Mô phỏng một số quá trình phong hóa dầu trong môi trường biển

Bài viết giới thiệu về mô phỏng một số quá trình phong hóa dầu theo phương pháp thể tích hữu hạn và mô hình phong hóa dầu để xem xét các quá trình phong hóa thay đổi lượng dầu (như bốc hơi, phân tán, nhũ tương hóa và hòa tan). Dựa trên công trình nghiên cứu thông qua các công thức được áp dụng phổ biến nhiều nhất trên thế giới, so sánh kết quả và số liệu phân tích, nhóm tác giả đã xây dựng các phương trình thích hợp, sử dụng thiếu hụt dầu như phân tán lắng đọng dầu trong nước, để mô phỏng các quá trình phong hóa dầu, tính toán quá trình lan truyền cơ học, quá trình bay hơi, xác định tỷ lệ nhũ tương hóa của dầu tràn... phụ thuộc vào tính chất dầu và tác động của môi trường.

PETROVIETNAM MƠ PHỎNG MỘT SỐ Q TRÌNH PHONG HĨA DẦU TRONG MÔI TRƯỜNG BIỂN ThS Nguyễn Quốc Trinh1, TS Nguyễn Minh Huấn2 TS Phùng Đăng Hiếu3, ThS Nguyễn Quang Vinh4 Trung tâm Dự báo Khí tượng Thủy văn Trung ương, Bộ Tài nguyên Môi trường Trường Đại học Khoa học Tự nhiên, Đại học Quốc gia Hà Nội Viện Nghiên cứu Quản lý Biển Hải đảo, Bộ Tài ngun Mơi trường Đài Khí tượng Cao không, Bộ Tài nguyên Môi trường Email: maitrinhvinh@gmail.com Tóm tắt Bài báo giới thiệu mơ số q trình phong hóa dầu theo phương pháp thể tích hữu hạn mơ hình phong hóa dầu để xem xét q trình phong hóa thay đổi lượng dầu (như bốc hơi, phân tán, nhũ tương hóa hòa tan) Dựa cơng trình nghiên cứu thơng qua công thức áp dụng phổ biến nhiều giới, so sánh kết số liệu phân tích, nhóm tác giả xây dựng phương trình thích hợp, sử dụng thiếu hụt dầu phân tán lắng đọng dầu nước, để mô q trình phong hóa dầu, tính tốn q trình lan truyền học, trình bay hơi, xác định tỷ lệ nhũ tương hóa dầu tràn phụ thuộc vào tính chất dầu tác động mơi trường Từ khóa: Tràn dầu, q trình phong hóa, mơ hình tốn học Giới thiệu Sự cố tràn dầu gây tác động nghiêm trọng đến môi trường, hệ sinh thái kinh tế - xã hội khu vực ven biển Khi dầu thô sản phẩm tinh chế từ dầu mỏ tràn biển bắt đầu diễn loạt trình chuyển đổi phức tạp có thay đổi theo thời gian khơng gian Các kết hoạt động trình phụ thuộc vào tính chất, thành phần dầu, thông số tràn điều kiện môi trường tự nhiên (khơng khí nước) xung quanh Các q trình tự nhiên gồm vật lý, hóa học, sinh học mơi trường biển (Hình 1) Các q trình phong hóa dầu tập hợp trình vật lý hóa học thay đổi thuộc tính dầu tràn gây nhiễm Hiện có nhiều loại mơ hình xây dựng để mơ từ mơ hình quỹ đạo đơn giản tới mơ hình ba chiều tính tốn chi tiết q trình lan truyền biến đổi dầu sau xảy cố Các kết nghiên cứu thường phụ thuộc vào hay nhiều yếu tố trình vật lý, hóa học, sinh học phụ thuộc vào điều kiện mơi trường, khí tượng hải văn Các q trình gồm: q trình loang dầu học sau dầu thoát khỏi nguồn; trình phân tán tự nhiên; trình nhũ tương hóa, bốc hòa tan, oxy hóa, phân hủy sinh học, phân hủy ánh sáng mặt trời Trên sở kết nghiên cứu giới, nhóm tác giả xây dựng cơng thức tính tốn q trình lan truyền học, q trình bay hơi, xác định tỷ lệ nhũ tương hóa dầu tràn phụ thuộc vào tính chất dầu tác động mơi trường Một số q trình phong hóa dầu 2.1 Q trình lan truyền dầu học Quá trình lan truyền dầu học trình quan trọng di chuyển ban đầu dầu loang Các lực tác động trình lan truyền dầu học dòng chảy bề mặt, gió chuyển động rối sóng vỡ [1, 2, 3] Cơng thức Blokker [4]: Xác định bán kính độ dày dầu loang phụ thuộc vào trạng thái mơi trường đặc điểm tính chất dầu với tham số Blokker bán thực nghiệm tiến triển theo thời gian dRmin Hình Các trình phân hủy dầu tự nhiên biển dt = kb ( ρ w − ρ )( ρ / ρ w ) h DẦU KHÍ - SỐ 4/2015 51 AN TỒN - MƠI TRƯỜNG DẦU KHÍ 1/ R = ⎡( 3/ π ) kb ( ρ w − ρ )( ρ / ρ w )Vt ⎤ ⎣ ⎦ ⎡ 2/3 ⎞ ⎤ 1/ ⎛ h = ⎢(V / π ) ⎜ ρ w / 3ρ ( ρ w − ρ ) kb ⎟t⎥ ⎝ ⎠ ⎦⎥ ⎣⎢ ( ) (1a) −2 / (1b) Công thức Fay [5] xác định bán kính diện tích dầu loang phụ thuộc vào trạng thái mơi trường đặc điểm tính chất dầu Giả thuyết trình hoạt động phân thành pha, bao gồm quán tính - trọng lực (Pha I), trọng lực - nhớt (Pha II) nhớt - ứng suất bề mặt (Pha III) tiến triển theo thời gian [ Pha I: Rmin = 1,14 ΔρgVt ] 1/ ; A = 0,57π ΔρgVt ; V với t < 12 t = 2,63 Δρgν w Pha II: Rmin ⎡ V 2t / ⎤ = 1,45⎢Δρg ⎥ ν ⎦ ⎣ A = 2,1π Δρ (2a) 1/ ν (2b) t / với 12 < t < tuần 1/ ⎛ σ2 ⎞ σ2 Pha III: Rmin = 2,30⎜⎜ t ⎟⎟ ; A = 2,6π t ; ρ w2ν w ⎝ νρ w ⎠ (2c) ρ với tuần < t Δρ = − ρw Công thức Mackay [6] xác định diện tích loang dầu phụ thuộc vào đặc điểm tính chất dầu theo thời gian dA ⎛ − C2 ⎞ 1/ / = C1 A1 / ⎜ ⎟ = C3 A h −5 dt ⎝ h + 10 ⎠ (3) Cơng thức Lehr [7] xác định bán kính diện tích lan truyền dầu phụ thuộc vào đặc điểm tính chất dầu trạng thái mơi trường tác động học Rmin = 1,7((ρ w / ρ − 1)V ) 1/ (t / 60)1/ ; Rmax = Rmin + 0,03U w4 / 3V / (t / 60) ; A = (π / 4) Rmin Rmax (4) 3/ Công thức Yapa [8] xác định bán kính diện tích loang dầu phụ thuộc vào trạng thái mơi trường đặc điểm tính chất dầu Giả thuyết trình hoạt động phân thành pha, bao gồm quán tính - trọng lực (Pha I), trọng lực - nhớt (Pha II), nhớt - ứng suất bề mặt (Pha III) cân (Pha IV) tiến triển theo thời gian 1/ ⎡⎛ ρ ⎞ 2⎤ ⎟⎟ gVt ⎥ với t < 12 (5a) Pha I: Rmin = 1,14 ⎢⎜⎜1 − ρ w ⎠ ⎦ ⎣⎝ 1/ 3/ ⎡⎛ ρ ⎞ V t ⎤ ⎟⎟ g Pha II: Rmin = 0,98⎢⎜⎜1 − ⎥ (5b) ν ⎥⎦ ⎢⎣⎝ ρ w ⎠ với 12 < t < tuần (5b) 1/ ⎛σ2 ⎞ Pha III: Rmin = 1,60⎜⎜ t⎟⎟ với tuần < t < tháng (5c) ⎝νρ w ⎠ 52 DẦU KHÍ - SỐ 4/2015 ) 1/ với tuần < t < tháng (5d) Công thức Mackay [6] Reed [9] xác định diện tích loang dầu phụ thuộc vào đặc điểm tính chất dầu theo thời gian dA 2 = K 1νV / ; A = π R : V = π hR ; h = V /A dt (6) Công thức Al-Rabeh [10]: Vệt dầu xác định hình ellipse hệ quy chiếu Descartes với hệ trục tọa độ X1 Y1 mà tọa độ tâm (x1, y1) = (0,0) trục X1 trùng hướng gió Hình ellipse vệt dầu theo thời gian giả định đồng tâm rmin rmin + Δrmin rmax rmax + Δrmax rmin rmax (7a) = = ; = Rmin Rmin + ΔRmin Rmax Rmax + ΔRmax Rmin Rmax −3 / 1/ ; gV ( Pha IV: Rmin = 105 V 3/4/π ⎛ t Δt ρ ⎞ ⎟⎟ V 1/ ⎛⎜ ⎞⎟ ; Δ Rmin = 1,7⎜⎜1 − 60 60 × ρ ⎠ ⎝ w ⎠ ⎝ −1 / 3Δt ⎛ t ⎞ ΔRmax = ΔRmin + 0,03U w4 / 3V / ⎜ ⎟ × 60 ⎝ 60 ⎠ (7b) Đưa hệ tọa độ Descartes quy ước theo hướng gió hệ quy chiếu thực Descartes hệ thống toàn cầu biến đổi sau: x = x1 × cos ϕ − y1 × sin ϕ ; y = x1 × sin ϕ + y1 × cos ϕ (8) Cơng thức Warluzel Benque [11], Tkalich [12]: Mơ hình động lực dầu tràn đủ khả để xác theo phương trình Navier - Stokes ∂h ∂uh ∂vh ∂ ⎛ ∂h ⎞ ∂ ⎛ ∂h ⎞ + + − ⎜⎜ D y ⎟ = ±Q (9) ⎜ Dx ⎟− ∂t ∂x ∂y ∂x ⎝ ∂x ⎠ ∂y ⎝ ∂y ⎟⎠ Công thức Nihoul [13] Arkhipov [14] xác định độ dày bán kính loang dầu phụ thuộc vào đặc điểm tính chất dầu trạng thái môi trường 1/ 1/ ⎛ ⎛ 3,61/ ⎞ r2 ⎞ ⎜⎜1 − ⎟⎟ ; Rmin = ⎜⎜ ⎟⎟ aVt 2 R π ⎠ ⎝ ⎠ ⎝ ⎞ ⎛ ρ ⎟⎟ g / f ; f = 0,95 − 1,15 r = x + y ; a = ⎜⎜1 − ρ w ⎠ ⎝ h= 3V 2πRmin ( ) 1/ ; (10) Công thức Johansen [15] Tomassini [16] xác định bán kính diện tích loang dầu phụ thuộc vào đặc điểm tính chất dầu trạng thái môi trường [q g ( ρ Rmin = At /12 ; A = 0,754 w − ρ) ρw ν w ] 1/ (11) Công thức Fay [5] Fengqi You [18] xác định diện tích loang dầu ban đầu diện tích lan truyền dầu phụ thuộc vào đặc điểm tính chất dầu trạng thái môi trường tác động học PETROVIETNAM 1/ C4 ⎛⎛ ρ ⎞ gV05 ⎞⎟ ⎟ A0 = π 12 ⎜⎜ ⎜⎜1 − C2 ⎝ ⎝ ρ w ⎟⎠ ν w2 ⎟⎠ 1/ ⎞ C14 ⎛ ρ wV ⎜ ⎟ ; ⎜ C2 ⎝ ( ρ w − ρ ) gν w ⎟⎠ (12) 1/ ⎛ ρw ⎞ / ⎛ ρw ⎞ 1/ 2/3 4/3 A = 2270⎜⎜ − 1⎟⎟V (t / 60) + 40⎜⎜ − 1⎟⎟ V U w (t / 60) ⎝ρ ⎠ ⎝ρ ⎠ ; t0 = 60 Công thức Al-Rabeh [10] Chao [19], Berry [20]: Xác định bán kính diện tích lan truyền dầu phụ thuộc vào đặc điểm tính chất dầu trạng thái môi trường tác động học 1/ Rmax x = x1 × cos ϕ − y1 × sin ϕ ; y = x1 × sin ϕ + y1 × cos ϕ (15d) 3V h= 2πR 1/ ; r = x2 + y2 (15e) Trong đó: Rmin Rmax: Bán kính dầu loang theo hình ellipse nhỏ lớn (m); Rmini: Bán kính dầu loang pha i (m); Ao: Diện tích dầu loang ban đầu (m2); ⎛ t ρ ⎞ ⎟⎟ V / ⎛⎜ ⎞⎟ ; Rmin = 1,7⎜⎜1 − 60 ρ ⎝ ⎠ w ⎠ ⎝ 3/ (13) ⎛ t ⎞ = Rmin + 0,03U w4 / 3V / ⎜ ⎟ ; A = (π / 4) Rmin Rmax ⎝ 60 ⎠ 1/ Công thức Chao [19] Ehsan Sarhadi Zadeh [21] xác định bán kính diện tích lan truyền dầu phụ thuộc vào đặc điểm tính chất dầu trạng thái mơi trường tác động học ⎞ ⎛ ⎜1 − r ⎟ ⎜ R ⎟⎠ ⎝ A: Diện tích dầu loang (m2); h: Độ dày lớp dầu (m);  w: Mật độ dầu nước (kg/m3); v vw: Hệ số nhớt động học dầu nước ( 7,6 × 10-3 m2s-1 30oC); (m2/s cSt); kb: Số Blokker (4,5); K1: Hệ số thực nghiệm (~ 17,5/s) (s-1); C1 C2: Hệ số tương ứng 1,14 1,45; (14a) V: Thể tích dầu tràn (barrels) (1barrels = 0,1589m3); t: Thời gian (s); σ: Sức căng mặt (N/m); g: Gia tốc trọng trường (m/s2); (14b) Uw: Vận tốc gió độ cao 10m (knots, 1knots = 1852/3600m/s); Từ cơng trình nghiên cứu trên, nhóm tác giả đưa hệ thống công thức liên quan đến trình lan truyền học dầu tràn phụ thuộc vào tính chất dầu tác động mơi trường [22] u v: Vận tốc loang dầu (m/s); Dxy: Hệ số khuếch tán dầu (m/s); Q: Dầu phân tán q trình phong hóa; 1/ A0 = π ρ ⎞ gV05 ⎞⎟ C14 ⎛⎜ ⎛ ⎜ ⎟ − C22 ⎜⎝ ⎜⎝ ρ w ⎟⎠ ν w2 ⎟⎠ A0 ;R= π ;h = V ; A0 q: Lưu lượng dầu (m3/s); (15a) 1/ tmax = 60 ⎞ ρ wV C14 ⎛ ⎜ ⎟ ⎜ C2 ⎝ ( ρ w − ρ ) gν w ⎟⎠ A = 227,5 ρV / (t / 60)1 / + 21,75π V 1/ ν cP); r: Khoảng cách từ tâm đến vị trí x y (m); U w4 / (t / 60) (15b) t: Thời gian (s) 2.2 Quá trình bay R(t +Δt ) = R(t ) + ΔR( Δt ) 1/ μ μw: Độ nhớt động lực dầu nước (Ns/m2 −3 / ⎛ Δt ρ ⎞ ⎛ t ⎞ ΔRmin = 1,45ρ ⎜⎜1 − ⎟⎟ V 1/ ⎜ ⎟ ; × 60 60 ρ ⎝ ⎠ w ⎠ ⎝ −1 / 3Δt ⎛ t ⎞ ΔRmax = ΔRmin + 0,95πU / 3V / ⎜ ⎟ ⎝ 60 ⎠ × 60 (15c) Đưa hệ tọa độ Descartes quy ước theo hướng gió hệ quy chiếu thực Descartes hệ thống tồn cầu biến đổi sau: Quá trình bay có ảnh hưởng lớn đến lượng dầu lại mặt nước đất sau cố tràn dầu xảy Trong vài ngày, loại nhiên liệu nhẹ xăng bay hồn tồn nhiệt độ mơi trường xung quanh, có tỷ lệ nhỏ dầu nặng (Bunker C) bay Tốc độ bay dầu phụ thuộc chủ yếu vào thành phần dầu Sự bay số loại dầu điển hình dao động từ 20 - 50% chí 90% DẦU KHÍ - SỐ 4/2015 53 AN TỒN - MƠI TRƯỜNG DẦU KHÍ Cơng thức Reed [9] phụ thuộc vào đặc điểm tính chất dầu, khối lượng phân tử trạng thái môi trường tác động học PAM m Fe = K wU w7 / t ; ln P − 10,6(1 − T / Te ); RTe (18) M m = 106Vm ρ Công thức Riazi [28] phụ thuộc vào đặc điểm tính chất dầu tác động học (a) ⎛ KV ⎞ Fe = − exp ⎜ − e o t ⎟ h ⎠ ⎝ (a) Hình Bán kính loang dầu theo thời gian (a); Chu kỳ loang dầu phụ thuộc vào thể tích dầu tràn (b) [23] (19) Công thức ASCE [19] phụ thuộc vào đặc điểm tính chất dầu tác động học, khoảng thời gian Fe = K wU w7 / Z PM A i i i t h 0,11Sc / RTeVi ρ i (20) Công thức Marquardt [29] Bergueiro [30] phụ thuộc thời gian đánh giá qua tốc độ gió xạ (trực tiếp gián tiếp) (21) Fe = a ln(1 + bt / 60) Công thức Mackay [26] Lehr [7], Berry [20] phụ thuộc vào đặc điểm tính chất dầu tác động học, khoảng thời gian U w7 / (0,018 / M ) 1/ Rmax 1/ Hình Bán kính loang dầu tác động động lực [10]) Fe = 0,656 A PX t RT (22) với xăng hay dầu nhẹ [9, 24, 25] Các thành phần dầu nhẹ hỗn hợp dầu thành phần dễ bay nhất, bay đến 75% thể tích vòng vài ngày, dầu trung bình bay đến 40% thể tích Với dầu nặng bay khoảng 10% vòng vài ngày đầu Với loại dầu thành phẩm nhẹ xăng, dầu hỏa dầu bay hồn tồn ⎛P⎞ (T − C2 )2 ⎛⎜ − ⎞⎟ ln⎜⎜ ⎟⎟ = ΔS RT ⎜⎝ T − C2 Te − C2 ⎟⎠ ⎝ Pa ⎠ C = 1158,9 API −1,1435 ; C2 = 0,19(T − 18,0); Công thức Mackay [26] Stiver [27] phụ thuộc vào đặc điểm tính chất dầu trạng thái môi trường tác động học sử dụng hàm độ API dầu [2] Công thức Stiver [27], Ehsan Sarhadi Zadeh [21] Aghajanloo [31] phụ thuộc vào đặc điểm tính chất dầu, phân loại dầu trạng thái môi trường tác động học sử dụng liệu thí nghiệm để xác định thơng số cần thiết mơ hình OILMAP, mơ hình ADIOS hàm độ API dầu [1, 2] ⎧ ⎡ Tg K wU w7 / A ⎤ ⎫ ⎛ Te ⎞ ln ⎨1 + ⎢10,3 ⎥ ⎬ exp⎜6,3 − 10,3 ⎟ t ; T ⎩ ⎣ T V T⎠ ⎦⎭ ⎝ (16) T = 457,16 − 3,13447 API ; Tg = 1356,7 − 247,36 ln( API ) Fe = 10,3 Tg Công thức Mackay [6] Yapa [8] phụ thuộc vào đặc điểm tính chất dầu trạng thái mơi trường tác động học ⎛ 1⎡ ⎞⎤ AM m Fe = ⎢ln P + ln⎜⎜ CK wU w7 / t + ⎟⎟⎥ ρ × 10 C⎣ RT V P e ⎝ ⎠⎦ ln P = 10,6(1 − T / Te ); C = 1158,9 API −1,1435 M ;Vm = 6m (17) 10 ρ T = 542,6 − 30,275 API + 1,565 API − 0,03439 API + 0,0002604 API 54 DẦU KHÍ - SỐ 4/2015 ΔS = 8,75 + 1,987 log(T ) (22a) T = 542,6 − 30,275 API + 1,565 API − 0,03439 API + 0,0002604 API Tg K wU w7 / At ⎛ ⎡ T ⎞⎤ T Fe = ln ⎢1 + Be exp⎜⎜ Ae − Be ⎟⎟⎥ e Te V Te ⎠⎥⎦ Be Tg ⎢⎣ ⎝ Dầu thô: (23) T = 532,98 − 3,1295 API Tg = 985,62 − 13,597 API dầu tinh chế: T = 645,45 − 4,6588 API Tg = 388,19 − 3,8725 API Ae = −0,572 − (0,016Tg ) + (0,045T ); Be = 7,288 − (0,008Tg ) + (0,024T ) (23a) (23b) PETROVIETNAM A: Diện tích vết dầu (m2); Cơng thức Fingas [32]: Từ số liệu đo đạc từ thực tế, thí nghiệm đưa công thức xác định lượng dầu bay phụ thuộc nhiệt độ theo thời gian Fe = [0,0165(% D ) + 0,0045(Te − 288)]ln(t / 60) Fe = [0,0254(% D ) + 0,0010(Te − 288)] t / 60 Vm: Thể tích phân tử (1,5 x 10-4 - 6,0 x 10-4 m3/mol); Mm: Khối lượng phân tử (kg/mol); (24) M: Trọng lượng dầu trung bình (2,52 x 105 kg/mol); R: Hằng số khí (8,206 x 10-5 atm m3/(mol K)); Từ kết cơng trình nghiên cứu trên, nhóm tác giả đưa hệ thống cơng thức liên quan đến q trình bay dầu tràn phụ thuộc vào tính chất dầu tác động môi trường [22] T g K wU w7 / At ⎡ ⎛ T ⎞⎤ T exp⎜⎜ Ae − Be ⎟⎟⎥ e (25) Fe = ln ⎢1 + Be Te V Te ⎠⎥⎦ Be T g ⎝ ⎣⎢ T = 542,6 − 30,275 API + 1,565 API 0,03439 API + 0,0002604 API V: Thể tích dầu tràn (m3); h: Độ dày lớp dầu (m); Rmax: Chiều dài vệt dầu theo gió (m); Ae Be: Tham số phụ thuộc nhiệt độ dầu gradient nhiệt độ dầu; (25a) Tg = 1356,7 − 247,36 ln( API ) Vei: Thể tích dầu thành phần i bay (m ); Dầu thô: Tg = 985,62 − 13,597 API dầu tinh chế: (25b) Tg = 388,19 − 3,8725 API Ae = −0,572 − (0,016Tg ) + (0,045T ); Be = 7,288 − (0,008Tg ) + (0,024T ) SG = Vo: Thể tích dầu tràn ban đầu (m3); Zi: Tỷ lệ dầu thành phần tổng dầu Zi = Ei / ΣEi (%); Pi: Áp suất thành phần i (Pa); (25c) 141,5 141,5 M : API = − 131,5;V = (25d) API + 131,5 SG 10 ρ Trong đó: Mi: Trọng lượng thành phần i ((0,1 ¸ 10,0) x 105kg/mol), ρi: Mật độ dầu thành phần i (kg/m3); Δt: Bước thời gian (s); t: Thời gian (s) Fe: Tỷ lệ dầu bay (%); 2.3 Q trình nhũ tương hóa a b: Tham số phụ thuộc (Bảng 1); C: Tham số phụ thuộc số API; %D: Tỷ lệ (%) trọng lượng bay 180oC; Sc: Số Schmidt (Sc = 2,7); Pa: Áp suất khí (Pa); P: Áp suất dầu (atm Pa); T Te: Nhiệt độ dầu môi trường (K); Tg: Gradient nhiệt độ dầu tốc độ bốc hơi; : Mật độ dầu (kg/m3); Nhũ tương hóa q trình phân tán nước vào dầu tràn dạng hạt nước nhỏ xen kẽ Cơ chế hình thành nhũ tương bắt đầu trình hạt nước xâm nhập xen kẽ vào dầu với kích thước khoảng 10 - 25μm (hoặc 0,010 - 0,025mm) Nếu dầu có độ nhớt nhỏ thì, hạt nước xâm nhập nhanh nhiều Mặt khác dầu có độ nhớt lớn hạt nước khó xâm nhập vào dầu Cơng thức Rasmussen [33] tỷ lệ nhũ tương dầu tương quan gió theo thời gian Fw = API: Số dầu phụ thuộc mật độ (m3/kg); Kw: Hệ số ảnh hưởng gió (0,00252); Uw: Tốc độ gió (knots, 1knots = 1.852/3.600m/s); [ − exp − K A K B (1 + U w ) t KB ] (26) Công thức Shen Yapa (1988) [34], Chao [19], Ehsan Sarhadi Zadeh [21]: Tỷ lệ lượng nước dầu tương quan gió loại dầu theo thời gian Bảng Tham số a b phụ thuộc theo Marquardt [29] TT Khoảng nhiệt độ (oC) Vận tốc gió (m/s) 16,8 - 25,8 16,8 - 25,8 16,8 - 25,8 5,7 6,8 Bức xạ trực tiếp a b 5,564 0,176 6,282 0,155 5,896 0,288 Bức xạ gián tiếp a b 4,156 0,177 4,686 0,160 4,402 0,229 DẦU KHÍ - SỐ 4/2015 55 AN TỒN - MƠI TRƯỜNG DẦU KHÍ ⎡ ⎛ C (1 + U w )2 t ⎞⎤ ⎟⎥ Fw = C ⎢1 − exp⎜⎜ ⎟ C2 ⎠⎦⎥ ⎝ ⎣⎢ Bảng Đặc điểm dầu thô sử dụng mơ q trình phong hóa (27) Cơng thức Mackay [6], Reed [9] Aghajanloo [31] xem xét quan hệ tốc độ gió lượng nước chứa dầu F ⎞ dFw 2⎛ = K em (1 + U w ) ⎜⎜1 − w ⎟⎟ dt ⎝ C1 ⎠ (28) Từ công trình nghiên cứu trên, nhóm tác giả đưa cơng thức xác định tỷ lệ nhũ tương hóa dầu tràn mà phụ thuộc vào tính chất dầu tác động môi trường [22] F ⎞ ⎛ Fw = K em × (1 + U w ) × ⎜⎜1 − w0 ⎟⎟ × t ⎝ C1 ⎠ TT 10 Yếu tố Mật độ (kg/m3) Độ nhớt dầu 40°C(cP) Nhiệt độ điểm sơi (°K) Nhiệt độ khơng khí (°K) Nhiệt độ nước (°K) Mật độ nước (kg/m3) Độ nhớt nước 20°C(cP) Sức căng bề mặt dầu (N/m2) Tốc độ di chuyển (m/s) Tốc độ gió (m/s) Giá trị 980 8,75 301 300 298 1022,5 0,0091 24 0,75 5,0 (29) Trong đó: Fw0 Fw: Phần dầu nhũ tương nước ban đầu (%); Kem: Hệ s khp ng cong thc nghim (1 ì 10-6 ữ × 10-6 dầu nhẹ 4,5 × 10-6 dầu nặng); Uw: Tốc độ gió (m/s); C1: Phần nước chứa cực đại nhũ tương (0,7 với dầu nhẹ 1,15 với dầu nặng); Hình Bán kính loang dầu tự nhiên biến đổi theo thời gian KA = 4,5 × 10-6 KB = 1,25 số; C2: Tham số phụ thuộc loại dầu (0,7 với dầu nặng 0,25 với dầu nhẹ); C3: Hệ số (-2,0 × 10-6); t: Thời gian (s) Mô đánh giá kết Để mô q trình, nhóm tác giả giả định thông tin dầu môi trường xung quanh sở cho việc mô trình phong hố dầu (Bảng 2) Hình Bán kính loang dầu tác động động lực biến đổi theo thời gian Từ Hình đến Hình kết tính tốn dựa cơng thức nhóm tác giả, có so sánh với cơng thức cơng bố cơng trình nghiên cứu khác 3.1 Quá trình lan truyền học Hình 4, kết tính tốn bán kính loang dầu dựa cơng thức nhóm tác giả, có so sánh với công thức công bố cơng trình nghiên cứu khác Kết tính tốn nhóm tác giả thỏa mãn phù hợp với xu biến đổi công thức khác Ngồi Hình Diện tích loang dầu (m2) tác động động lực biến đổi theo thời gian 56 DẦU KHÍ - SỐ 4/2015 PETROVIETNAM Kết luận Hình Biến đổi tỷ lệ bay (Fe) theo thời gian Mơ hình phong hóa dự đốn hoạt động vết dầu loang biển, sở để tính tốn tốc độ truyền tải khối lượng q trình phong hóa quan trọng nhất: bốc nhũ tương hóa Ngồi ra, sử dụng mơ hình phong hóa để tính tốn thay đổi tính chất dầu trình Do thiếu liệu đầu vào, nên nhóm tác giả thực phép so sánh kỹ thuật kết tính tốn theo phương trình nhà khoa học cơng bố trước phương trình bán thực nghiệm nhóm tác giả để đánh giá xác nhận mơ hình toán học Tỷ lệ thất thoát khối lượng dầu phụ thuộc nhiều vào loại dầu (tính chất hóa học tính chất vật lý), điều kiện thời tiết (tốc độ hướng gió, sóng, nhiệt độ) thuộc tính nước biển (độ muối, nhiệt độ) Trên thực tế, mơ hình phong hóa áp dụng để tính tỷ lệ dầu thất đồng bộ, phát triển ổn định vết dầu loang mặt nước Vậy, mơ hình mơ nhóm tác giả đề xuất báo phần nghiên cứu thực lĩnh vực mô số dầu loang mơi trường biển Hình Biến đổi tỷ lệ nhũ tương hóa (Fw) theo thời gian ra, kết phương trình tính tốn bao gồm trình biến đổi tự nhiên trình biến đổi tác động động lực biến đổi theo thời gian Dưới tác động động lực trình biến đổi nhanh khả lan truyền phụ thuộc nhiều vào yếu tố môi trường như: gió, dòng chảy bề mặt 3.2 Q trình bay Ở giai đoạn này, dầu thơ có đặc điểm Bảng 2, tốc độ gió 5m/s, nhiệt độ nước 25°C nhiệt độ khơng khí 27oC Hình trình bày tỷ lệ bốc theo tính tốn cơng thức mà nhóm tác giả giới thiệu phần Kết mô theo phương trình tương đối phù hợp Nếu có liệu chi tiết thành phần chưng cất dầu có sẵn, bổ sung thêm số liệu đầu vào mơ 3.3 Q trình nhũ tương hóa Hình trình bày tỷ lệ nhũ tương biến đổi theo thời gian tính tốn cơng thức mà nhóm tác giả dựa phương trình giới thiệu phần Kết mơ phương trình đạt tương đối phù hợp Nếu liệu đầu vào đầy đủ chi tiết thành phần dầu chưng cất, mơ áp dụng nhiều thành phần làm đầu vào Tài liệu tham khảo National Oceanic and Atmospheric Administration (NOAA) ADIOS technical details (draft, unpublished) 1999 NOAA Automated data inquiry for oil spills (ADIOS) version 2.0 www.response.restoration noaa.gov 2000 NOAA OR & R www.response.restoration noaa.gov 2013 P.C.Blokker Spreading and evaporation of petroleum products on water 1964 James A.Fay Physical processes in the spread of oil on a water surface Proceedings of the International Oil Spill Conference 1971; 1: p 463 467 Donald Mackay, Ian A.Bruist,  R Mascarenhas,  S.Paterson Oil spill processes and models - Volume 8: Environmental emergency branch, environmental impact control directorate, environmental protection service, environment Canada Environment Canada 1980 DẦU KHÍ - SỐ 4/2015 57 AN TỒN - MƠI TRƯỜNG DẦU KHÍ W J.Lehr, H.M.Cekirge, R.J.Fraga, M.S.Belen Empirical studies of the spreading of oil spills Oil and Petrochemical Pollution 1984; 2(1): p - 11 Poojitha D.Yapa Oil spill processes and model development Journal of Advanced Marine Technology 1994; 11: p - 22 Mark Reed, Øistein Johansen, Per Johan Brandvik, Per Daling, Alun Lewis, Robert Fiocco, Don Mackay, Richard Prentki Oil spill modeling towards the close of the 20th century: Overview of the state of the art Spill Science & Technology Bulletine 1999; 5(1): p - 16 10 A.H.Al-Rabeh, R.W.Lardner, N.Gunay Gulfspill Version 2.0: A software package for oil spills in the Arabian Gulf Environmental Modelling and Software 2000; 15(4): p.425 - 442 of a dynamic oil weathering model AIChe Journal 2011; 57(12): p 3555 - 3564 19 Xiaobo Chao, N.Jothi Shankar, Sam S.Y.Wang Development and application of oil spill model for Singapore coastal waters Journal of Hydraulic Engineering 2003; 129(7): p 495 - 503 20 Alan Berry, Tomasz Dabrowski, Kieran Lyons The oil spill model OILTRANS and its application to the Celtic Sea Manuscript for OILTRANS model Marine Pollution Bulletin 2012; 64(11) 21 Ehsan Sarhadi Zadeh, Kourosh Hejazi Eulerian oil spills model using finite-volume method with moving boundary and wet-dry fronts Modelling and Simulation in Engineering 2012 11 A.Warluzel, J Benque Un modèle mathématique de transport et d’etalement d’une nappe d’hydrocarbures Proceedings of the Mechanics of Oil Slicks Conference, Paris 1981: p 199 - 211 22 Nguyễn Quốc Trinh, Nguyễn Minh Huấn, Phùng Đăng Hiếu Nghiên cứu lan truyền dầu Biển Đơng phục vụ cảnh báo tìm kiếm nguồn thải Báo cáo tiến độ nghiên cứu sinh, Trường Đại học Khoa học Tự nhiên - Đại học Quốc gia Hà Nội 6/2014 12 Pavel Tkalich A CFD solution of oil spill problems Environmental Modelling and Software 2006; 21(2): p 271 - 282 23 M.Popescu Delia, E.Nistoran-Gogoase Daniela Oil spill modeling on rivers - an efficient forecast tool Part 1: Physico-chemical processes 2003 13 Jacques C.J.Nihoul A non-linear mathematical model for the transport and spreading of oil slicks Ecological Modelling: Modelling the Rate and Effect of Toxic Substances in the Environment 1984; 22(1-4): p 325 - 339 24 C.A.Brebbia Oil spill modeling and processes WIT Press 2001 14 Boris Arkhipov, Vladimir Koterov, Viacheslav Solbakov, Dmitry Shapochkin, Yulia Yurezanskaya Numerical modeling of pollutant dispersion and oil spreading by the stochastic discrete particles method Studies in Applied Mathematics 2008; 120(1): p 87 - 104 26 Donald Mackay, Ronald S.Matsugu Evaporation rates of liquid hydrocarbon spills on land and water The Canadian Journal of Chemical Engineering 1973; 51(4): p 434 - 439 15 O.Johansen Particle in fluid model for simulation of oil drift and spread - Part I: Basic concepts Oceanographic Center, Sintef Group, Norway 1985 16 Lorenzo Tomassini, Peter Reichert, Reto Knutti, Thomas F.Stocker, Mark E.Borsuk Robust Bayesian uncertainty analysis of climate system properties using Markov Chain Monte Carlo methods Journal of Climate 2007; 20(7): p 1239 - 1254 25 Mervin Fingas Oil spill science and technology Gulf Professional Publishing 2010 27 Warren Stiver, Donald Mackay Evaporation rate of spills of hydrocarbons and petroleum mixtures Environmental Science and Technology 1984; 18(11): p 834 ‐ 840 28 Mohammad R.Riazi, Mohsen Edalat Prediction of the rate of oil removal from seawater by evaporation and dissolution Journal of Petroleum Science and Engineering 1996, 16(4): p 291 - 300 17 James C.Huang A review of the state-of-the art of oil spill fate/behavior models Proceedings of the International Oil Spill Conference 1983: p 313 - 322 29 Donald W.Marquardt An algorithm for least squares estimation of non-linear parameters Journal of the Society for Industrial and Applied Mathemtics 1963; 11(2): p 431 - 441 18 Fengqi You, Sven Leyffer Mixed-integer dynamic optimization for oil-spill response planning with integration 30 J.R.Bergueiro Lopez, R.Romero March, S.Guijarro Gonzales, F.Serra Socias Simulation of oil spill at the 58 DẦU KHÍ - SỐ 4/2015 PETROVIETNAM Casablanca platform (Tarragona, Spain) under different environmental conditions Journal of Maritime Research 2006; 3(1): p 55 - 72 31 K.Aghajanloo, M.D.Pirooz, M.M.Namin Numerical simulation of oil spill behavior in the Persian Gulf International Journal of Environmental Research 2013; 7(1): p 81 - 96 32 Merv F.Fingas Modeling oil and petroleum evaporation Journal of Petroleum Science Research (JPSR) 2013; 2(3): p: 104 - 115 33 Drote Rasmussen Oil spill modeling-a tool for cleanup operations Proceedings of the Oil Spill Conference, California 1985: p 243 - 249 34 H.T.Shen, P.D.Yapa Oil slick transport in rivers ASCE Journal of Hydraulic Engineering 1988; 114(5): p 529 - 543 Simulation of oil weathering processes in marine environment Nguyen Quoc Trinh1, Nguyen Minh Huan2 Phung Dang Hieu3, Nguyen Quang Vinh4 National Centre for Hydro-Meteorological Forecasting, MONRE University of Science, VNU Institute for Marine and Island Research and Management, MONRE Aero-Meteorological Observatory, MONRE Summary The paper presents the application of two dimensional numerical model to simulate the oil slick spreading using finite volume approach and an oil weathering model (OWM) to consider the mass transfer processes (such as evaporation, vertical dispersion, emulsification and dissolution) Based on the most applicable expressions in the world and comparing their results and available experimental data or analytical solutions, the authors have developed the suitable equations, using the oil depreciations as sink term in oil dynamic equation to simulate the oil weathering processes, calculate the spreading and evaporation processes, and estimate the emulsification rate of the oil spill Key words: Oil spill, oil weathering processes, mathematical modelling DẦU KHÍ - SỐ 4/2015 59 ... 1,25 số; C2: Tham số phụ thuộc loại dầu (0,7 với dầu nặng 0,25 với dầu nhẹ); C3: Hệ số (-2,0 × 10-6); t: Thời gian (s) Mô đánh giá kết Để mơ q trình, nhóm tác giả giả định thông tin dầu môi trường. .. học dầu tràn phụ thuộc vào tính chất dầu tác động môi trường [22] u v: Vận tốc loang dầu (m/s); Dxy: Hệ số khuếch tán dầu (m/s); Q: Dầu phân tán trình phong hóa; 1/ A0 = π ρ ⎞ gV05 ⎞⎟ C14 ⎛⎜ ⎛... nghiên cứu thực lĩnh vực mô số dầu loang môi trường biển Hình Biến đổi tỷ lệ nhũ tương hóa (Fw) theo thời gian ra, kết phương trình tính tốn bao gồm q trình biến đổi tự nhiên trình biến đổi tác động