海上溢油风化过程的研究及模拟

溢油污染的防治是海洋环境保护的重要课题，而溢油的预测和控制的基础是对溢油风化过程的研究。本文深入研究了海上溢油蒸发和乳化这两个重要的风化过程的机理，并建立了溢油应急反应的重要工具——风化预测模型。本文主要是从目前研究的薄弱环节作为研究突破口，用浅盘蒸发法对原油及其乳化物的蒸发进行模拟，考察不同原油在不同阶段和乳化状态下的蒸发特征，得出蒸发速率方程及乳化对蒸发抑制作用因子；观测和分析油水运动规律，分析乳化动力学过程；以组成和状态是决定风化特征的主要因素和联系各风化过程的纽带这一思想为基础建立溢油风化预测模型。主要内容有： 1、本文用浅盘蒸发法考察了风速、蒸发面积和初始质量对油蒸发过程的影响，发现混合液体蒸发与纯液体蒸发行为有不同特点，将蒸发分为边界层控制步骤和基本蒸发不足以反映其蒸发特点。结合原油组分特点，认为过去将原油蒸发当边界层控制来处理，以及以纯水蒸发速率方程为基础通过修正而建立起的原油蒸发速率方程是缺乏理论根据的。本文首次在原油蒸发中提出混合液体蒸发三步骤机理，即蒸发由液体内部易挥发组分向液体表面的迁移、挥发分子从液体表面进入气相边界层、挥发分子从边界层向环境迁移三步组成。控制步骤的不同造成蒸发行为有不同的特性。提出的蒸发机理圆满解释了本实验和文献中的实验结果。 2、实验结果表明，胜利原油蒸发由第一步即蒸发由液体内部易挥发组分向液体表面的迁移来控制，因此风速影响很小，建立速率方程时不必考虑风速，只需考虑液体本身的性质和状态(如厚度、表面积、粘度等)，速率方程可写为：dw／dt=kd4·’A／严／t。而轻柴油风速较小时(＜1 m／s)，受第三步即挥发分子从边界层向环境迁移的影响明显，而大于1 m／s的风的影响程度减弱。当轻柴油油膜变得很薄时，其蒸发可由第一步控制变为第二步控制。相应建立的速率方程在不同条件下应有不同的形式：在无搅动的情况下，d＞1mm时，dw／dt二k d4·，A 9㈠‘U”’t-,／’，d＜1mm时，dw／dt：k Ul／’厂”。这说明混合液体蒸发的控制步骤是有条件的。本文还通过实验结果和原油成分特点，对实际海上溢油蒸发特点进行分析。 3、首次提出稳定型的乳化对蒸发抑制作用的研究方法。实验显示浅盘法在研 究稳定型乳化对蒸发的抑制方面是可行的。实验证明稳定型乳化物中内部水不蒸 发，在相同环境条件和蒸发面积情况下，用浅盘蒸发法通过考察初始含水率F对 大庆原油量与乳化物蒸发速率的关系的影响来研究乳化对蒸发过程的抑制作用， 得到其影响因子为 0．94（1－F）‘’。 4、首次提出不稳定性的乳化对蒸发抑制作用的研究方法。用浅盘蒸发法考察 不稳定的胜利原油乳化物蒸发特征，认为由于油水结合不牢，其相互作用不强，4 Q 且蒸发行为类似，都是山挥发组分从内部向表层迁移所控制，故整体蒸发过程可 看成是油和假想状态的水的蒸发过程的叠加，由此得出乳化对蒸发的抑制作用因 子为（1－F‘）。 5、通过对文献资料数据和不同观点进行分析及油水运动特点的实验观察，对 溢油乳化物形成机制提出新的见解认为：乳化物是原油在波浪作用下反复拉伸和 堆积中发生油水混合、水被夹带入油中而形成；颗粒态沥青质在水滴外形成机械 保护膜将其稳定，它是水滴凝聚受阻时在油水界面积累而成，胶质的高粘性强化 保护膜起到辅助作用。结合乳化动力学过程的探讨，对Mackay方程式进行改进， 即通过改变沥青质和胶质组分浓度，计算蒸发对乳化的影响，认为乳化的化学条 件满足时，一定时间后完全乳化。 6、通过分析海上溢油风化特点，总结风化过程研究领域的最新成果，在参考 目前各风化预测模型的基础上，针对目前模型存在的缺陷（如，采用大量基础研 究之前建立的经验方程，重点考虑外因条件对风化过程的影响，各风化过程独立 计算等），提出一新的海上溢油凤化过程预测模型，并制作溢油风化预报系统软件。 本预测模型的特点是采用最新研究成果基础上建立的方程，并以组成和状态为主 要因素决定风化特征，在溢油的不同阶段和状态下采用不同的算法；同时计算各 过程，并以残留油的组成和状态变化为联系纽带综合考虑各过程的相互影响，建 立一个整体的预测系统。将本模型预测结果和实验数据。现场数据及其它模型预 ’L 测结果进行比较，结果证明本模型有较好的预测效果。相比其它模型，本模型更 具有理论基础，代表发展方向，能更客观地反映溢油风化过程。 通过对溢油及其风化的研究分析，本文认为将来研究方向是对化学组分结构和 作用的分析法和动力学方法相结合。对蒸发过程来说，即要了