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Artículo de método

Procedimiento experimental para estudios de laboratorio de In Situ combustión: inflamabilidad y la eficiencia de quema de petróleo crudo

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DOI:

10.3791/57307

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1 de mayo de 2018

 , 
1Department of Civil Engineering, Technical University of Denmark, 2School of Engineering, BRE Centre for Fire Safety Engineering, University of Edinburgh

En este artículo

Resumen

Aquí, presentamos un protocolo para estudiar simultáneamente la inflamabilidad y la eficacia ardiente de crudo fresco y resistido en condiciones que simulan en situ quema las operaciones en el mar.

Resumen

Se presenta un nuevo método para el estudio simultáneo de la inflamabilidad y la eficacia ardiente de crudo fresco y degradado a través de dos configuraciones de laboratorio experimental. Los experimentos son fácilmente repetibles en comparación con experimentos de la escala operativa (piscina diámetro ≥ 2 m), mientras que todavía ofrece bastante realista en situ combustión condiciones de petróleo crudo en el agua. Condiciones experimentales incluyen una sub-capa que fluye del agua que enfría la mancha de aceite y un flujo de calor externo (hasta 50 kW/m2) que simula la mayor regeneración de calor a la superficie del combustible en escala operativa crudo piscina incendios. Estas condiciones permiten un estudio de laboratorio controlados de la eficacia ardiente de incendios de la piscina de crudo que equivalen a los experimentos de la escala operativa. El método también proporciona datos cuantitativos sobre los requisitos de encendido crudos en el flujo de calor crítico, tiempo de retardo de encendido en función de la temperatura de la superficie en ignición y el flujo de calor incidente y la inercia térmica. Este tipo de datos puede utilizarse para determinar la fuerza necesaria y la duración de una fuente de ignición para encender un determinado tipo de petróleo crudo fresco o resistido. La principal limitación del método es que el efecto de enfriamiento del agua que fluye del capa en el petróleo crudo ardiente como una función del flujo de calor externo no se ha cuantificado totalmente. Resultados experimentales mostraron claramente que el subnivel de fluir agua mejorar como representante esta configuración es en situ combustión condiciones, pero hasta qué punto esta representación es exacta es actualmente incierto. El método sin embargo cuenta con la más realista en situ quema en condiciones de laboratorio actualmente disponibles para estudiar simultáneamente la inflamabilidad y combustión eficacia de petróleo crudo en el agua.

Introducción

In situ la quema del crudo derramado en el agua es un método de respuesta de derrames de aceite marino que elimina el aceite derramado de la superficie del agua quema y convirtiéndola a hollín y a productos gaseosos de la combustión. Este método de respuesta fue aplicado con éxito durante el Exxon Valdez1 y derrames de petróleo de Deepwater Horizon2 y regularmente se menciona como un método potencial de respuesta de derrame de aceite para el Ártico3,4,5 ,6. Dos de los parámetros clave que determinan si en situ quema de aceite será exitosa como un método de respuesta de derrames son la inflamabilidad y la eficacia de combustión del aceite. El primer parámetro, inflamabilidad, describe cómo un combustible puede ser encendido y fácilmente puede conducir a la propagación de la llama sobre la superficie del combustible a provocar un incendio completamente desarrollado. El segundo parámetro, quema de eficacia, expresa la cantidad de aceite (en % de peso) que efectivamente se elimina de la superficie del agua por el fuego. Así es relevante para entender la inflamabilidad y la eficacia ardiente esperada de diferentes crudos bajo en situ combustión condiciones.

Manchas de la ignición del aceite sobre el agua para en situ quema propósitos comúnmente se aborda como un problema práctico, con discusiones cualitativas encendido sistemas5,7,8,9. El enfoque práctico de la ignición de derramado aceite como un problema binario y etiquetado aceites "inflamable" o "no inflamable" (p. ej. Brandvik, Fritt-Rasmussen, et al. 10), sin embargo, es incorrecto desde un punto de vista fundamental. En teoría, puede ser encendido cualquier combustible dada una fuente de ignición adecuada. Por lo tanto es pertinente cuantificar los requisitos de encendido para una amplia gama de tipos diferentes de petróleo crudo para comprender mejor las propiedades de un aceite crudo que lo identificarían como "no inflamable". Para ello, puede utilizarse el método desarrollado para estudiar el tiempo de retardo de encendido de un aceite en función del flujo de calor incidente, el flujo de calor crítico del aceite y su inercia térmica, es decir, lo difícil es para calentar el aceite.

En un estudio anterior, postulamos que el parámetro principal que rige la eficacia ardiente es la regeneración de calor a la superficie combustible11, que es una función del diámetro de la piscina. La teoría explica la dependencia de tamaño aparente de la piscina de la eficiencia de combustión basada en estudios de laboratorio sobre ardiente baja eficiencia (32-80%)8,12,13 y estudios de gran escala (piscina diámetro ≥ 2 m) Reporte quema alta eficacia (90-99%)14,15,16. El método discutido en este documento fue diseñado para probar la teoría propuesta. Por someter a experimentos de laboratorio a pequeña escala a un flujo constante de calor externo, se puede simular la mayor regeneración de calor para piscina incendios de gran escala bajo condiciones controladas de laboratorio. Como tal, el método desarrollado permite estudiar la eficacia ardiente con eficacia en función del diámetro variando el flujo de calor externo.

Además de un flujo de calor externo para simular la escala mayor de in situ combustión operaciones, la característica de configuraciones experimentales de enfriamiento de la mancha de aceite por un flujo de agua fría, simulando el efecto de enfriamiento del mar actual. El método discutido además es compatible con aceites crudos frescos y resistidos. La intemperización del petróleo crudo describe el proceso físico y químico que afectan un crudo una vez que se ha derramado en el agua, como las pérdidas de sus componentes volátiles y mezcla con el agua en emulsiones agua en aceite de forma (por ejemplo, AMAP,17). Evaporación y emulsificación son dos de los procesos de erosión principales que afectan la inflamabilidad de crudos18 y protocolos para simular estos procesos de erosión por lo tanto se incluyen en el método discutido.

Adjunto, presentamos un método novedoso laboratorio que determina la inflamabilidad y la eficacia ardiente de crudo bajo condiciones que simulan en situ quema las operaciones en la mar. Estudios previos sobre la inflamabilidad y la eficacia ardiente de crudos destacados comparables y diferentes métodos. La inflamabilidad de crudos frescos y degradados en función de un flujo de calor externo se estudió el agua19 y bajo temperaturas árticas20. Estudios de eficiencia de combustión normalmente se centran en diferentes tipos de fresco y resistido aceites crudos y las condiciones ambientales a una escala fija (por ejemplo, Fritt-Rasmussen, et al. 8Bech, Sveum, et al. 21). un estudio reciente sobre la quema de aceites crudo de pastores química es, al conocimiento de los autores, el primero en estudiar la eficiencia de combustión para pequeño, intermedio, y los experimentos a gran escala bajo condiciones similares13. Los experimentos a gran escala son, sin embargo, no disponible para estudios paramétricos, debido a la gran cantidad de tiempo y recursos necesarios para llevar a cabo tales experimentos. La ventaja principal del método presentado sobre los estudios anteriormente mencionados es que permite al mismo tiempo estudiando ambos la inflamabilidad y combustión eficacia de crudo bajo condiciones semi realistas. La combinación de estudiar estos dos parámetros de crudos en función de tipos de aceite diferentes y el diámetro de la piscina (simulado) a través de experimentos repetibles fácilmente era ya inviable en la práctica.

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Protocolo

Este protocolo hace uso de dos diferentes configuraciones experimentales que se utilizan en los pasos 4-8, como se muestra en los esquemas adjuntos. La primera configuración es el petróleo crudo inflamabilidad aparato (COFA) (figura 1 y figura 4), que es un 1.0 × 1.0 × 0,50 m3 cuenca metal diseñada para llevar a cabo a pequeña escala en situ quema de petróleo crudo de experimentos, como se muestra por ejemplo Van Gelderen, Brogaard, et al. 22 la segunda configuración es un cono calentador23 con un encendedor de chispa que cuenta con un soporte de muestra por encargo y un analizador de gases que mide el O2, CO2, y las concentraciones de CO en los gases de escape del conducto24 (figura 2 y Figura 3). Las especificaciones técnicas de estas configuraciones se describen en detalle adicional en el documento complementario, que también incluye fotografías de las configuraciones. A menos que se especifique lo contrario, las mediciones de datos (por ejemplo, temperaturas, flujos de calor o las concentraciones de gases) son medidas digitalmente a través de un registrador de datos y multiplexor. Los madereros de datos funcionan con un programa de adquisición de datos digitales. En el protocolo, la frase de "iniciar el registrador de datos" incluye todas las acciones según las instrucciones del programa, conforme a lo dispuesto por el fabricante, que se requieren para iniciar la adquisición de datos.

1. Generalidades manejo de petróleo crudo

  1. Para cada aceite fresco que será estudiado, tomar una muestra de 5 mL y medir su densidad y viscosidad a 25 ° C en un viscosímetro. Guarde el resto del aceite a 5-10 ° C en un frasco de vidrio cerrado hasta su uso posterior.
    PRECAUCIÓN: Fresco crudo es altamente inflamable y petróleo crudo y sus vapores presentan a una moderada o riesgo para la salud alta. Además es difícil de limpiar de la piel o los ojos con productos químicos no peligrosos tales como jabón. Usar gafas de seguridad y guantes al manipular el petróleo crudo y trabaje en un área bien ventilado.
  2. Al inicio de cada sesión de la prueba, tome los aceites crudos que se probará en el almacenamiento refrigerado de (5-10 ° C). Agitar cada envase de aceite a mano durante 1-2 min y dejarlos calentar hasta temperatura ambiente antes de la realización de experimentos. Retomar los crudos el almacenamiento refrigerado entre sesiones de prueba.
  3. Limpie cualquier superficie accidentalmente contaminado con petróleo crudo utilizando un solvente no polar volátil (e.g.,n-heptano).

2. intemperie evaporación de aceite crudo por burbujeo de aire comprimido a través del aceite

Nota: Este paso se basa en Stiver y Mackay25 y Buist, Potter, et al. 26

  1. Taladro un número de agujeros (por ejemplo, seis con un diámetro (D) de 5 mm) distribuido uniformemente en la tapa de un envase de plástico de 5-10 L y perfore un agujero único (p. ej.,D = 8-10 mm) en uno de los lados del contenedor cerca de su borde superior.
  2. Hacer una junta tórica (aproximadamente D = 20 cm) con un adjunto abrir la conexión de tubos de plástico con un diámetro interno (ID) de 4 a 6 mm y un número de agujeros de taladro (p. ej., seis con D = 1 mm) uniformemente distribuida a lo largo de un lado de la junta tórica.
    Nota: Tratar de compensar la ubicación vertical de los agujeros en la tapa los orificios de la arandela para minimizar la cantidad de petróleo crudo está soplado fuera del contenedor.
  3. Conecte la junta tórica a un tubo de plástico (por ejemplo, diámetro interior de 4-8 mm) que va por el agujero lateral del envase plástico. Este tubo se conectará a un sistema de aire a presión con una válvula y un manómetro de presión.
  4. Pesar por separado la tapa y el envase de plástico con anillo plástico y registrar su peso.
  5. Peso 2-4 L de aceite crudo (basado en su densidad) en el recipiente y registre el peso.
  6. Coloque un recipiente debajo de una campana de humos y conecte la junta tórica en el sistema de aire presurizado. Burbuja de aire a través del aceite a una presión que es tan alta como sea posible (por ejemplo, 200 kPa) sin soplar aceite por los agujeros en la tapa del envase.
  7. Pesar el aceite al inicio y al final de cada jornada de trabajo para vigilar cuando se alcanza el estado de envejecimiento por evaporación deseado (en % de peso perdido) (por ejemplo, 20% de peso perdido respecto al peso inicial). Esto puede tomar desde un día a más de una semana de burbujeo continuo, dependiendo de la presión de aire y tipo de aceite. Cada medida de peso intermedio se utiliza para establecer una curva de evaporación en función del tiempo, que ayuda a predecir el tiempo de evaporación necesario para alcanzar el estado deseado envejecimiento por evaporación.
    Nota: Después del primer día, el petróleo crudo puede suelen dejar en la campana durante varios días (por ejemplo, el fin de semana) sin perder ninguna cantidad importante de masa cuando se cierra el aire a presión.
  8. Una vez terminada la evaporación del crudo, tomar una muestra de 5 mL de aceite y medir su densidad y viscosidad a 25 ° C en un viscosímetro. Guarde el resto del aceite a 5-10 ° C en una botella de vidrio para su uso posterior. Limpiar el recipiente, la tapa y la junta tórica con un solvente no polar volátil para eliminar los restos de crudo.

3. emulsión de petróleo crudo utilizando una rotatoria que sacude la tabla

Nota: Esta parte del Protocolo se ha modificado de Daling, M., et al. 27

  1. Agregar un total de 900 mL de petróleo crudo y la mezcla de agua dulce o salada a una botella de vidrio de 1 L, con la cantidad de agua que la deseada vol % en la emulsión. Por ejemplo, una emulsión con 40 vol % contenido de agua consiste en 540 mL de petróleo crudo y 360 mL de agua. Se aconseja utilizar petróleo crudo evaporado, en lugar de fresco crudo, para presentar con más precisión la meteorización procesos de petróleo derramado en aguas abiertas y crear emulsiones más estables.
    Nota: Es importante que la botella no se llena completamente, por lo que hay espacio libre disponible para la mezcla turbulenta del aceite y del agua.
  2. Agite vigorosamente la mezcla agua y aceite a mano durante 1-2 minutos. Luego coloque la botella de vidrio sobre una mesa de agitación rotatoria y revuelva la mezcla agua y aceite a 175 rpm durante 20 h a temperatura ambiente.
    Nota: Para evitar problemas con la separación de la capa de agua de la emulsión, realizar los experimentos con la emulsión en el mismo día que una vez terminado el período de agitación de 20 h.
  3. Tomar una muestra de 5 mL de la emulsión después de la 20 h período de agitación y medir su densidad y viscosidad a 25 ° C en un viscosímetro.
  4. Si la emulsión es inestable (véase abajo), coloque la emulsión a la rotativa que sacude la tabla y sacudir constantemente la emulsión a 175 rpm entre experimentos. Al inicio de cada experimento, detener manualmente la rotativa que sacude la tabla, tomar la cantidad necesaria de la emulsión (paso 7.5) y luego volver a la rotativa que sacude la tabla. Una vez que todos los experimentos se han realizado con la emulsión, parar la rotativa que sacude la tabla y guarde la emulsión en frío (5-10 ° C) almacenamiento.
  5. Si la emulsión es estable, quitar la emulsión de la tabla rotatoria de la agitación y se deja reposar a temperatura ambiente. Agitar la emulsión vigorosamente durante 1-2 min a mano antes de tomar la cantidad necesaria de aceite para cada experimento. Una vez que todos los experimentos se han realizado con la emulsión, almacenar en frío (5-10 ° C) almacenamiento.
    Nota: Con el propósito de este protocolo, emulsiones inestables se definen como emulsiones que forman una capa de agua visible con varias horas, es decir, antes del final de una jornada laboral típica.

4. referencia in Situ quema los experimentos en la COFA (figura 1) para la calibración de la refrigeración por agua en la configuración de cono

  1. Coloque un cilindro de vidrio Pyrex alta de 5 cm y un diámetro interior de 16,3 cm (diámetro externo de 16,9 cm) sobre un soporte, con una altura combinada de 35-45 cm, en el centro de la COFA. La forma del titular es irrelevante mientras permite un libre flujo de agua bajo el área cubierta por el cilindro de vidrio Pyrex. Llene la COFA con agua fresca (340-440 L) para que el nivel del agua es 1 cm por debajo del borde del cilindro de vidrio Pyrex.
  2. Lugar una hélice en uno de los lados de la COFA directamente hacia el cilindro de vidrio Pyrex. Encender el propulsor y ajustar la altura vertical y flujo para que las olas son apenas observable en el agua dentro del cilindro de vidrio Pyrex. Registrar la altura y postura de flujo (p. ej., 1.000 L. / h) y apague la hélice antes de continuar con el protocolo.
    Nota: La hélice se utiliza para crear una corriente en el cuerpo de agua que refresca eficazmente la capa de agua debajo del crudo ardiente para evitar el derrame fenómeno28,29. El flujo inicialmente establecido y la altura vertical de la hélice no pueden causar suficiente enfriamiento de la sub-capa agua, y un derrame ocurre entonces todavía.
    PRECAUCIÓN: Un derrame es un estado ardiente explosivo con una altura de llama significativamente mayor velocidad de combustión y velocidad de liberación de calor durante la cual el aceite las gotas se expulsado desde el fuego29,30,31. Asegurar que los equipos vulnerables protegidas (por ejemplo, con papel de aluminio) y mantener el personal y equipo a una distancia apropiada del fuego.
  3. Pesar una cantidad de petróleo crudo equivalente a una mancha de aceite gruesa de 5 mm en el cilindro de vidrio Pyrex (es decir, basado en la densidad y un volumen de 104 mL) en un plato de aluminio.
  4. Vierta el aceite crudo en el agua dentro del cilindro de vidrio Pyrex. Tenga cuidado de no derramar el aceite fuera de la parte inferior de la botella vertiendo el aceite demasiado rápido. Pesan el plato de aluminio nuevo y registrar el peso del crudo vertido dentro del cilindro de vidrio Pyrex.
  5. Lentamente agregue agua a la COFA hasta que la superficie de la mancha de aceite es 1 a 2 mm por debajo del borde del cilindro de vidrio Pyrex. Esta diferencia de altura es importante para evitar que el aceite se desborde sobre la ignición.
  6. Encienda la campana extractora y la hélice. A continuación encender el petróleo crudo utilizando un soplete de butano mano y medir la duración de la combustión desde el momento del encendido hasta el momento de la extinción con un cronómetro.
  7. Después de que el fuego se extingue naturalmente, recoger el aceite que queda en la superficie del agua (conocida como el residuo de la combustión) con cojines de la absorción hidrofóbico con un peso conocido. Sacudir cualquier agua recogida antes de pesar las pastillas para determinar el peso de residuos. La eficacia ardiente entonces se calcula usando la ecuación (1) y la velocidad de combustión se calcula dividiendo la diferencia entre la masa inicial y la masa de residuos por la duración de la combustión (en segundos).
    figure-protocol-1(1)
  8. En casos donde el fuego produce un derrame, repita el protocolo paso 4 por el agua de drenaje desde la COFA hasta que la superficie del agua es otra vez un centímetro por debajo del borde de cilindro de vidrio Pyrex. Limpie los bordes del cilindro de vidrio Pyrex con un solvente volátil, no-polar. Reducir la distancia vertical entre la hélice y el cilindro de vidrio Pyrex o aumentar la posición de flujo de la hélice y repita los pasos del Protocolo 4.3 a 4.8.
  9. En caso de que el fuego no termina con un derrame, utilizar la eficacia ardiente calculada y la velocidad de combustión en paso 4.7 para calibrar el agua de enfriamiento en la configuración del cono.

5. calibración de la refrigeración por agua para la instalación de cono (figura 2 y figura 3).

  1. Punción en un tubo de plástico flexible (4 mm diámetro interior) en un centímetro de su final con un termopar de tipo K espesor de 1 mm para que el grano de la termocupla se suspende libremente dentro del tubo. Fijar el termopar con cinta de politetrafluoroetileno (PTFE) y cinta de aluminio para asegurar que el termopar no se mueva y que el agua no escape de la punción. Conecte el termopar a un registrador de datos.
    1. Repita el paso 5.1 para un tubo con un adaptador de tubo de acero inoxidable e inserte el termopar directamente debajo el adaptador de tubo.
  2. Colocar y fijar el primer tubo de plástico con el extremo con el termopar hasta hasta el fondo del depósito enfriamiento posible. Conecte el otro extremo del tubo a la entrada de una bomba peristáltica con una velocidad de flujo ajustable.
  3. Conecte un tubo nuevo de plástico a la salida de la bomba peristáltica y conecte el otro extremo de este tubo de plástico a un adaptador de tubo de acero inoxidable. Conecte el adaptador de tubo a una válvula de fuelle y conecte la válvula de fuelle en el soporte de la muestra de cono. Asegúrese de que las conexiones no tener fugas de agua mediante el uso de cinta de PTFE entre las conexiones cuando sea necesario.
  4. Conecte el otro extremo del soporte de muestra del cono a una válvula de fuelle, que se conecta al adaptador de tubo del tubo con un termopar por debajo el adaptador. El otro extremo de este tubo se coloca y fija en la parte superior del depósito enfriamiento para que el agua limpiado vuelve al depósito de refrigeración.
    Nota: Asegúrese que el tubo de entrada y tubo de salida tienen suficiente distancia espacial en el depósito para que agua caliente no es recirculada directamente, pero consigue enfriar en el depósito antes de la recirculación.
  5. Coloque el soporte de la muestra con los tubos conectados bajo el calentador de cono. Ajustar la altura del soporte para que el borde exterior es 23 mm desde la parte inferior del calentador cono. Asegúrese de que los tubos son de longitud suficiente para que el sostenedor de la muestra puede colocar fácilmente en el calentador de cono una vez que el sostenedor de la muestra contiene el petróleo crudo.
  6. Llenar el depósito de refrigeración con agua desmineralizada y enfriar el agua a una temperatura seleccionada (p. ej.,12 ° C). Abra las válvulas de fuelle y empezar el flujo de agua a través del soporte de muestra en un flujo elegido (por ejemplo, 7 L/h). Agite el soporte para eliminar cualquier resto de aire del titular para que el titular se llena completamente con agua.
  7. Inicie el registrador de datos y monitorear la temperatura del agua interior y aberturas. Parar la bomba una vez se haya estabilizado la temperatura del agua limpiada (esto suele ser unos grados por encima de la temperatura de depósito conjunto), cerrar las válvulas de fuelle y encienda la campana extractora.
  8. Coloque el soporte de la muestra en una escala de carga y Tara de la báscula. Añadir una cantidad de aceite para el sostenedor de la muestra que corresponde a un pulido grueso de 10 mm (es decir, basado en la densidad y un volumen de 95 mL). Luego abra las válvulas de fuelle y arranque la bomba otra vez.
  9. Coloque el soporte de la muestra cuidadosamente bajo el calentador de cono y encender el aceite con una antorcha de mano de butano. Medir la duración de la combustión desde el momento del encendido hasta el momento de la extinción con un cronómetro.
    PRECAUCIÓN: Cuando quemando aceites que contienen agua, ya sea naturalmente o debido a la emulsión, un derrame puede ocurrir durante la quema (véase también el paso 4).
  10. Después de que el fuego se extingue, detenga la bomba, cierre las válvulas, desconecte los tubos y coloque el soporte de la muestra en una escala previamente Tara. Registrar el peso del titular, incluyendo los residuos de la quemadura.
  11. Limpie cualquier residuo de aceite quemado del titular con un solvente no polar volátil. Pesar el soporte limpio otra vez para determinar el peso del residuo. Luego calcular la eficacia de la combustión y quema de tiempo como se describe en el paso 4.7.
  12. En el caso de la quema de la eficiencia y la velocidad de combustión coincide con los resultados del paso 4 de protocolo, el flujo y temperatura del agua están ahora calibrados y pueden ser utilizados en el siguiente paso del protocolo. En el caso de la quema de la eficiencia y la velocidad de combustión no coinciden con los resultados del paso del Protocolo 4, elegir una nueva temperatura de reservorio o nuevo flujo en consecuencia. Vuelva a conectar los tubos para el soporte de la muestra, abrir las válvulas, arranque la bomba, sacuda el soporte para eliminar todo el aire y repita pasos 5.7-5.12.
    Nota: No puede ser posible para que coincida con la eficacia de la combustión y la velocidad de combustión. Con el fin del protocolo descrito, la eficacia de la combustión es más importante y debe corresponder con la mayor precisión posible. Cuando se prueban múltiples aceites, la temperatura del agua y el flujo pueden ser calibradas para sea un aceite, o para cada aceite individualmente. Calibrando el flujo y temperatura del agua de cada aceite individual puede simular con mayor precisión el aceite sobre el agua, resultados de tiempo de retardo de encendido de varios aceites (paso 6) pueden ser más fácilmente comparado cuando utilizando fija la temperatura del agua y fluyen de cada experimento.

6. calibración de la unidad de cono (figura 2-3).

  1. Calibrar la correlación entre la temperatura de la calefacción del cono y el calor flujo salida usando un flujo de calor refrigerado por agua de calibre con una capacidad máxima de 100 kW/m2.
    1. Coloque una bomba de acuario en un balde y llenar el balde con agua fría para que la bomba esté completamente sumergida.
    2. Conecte la bomba de acuario para el medidor de flujo de calor con un tubo de plástico. Conecte un segundo tubo de plástico para el medidor de flujo de calor y fijar el otro extremo del tubo dentro de la cuchara, ligeramente por encima de la superficie del agua, agua que fluye por el tubo se puede observar fácilmente. Encienda la bomba y asegúrese de que un flujo constante de agua fluyendo hacia el medidor de flujo de calor.
    3. Encienda la campana extractora y calentar el cono a 200 ° C. Coloque el medidor de flujo de calor (hacia arriba) 25 mm por debajo del centro del cono y conecte el manómetro de flujo de calor al registrador de datos. Inicie el registrador de datos, abrir las persianas, medir el flujo de calor durante 5-10 min hasta que se adquiere un flujo de calor estable la lectura, detener la adquisición de datos y cerrar las persianas.
    4. Repita el paso 6.1.3 temperaturas cono de 300, 400, 500, 600, 700, 720, 740, 760, 780 y 800 ° C.
  2. Determinar las temperaturas del cono que corresponden a flujos de calor de 3-50 kW/m2 usando los puntos de datos medidos y suponiendo una correlación lineal entre los puntos de datos.

7. inflamabilidad experimentos de crudo en la configuración de cono (figura 2-3)

  1. Al principio de cada sesión de prueba, verifique con el flujo de calor calibre si la temperatura del cono corresponde a un flujo de calor de 10 kW/m2 todavía da la lectura correcta (±5%). Si es así, proceda con el protocolo. Si no es así, repita el paso 6 antes de continuar.
  2. Al principio de cada sesión de prueba Encienda la campana extractora, activar el analizador de gas y calibrar el analizador de gas según las especificaciones proporcionadas por su fabricante.
  3. Asegúrese de que cuando el sostenedor de la muestra se coloca bajo el cono, hay una distancia de 23 mm entre la parte inferior del cono y el borde externo del soporte.
  4. Calentar el cono a una temperatura correspondiente a un flujo de calor de 5 kW/m2.
    1. Mientras tanto, fresco el depósito de agua a la temperatura encontrada en el paso 5 conectar los tubos de agua para el sostenedor de la muestra, abra las válvulas y arranque la bomba en el flujo que se encuentra en el paso 5. Agite el sostenedor de la muestra para eliminar cualquier aire atrapado en el interior del soporte. Inicie el registrador de datos y monitorear la temperatura del agua hasta que se haya estabilizado la temperatura del agua limpiada.
    2. Una vez que el cono y el portamuestras estabilizan sus respectivas temperaturas sistema, detenga la bomba, cierre las válvulas de lo portamuestras y desconecte los tubos de las válvulas.
  5. Coloque el soporte de la muestra en una escala de carga y Tara de la báscula. Añadir una cantidad de aceite a temperatura ambiente para el sostenedor de la muestra que corresponde a un pulido grueso de 10 mm (es decir, basado en la densidad y un volumen de 95 mL). Vuelva a conectar los tubos, abra las válvulas de fuelle y encienda la bomba nuevamente.
  6. Inicie el registrador de datos para el analizador de gas para medir concentraciones de CO en los gases de combustión y la temperatura del agua en y hacia fuera flowing, O2y CO2.
  7. Con cuidado coloque el soporte de la muestra bajo el cono y listo dos cronómetros. Mueva el chispero en posición sobre la muestra. Luego abrir las persianas y poner en marcha el primer cronometro.
  8. Ignición del aceite, al mismo tiempo parar el primer cronómetro y empezar el segundo cronómetro. Entonces mueva hacia atrás el chispero en su posición neutral de la muestra ardiente.
    1. Si el aceite no se enciende dentro de 10 minutos, parar el primer cronómetro y volver el chispero a su posición neutral. Luego encender el aceite usando un soplete de butano mano y empezar el segundo cronómetro.
      PRECAUCIÓN: Cuando quemando aceites que contienen agua, ya sea naturalmente o debido a la emulsión, un derrame puede ocurrir durante el grabación (paso 4).
  9. Después de que el fuego se extingue, parar el cronómetro segundo, cerrar los postigos y detener la adquisición de datos del analizador de gas y temperaturas del agua de enfriamiento. Luego detener la bomba, cierre las válvulas, desconecte los tubos y coloque el soporte de la muestra en una escala previamente Tara. Registrar el peso del titular, incluyendo los residuos de la quemadura.
  10. Limpiar el soporte de cualquier residuo de aceite quemado con un solvente no polar volátil. Pesar el soporte limpio otra vez para determinar el peso del residuo. Luego calcular la eficacia de la combustión y quema de tiempo como se describe en el paso 4.7.
  11. Para cada aceite a probar, repetir pasos 7.4-7.10 para flujos de calor de 10, 20, 30, 40 y 50 kW/m2. Retire cualquier hollín depositado en la bobina del calentador cono después de cada experimento.
    1. Con el fin de establecer que el mínimo requerido de flujo de calor necesario para la ignición experimental, es decir, el flujo de calor crítico, puede ser necesario probar flujos de calor adicional. Repita los pasos 7.4-7.10 para flujos de calor de 1 kW/m2 incrementos desde el más bajo flujo de calor en que ignición pilotada ocurrió hasta un flujo de calor es probado para que no se observa ignición pilotada dentro de 10 minutos. El flujo de calor crítico entonces se encuentra dentro de una 1 kW/m2 gama superior de este flujo de calor.
      PRECAUCIÓN: Muy volátiles crudos puede encenderse espontáneamente cuando calor sometido a muy altos flujos (≥ 40 kW/m2), incluso cuando se cierran las persianas de la calefacción del cono.

8. temperatura en experimentos de la ignición del crudo en la configuración de la COFA (figura 4).

  1. Coloque un cilindro de vidrio Pyrex alto 5 cm con un diámetro interior de 16,3 cm (diámetro exterior de 16,9 cm) sobre un soporte, con una altura combinada de 35-45 cm, en el centro de la COFA (figura 1). Coloque dos de calor (IR) infrarrojo montado en zapatas de acero inoxidable ajustables en dos lados opuestos del cilindro de vidrio Pyrex en una distancia horizontal de por lo menos 5 cm del borde exterior del cilindro.
    Nota: Las especificaciones precisas y dimensiones de los calentadores IR son irrelevantes como pueden proporcionar un flujo de calor suficiente a la superficie del aceite para encender crudos, que típicamente requiere de 5-20 kW/m2 para la ignición. Se recomienda una potencia mínima de 1 kW y mínima anchura de calentador de 17 cm. Cualquier sistema de refrigeración de los calentadores IR, tales como ventiladores de aire, además no debe interactuar con la mancha de petróleo durante el experimento.
  2. Para medir la temperatura de la superficie en ignición de un crudo, un incidente se recomienda el flujo de calor de 2 a 5 kW/m2 más alta que su flujo de calor crítico (paso 7.11.1).
    1. Preparar un calibrador de flujo de calor de 100 kW/m2 según pasos 6.1.1-6.1.2 y conecte el manómetro de flujo de calor a un registrador de datos. Lugar el flujo de calor de calibre en el centro del cilindro de vidrio Pyrex, hacia arriba, a una altura de 1-2 mm por debajo del borde superior del cilindro. El área horizontal a esta altura dentro del Pyrex vidrio cilindro es de aquí en adelante referido como "plano horizontal". Este plano horizontal corresponde a la superficie de una mancha de aceite dentro del cilindro de vidrio Pyrex.
      Nota: Asegúrese que el medidor de flujo de calor puede ser movido libremente en el plano horizontal para que pueda medir el flujo de calor incidente en varios lugares del plano horizontal. El Pyrex de vidrio cilindro sólo funciona como una ayuda visual para colocar correctamente el flujo de calor del calibrador plano horizontal, por lo que si es necesario, el cilindro de Pyrex puede quitarse durante el paso 8.2.
    2. Inicie el registrador de datos, encender los calentadores IR y monitorear el flujo de calor incidente en el centro del plano horizontal. Ajustar el flujo de calor incidente respecto al plano horizontal ajustando la ubicación espacial de los calentadores IR (altura, ángulo y distancia horizontal desde el plano horizontal) y su porcentaje de salida de energía hasta el flujo de calor incidente deseado.
    3. Medir el flujo de calor incidente en los bordes del plano horizontal. En todos los lugares, el flujo de calor incidente debe ser 2 a 5 kW/m2 mayor que el flujo de calor crítico del aceite que se probará. Ajustar la ubicación y el porcentaje de salida de potencia de los calentadores de IR según el paso anterior, si es necesario.
    4. Después de cada ajuste de la salida ubicación y potencia de los calentadores IR, medir el flujo de calor incidente respecto al plano horizontal en su centro y los bordes exteriores.
    5. Repita los pasos 8.2.2-8.2.5 hasta que el flujo de calor incidente medida en el plano horizontal es 2-5 kW/m2 mayor que el flujo de calor crítico del aceite seleccionado. A continuación, apague los calentadores IR y quitar el medidor de flujo de calor. Coloque el cilindro de vidrio Pyrex en su stand, si es necesario.
  3. Llene la COFA con agua fresca (340-440 L) para que el nivel del agua es de un centímetro por debajo del borde del cilindro de vidrio Pyrex. Lugar una hélice en uno de los lados de la COFA directamente hacia el cilindro de vidrio Pyrex en la altura que se encuentra en el paso 4.
  4. Colocar y fijar un conjunto de tres termopares tipo K espesor de 1 mm en 1-2 mm por debajo del borde del cilindro de vidrio Pyrex. Organizar los termopares que miden a lo largo del radio del cilindro, con una distancia de aproximadamente 1-2 cm entre cada termopar. Conecte los termopares a un registrador de datos.
  5. Fije un encendedor de chispa con una abrazadera de metal a una barra de metal sobre un soporte metálico que se encuentra en la COFA. Ponga el soporte para que el encendedor se puede mover fácilmente de una posición neutral a la posición 2-3 cm por encima de la zona central del cilindro de vidrio Pyrex y volver a su posición neutral otra vez.
  6. Pesar una cantidad de petróleo crudo equivalente a una mancha de aceite gruesa de 5 mm en el cilindro de vidrio Pyrex (es decir, basado en la densidad y un volumen de 104 mL) en un plato de aluminio.
  7. Vierta el aceite crudo en el agua dentro del cilindro de vidrio Pyrex. Tenga cuidado de no derramar el aceite fuera de la parte inferior de la botella vertiendo el aceite demasiado rápido. Pesan el plato de aluminio nuevo y registrar el peso del crudo vertido dentro del cilindro de vidrio Pyrex.
  8. Lentamente agregue agua a la COFA hasta que la superficie del aceite sólo entra en contacto con los tres termopares. Mueva el chispero a su posición sobre el aceite.
  9. Iniciar un cronómetro sincronizado y el registrador de datos para que cada segundo coincide con una serie de análisis específicos. Encienda la campana extractora, la hélice y el chispero. Encender los calentadores IR y establecer la potencia de salida al porcentaje encontrado en el paso 8.2.
  10. Ignición del aceite, deje el registrador de datos y cronómetro, apagar el encendedor de chispa y moverlo a su posición neutral y apague los calentadores IR y la hélice. Luego apagar el fuego colocando cuidadosamente una cubierta no combustible en el cilindro de vidrio Pyrex. Extinguir el fuego puede requerir los termopares para moverlos lejos primero.
  11. Recoger y desechar el aceite crudo con cojines de la absorción hidrofóbico. Drenar el agua de la COFA hasta el nivel del agua es lo suficientemente bajo como para medir el flujo de calor incidente respecto al plano horizontal nuevo con un medidor de flujo de calor. Limpie el cilindro de vidrio Pyrex con un solvente no polar volátil.
  12. Parcela la temperatura de los tres termopares en función del número de análisis. Basado en el tiempo en el cronómetro, el número de análisis correspondiente y la gráfica trazada, determinan la temperatura de la superficie en ignición del crudo probado.
  13. Para cada aceite adicional que pondrá a prueba, repita pasos 8.2-8.12.

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Resultados

La figura 5 muestra la curva de evaporación de un crudo ligero que se evaporó durante varios días para una pérdida de 30% de peso con el método descrito en el paso 2. La figura muestra claramente que después del primer día (19 h) de envejecimiento por evaporación, la tasa de evaporación se reduce significativamente, que permite pausas como se menciona en el protocolo.

Figura 6

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Discusión

Los dos métodos de envejecimiento discutidos en este documento son una aproximación relativamente simple de los procesos de meteorización que un aceite derramado en el agua se somete a17. Otros, más atmosféricos sofisticados métodos también pueden utilizarse para proporcionar muestras de petróleo crudo degradado, como el canal de circulación descrito por Brandvik y Faksness35. La ventaja de los métodos actuales es que requieren equipos sencillos y pueden realizarse fácilmen...

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Divulgaciones

Los autores no tienen nada que revelar.

Agradecimientos

Los autores desean agradecer el Consejo Danés de investigación independiente para la financiación del proyecto (Grant DDF - 1335-00282). COWIfonden financió la construcción del aparato de inflamabilidad de petróleo crudo y el analizador de gas, incluyendo la inserción del conducto. Aceite de Maersk y Statoil proporcionan los crudos que se utilizaron para obtener resultados representativos. Ninguno de los patrocinadores han participado en el protocolo o los resultados de este trabajo. Los autores desean también agradecer a Ulises Rojas Alva por ayuda para construir el sostenedor de la muestra de cono modificado.

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Materiales

Lista de materiales utilizados en este artículo
NombreEmpresaNúmero de catálogoComentarios
DUC Crude OilMaerskN/A Crudoligero con r = 0,853 g/ml y h = 6,750 mPa*s.
Grane Crude OilStatoilN/ACrudo pesado con r = 0,925 g/ml y h = 133,6 mPa*s.
SVM 3000 Viscosímetro StabingerAnton PaarC18IP007EN-P Medidor deviscosidad y densidad para los crudos frescos y meteorizados.
Laboshake RO500Gerhardt11-0002Mesa vibratoria giratoria para emulsionar mezclas de agua y aceite.
Jebao Wave Maker RW-4JebaoN/AHélice (caudal de 500-4000 L/h) utilizada en la configuración de COFA para generar una corriente.
Aquabee UP 3000AquabeeUP 3000Bomba de acuario para la refrigeración del caudalímetro de calor.
Balanza electrónica de precisión Adventurer OHAUSAX5205Báscula de carga utilizada para pesar el aceite para los experimentos COFA y en el portamuestras de cono hecho a medida para la configuración del cono.
Almohadillas absorbentes de aceite 3MVWR MMMAHP156Almohadillas de absorción hidrofóbica que se utilizan para recoger residuos de aceite y determinar la eficiencia de combustión del fuego.
calorímetro de pérdida de masa(FTT)B11325-650-1-1608Se utilizó un soporte circular hecho a medida para la prueba de petróleo crudo en lugar del soporte de muestra cuadrado estándar. Incluye un caudalímetro de calor con una potencia de hasta 100 kW/m2.
34972A Unidad de conmutación de adquisición de datos / registrador de datosRS Components Ltd.702-7958Producido por Keysight Technologies. Operado por el software Keysight benchLink data logger 3 y equipado con un multiplexor de 20 canales.
Multiplexor de 20 canales Keysight Technologies 34901ARS Components Ltd.702-7939Producido por Keysight Technologies.
Válvula sellada de fuelleSwagelokSS-1GS6MMVálvula de palanca para abrir/cerrar la entrada y salida de agua del portamuestras de cono hecho a medida para la configuración del cono.
Bomba peristáltica Kronos 50SEKO KRFM0210M6000Bomba peristáltica utilizada para enfriar el portamuestras de cono hecho a medida para la configuración del cono.
Circulador refrigerado ARCTIC A28ThermoFisher Scientific152-5281 Depósito derefrigeración por agua utilizado para enfriar el agua de refrigeración que fluye a través del portamuestras de cono hecho a medida para la configuración del cono. Incluye un controlador de circulador de inmersión SC 100.
Consola de instrumentación de análisis de gas contecnología de prueba de fuego (FTT)B11328-650-1-1609Analizador de gas para O2, CO2 y CO. Utiliza una unidad de conmutación de adquisición de datos / registrador de datos 34972A.
Cerámica & Tecnología de prueba de fuego de electrodos(FTT)M015-4Encendedor de chispa del calorímetro de pérdida de masa. Se utiliza en la configuración COFA para medir la temperatura de la superficie tras la ignición.
Módulo emisor de infrarrojos M110/348Heraeus80046199originales Calentadores de infrarrojos en los que se basó el nuevo diseño con un soporte refrigerado por agua para los elementos calefactores. Incluye dos emisores de doble tubo de onda corta (09751751). Operado por un controlador de potencia tipo CB1x25 P.
Controlador de potencia Heratron Heraeus80055836Tipo CB1x25 P controlador de potencia para los calentadores infrarrojos.
Tecnología de prueba de fuego del de inserto de conducto de acero inoxidable de 2,5 mm

Referencias

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