Разливы нефти и нефтепродуктов на всех этапах добычи, переработки, хранения и транспортировки представляют значительную угрозу окружающей природной среде. Наличие такой угрозы, чреватой не только локальными и региональными экологическими катастрофами, но и огромными экономическими потерями и человеческими жертвами, требует, в первую очередь, организации действенного постоянного мониторинга за состоянием как обеспечивающих технических систем на всех этапах добычи, переработки, хранения и транспортировки нефти и нефтепродуктов, так и различных характеристик природной среды.
Вылившаяся в результате аварии нефть быстро растекается по водной поверхности, образуя поля нефтяных пленок:
- на тихой воде, при отсутствии ветра и течения, нефть растекается во все стороны одинаково, образуя круг, радиус которого изменяется во времени;
- при наличии ветра и течения нефтяное пятно приобретает вытянутую форму по направлению суммарного вектора скоростей ветра и течения.
Разлившаяся на поверхности воды нефть перемещается в том же направлении и с той же скоростью, что и поверхностный слой воды. Главными факторами, определяющими перемещение нефтяного пятна, являются течение и ветер.
Были проведены эксперименты по изу_чению растекания нефтяных пленок по поверхности воды, нефть на поверхность воды капали из пипетки:
- эксперименты проводились в лотке, т.е. была имитация стоячей, тихой воды, при отсутствии ветра и течения, нефть растекается во все стороны одинаково, образуя круг, радиус которого изменяется во времени (рис. 1а);
- при течении, наличии ветра нефтяное пятно приобретает вытянутую форму по направлению суммарного вектора скоростей ветра и течения (рис. 1б).
a
б
Рис. 1. Формы нефтяных пленок на поверхности воды
Перемещение нефтяного пятна в пространстве происходит за счет действия поверхностных течений и ветра. Направление дрейфа пятна определяется путем сложения векторов направления поверхностного течения и ветра (рис. 2). Скорость дрейфа складывается из 97‒95 % скорости поверхностного течения и 3‒5 % скорости ветра.
Рис. 2. Направление движения нефтяного пятна в реке
Рассеивание нефтяной пленки происходит за счет эмульгирования. При волнении 5 баллов уже через 12 часов эмульгирует около 15 % нефти. Большая часть распределенной в воде нефти находится в виде эмульсии типа «нефть в воде» (прямая эмульсия). При разливах нефти образуется также эмульсия типа «вода в нефти» (обратная эмульсия). Образование прямой эмульсии может привести к исчезновению с поверхности воды нефти. Однако при изменении условий нефтяное пятно может восстановиться. Обратная эмульсия отличается высокой стойкостью. Она характерна для смеси воды с вязкой нефтью и содержит от 50 до 80 % свободной воды. Внешне она выглядит как чистая нефть. Иногда ее называют «шоколадный мусс».
Было исследовано поведение нефти различных фракций на поверхности воды в зависимости от высоты падения и количества разлившихся нефтепродуктов. Для данных исследований были использованы нефтепродукты для получения прямогонного бензина и дизельного топлива. Образцы нефтепродуктов были взяты на ООО «Марийском нефтеперегонном заводе». Результаты опытов представлены в табл. 1, 2, 3.
Комплексное изображение можно представить в трехмерном пространстве (рис. 3).
Таблица 1
Зависимость количества нефти для производства ДТ от времени растекания
|
Количество капель на высоте 10 см |
Время, с |
|||
|
10 |
60 |
180 |
300 |
|
|
Площадь пятна, см2 |
||||
|
1 |
21 38,5 45,5 |
18 42,75 60 |
65 77 115 |
85 104,5 104,5 |
|
2 |
24,3 20,8 50 |
25 70,2 |
100 100 76,5 |
110,25 |
|
3 |
85 104,5 100 |
120 120 90 |
168,75 168,75 149,5 |
175,5 175,5 182 |
|
5 |
14 132 68 |
45 155,25 89,25 |
105 172,5 89,24 |
12,5 172,5 89,24 |
|
8 |
68 90,25 |
95 115,5 |
99 115 |
109,25 115 |
|
10 |
59,5 85,5 |
92 120 |
103,5 126 |
115 132 |
Данные измерений подвергали статистической обработке в программной среде Curve Expert 1.3. Доверительные интервалы и критерии Фишера: S - сумма квадратов отклонений; r - коэффициент корреляции [1].
Рис. 3. Зависимость количества капель нефти для производства ДТ попадания на водную поверхность от времени растекания и площади капельки нефтяного пятна
Зависимость количества капель попадания на водную поверхность за единицу времени от площади капельки нефтяного пятна:
Время растекания 10 с:
Время растекания 60 с:
Время растекания 180 с:
Время растекания 300 с:
Нами были смоделированы математические модели процесса растекания нефти для получения ДТ по водной поверхности, т.е. зависимость количества капель попадания на водную поверхность за единицу времени от площади капельки нефтяного пятна с использованием биотехнического закона проф. П.М. Мазуркина [2]:
Для 10 с:
Для 60 с.
Для 180 с.
Для 300 с.
Комплексное изображение нефти различных фракций можно представить в трехмерном пространстве (рис. 4).
Данные измерений подвергали статистической обработке в программной среде Curve Expert 1.3. Доверительные интервалы и критерии Фишера: S - сумма квадратов отклонений; r - коэффициент кор-
реляции [1].
Таблица 2
Зависимость высоты падения капель нефти для производства бензина
от времени растекания
|
Количество капель на высоте 10 см |
Время, с |
|||
|
10 |
60 |
180 |
300 |
|
|
Размер пятна |
||||
|
1 |
52,5 36 |
63,75 38,5 |
68 |
68 |
|
2 |
6,25 17,1 12,95 |
25 27,3 46,9 |
16,5 49,5 55,5 |
17,5 43,89 36,8 |
|
3 |
27 2,56 3,61 |
32,9 4,84 3,61 |
51,6 8,4 9 |
82 16,8 14,44 |
|
5 |
19,74 6,25 4 |
33 12,25 7,84 |
34 20,25 12,16 |
69,68 24 23,2 |
|
8 |
5,25 4,84 |
7,29 8,41 |
12,25 12,96 |
24,01 25 |
|
10 |
25 20,25 |
57,6 26 |
78,75 45 |
87,5 54 |
Рис. 4. Зависимость количества капель нефти для производства бензина попадания на водную поверхность от времени растекания и площади капельки нефтяного пятна
Зависимость количества капель нефти для производства бензина попадания на водную поверхность за единицу времени от площади капельки нефтяного пятна:
Время растекания 10 с:
Время растекания 60 с:
Время растекания 180 с:
Время растекания 300 с:
Нами были смоделированы математические модели процесса растекания нефти для получения прямогонного бензина по водной поверхности, т.е. зависимость количества капель попадания на водную поверхность за единицу времени от площади капельки нефтяного пятна с использованием биотехнического закона проф. П.М. Мазуркина и синусоидального закона:
Для 10 с:
Для 60 с:
Для 180 с.
.
Для 300 с.
.
Таблица 3
Зависимость высоты падения 4 капель нефти для производства ДТ от времени растекания
|
Высота h, мм |
Время, с |
|||
|
10 |
60 |
180 |
300 |
|
|
Площадь пятна, см2 |
||||
|
5 |
56,98 |
94,5 |
81,25 |
75,92 |
|
60 |
83,95 |
83,75 |
93,75 |
|
|
10 |
110 |
120,75 |
147 |
168 |
|
115,5 |
132 |
131,25 |
135 |
|
|
20 |
103,5 |
130 |
150 |
148,5 |
|
80,75 |
112,5 |
112,5 |
160 |
|
|
30 |
91,8 |
156,25 |
156 |
149,5 |
|
90,25 |
131,25 |
156,25 |
169 |
|
|
50 |
102 |
110,5 |
126 |
130,95 |
|
95 |
131,25 |
169 |
169 |
|
|
80 |
60 |
56 |
75 |
82,5 |
|
37,5 |
55 |
85,5 |
78 |
|
|
100 |
56 |
97,75 |
120 |
138 |
|
24 |
57,5 |
126,5 |
120 |
|
Комплексное изображение можно представить в трехмерном пространстве (рис. 5).
Был проведен процесс математического моделирования, т.е. произведена формулировка законов, связывающих основные объекты модели; адекватность модели; анализ математической модели и модернизация этой модели. Анализ математической модели позволяет проникнуть в сущность изучаемых явлений.
Рис. 5. Зависимость высоты падения 4 капель нефти для производства ДТ от времени растекания
Статья подготовлена и опубликована при поддержке гранта 3.2.3/4603 МОН РФ.
Список литературы
- Мазуркин П.М. Математическое моделирование. Идентификация однофакторных статистических закономерностей: учеб. пособие для вузов / П.М. Мазуркин, А.С. Филонов. - Йошкар-Ола: МарГТУ, 2006. - 292 с.
- Мазуркин, П.М. Статистическое моделирование. Эвристико-математический подход. - Йошкар-Ола: МарГТУ, 2001. - 100 с.