Poluare cu titei

Introducere

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, Evaporatie.

© 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.

Procese de dezagregare, Extindere

© DHI

Eliberare sub suprafata apei

© DHI

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