Нефтесодержащие воды – образующиеся в процессе эксплуатации нефтеналивных танкеров и топливных танков судов осадочные отложения. Поглощение и рассеяние лазерного луча в судовых условиях. Определение уровня концентрации нефтепродуктов в льяльных водах.
При низкой оригинальности работы "Поглощение и рассеяние лазерного луча в нефтеводяной эмульсии", Вы можете повысить уникальность этой работы до 80-100%
2013 - № 32 Судовые энергетические установки 163В результате несовершенства систем, по которым проходит морская вода, используемая для обеспечения работы судовых установок различного назначения и типа, часть ее попадает в производственные помещения судна, где смешивается с различными загрязняющими веществами или другими, уже загрязненными водами, образуя при этом льяльные воды. Ослабление лазерного луча при прохождении через нефтеводяную эмульсию может происходить как за счет рассеяния, так и поглощения на частичках эмульсии, поэтому коэффициент ослабления k можно представить в виде k ? kp ?кп, (1) где kp икп - коэффициенты ослабления за счет рассеяния и поглощения соответственно. NV частицами эмульсии, равен 1?NV0 . Относительная эффективная оптическая толщина частиц (т.е. отношение суммарной толщины частиц, которые пересекаются лазерным лучом, к длине линии, не Предполагая, что частицы равномерно распределены по всему объему, можно сделать заключение, что вероятность поглощения wп пропорциональна относительной эффективной оптической толщине частиц. поэтому Как видно из формулы (4), коэффициент ослабления пропорционален площади поверхности частицы, что согласуется с результатами, полученными в [4,5].
Введение
Льяльные (нефтесодержащие) воды - это образующиеся в процессе эксплуатации нефтеналивных танкеров и топливных танков судов осадочные отложения. "Мертвые запасы" (нефтешла-мы) по своему составу чрезвычайно разнообразны и представляют собой сложные системы, состоящие из нефтепродуктов, воды и механических примесей, соотношение которых колеблется в очень широких пределах.
В результате несовершенства систем, по которым проходит морская вода, используемая для обеспечения работы судовых установок различного назначения и типа, часть ее попадает в производственные помещения судна, где смешивается с различными загрязняющими веществами или другими, уже загрязненными водами, образуя при этом льяльные воды.
Сегодня довольно остро стоит проблема сброса льяльных вод содержащих в себе нефтепродукты [1,2]. Международная конвенция по защите окружающей среды МК МАРПОЛ 73/78 допускает сброс нефтесодержащих трюмных вод, очищенных до нормы 15 мг/л [3]. Поэтому актуальной является задача определения концентрации нефтепродуктов в льяльных водах в судовых условиях.
Теоретическая часть. Ослабление лазерного луча при прохождении через нефтеводяную эмульсию может происходить как за счет рассеяния, так и поглощения на частичках эмульсии, поэтому коэффициент ослабления k можно представить в виде k ? kp ?кп, (1) где kp икп - коэффициенты ослабления за счет рассеяния и поглощения соответственно.
Коэффициент kp пропорционален произведению вероятности встречи фотона с частицей эмульсии n??4 2 ?l (n - число частиц в единице объема, D - средний диаметр частицы, l - длина хода луча) на вероятность рассеяния ?p
D
164 Судовые энергетические установки 2013 - № 32 kp??pn??4 2 ?l. (2) Коэффициент ослабления за счет поглощения кп пропорциона- D лен произведению вероятности встречи фотона с частицей эмульсии на вероятность поглощения wп кп ? n?4 2 l?wп. (3) Вероятность поглощения wп можно определить так. Допустим
D что все частицы эмульсии имеют один и тот же объем V0 ; тогда суммарный объем частиц, которые находятся в кювете объемом V , будет равен V ?NVV ?V(1?NV ), а относительный объем, занятый
0 0
0
NV частицами эмульсии, равен 1?NV0 . Относительная эффективная оптическая толщина частиц (т.е. отношение суммарной толщины частиц, которые пересекаются лазерным лучом, к длине линии, не
1/3
0
NV
? ?
? ? занятой частицами) пропорциональна?1?NV0 ? . Предполагая, что частицы равномерно распределены по всему объему, можно сделать заключение, что вероятность поглощения wп пропорциональна относительной эффективной оптической толщине частиц. поэтому
2 1/3
0
NV
? ?
? ?
D
? кп ??пn 4 l??1?NV0 ? , (4) где ?п - некоторый коэффициент, пропорциональный коэффициенту поглощения вещества, входящего в состав частицы. Как видно из формулы (4), коэффициент ослабления пропорционален площади поверхности частицы, что согласуется с результатами, полученными в [4,5]. Таким образом, суммарный коэффициент ослабления равен
? 1/3 ? 2
0
NV
?
?
? ?
? ?
?
? ?
? ?
D
? k ?
? p п ?1?NV0 ? ?n 4 l. (5)
При концентрации введенных примесей C 100мг / л относительный объем NV ?C / ? (? - плотность вещества частиц эмуль- 0 сии), занимаемый частицами, не превышает 10?4 , поэтому
2013 - № 32 Судовые энергетические установки 165
NV ??1.Предполагая справедливость закона Бугера с коэффициен- 0 том ослабления k , определяемый формулой (5), после несложных преобразований можно получить
1 ln I ? 3 l ?p ? 3 l ?п ?C ?1/3 . (6) 0
?
? ?
? ?
D
?
D 2
?
C I 2
В области малых концентраций вторым членом в формуле (6) можно пренебречь, тогда функция C ln I0 должны быть постоянной. С ростом концентрации второй член в формуле (6) начинает играть
1 I более существенную роль, поэтому зависимость C ln I0 от C1/3 должна быть линейной.
1 I
Сравнение с экспериментом. Для проверки справедливости со-отношения (6) были проведены измерения интенсивности лазерного луча (? ?337.0;454.5;632.8) нм, прошедшего через нефтеводяную среду толщиной 0.5 и 1.5 см. Нефтеводяная эмульсия приготавливалась введением разных сортов нефти соответствующей концентрации в морскую воду с несущественной примесью поверхностно активных веществ. Физико-химические свойства полученной таким образом нефтеводяной эмульсии были близки к соответствующим свойствам балластных вод, сливаемых с морских судов. Измерения проводились в условиях развитой турбулентности (Re?7.5?104 , скорость потока изменялась от 0.5 до 3.5 м/с). Ослабление интенсивности лазерного луча на турбулентных пульсациях [6,7] не учитывалось поскольку интенсивность I и I0 измерялись в подвижной среде и поэтому влияние турбулентности автоматически исключалось.
Результаты измерений показано на рис. 1. Видно, что в области малых концентраций 1 ln I практически не зависит от концентра- C I
0 ции, т.е. ослабление лазерного луча в этой области определяется в основном за счет рассеяния света на частицах эмульсии. С ростом концентрации вступает в силу второй механизм ослабления лазерно- 166 Судовые энергетические установки 2013 - № 32 го луча (поглощение на частицах эмульсии) и зависимость C ln I0
1 I от C1/3 становится линейной (см. рисунок). Угловой коэффициент наклона прямой tg? ? 3 ?l ?п (6) определяется тремя параметрами ?, D,?п . Для определения D
2
D отбирались пробы нефтеводяной эмульсии из подвижного потока, а потом измерялись диаметры частиц нефти по микрофотографиям на люминесцентном микроскопе ЛЮМ-2. Средний диаметр частиц - 10.6 (моторное топливо), 2.5 (масло), 8.8 (сырая нефть), 32 мк (мазут). Эти результаты хорошо совпадают с эмпирическими формулами, предложенными в [8].
Рис. 1. Зависимость интенсивности лазерного излучения от концентрации частиц нефтепродуктов в морской воде (С - моль/л). Длина волны лазерного излучения: а - 633 нм, б - 337 нм.
2013 - № 32 Судовые энергетические установки 167
Из формулы (7) был найден коэффициент ?п , который должен быть пропорционален коэффициенту экстинкции ?п частиц нефти. Коэффициент ?п определялся формулой ?п ? l ln? I ?, где l ?1мм
0
I
? ?
? ?
1
- толщина кюветы с нефтепродуктом. Затем было составлено соотношение?п / ?п , которое для разных нефтепродуктов, как и следовало ожидать, оказалось величиной практически постоянной. Корреляция между ?п и ?п , а также разные значения D и ? для данных нефтепродуктов объясняют разную скорость ослабления интенсивности лазерного луча в зависимости от сорта и концентрации частиц нефти в морской воде.
Список литературы
1. Зубрилов С.П. Охрана окружающей среды при эксплуатации судов // Л.: Судостроение.-1989.-256 с.
2. Экологические аспекты разлива нефти на воде [Текст] / А. А. Се-луянов, Н. В. Шутов // Нефть. Газ. Новации. - 2011. - №2. - С. 75-78. 3. Международная конвенция по предотвращению загрязнения с судов 1973 г.Протокол 1978 г. - М. Изд-во ЦРИА «Морфлот.1980.- 364с.
4. К.С.Шифрин. Тр. ВЗЛТИ, 2, 153, 1956.
5. К.С. Шифрин. Сб. «Теоретические и практические проблемы рассеяния света», Минск, изд-во «Наука и техника», 1971, с.228.
6. С.С.Кутеладзе, Д.И.Авалиян. ДАН СССР, 198, 1058,1971.
