Upload
trankhanh
View
216
Download
1
Embed Size (px)
Citation preview
Poluare cu titei - introducere
Analiza poluarilor accidentale in lacuri, estuare, zone costale si mari.
© DHI
Ce este poluantul?
• Ulei crus este un amestec al mai multor component chimiceCrude oil is a
complex mixture of many chemical components. Compozitia poate varia
rezultand multe tipuri de ulei crud cu proprietati chimice si fizice diferite.
• Procesele de rafinare transforma produsul brut in produse rafinate.
© DHI
Procese de dezagregare
Procesele de poluare sunt o problemă complexă. Diferitele procese isi
schimba comportamentul și importanța în timp
© DHI
Procese in mare
• Transport– cum se imprastie fizic
Advectie
Intindere pe orizontala indusa de gravitatie (faza initiala)
Dispersie verticala
Amestecare turbulenta a picaturilor de ulei
Asezare sau resuspensie
Advectie indusa de vant/ valuri
Dispersie orizontala
• Dezagregare – cum se modifica proprietatile in timp
Evaporatie
Emulsificare
Disolutie
Foto-oxidare
Biodegradare
© DHI
Procese in mare
© DHI
Horizontal
dispersion
Emulsification
Gravity-induced
spreading
Vertical dispersion
Evaporation
Surface advection
Advection
Biodegradation Turbulent mixing
Dissolution
Settling/rising
Photo-oxidation
Increasing understanding
Incre
asin
g im
po
rta
nce
Procese de dezagregare
Masa moleculara a fiecarei component din ulei este un indicative al volatilitatii
componentei si cum este afectat de dezagregare.
© DHI
Proces de dezagregare, Emulsificare
© DHI
• Emulsificarea este procesul prin care un lichid este dispersat in altul sub
forma de picaturi mici.
• Picaturile de apa pot ramane in stratul de ulei in forma stabile si materialul
rezultat este complet diferit.
• Conditiile necesare pentru emulsificare pot fi obtinute dupa o perioada de
evaporatie.
Proces de dezagregare, Dispersie naturala
© DHI
• Dispersia naturala apare cand picaturi mici de ulei sunt tranferate in
coloana de apa de actiunea valurilor sau turbulente.
• Dispersia naturala este dependent de proprietatile uleiului si de energia
apei.
Proces de dezagregare, Disolutie
© DHI
• In timpul procesului de disolutie unele component ale uleiului sunt pierdute
in apa.
• Componentele solubile aromatice sunt toxice pestilor si altor vietuitoare
acvatice.
• Benzina, combustibilul fuel si titeiul sunt cele mai probabile sa cauzeze
toxicitate, un ulei puternic dezagregat este mai putin probabil sa se dizolve
in apa
• In camp deschis, concentratia hidrocarbonului in coloana de apa este
putin probabil sa ucida vietuitoarele acvatice.
• Disolutia apare imediat dupa poluare si rata disolutiei descreste rapid
dupa ce componentele solubile dispar. Unii compusi solubili se evapora
rapid.
Procese de dezagregare, Biodegradare, Fotooxidare
© DHI
• Fotooxidare
− Proces pe termen lung
− Pentru majoritatea uleiurilor, fotooxidarea nu este un process important
in ceea ce proveste schimbarea bilantului masic dupa o deversare.
• Biodegradare
− Un numar mare de microorganism sunt capabile sa degradeze
hidrocarburile.
− Rata biodegradarii depinde de natura hidrocarburii si de temperature si
oxigenul disponibil.
− Pot dura saptamani pana ce 50% dintr-un carburant diesel sa se
biodegradeze sub conditii optime si ani pentru 10% dintr-un ulei crud.
Procese de dezagregare, Extindere
© DHI
• Uleiul se imprastie orizontal la suprafata apei. Aceasta este cauzata de
gravitatie si de fortele de tensiune superficiala dintre apa si ulei.
Vascozitatea uleiului se opune acestor forte. Cu trecerea timpului efectul
gravitatiei se diminueaza, dar tensiunea superficiala continua sa imprastie
uleiul. Tranzitia dintre aceste forte se petrece in primele ore de la poluare.
Modelarea poluarii
• Se rerezinta uleiul ca un nor de particule
• Fiecare particular reprezinta un volum/ masa din ulei
• Particulele sunt aproape independente.
• Descriere eficienta si folositoare a poluantului.
V
© DHI
Modelarea poluarii in Mike
• Model de ulei pseudo - component
Fractie volatila
Fractie non-volatila
Asfaltene
Ceara
• Urmarire lagrangiana a particulelor
• ECO Lab/ABM pentru modelarea dezagregarii si a altor procese specifice
• Model al eliberarii poluantului
sub apa.
© DHI
Modelarea poluarii in Mike
• Calculul ratei de modificare a variabilelor de stare.
Locatie
Masa fiecarei comonente
Cantitatea de apa din emulsie.
Diametrul picaturii
Aria particulei
Starea de imersare
© DHI
Componentele uleiului
Fisierele predefinite din modelul de dezagregare DHI descriu uleiul cu 2
fractii mari: o fractie volatile si o fractie grea. Sunt incluse si asfaltenele si
ceara pe langa acestea.
© DHI
ITPOF Group I II III IV
Density (g/cm³) < 0.8 0.8 – 0.85 0.85 – 0.95 > 0.95
°API > 45 35 - 45 17.5 – 35 < 17.5
Examples Gasoline,
Kerosene
Gas oil,
Brent Blend,
Ekofisk
Crude oil,
Arabian
Heavy
Heavy fuel
DHI oil fractions
Light volatile 100 70 55 35
Heavy (remaining) 0 30 45 65
Zone de aplicare
• Analiza risc
• Prognozarea poluarii
• Evaluate scenarii de poluare pentru planuri de contingenta
• Evaluari ale impactului asupra mediului
• Ghidarea colectarii de date din teren
© DHI
Abordarea modelului
• Metoda parcelelor discrete Lagrange
− Salveaza timp de calcul comparatic cu schemele Euler
• Substanta descrisa de:
− Componente private ca mase omogene.
− Descriere aditionala a dimensiunii picaturilor si suprafata petei.
• Miscarea substantei datorita:
− Curenti advectivi
(Viteze obtinute de simulari HD 2D sau 3D).
− Fluctuatii turbulente
(Controlate de coeficientii de dispersie)
• Modifcari ale proprietatilor datorate:
− Dezagregarii (emulsificare, evaporatie, disolutie si antrenare)
© DHI
Metoda parcelelor discrete Lagrange
Miscarea particulei este independenta de rezolutia HD. Miscarea particulei la
un pas de timp depinde de fluxul in locatia de start care trebuie sa fie
compatibil cu dimensiunea retelei de calcul.
© DHI
Procese de transport in Mike
• Advectie
Urmarire Lagrangiana a particulelor
Cel mai important proces
© DHI
Procese de transport in Mike
• Imprastiere indusa de gravitatie
Formula parametrica creste fiecare arie individuala
Aria particulelor creste pana cand acestea ating grosimea maxima.
Grosimea maxima este caracteristica uleiurilor.
© DHI
Procese de transport in Mike
• Dispersie verticala
Valurile sparg pata de la suprafata apei si injecteaza picaturi de ulei in
coloana de apa.
Se bazeaza pe exerimente effectuate in 1988.
Formula empirica ce de depinde de conditiile din mare.
© DHI
Procese de transport in Mike
• Dispersie verticala
Valurile sparg pata de la suprafata apei si injecteaza picaturi de ulei in
coloana de apa.
Se bazeaza pe exerimente effectuate in 1988.
Formula empirica ce de depinde de conditiile din mare.
Calcul probabilistic determina daca o particular este dispersata. (masa
mare probabilitate mare)
Diametrul picaturii setat la o singura valoare depinzand de vascozitate.
© DHI
Procese de transport in Mike
• Amestecare turbulenta a particulelor de ulei aflate in suspensie
Deplasare aleatoare bazata pe coeficientul de dispersie
∆𝑥𝑇= 2∆𝑡𝐷 ∙ 𝑁 0,1
© DHI
Procese de transport in Mike
• Asezare sau resuspensie bazata pe flotabilitate
Legea lui Stokes
Precisa pentru picaturi mici(< cativa mm)
© DHI
Procese de transport in Mike
• Advectie indusa de vant/ valuri
Modelele 3D HD subestimeaza vitezele de deplasare a poluantului.
MIKE OS → Adauga acceleratia vantului
Poate avea influenta mare asupra advectiei
Este uleiul direct supus advectiei de vant?
Proces alternativ: Stokes drift produs de vant
© DHI
Procese de transport in Mike
• Dispersie orizontala
Cum este o pata alungita orizontal?
Mai multe procese incluse: dispersie verticala cuplata cu efortul
tangential, valuri, celule Langmuir.
Procese cruciale care determina ariile de impact.
MIKE OS → Deplasare aleatoare bazata pe coeficientul de dispersie
© DHI
Procese de dezagregare in MIKE OS
• Evaporatie
Formule detaliate: presiunea vaporilor, masa moleculara, vant,
temperature, sau
Pierderi prin evaporatie calculate cu formula simpla empirica in functie
de timp.
• Emulsificare
Formula dependenta de stabilitatea emulsiei, viteza vantului si
fractiunea maxima de apa din ulei
Stabilitatea emulsiei depinde de temperatura si proportiile de asfaltena
si ceara.
• Dissolutie
Formula dependenta de aria particulei, solubilitate si constante
Mic dar important pentru impactul ecotoxicologic.
© DHI
Procese de dezagregare in MIKE OS
• Biodegradare
Rata constanta
• Fotooxidare
Formula simpla dependenta de constanta si iradiere
© DHI
Sursa uleiului in model
Definita de pozitie si magnitudine
• Constant in timp si spatiu
• Variabil in timp (dat ca si serie de timp)
© DHI
Imprastierea uleiului in model
Uleiul deversat in apa va incepe imediat sa se imprastie datorita
1. Proprietatilor uleiului
(e.g. diferente in densitate, tensiune superficiala)
2. Dispersie
Dupa un anumit timp uleiul inceteaza sa se mai imprastie pana ce
temperature fiecarei component depaseste temperature locala a apei.
Tapa > Tulei : uleiul se imprastie
Tapa < Tulei : uleiul se solidifica
© DHI
Proprietatile poluantului in model
• Definit ca masa omogena
• Asmestec de componenti
• Fractiunea apei
• Flotabilitate
• Arie a particulelor active
• In plus, un numar de constant cum ar fi densitatea si solubilitatea,
concentratii si alti parametric sunt definiti pentru a descrie procesele.
• Valorile depind de tipul de ulei.
© DHI
Proprietatile uleiului: descrierea particulei.
Poluantul deversat este definit de particule descries de 8 variabile de stare
interne. Primele 5 descriu compozitia, iar ultimele 3 descriu proprietatile
fizice:
• Masa volatila[kg]
• Masa nevolatila[kg]
• Asfaltene[kg]
• Ceara[kg]
• Fractia de apa[kg/kg]
• Diametrul picaturii[m]
• Aria particulei active[m2]
• Particula din faza lichida[logical (0/1)]
In timp proprietatile se modifica datorita dezagregarii si miscarii
© DHI
Proprietatile uleiurilor: descrierea constantelor
Procesele de dezagregare se calculeaza pe baza unui numar de constante
Ce constant sa se utilizeze – depinde de setari:
•
© DHI
Hidrodinamic – curenti advectivi
2D:
• Curenti si niveluri ale apei din MIKE 21
• Profil logarithmic sau constant aplicat pe verticala
3D:
• Curenti si niveluri ale apei din MIKE 3
© DHI
Hidrodinamic – dispersie
Dispersia este un mod de a descrie medierea spatiala a proceselor fizice
existente la o scara mai mica
Atat dispersia orizontala cat si cea verticala pot fi incluse:
− DH si DV
Valori pentru dispersia orizontala:
𝐷𝐻 = 𝐾𝐻∆𝑥2
∆𝑡
x: dimensiune grid
t : pas de timp
KH : interval de la 0.003 la 0.075
© DHI
Procese de poluare accidentala
Sunt considerate procesele
• Ulei in aer(Evaporatie)
• Ulei in coloana de apa (Disolutie si antrenare)
• Apa in ulei (Emulsificare)
• Transport de caldura
© DHI
Procese de poluare accidentala: ulei in aer
Componentele usoare se pot evapora in aer
Rata de evaporatie depinde de
• Procentul componentelor usoare
• Temperatura ulei
• Grosime ulei si arie
• Vant
Efecte ale evaporatiei
• Cresterea densitatii
• Cresterea vascozitatii
© DHI
La 24 de ore de la deversare majoritatea
uleiurilor crude vor avea 25-30% din
componentele usoare pierdute si chiar daca
pierderile continua se poate considera ca
procesul de evaporatie s-a incheiat.
Procese de poluare accidentala: ulei in apa
Mecanisme:
• Disolutia este un process de amestecare ce depinde de proprietatile
uleiului
Rata de disolutie depinde de densitate si de tipul particulei
• Antrenarea este un process mecanic in care turbulentele rup particule de
ulei si le antreneaza in apa.
• Sedimentarea se produce cand particulele grele se aseaza pe fundul apei.
© DHI
Procese de poluare accidentala: apa in ulei
Emulsificarea este dispersia apei in ulei
Rata de emulsificare depinde de
• Tipul uleiului
• Conditii de mediu
Efecte asupra uleiului
• Cresterea vascozitatii
• Crestere volum efectiv
• Scaderea densitatii
• Schimbarea culorii
• Evaporatia va fi diminuata
© DHI
Este mai putin sa se formeze emulsii in conditii calme.
Procese de poluare accidentala: emulsia
Emulsia este un amestec al 2 substante nonmiscibile
A. 2 lichide nonmiscibile, ne-emulsificate inca
B. O emulsie a fazei II dispersata in faza I
C. Emulsia instabila se separa
D. Se stabilizeaza emulsia
© DHI
In general, emulsiile ulei in apa nu sunt stabile
Procese de poluare accidentala: transport de caldura
Bilant de caldura(transportul de caldura afecteaza vascozitatea)
© DHI
1 2
65
34
1. Transfer de caldura intre aer si mare
2. Radiatii emise si primite
3. Radiatie solara
4. Pierdere de caldura din evaporatie
5. Transfer de caldura intre ulei si apa
6. Radiatie emisa si primita
Rezultate
2 tipuri diferite
• Fisiere dfs 2D or 3D (depind de datele de intrare HD) continand harti ale
concentratiilor instantanee ale variabilelor de stare
• Directiile de deplasare ale particulelor intr-un fisier .xml cu pozitia si
valorile proprietatilor particulelor individuale. – poate fi aplicat ca layer in
Mike Zero
© DHI