt độ cao hơn nhiệt độ tạo thành hydrate nhằm ngăn chặn

sự lắng đọng hydrate và parafin trong đường ống (cũng có thể sử dụng các chất ức chế)

Các đường ống được bọc lại với nhau được sử dụng rất nhiều tại Vịnh Mexico

và Biển Bắc Hệ đường ống này sử dụng một ống cách nhiệt có chứa ống dẫn khí, ốngcách nhiệt, thiết bị gia nhiệt, ống điều khiển, v.v Chất cách nhiệt là polyurethane Hệ sốtruyền nhiệt tổng thay đổi từ 0.26 W/m2.K [0.046 Btu/hr-ft2-oF]cho lớp cách nhiệt bềdày 54mm [2-1/8 in] đến 10.6 W/m2.K [ 1.9Btu/hr-ft2-oF]cho lớp cách nhiệt bề dày11mm [7/16 in]

Dòng chuyển động nhiều pha

Hệ thống đường ống vận chuyển hỗn hợp nhiều pha được sử dụng rất nhiềutrong công nghiệp dầu khí Khi vận chuyển dầu và khí đến các nhà máy xử lý, vì lý dokinh tế, người ta thường sử dụng một đường ống đơn để vận chuyển cả 2 pha lỏng vàkhí cùng một lúc Ngoài ra ở các đường ống dẫn khí, mặc dù đầu vào chứa một pha duynhất là khí, những trong quá trình vận chuyển xảy ra hiện tượng ngưng tụ và xuất hiệnpha lỏng trong đường ống do tác dụng của áp suất và giảm nhiệt độ dọc theo đườngống

Như đã giới thiệu ở trên, việc tính toán tổn thất áp suất cho đường ống chứa mộtpha duy nhất là tương đối dễ dàng Tuy nhiên đối với hệ nhiều pha công việc phức tạphơn nhiều Trong đường ống chứa nhiều pha, chất lỏng và khí có thể chuyển động theorất nhiều cách khác nhau Pha lỏng có thể di chuyển dưới đáy của đường ống (trạng tháiphân lớp hoặc dạng sóng), hoặc có thể ở dạng những giọt nhỏ như sương mù hoặc ởdạng slug (dòng chảy chậm)

Hình 10.6 Các trạng thái chảy trong đường ống chứa 2 pha lỏng khí nằm ngang

Quy luật cơ bản của hệ thống vận chuyển 2 pha phụ thuộc vào việc pha lỏng haypha khí, hay cả 2 pha là các pha liên tục Trong trạng thái bong bóng (bubbles) có mộtchuỗi các bong bóng khí trong pha lỏng, ở đây pha khí không phải là một pha liên tục

Ở trạng thái spray (sương mù) có nhiều phần tử lỏng chuyển động lơ lửng trong phakhí, trong trường hợp này pha khí lại là pha liên tục, pha lỏng là pha không liên tục.

Trong cả 2 trường hợp ví dụ ở trên pha không liên tục có thể được xem như chỉthay đổi quy luật chảy của pha liên tục Một phương pháp rất đơn giản cho trường hợpnày là chỉ cần thay đổi các đặc tính và/hoặc hệ số ma sát của pha liên tục rồi sau đó tínhtoán giống như hệ một pha

Công việc tính toán cho trường hợp trên thường được thực hiện theo mặc địnhbằng cách thiết lập mối tương quan giữa số liệu rút ra từ các hệ thống hiện hành Hầuhết các đường ống dẫn dầu đều chứa khí và hầu hết đường ống dẫn khí có chứa chấtlỏng Điều đó giải thích tại sao chúng ta phải sử dụng các máy phân tách lỏng-khí

Trong một số trạng thái chảy được mô tả ở hình 10.6 cả 2 pha đều liên tục.Trường hợp này phức tạp hơn do có sự tương tác giữa các pha riêng biêt Pha khí dichuyển nhanh hơn nhiều so với pha lỏng tạo ra một lực trượt ở mặt phân cách 2 pha.Đặc tính của dòng chảy phụ thuộc vào một số biến như khối lượng riêng và độ nhớt củacác pha, tốc độ chuyển động của từng pha, tỷ lệ lỏng-khí, và sức căng bề mặt

Trên một đoạn đường ống có thể có một vài trạng thái chảy xuất hiện do các lực

và tỷ lệ lỏng-hơi có thể thay đổi Tỷ lệ giữa 2 pha lỏng khí có thể thay đổi khi lỏngđược ngưng tụ từ khí hoặc khí bốc hơi từ lỏng Vì vậy khi tính toán cho đường ống loạinày cần quan tâm đến tất cả các yếu tố kể trên

Hình 10.7 mô tả 4 trạng thái chảy trong đường ống thẳng đứng Trạng thái chảythứ 5 không được vẽ trên hình, còn được gọi là trạng thái “front flow” Trạng thái nàyxuất hiện với đường ống đang có lưu lượng pha lỏng lớn thì pha khí được bơm vào tạothành nhiều bong bóng nhỏ phân tán trong pha lỏng

Hình 10.7 Các trạng thái chảy trong đường ống chứa 2 pha lỏng-khí nằm thẳng đứng

Trong dòng chảy thẳng đứng trọng lực có chiều ngược lại với động lực chuyểnđộng của dòng chất lỏng-khí làm xuất hiện hiện tượng slippage (trượt ) Do đó dòngchảy với phương thẳng đứng có các tính chất khác biệt so với dòng chảy ở phươngngang và khiến công việc tính toán trở nên phức tạp hơn

Xét đến hệ số ma sát Đối với đường ống vận chuyển một pha, hệ số ma sát đại

diện cho tổn thất năng lượng giữa chất lưu và thành ống, nó là một hàm của các đặctính của chất lưu, vận tốc chuyển động, đường kính ống và độ nhám đường ống Đốivới đường ống vận chuyển hai pha, các pha chuyển động với các đặc tính khác nhau,tương tác với đường ống và với nhau Hệ số ma sát do đó phụ thuộc vào rất nhiều yếu

tố khác nhau phức tạp hơn nhiều so với đường ống vận chuyển một pha Ngoài ra, cách

xử lý các yếu tố tác động lên hệ số ma sát cho phù hợp với các thông số và mục đíchtính toán đã có cũng làm ảnh hưởng đến cách tính hệ số ma sát

Bên cạnh tổn thất áp suất, một thông số quan trọng khác trong thiết kế và vậnhành đường ống vận chuyển nhiều pha là tỷ lệ chất lỏng ngưng trệ (liquid holdup) Tỷ

lệ chất lỏng ngưng trệ đại diện cho tỷ lệ diện tích mặt cắt ngang của ống bị chiếm bởichất lỏng tại bất kỳ điểm nào dọc theo đường ống Tỷ lệ chất lỏng ngưng trệ ảnh hưởngđến diện tích phần đường ống dành cho dòng khí chuyển động và là một yếu tố rất quantrọng để tính toán thiết kế các thiết bị xử lý chất lỏng (slug catchers – bộ gom slug) tạiđiểm cuối của đường ống Nó cũng quyết định khối lượng riêng của chất lỏng, yếu tố

có ảnh hưởng đáng kể đến tổn thất áp suất trong đường ống, đặc biệt là trong nhữngđường ống theo phương thẳng đứng hoặc nằm nghiêng

Mỗi một trạng thái chảy ở trên có cách tính toán tổn thất áp suất và tỷ lệ ngưngtrệ chất lỏng khác nhau

Tất cả các phương pháp tính toán đều dựa trên các nguyên lý nhiệt động vànguyên lý chuyển động của chất lưu giống nhau đã được xem xét trong các phần trước.Đối với đường ống vận chuyển một pha, việc tính toán công mất mát do ma sát đềuđược tiến hành bằng thực nghiệm Do đó đối với hệ thống hai pha bất kỳ phương pháptính toán nào cũng phải dựa trên các thông số về kích thước ống, đặc tính của chất lưu,điều kiện chuyển động, yếu tố hình học và tỷ lệ lỏng-khí

Không có một phương pháp tính nào áp dụng được cho tất cả các trường hợp.Khi sử dụng một phương pháp tính nào đó người ta phải kiểm tra lại hệ thống đườngống của mình xem có phù hợp hay không, vì vậy số liệu lấy được từ các hệ thống hiệnhành là rất quan trọng Người kỹ sư tính toán phải xem xem phương pháp tính mình sửdụng và các số liệu hỗ trợ có phù hợp với hệ thống mà mình đang thiết kế hay không.Giống như tất cả các phương trình bán thực nghiệm khác, bất kỳ một sự ngoại suy nàonằm ngoài khoảng số liệu đã cho đều có thể dẫn đến những sai sót nghiêm trọng

Các vấn đề cần quan tâm trong hệ thống vận chuyển nhiều pha là:

 tổn thất áp suất/ chiều dài ống

 tỷ lệ chất lỏng ngưng trệ

 hiện tượng tạo slug và những ảnh hưởng của nó đến kích thước thiết bịTừng yếu tố trên sẽ được xem xét trong phần tới Đường ống vận chuyển theophương ngang sẽ được nhấn mạnh Đường ống vận chuyển thẳng đứng trong giếngkhoan sẽ không được đề cập đến Bạn đọc có thể tham khảo thêm về vấn đề trên trongrất nhiều các tài liệu tham khảo về phần này trong các sách công nghệ dầu khí khácnhau Đường ống vận chuyển theo phương thẳng đứng đi lên trên, đặc biệt là khi cóslug, cũng sẽ được xem xét đến

Các phương trình quan trọng và nhóm các hệ số không thứ nguyên

Dưới đây trình bày một số phương trình và biểu thức quan trọng thường được sửdụng trong tính toán đường ống vận chuyển hai pha

g

g g

m q





L

L L

m q

m A

m A

q v

L

L

L

L L

sg g

L

g

g

v v

v q

sL

g L

L L

v v

v q

qg: lưu lượng thể tích thực của khí m3/s ft3/sec

qL: lưu lượng thể tích thực của lỏng m3/s ft3/sec

vsg: vận tốc mặt ngoài của khí m/s ft/sec

vsL: vận tốc mặt ngoài của lỏng m/s ft/sec

mg: lưu lượng khối lượng của khí kg/s lbm/sec

mL: lưu lượng khối lượng của lỏng kg/s lbm/sec

A: diện tích mặt cắt ngang trong của ống m2 ft2

g: khối lượng riêng của khí (dk chuyển động) kg/m3 lbm/ft3

L: khối lượng riêng của khí (dk chuyển động) kg/m3 lbm/ft3

g: tỷ lệ chất lỏng ngưng trệ

L: tỷ lệ khí

Bên cạnh số Reynold, người ta còn sử dụng một số các hệ số không thứ nguyênsau:

Số Froude: số này đại diện cho tỷ lệ lực quán tính trên lực trọng trường Sử

dụng khi dòng chảy chịu ảnh hưởng của trọng lực

Biểu thức ở bên trái là biểu thức tính cơ bản Biểu thức bên phải sử dụng thuận tiện hơn và thường được gọi là số Fr Mặc dù bản chất của nó là (Fr)2

Số Weber: được định nghĩa là tỷ lệ giữa lực quán tính và lực bề mặt Nó bằng

hai lần tỷ lệ giữa động năng và năng lượng bề mặt của một thể tích chất lưu xác định

Tương tự như trên biểu thức ở bên phải thường được sử dụng nhiều hơn do sự thuận tiện của nó Được sử dụng trong trường hợp một pha là không liên tục do sức căng tại mặt phân cách hai pha ảnh hưởng đến tổn thất (drop size )

Số Euler: là tỷ lệ giữa áp lực tác dụng và lực quán tính Sử dụng trong trường

hợp áp lực là lực điều khiển, đặc biệt là khi một chất lưu là nén được

Trong đó:

v: vận tốc chuyển động của chất lưu

: khối lượng riêng của chất lưu

g: gia tốc trọng trường

: sức căng bề mặt

d: đường kính ống

P: áp suất

Đường ống vận chuyển hai pha theo phương ngang

Tất cả các phương trình tính toán cho hệ vận chuyển nhiều pha đều dựa trên địnhluật cân bằng động lượng và phương trình dòng liên tục, thiết lập mối quan hệ giữa cácđại lượng cột áp tĩnh, ma sát và các hiệu ứng gia tốc

(10.60)

Phương trình 10.60 dựa trên các giả định sau: 1) trạng thái chuyển động là ổnđịnh, 2) không có bơm hay máy nén làm ảnh hưởng đến hệ thống, 3) hệ là đoạn nhiệt.Với các giả định đó, phương trình trên có thể dùng để tính toán cho phần lớn chuyểnđộng của các chất lưu

Phương pháp chung được sử dụng là xây dựng một phương trình thực nghiệm

mô tả hệ số ma sát hai pha, ftp, và tỷ lệ ngưng trệ chất lỏng (yếu tố quyết định vận tốcchuyển động và khối lượng riêng của từng pha) Trong rất nhiều trường hợp phươngtrình thực nghiệm này chỉ có thể dùng để tính toán cho một trạng thái chảy, vì vậyngười kỹ sư tính toán phải dùng nhiều phương trình khác nhau (do các nhà nghiên cứukhác nhau xây dựng) khi trạng thái chảy của hệ thay đổi

Ngày nay, với sự tiến bộ của ngành khoa học máy tính, phương pháp thườngđược sử dụng là dùng một mẫu (thường được gọi tên là “mẫu cơ giới”) để mô tả trạngthái của hệ trong một khoảng rộng của các điều kiện đầu vào Các mối tương quan được

sử dụng hiện nay có thể được chia ra làm 3 loại sau:

Loại 1:

a Coi tỷ lệ ngưng trệ chất lỏng không làm ảnh hưởng đến khối lượng riêng

b Tỷ lệ ngưng trệ chất lỏng và ma sát với thành ống được gộp chung vào một

hệ số ma sát

c Các trạng thái chảy là không khác nhau

Loại 2

a Tỷ lệ ngưng trệ chất lỏng có ảnh hưởng đến khối lượng riêng

b Tỷ lệ ngưng trệ chất lỏng có thể được tính riêng

c Hệ số ma sát được tính dựa trên các tính chất của thành phần chất lưu

d Các trạng thái chảy không khác nhau

Loại 3

a Khối lượng riêng thay đổi theo tỷ lệ ngưng trệ chất lỏng

b Tỷ lệ ngưng trệ chất lỏng được tính toán dựa trên vận tốc trượt (slip velocity)(khác với vận tốc chuyển động của pha khí và pha lỏng)

c Pha liên tục quyết định tổn thất do ma sát với thành ống

d Phân chia các trạng thái chảy khác nhau

Loại 3 đã được sử dụng trong hơn 20 năm trước và đều được lập trình trên máytính

Biểu đồ các trạng thái chảy

Hình 10.8 (không có trong bản pdf) cho ta một hình dung đơn giản về các trạngthái chảy của hệ đường ống vận chuyển hai pha theo phương ngang Nó được xây dựngđối với hệ vận chuyển không khí và nước tại áp suất thấp cùng với đường ống có kíchthước nhỏ Tuy nhiên nó rất hữu ích khi cho chúng ta hiểu vận tốc chuyển động của phakhí và pha lỏng ảnh hưởng thế nào đến sự thay đổi giữa các trạng thái chảy

Hình 10.9 (không có trong bản pdf) mô tả một biểu đồ khác hay được sử dụngcho các đường ống nằm ngang hoặc gần nằm ngang Một sự thay đổi nhỏ về độ dốc củađường ống có thể dẫn đến sự thay đổi đáng kể đường biên giới giữa các trạng thái chảytrên bản đồ trạng thái Ví dụ chỉ với 5% độ dốc có thể làm tăng khu vực dòng chảy sluglên đáng kể Các yếu tố sau được sử dụng trong phương trình ở hình 10.9

(Pf/L): tổn thất áp suất trên đơn vị chiều dài Pa/m psf/ft

g: gia tốc trọng trường 9.81 m/s2 32.18 ft/sec2

chỉ số dưới g và L lần lượt được sử dụng cho chất khí và chất lỏng

Đối với các đường ống vận chuyển ít pha lỏng với vận tốc từ 3-5 m/s [10-16.4ft/sec] hầu hết đều năm ở trạng thái chảy phân lớp Chú ý là một sự thay đổi nhỏ về độdốc của đường ống cũng có thể làm thay đổi đường ranh giới giữa các trạng thái chảy

Tổn thất áp suất

Không có đường ống nào được chôn dưới đất hoặc dưới nước là thực sự nằmngang Do đó thuật ngữ “nằm ngang” dùng để chỉ các hệ có chiều dài đường ống lớn

hơn rất nhiều so với thay đổi cột áp Trong những đường ống như vậy chất lưu có thể đilên hoặc đi xuống hoặc di chuyển theo phương ngang.

Hình dưới đây mô tả đường ống có thể gọi là gần nằm ngang trong đó độ caocủa phần đỉnh và đáy dốc được xác định bằng khảo sát Không giống như hệ vậnchuyển một pha, tất cả những thay đổi về cột áp đều ảnh hưởng đến tổn thất áp suất

Nếu năng lượng của dòng chất lỏng đang di chuyển ở một khu vực thấp không

đủ để đưa nó vượt lên trên dốc như trong hình dưới đây thì chất lỏng sẽ tích tụ lại tạikhu vực đó

Khi lượng chất lỏng tích tụ tăng lên, diện tích mặt cắt ngang dành cho pha khígiảm đi Tại một số điểm áp suất cho pha khí gây ra có thể đẩy lượng chất lỏng này dichuyển Một phần chất lỏng sẽ vượt qua đỉnh dốc, phần còn lại không vượt qua đượcthì trượt trở lại Phần chất lỏng di chuyển qua có thể sẽ gây ra hiện tượng tích tụ chấtlỏng tương tự tại các vùng trũng tiếp theo Cứ như thế khi đủ thời gian thì hiện tượng

“dâng áp lực – surges” xảy ra Quá trình cũng diễn biến tương tự khi dòng chất lỏng dichuyển xuống dốc

Hiện tượng trên xảy ra là biểu hiện của quá trình sử dụng năng lượng không hợp

lý Quá trình chuyển tính ỳ của chất lỏng và cho nó một động lượng cần thiết tốn nhiềunăng lượng Hơn nữa, nếu dùng chất khí để nâng chất lỏng vượt qua các vùng trũng sẽgây ra tổn thất áp suất lớn Vì vậy, thích hợp nhất là duy trì lưu lượng của dòng chất lưu

ở mực thích hợp để giảm thiểu hiện tượng ngưng trệ chất lỏng

Thêm vào đó, lượng chất lỏng bị ngưng trệ lớn sẽ khiến các slug chất lỏng xuấthiện ở đầu ra của đường ống lớn Hiện tượng trên xảy ra đối với các đường ống giếng

khoan vận hành với công suất nhỏ hơn công suất thiết kế Khi tăng lưu lượng, lượngchất lỏng ngưng trệ và slug cũng giảm theo.

Điều này được mô tả ở hình dưới đây Tổn thất áp suất đạt giá trị nhỏ nhất vàsau đó gia tăng khi lưu lượng tăng Nguyên nhân của hiện tượng một phần là do sựphân ly chất lỏng đã được đề cập ở phần trước

Đối với nhưng hệ thống ở xa bờ lưu lượng dòng chất lưu ban đầu có thể thấp, do

đó cần phải có các bộ gom slug đề phòng cho trường hợp xấu này xảy ra Đường ốngđương nhiên được điều chỉnh kích thước sao cho phù hợp với lưu lượng lớn nhất có thểxảy ra, tuy nhiên người kỹ sư cũng nên tính toán cho các trường hợp lưu lượng nhỏ đểđảm bảo đường ống hoạt động được trong mọi điều kiện Dưới đây trình bày một sốphương trình tính toán cho dòng chảy theo phương ngang Thông thường thì phươngpháp thông minh nhất là dựa trên một vài phương pháp đã biết để xây dựng một khoảnggiá trị có thể xảy ra Đơn giản vì không có một phương pháp nào đúng cho tất cả cáctrường hợp

Phương pháp của Flanigan mô tả dưới đây phù hợp cho việc tính tay và có thểdùng để mô tả vai trò tương đối của một số biến số quan trọng

Phương trình Flanigan hiệu chỉnh

Phương pháp này được xây dựng từ các hệ thống đường ống trên thực địa vàđược cho là khá hữu dụng mặc dù nó tương đối đơn giản Mối quan hệ giữa lưu lượngcủa dòng khí, đường kính ống và tổn thất áp suất đã được trình bởi ở phương trìnhPanhandle A (Bảng 10.1) Đối với dòng chảy hai pha hai mối tương quan sau được thiếtlập:

1 Giá trị của áp suất ra P2 được thay đổi theo tổn thất áp suất do hiện tượng dichuyển lên xuống của dòng chảy, bao gồm cả hiện tượng ngưng trệ chất lỏng

2 Hệ số hiệu chỉnh đường ống (E) cũng được đưa vào để phản ánh ảnh hưởng củacác giá trị đo được của hệ thống dựa trên vận tốc dòng khí và tỷ số giữa lỏng-khí.

Từ đó phương trình Panhadle A có thể được viết lại như sau:

(10.61)Trong đó

qsc: lưu lượng khí tại Tsc và Psc m3/ngày scf/ngày

Tm: nhiệt độ tuyệt đối trung bình K oR

g: khối lượng riêng chất khí kg/m3 lbm/ft3

Eh: hệ số cột áp thực nghiệm (Hình 10.10)

Hình 10.10 cho ta cách tính cột áp của chất lỏng trong phương trình 10.62 Tạivận tốc nhỏ tổn thất cột áp là lớn Chất lỏng bị tích tụ tại các vùng trũng và được dichuyển đi một cách gián đoạn Khi vận tốc tăng lên trên 2 m/s [6.6 ft/sec] tổn thất cột

áp giảm nhanh chóng Nếu vận tốc pha lỏng vào khoảng 8 m/s [26.2 ft/sec] thì ảnhhưởng của sự thay đổi này lên tổn thất cột áp là không đáng kể, trong thực tế trạng tháichảy của đường ống sẽ ở dạng sương mù hoặc sương mù vòng xuyến

Hình 10.10 Cột áp của chất lỏng trong phương pháp của Flanigan

Vận tốc tới hạn của dòng khí có thể tính được từ phương trình ở trang 358 hoặc

sử dụng phương trình 10.63 dưới đây

(10.63)

Trong đó:

qsc: lưu lượng khí tại dktc 106 m3/ngày MMscfd

Hệ số hiệu chỉnh đường ống 2 pha (Etp) được xác định từ giản đồ 10.11 Giá trị

vsg trên hoành độ giống với giá trị sử dụng trong giản độ 10.10 Số R chính là tỉ số giữahai pha lỏng-khí trong phần đường ống đang xét

Tại phần phía trên bên phải của đường cong có một lượng nhỏ chất lỏng Hệ số

Etp tiệm cận đối với đường ống vận chuyển khí không chứa nước Một ưu điểm củatương quan Flanigan là khi lượng chất lỏng tiến đến 0 thì Etp tiến đến 0.92 Điều kiệnbiên đó cũng đúng với các đường ống trong thực tế

Trong rất nhiều đường ống, tỉ số R giữa chất lỏng và chất khí thay đổi theo chiềudài đường óng Khi nhiệt độ của pha khí giảm, R tăng Trong đường ống có chiều dàilớn, gía trị của R có thể nhanh chóng trở nên ổn định Vì vậy nếu biết giá trị R ở đầuvào và đầu ra của đường ống thì nên sử dụng giá trị ở đầu ra do nó tồn tại trong phầnlớn chiều dài của đường ống Ngoài ra, ta có thể sử dụng phương trình về lượng chấtlỏng ngưng trệ như của Ealton (xét trong phần tới) để ước lượng R

Hình 10.11: Giản đồ hệ số hiệu chỉnh Etp

Do giá trị của R, P và T thường thay đổi theo chiều dài của đường ống nên mộtđường ống thường được chia ra làm nhiều phần để thuận tiện cho việc tính toán Giá trịtrung bình của P và T được tính riêng cho từng phần R được xác định từ việc tính toántương đương các giá trị trên Giá trị P của một phần được tính sau khi xác định đượctrạng thái chảy và phương trình phù hợp Rõ ràng là nếu đường ống được chia ra làmquá nhiều phần thì quá trình tính toán sẽ tốn rất nhiều thời gian nếu tính bằng tay.

Sử dụng phương pháp này có thể giải được 3 bài toán khác biệt sau:

1 Biết lưu lượng của dòng chảy và đường kính ống, tính toán tổn thất áp suất.Phương pháp giải khá dễ dàng Giải phương trình 10.61 cho (P2 + P2) P2 làgiá trị áp suất cần thiết kế Nếu giá trị P2 đã được định sẵn từ trước thì dùng

nó để tính P1

2 Biết lưu lượng và tổn thất áp suất, tính đường kính ống dẫn Sử dụng phươngpháp thử và sai Từ các giá trị P2 và Etp và phương trình 10.61 giải ra “d”.Khi giá trị tính được phù hợp với giá trị giả định thì tìm được giá trị “d” cầntìm Vấn đề là nên chọn giá trị “d” bằng bao nhiêu? Sử dụng phương trình10.63 để giả định vận tốc bề mặt là 8 m/s [26 ft/sec] để giải ra “d” Giả địnhtương tự cũng được sử dụng tại giản đổ 10.10 và 10.11 cho phép thử đầu tiên

3 Biết tổn thất áp suất và đường kính ống, tính lưu lương Phương pháp giảivẫn là phương pháp thử và sai Giả định 1 giá trị của lưu lượng Từ giá trị đótính vận tốc Khí giá trị giả định phù hợp với giá trị tính được từ phươngtrình 10.61 với sai số không quá 10% thì bài toán được giải

Ta cũng có thể dự đoán giá trị vận tốc như trong phần 2 ở trên và sử dụngphương trình 10.63 để tìm giá trị “q” tương ứng cho phép thử đầu tiên

Phương pháp thử vài sai này tương đối đơn giản vì khá nhiều giá trị củaphương trình không thay đổi trong suốt phép thử

Phương pháp Flanigan hiệu chỉnh đã được chứng mình là khá hữu dụng khi giátrị Etp là trên 50% Dưới giá trị kết hợp của vận tốc dòng khí và lượng chất lỏng này,công việc tính toán sẽ phức tạp hơn nhiều Phương pháp Flanigan đương nhiên chỉ thíchhợp cho pha khí là pha liên tục Về phía cuối của đường cong trong hình 10.11 điều đókhó có thể xảy ra

Hình 10.12 mô tả kết quả thu được bởi Gould và Ramsey đối với đường ốngkích thước đường kình 15 in vận chuyển khí có tỷ trọng tương đối 0.7 và dầu có tỷtrọng tương đối là 0.83 với các tỷ lệ khác nhau Áp suất sử dụng là 6.9 Mpa [1000 psig]

và nhiệt độ tại 4oC [40 oF] Các kết quả này không phải là các kết quả đặc trưng Mụcđích của nó là mô tả các kết quả mà ta có thể thu được khi dùng các phương pháp khácnhau

Hình 10.12 So sánh các kết quả tính toán của các phương pháp khác nhau đối với cùng

một trường hợp

Tỷ lệ chất lỏng ngưng trệ

Như đã được đề cập đến ở phần trước, tỷ lệ chất lỏng ngưng trệ là tỷ lệ phầnđường ống bị chiếm bởi chất lỏng Phương pháp tính toán tỷ lệ này là cực kỳ quantrọng để phân tích hệ thống vận chuyển hai pha bởi nó không chỉ quyết định diện tíchmặt cắt ngang phần đường ống dành cho dòng khí di chuyển mà còn quyết định đếnlượng tích trữ chất lỏng trong đường ống Điều này rất quan trọng đối với quá trình làmsạch đường ống (pigging operations ) và xác định kích thước của slug Nó cũng có ýnghĩa với việc xác định khối lượng riêng hai pha của dòng chảy thẳng đứng hoặc dốc

Một phương pháp để xác định tỷ lệ chất lỏng ngưng trệ là giả định rằng lượngchất lỏng trong đường ống tương đương với lượng chất lỏng đi vào đường ống (hoặclượng chất lỏng ở đầu vào cộng với lượng chất lỏng ngưng tụ trong đường ống).Phương pháp này dựa trên giả định rằng pha khí và pha lỏng chuyển động trong đườngống với vận tốc bằng nhau, không xảy ra hiện tượng trượt (slip) Nó chỉ đúng trongtrường hợp dòng khí đi vào với vận tốc rất lớn và chất lỏng đi vào ở dạng sương mù

Đối với các trạng thái chảy khác, như chảy phân lớp (thẳng hoặc sóng), pha khíchuyển động với vận tốc cao hơn so với pha lỏng Đối với những đường ống dạng nàychất lỏng tích tụ trong đường ống cho đến khi nó đạt đến trạng thái ngưng trệ cân bằng

Tại trạng thái cân bằng lưu lượng chất lỏng vào tương đương với lượng chất lỏng ra,tuy nhiên lượng chất lỏng ngưng trệ trong đường ống có thể lớn hơn nhiều so với lượngchất lỏng ở đầu vào.

Tỷ lệ chất lỏng ngưng trệ phụ thuộc vào một vài yếu tố như khối lượng riêng củachất lỏng, sức căng bề mặt, độ nhớt, đường kính ống, khối lượng riêng của chất khí, vậntốc khí và độ dốc của đường ống Vận tốc của pha khí là đại lượng quan trọng nhất Tỷ

lệ chất lỏng ngưng trệ có thể tăng lên rất nhanh khi vận tốc khí rơi xuống khoảng 3-5m/s [10-16 ft/sec] Cũng dễ dàng nhận ra rằng tỷ lệ này thay đổi theo chiều dài ống Vìvậy nếu muốn phân tích tỷ lệ này một cách thật chính xác thì phải chia đường ống ralàm nhiều đoạn và phân tích chúng riêng

Tương quan Eaton và tỷ lệ chất lỏng ngưng trệ thường được sử dụng để tính toánlượng chất lỏng ngưng trệ trong các đường ống nằm ngang Nó có thể được giải bằngtay và kết quả tính toán khá phù hợp với các số liệu thực tế Phương pháp này nên được

sử dụng cho các đường ống nằm ngang và gần nằm ngang Nếu đường ống có đườngkính lớn và lượng chất lỏng thấp thì phương pháp này càng chính xác hơn

Đường ống vận chuyển chất lỏng theo phương thẳng đứng

Các nguyên tắc tính toán cũng tương tự như với đường ống nằm ngang hoặcnằm nghiêng Điểm khác biệt ở đây là có thêm lực trong trường tương tác ngược chiềuvới chiều dòng chảy Các trạng thái chảy trong đường ống cũng khác nhau Hình 10.14

mô tả ảnh hưởng của các yếu tốc lên các trạng thái chảy

Hình 10.14 Giản đồ các trạng thái chảy trong đường ống thẳng đứng của Duns và Ros

Vận tốc số của pha lỏng và pha khí cũng tương tự như đã trình bày ở phươngpháp Eaton

Trong khu vực 1, tại vận tốc số của khí thấp và của lỏng cao, ta có trạng tháichảy bong bóng, miễn là tỷ lệ lỏng-khí là tương đối thấp và gradien áp suất cơ bản bằngtổng của cột áp tĩnh và tổn thất ma sát do chất lỏng Độ lớn tương đối của tổn thất do

ma sát phụ thuộc vào lưu lượng dòng chảy

Đối với trường hợp vận tốc bề mặt của pha lỏng nhỏ hơn 0.4 m/s [1.3 ft/sec], vậntốc pha khí tăng lên làm các bong bóng khí kết hợp lại với nhau và tạo thành các plug.Khi vận tốc khí tăng lên cao hơn nữa các plug vỡ ra và tạo thành slug Đối với nhữngkhu vực này ma sát với đường ống gần như được bỏ qua

Nếu vận tốc bề mặt của pha lỏng nhỏ hơn 0.4 m/s và vận tốc bề mặt của pha khívào khoảng 15 m/s [49 ft/sec], hoặc lớn hơn, thì trạng thái slug ở khu vực 2 chuyểnsang trạng thái sương mù ở khu vực 3 Trong khu vực này pha khí trở thành pha liên tục

và pha lỏng di chuyển dưới dạng các giọt và màng bám trên thành ống Ở đây ma sátvới đường ống là yếu tố chính gây ra tổn thất áp suất Các màng chất lỏng trên bề mặtống sẽ tạo ra các gợn sóng, các gợn này càng cao thì hệ số ma sát đường ống càng lớn,

nó tăng theo cùng với lưu lượng khí đi vào đường ống Tỷ lệ chất lỏng ngưng trệ ở khuvực 3 là nhỏ

Trạng thái chảy bọt xuất hiện trên đường ranh giới giữa khu vực 1 và khu vực 2xảy ra trong trường hợp vận tốc pha lỏng lớn, khoảng trên 1.6 m/s [5.2 ft/sec] Tại vậntốc đó không có plug và slug được tạo ra Không có một trạng thái chảy nào có thểquan sát được một cách rõ rêt Chỉ đối với các trường hợp vận tốc pha khí lớn thì ta mới

có thể quan sát được sự phân chia pha một cách rõ ràng

Các yếu tố cơ bản đối với việc tính toán là vận tốc pha lỏng và pha khí, đườngkính ống, độ nhớt, sức căng bề mặt và khối lượng riêng.Tỷ lệ lỏng-khí cũng là một yếu

tố nhưng có thể được biểu diễn thông qua vận tốc bề mặt và đường kính Nói một cáchđơn giản, trạng thái chảy của đường ống phụ thuộc vào đặc tính vật lý của chất lưu,lượng tương đối của chúng và độ hỗn loạn và các lực khác tác động đến phân bố chấtlưu trong đường ống

Hiện tượng slug

Trạng thái dòng chảy có slug là một trạng thái chảy có thể xuất hiện trong mộtkhoảng rộng của các điều kiện chảy và các yếu tố hình học đường ống Dòng chảy slug

là gián đoạn, nó có thể chuyển từ gần 100% lỏng sang 100% khí Điều đó gây nênnhững vẫn đề hết sức nguy hiểm cho việc thiết kế và vận hành các thiết bị Lưu lượngchất lỏng quá lớn có thể làm các bình tách bị quá tải và dừng quá trình xử lý Nếu lưu

lượng khí quá lớn sẽ làm loe ống hoặc làm máy nén bị quá tải tạm thời khiến hệ thốngngừng hoạt động do sự không ổn định của máy nén và/hoặc do áp suất cao Do bản chấtphức tạp của nó, việc tính toán chiều dài slug, tần suất xuất hiện slug, và tổn thấp ápsuất bằng các phương trình lý thuyết là rất khó khăn.

Dưới đây là 3 cơ chế tạo thành slug trong đường ống:

1 Cơ chế thủy động: Đây là cơ chế tạo slug thường gặp trong đường ống và đượctạo thành do sự không ổn định của bề mặt tiếp xúc giữa 2 pha lỏng/khí trongtrạng thái chảy phân lớp tại điều kiện chảy xác định Đối với đường ống nằmngang sự xuất hiện của slug dạng này có thể được xác định từ bản đồ trạng tháichảy hình 10.9

2 Cơ chế hình học: cơ chế này xảy ra do sự thay đổi đáng kể của độ cao dọc theođường ống bởi các yếu tố hình học hoặc trong ống đứng Dạng này khó tính toánhơn cơ chế trên

3 Cơ chế quá độ: Cơ chế tạo slug quá độ bắt nguồn từ sự thay đổi lưu lượng dòngchảy và áp suất dọc theo đường ống, trong quá trình nạo ống, khởi động hoặccác hoạt động chạy thử

Hiện tượng slug là một hiện tượng phức tạp Sự xuất hiện của nó là do sự không

ổn định của bề mặt chuyển tiếp giữa hai pha lỏng/khí tạo ra những vị trí tại đó chất lỏngchiếm toàn bộ đường ống như trong hình 10.15 (không có trong bản pdf) Một slugđược chia làm 4 khu vực: (1) khu vực xáo trộn, (2) thân slug, (3) màng hoặc đuôi slug,(4) bong bóng khí Kích thước của slug phụ thuộc vào cân bằng giữa pha lỏng và phakhí chuyển từ khu vực xáo trộn đến đuôi slug Các slug hình thành theo cơ chế thủyđộng phụ thuộc vào lưu lượng pha lỏng và pha khí, độ dốc đường ống, sức căng bề mặt

và khối lượng riêng của chất lưu

Người kỹ sư thiết kế cần biết được chiều dài của slug và tần suất xuất hiện của

nó để thiết kế kích thước và vận hành các thiết bị phân tách một cách hợp lý Phần lớncác nghiên cứu thực nghiệm về slug đều thực hiện với đường ống có đường kính nhỏhơn 50 mm [2 in] Một trong số những nghiên cứu đầu tiên thực hiện trên đường ốngđường kính lớn là của Brill và cộng sự Từ các số liệu của nghiên cứu này, một phươngtrình tính toán chiều dài của slug đã được thiết lập Phương trình cơ bản là hàm củađường kính ống:

] ) (ln

b = 59.115 28.495

Phương trình trên dựa trên các số liệu tính được trên đường ống nằm ngang cóđường kính trong 300-600 mm [12 -24 in] và chiều dài 4600m [15000 ft] Do nó dựatrên một khoảng giới hạn các điều kiện đầu vào nên chỉ được dùng trong các trườnghợp nhất định

Cuối cùng, phương trình 10.64 cũng giúp ta ước lượng được chiều dài trung bìnhcủa slug Các số liệu tại Prudhoe Bay cho rằng chiều dài của slug phân bố theo luậtlogarit chuẩn tắc Giả định trên là tương đối hợp lý mặc dù một vài nhà nghiên cứukhác cho rằng nó tuân theo các luật phân bố khác

Hiện tượng slug nguy hiểm

Slug nguy hiểm thường được tạo thành theo cơ chế hình học hoặc quá độ Nóthường xuất hiện trong các ống đứng chuyển vận chuyển chất lưu từ đáy biển lên bờ

Cơ chế của hiện tượng tạo thành slug trong các ống đứng được mô tả ở hình 10.16(không có trong bản pdf)

Pha lỏng ngăn cản pha khí di chuyển tại chân ống đứng Một slug được tạo thànhtrong ống đứng do áp suất khí tăng lên phía sau slug Cuối cùng áp suất khí đủ lớn đểđẩy slug ra khỏi ống đứng và đi vào thiết bị phân tách Một bong bóng khí được tạothành trong máy phân tách sau slug, sau đó một phần chất lỏng rơi trở lại ống đứng vàtiếp tục tạo thành slug tiếp theo

Vận tốc của slug có thể lớn hơn rất nhiều vận tốc trung bình của dòng khí đẩyslug ra ngoài ống đứng Điều này không thể tạo ra các vấn đề nguy hiểm về mặt điềukhiển tại máy phân tách nhưng có thể tạo ra các lực nguy hiểm tại chỗ ngoặt, đặc biệt là

ở các đường ống vận hành ở áp suất thấp có thành ống mỏng

Đối với hiện tượng slug nguy hiểm trong ống đứng, pha khí bị chặn hoàn toànkhông di chuyển được Hiện tượng này có thể xảy ra do đường ống dốc xuống tạo thànhmột góc nhọn so với phần chân của ống đứng hoặc do sự nhấp nhô do ảnh hưởng củađịa hình trong đường ống Thứ 2, áp suất thủy tĩnh tăng lên trong ống đứng xuất hiện do

sự tạo thành slug có thể vượt quá áp suất tăng lên dưới tác dụng của dòng khí chuyểnđộng, trong trường hợp đó, phần ống đứng có thể bị ngập bởi chất lỏng trước khi phakhí có thể đẩy được slug lỏng ra khỏi đường ống

Pots và các cộng sự đã đưa ra phương trình dưới đây, biểu diễn tỷ lệ của các ápsuất ở trên nhằm dự đoán sự xuất hiện của slug nguy hiểm trong ống đứng

)

( ) (

) /

( ) (

L

g gF

F

ss

m

m y

gL

MW zRT

MW: khối lượng phân tử khí kg/kmol lbm/lb-mol

g: gia tốc trọng trường 9.81 m/s2 32.2 ft/sec2

gF

y : tỷ lệ khí ngưng trệ trung bình trong ống

mg: lưu lượng khối lượng khí kg/s lbm/sec

mL: lưu lượng khối lượng lỏng kg/s lbm/sec

Pots cho rằng khi ss nhỏ hơn 1 thì hiện tượng slug nguy hiểm có thể xảy ra.Ngoài ra ta cũng có thể tính được chiều dài của slug bằng cách lấy chiều cao phần ốngđứng chia cho ss Thường thì chiều dài slug trong thực tế nhỏ hơn so với kết quả từphương pháp trên

Hiện tượng slug cũng có thể xuất hiện trong điều kiện chảy quá độ, chủ yếu là

do lưu lượng của dòng chảy thay đổi và trong quá trình vận hành làm sạch ống Khi lưulượng chất lưu trong đường ống vận chuyển hai pha tăng lên, cân bằng ngưng trệ chấtlỏng giữa thời điểm ban đầu và kết thúc của quá trình ngưng trệ sẽ thay đổi trong đườngống Cunliffe đã xây dựng một phương pháp đơn giản để xác định sự xuất hiện củadạng slug này dựa trên các số liệu từ các đường ống Marlin Phương pháp có hiệu quảvới các đường ống nằm ngang và hơi dốc Shell sau đó đã phát triển thêm phương pháptrên và được trình bày ở dưới đây