MỞ ĐẦU 1. Tính cấp thiết của luận án Dầu lẫn vào trong nước tại một số nguồn, ví dụ như: Dầu tràn do sự cố tàu biển, dàn khoan, dầu lẫn trong nước dằn tàu, dầu rò rỉ lẫn vào nước la canh của tàu thủy, dầu rò rỉ từ các cơ sở sản xuất chảy vào nước thải, vv… Loại dầu có thể là dầu thô, các sản phẩm dầu mỏ tinh chế (như xăng hoặc nhiên liệu diesel), dầu nhờn hoặc dầu trộn lẫn trong chất thải, vv… Trong các nguồn dầu lẫn vào trong nước thì nguồn dầu tràn có số lượng là lớn nhất nên cần tìm giải pháp xử lý. Sự cố tràn dầu thường xảy ra ngoài khơi, nên mức độ ảnh hưởng rất lớn, trong phạm vi rộng, ảnh hưởng tới nhiều lĩnh vực khác nhau như kinh tế, du lịch, thủy hải sản, vận tải quốc tế, sức khỏe nhân dân,. Việc lan truyền dầu trong nước biển phụ thuộc các yếu tố như thời tiết (nhiệt độ, cấp gió, hướng gió), sóng biển, thủy triều, cùng các yếu tố vật chất trong nước biển.
Một khi xảy ra sự cố, thì khả năng khoanh vùng, xử lý sự cố gặp nhiều khó khăn do môi trường làm việc trên biển thường khắc nghiệt. Ngăn ngừa và khắc phục sự cố tràn dầu là công việc hết sức cần thiết, nhưng phức tạp và khó khăn, đòi hỏi sự tổ chức, phối hợp mau lẹ và việc áp dụng các kỹ thuật phù hợp. Công việc ban đầu là tiến hành triển khai các công cụ kỹ thuật cao hoặc đơn giản như sử dụng phao ngăn dầu chuyên dùng hoặc dùng tre nứa kết thành phao để ngăn, quây dầu tràn tập trung lại một khu vực, sau đó nhanh chóng thu gom bằng mọi cách, từ bơm hút cho đến vớt thủ công và cất giữ vào nơi an toàn. Hiện nay có một số phương pháp tách dầu lẫn vào trong nước như: Xử lý dầu nhờ chất phân tán, xử lý dầu nhờ từ tính, sử dụng vật liệu hấp thụ dầu, sử dụng vải lọc, sử dụng phương pháp lắng đọng tự nhiên, sử dụng máy phân ly dầu nước, hoặc sử dụng phương pháp ly tâm.
So sánh các phương pháp tách 1 dầu lẫn vào trong nước thì phương pháp ly tâm là thích hợp cho xử lý với số lượng lớn như dầu tràn. Thiết bị tách dầu trong hỗn hợp dầu nước sử dụng phương pháp ly tâm đã được một số công trình nghiên cứu, tuy nhiên số liệu công bố trên phương diện đại chúng còn hạn chế và thiết bị chưa thích hợp với xử lý cho dầu tràn và điều kiện khai thác ngoài khơi. Xuất phát từ những lý do trên, nghiên cứu sinh đã lựa chọn luận án: “Nghiên cứu phát triển thiết bị tách dầu ra khỏi nước bằng phương pháp ly tâm”. Từ các thiết bị tách dầu ra khỏi hỗn hợp dầu nước bằng phương pháp ly tâm đã có trên thị trường hoặc đang nghiên cứu, luận án phát triển một mẫu mới thiết bị tách dầu ra khỏi nước bằng phương pháp ly tâm dạng ống quay.
Sau đó tính toán, mô phỏng số và thử nghiệm để tìm ra thông số hợp lý cho thiết bị nhằm góp phần từng bước phát triển sản phẩm do Việt Nam thiết kế, chế tạo phục vụ nhu cầu trong nước. Mục đích nghiên cứu của luận án Nghiên cứu bằng tính toán, mô phỏng số và thử nghiệm để tìm ra thông số hợp lý cho thiết bị tách dầu ra khỏi nước bằng phương pháp ly tâm. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu của luận án Đối tượng nghiên cứu là thiết bị tách dầu ra khỏi nước bằng phương pháp ly tâm. Phạm vi nghiên cứu của luận án là tập trung nghiên cứu cơ sở lý thuyết về phương pháp tách dầu ra khỏi nước bằng lực ly tâm, nghiên cứu tính toán một số thông số thủy lực của thiết bị tách dầu ly tâm và mô phỏng số quá trình tách dầu ra khỏi nước để tìm ra một số kích thước hợp lý cho thiết bị, cũng như kiểm chứng một số kết quả bằng thực nghiệm.
Phương pháp nghiên cứu của luận án Luận án kết hợp giữa nghiên cứu lý thuyết và nghiên cứu thực nghiệm, để làm nổi bật tính khoa học và tính thực tiễn của vấn đề nghiên cứu cần giải quyết, cụ thể: - Nghiên cứu cơ sở lý thuyết về thủy lực cánh dẫn và bơm để tính toán một số thông số thủy lực của thiết bị. - Nghiên cứu cơ sở toán học trên nền tảng tính toán động lực học dòng chảy CFD để tính toán mô phỏng số quá trình tách dầu trong thiết bị tách dầu. Từ đó áp dụng để đánh giá ảnh hưởng của vòng quay, đường kính bầu, số cánh, góc đặt cánh và tỷ lệ dầu nước tại đầu vào thiết bị đến quá trình tách dầu của thiết bị. - Trên cơ sở kết quả mô phỏng số, chế tạo thiết bị với bộ thông số kích thước mà kết quả tính toán mô phỏng số đạt yêu cầu cho thiết bị tách dầu.
- Nghiên cứu thực nghiệm đối chứng được sử dụng để đánh giá kết quả nghiên cứu về thiết bị tách dầu ra khỏi nước. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn Với nhiệm vụ và mục tiêu đặt ra như trên thì nội dung luận án sẽ là cơ sở khoa học cho việc thiết kế, chế tạo thiết bị tách dầu ra khỏi nước bằng lực ly tâm, từ đó cũng mở ra một hướng đi mới cho việc nghiên cứu chế tạo các hệ thống xử lý nước lẫn dầu nói chung cho các cảng biển ở Việt Nam. Nội dung nghiên cứu của luận án cung cấp cho các nhà thiết kế các thông tin cần thiết, trên cơ sở đó có thể lựa chọn được thông số hình học của thiết bị tách dầu. đồng thời cung cấp cho các nhà khai thác các thông tin cần thiết để khai thác thiết bị tách dầu nước dạng ống quay ly tâm trong xử lý dầu tràn.
Thiết bị tách dầu nước dạng ống quay ly tâm góp phần nội địa hóa các sản phẩm sản xuất trong nước, giảm giá thành sản phẩm và tham gia vào việc 3 bảo vệ môi trường sinh thái biển. Một số đóng góp mới của luận án - Xây dựng thuật toán tính toán một số thông số thủy lực của thiết bị; - Xây dựng thuật toán tính toán mô phỏng số với bài toán 2D cho mô hình tách dầu nước trong ống quay ly tâm; - Đánh giá sự ảnh hưởng của thông số kích thước, kết cấu bộ phận bầu và cánh đến khả năng tách dầu của thiết bị nhờ mô phỏng số, từ đó lựa chọn thông số thích hợp của thiết bị tách dầu và bố trí cánh nhằm nâng cao khả năng tách dầu. - Trên cơ sở kết quả nghiên cứu về lý thuyết, luận án đã chế tạo thiết bị tách dầu và nghiên cứu thực nghiệm trong phòng thí nghiệm với thiết bị đã chế tạo. - So sánh kết quả nghiên cứu bằng mô phỏng số và kết quả thực nghiệm, phân tích, và đánh giá thiết bị ở các điều kiện sau: + Đường kính trong của ống quay: 100 mm; + Chiều dài ống quay: 2.000 mm; + Đường kính bầu: 80 mm; + Số cánh: 9; + Góc đặt cánh: 13 độ; + Vòng quay của ống quay: 5.500 vg/ph và 6.000 vg/ph; + Nồng độ dầu diesel và nước ngọt tại đầu vào thiết bị: 300 ppm và 600 ppm.
Kết cấu của luận án Thuyết minh của luận án được trình bày gồm các phần như sau: + Mở đầu + Chương 1. Tổng quan vấn đề nghiên cứu 4 + Chương 2. Cơ sở nghiên cứu + Chương 3. Kết quả tính toán và đánh giá ảnh hưởng của vòng quay, đường kính bầu, số cánh, góc đặt cánh đến quá trình tách dầu bằng mô phỏng số + Chương 4.
Nghiên cứu thực nghiệm và đánh giá kết quả + Kết luận chung, kiến nghị và nghiên cứu tiếp theo + Danh mục các công trình khoa học đã công bố + Tài liệu tham khảo + Phần phụ lục 5 CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU 1. Một số nguồn gây ra lẫn dầu vào trong nước 1. Ô nhiễm biển do khai thác tàu chở dầu Đội tàu chở dầu của thế giới là đội tàu biển chuyên dụng lớn nhất trong tổng số các đội tàu biển hiện có đang hoạt động trên biển và đại dương.
Tổng trọng tải của đội tàu dầu hiện nay khoảng 270 triệu DWT (Dead weight), chiếm tỷ trọng khoảng 30% tổng trọng tải của đội tàu biển thế giới. Kích thước của tàu dầu hiện cũng rất lớn, tàu chở dầu mỏ chuyên dụng có trọng tải trung bình (200.000) DWT, tàu chở sản phẩm dầu mỏ chuyên dụng có sức chở khoảng (50. Các tàu dầu có sức chở (10.000) DWT được coi là tàu lớn giữa thế kỷ 20, còn hiện nay loại tàu này chỉ được coi là loại tàu có sức chở bình thường. Ô nhiễm biển do dầu trong quá trình khai thác tàu dầu thường với cường độ thấp, nhưng tổng tải lượng dầu rơi vãi và thâm nhập vào môi trường cũng vào khoảng (700.
Một vài dạng gây ô nhiễm do khai thác tàu dầu gây ra như sau [8]: - Đối với tàu dầu trong quá trình khai thác, vận hành thường gắn liền với việc làm sạch két dầu để chuẩn bị nhận hàng mới khi tàu hành trình từ cảng trả hàng tới cảng nhận hàng. Trong quá trình này tàu sẽ xả nước thải lẫn dầu ra biển tuy đã thực hiện theo quy định kỹ thuật của IMO về xả thải dầu trên biển. Mặc dù vậy, việc xả thải này đã gây hậu quả về ô nhiễm dầu cho nhiều vùng nước cảng biển, vịnh kín. - Những vụ ô nhiễm dầu khoáng thông thường xảy ra trong lúc tàu thực hiện những thao tác cuối cùng khi tàu trả hàng và nhận hàng.
Trong thao tác ngắt ống khỏi van cấp dầu, một lượng dầu còn lại trong ống thường bị rơi 6 xuống nước. Việc này sẽ được khắc phục nếu người thao tác bơm cẩn trọng trong công việc. - Những vụ các tàu đâm va nhau gây thủng vỏ tàu hay chìm tàu đã gây ô nhiễm dầu ra biển rất lớn [96]. Ô nhiễm biển từ các chất thải dàn khoan dầu, khí trên biển Các dàn khoan dầu, khí thường nằm ở vùng thềm lục địa, độ sâu nhỏ (dưới 200 m).
Trong quá trình hoạt động dàn khoan phải sử dụng một lượng lớn dung dịch khoan và hóa chất. Chất thải do dàn khoan thải ra cũng chính là dung dịch nhiễm dầu và hóa chất. Các chất thải này mặc dù được thu gom nhưng vẫn là nguồn ô nhiễm thường xuyên cho các vùng biển đang có hoạt động khai thác dầu, khí. Nước thải từ dàn khoan dầu hoặc khí cũng là nguồn gây ô nhiễm biển đáng kể.
