Wpływ termicznego efektu Marangoniego na kinetykę rozpościerania substancji ropopochodnych na morzu

Thermal Marangoni Effect on Crude Oil Substance Spreading Kinetics on the Sea
Abstract: 

Dynamics of liquid hydrocarbons spreading over the seawater surface was studied in laboratory conditions. Oil lens expansion rates predicted from classical theories were higher 6–9 times than these measured experimentally. Such a discrepancy could result from onset of Benard-Marangoni cellular flow beneath the expanding oil, observed for volatile hydrocarbons. The vertical temperature gradient ?Tcool related to the evaporation rate was high enough to initiate Marangoni thermal phenomenon. The additional dissipative, turbulent flow is likely to slow down the spreading. The classical Marangoni effect is of secondary importance in reference to the thermal effect in interfacial spreading and mixing processes at sea.

Streszczenie: 

Dynamikę rozpościerania ciekłych węglowodorów na powierzchni oryginalnej wody morskiej, badano w warunkach laboratoryjnych. Szybkość ekspansji soczewek olejowych, przewidywana przez klasyczną teorię, okazała się większa o czynnik 6–9 od wartości mierzonej eksperymentalnie. W artykule postuluje się, że ta niezgodność wynika z aktywacji tzw. cyrkulacji Benarda-Marangoniego, szczególnego ruchu płynu, bezpośrednio pod powierzchnią ekspandującej cienkiej warstwy węglowodoru, obserwowanego dla lotnych cieczy. Pionowy gradient temperatury ?Tcool, proporcjonalny do szybkości parowania, wywołany efektem schłodzenia powierzchni w procesie parowania, okazał się dostatecznie duży, aby przekroczyć wartość progową dla wszystkich badanych cieczy i wywołał efekt Marangoniego. Dodatkowy turbulentny przepływ płynu, towarzyszący rozpościeraniu oleju, prawdopodobnie powoduje spowolnienie szybkości ekspansji. Klasyczny efekt Marangoniego (powodowany naturalnymi surfaktantami) ma nieznaczny udział w procesach mieszania i rozpościerania w morzu.

Słowa kluczowe: 
pochodne ropy naftowej
kinetyka rozpościerania
gradienty temperatury
cyrkulacja Benarda-Marangoniego
Issue: 
Pages: 
20
36
Download full text in pdf: 

This article is an open access article distributed under a Creative Commoms Attribution (CCBY 4.0) licence

References: 

Adamson, A.W., Gast, A.P., 1997, Physical Chemistry of Surfaces, John Wiley and Sons, New York.

Bauget, F., Langevin, D., Lenormand, R., 2001, Dynamic Surface Properties of Asphaltenes and Resins at the Oil-water Interface, J. Colloid Interface Sci., vol. 239, s. 501–508.

Bejan, A., 2004, Convection Heat Transfer, Wiley & Sons, New York.

Berg, S., 2009, Marangoni-driven Spreading along Liquid-liquid Interfaces, Phys. Fluids, 21.

Boniewicz-Szmyt, K., Pogorzelski, S.J., 2008, Crude Oil Derivatives on Sea Water: Signatures of Spreading Dynamics, J. Marine Syst., vol. 74, s. 41–51.

Boniewicz-Szmyt, K., Pogorzelski, S.J., 2016, Thermoelastic Surface Properties of Seawater in Coastal Areas of the Baltic Sea, Oceanologia, vol. 58, s. 25–38.

Boniewicz-Szmyt, K., Pogorzelski, S.J., Mazurek, A., 2007, Hydrocarbons on Sea Water: Steadystate Spreading Signatures Determined by an Optical Method, Oceanologia, vol. 49, s. 413–437.

Camp, D.W., Berg, J.C., 1987, The Spreading of Oil on Water in the Surface Tension Regime, J. Fluid Mech., vol. 184, s. 445–462.

Chauvet, F., Dehaeck, S., Colinet, P., 2012, Threshold of Benard-Marangoni Instability in Drying Liquid Films, Europhys. Lett., vol. 99, s. 34001–34010.

Craster, R.V., Matar, O.K., 2006, On the Dynamics of Liquid Lenses, J. Colloid Interface Sci., vol. 303, s. 503–516.

Dussaud, A.D., Troian, S.M., 1998, Dynamics of Spontaneous Spreading with Evaporation on a Deep

Fluid Layer, Phys. Fluids, vol. 10, s. 23–38.

Fingas, M.F., 2012, Studies on the Evaporation Regulation Mechanisms of Crude Oil and Petroleum Products, Advances in Chemical Engineering and Science, vol. 2, s. 246–256.

Jones, J.C., 2010, Hydrocarbons-physical Properties and their Relevance to Utilisation, Jones & Ventus Publishing ApS.

Li, X.J., Mao, Z.S., 2001, The Effect of Surfactant on the Motion of Buoyancy-driven Drop at Intermediate Reynolds Numbers: A Numerical Approach., J. Colloid Interface Sci., vol. 240, s. 307–322.

Machrafi, H., Sadoun, N., Rednikov, A., Dehaeck, S., Dauby, P.C., Colinet, P., 2013, Evaporation Rates and Benard-Marangoni Supercriticality Levels for Liquid Layers under an Inert Gas Flow, Microgravity Sci. Technol., vol. 25, s. 251–265.

Mancini, H., Maza, D., 2004, Pattern Formation without Heating in an Evaporative Convection Experiment, Europhys. Lett., vol. 66, s. 812–818.

Mao, Z., Lu, P., Zhang, G., Yang, Ch., 2008, Numerical Simulation of the Marangoni Effect with Interphase Mass Transfer between Two Planar Liquid Layers, Chin. J. Chem. Eng., vol. 16, s. 161–170.

Merkt, D., Bestehorn, M.,2003, Benard-Marangoni Convection in a Strongly Evaporating Fluid, Physica D., vol. 185, s. 196–208.

Pasquetti, R., Cerisier, P., LeNiliot, C., 2002, Laboratory and Numerical Investigations on Benard- Marangoni Convection in Circular Vessels, Phys. Fluids, vol. 14, s. 227–228.

Pearson, J.R.A., 1958, On Convection Cells Induced by Surface Tension, J. Fluid Mech., vol. 4, s. 489–496.

Perfetti, C., Iorio, C.S., 2014, Evaporation Induced Thermal Patterns in Fluid Layers: A Numerical Study, Journal of Electronics Cooling and Thermal Control, vol. 4, s. 97–104.

Riazi, M.R., 2005, Characterization and Properties of Petroleum Fractions, ASTM International, Philadelphia.

Sefiane, K., Ward, C.A., 2007, Recent Advances on Thermocapillary Flows and Interfacial Conditions during the Evaporation of Liquids, Adv. Colloid Interface Sci., s. 134–135, 201–223.

Toussaint, G., Bodiguel, H., Dumenc, F., Guerrier, B., Allain, C., 2008, Experimental Characterization of Buoyancy and Surface Tension-driven Convection during the Drying of a Polymer Solution, International Journal of Heat and Mass Transfer, vol. 51, s. 4228–4237.

Unny, T., Niessen, P., 1969, Thermal Instability in Fluid Layers in the Presence of Horizontal and Vertical Temperature Gradients, J. Appl. Mech., vol. 36, s. 121–128.

Yoda, Y., 2007, Research Report NSR, Japan Chemical Society.

Zhang, N., 2006, Surface Tension-driven Convection Flow in Evaporating Liquid Layers w: Savino, R. (ed.), Surface Tension-Driven Flows and Applications, Research Signpost 37/661, Fort P.O. Kerala, India.

Citation pattern: Boniewicz-Szmyt K., Pogorzelski S., Wpływ termicznego efektu Marangoniego na kinetykę rozpościerania substancji ropopochodnych na morzu, Scientific Journal of Gdynia Maritime University, No. 100, pp. 20-36, 2017

BibTeX     EndNote