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

El objetivo general de este procedimiento experimental es cuantificar y mejorar la comprensión de los requisitos de ignición y la eficiencia de combustión resultante del petróleo crudo derramado en el agua con fines de respuesta a derrames de petróleo. Este protocolo puede ayudar a responder preguntas clave para la quema in situ de derrames de petróleo crudo, como la resistencia y el tiempo de exposición necesarios para la fuente de ignición. La principal ventaja de estos experimentos de laboratorio es que la inflamabilidad y la eficiencia de combustión de los crudos se pueden estudiar simultáneamente en condiciones que representan incendios de petróleo crudo a escala operativa.

Comienza a preparar muestras de aceite para los experimentos. Utilice este recipiente de plástico para el proceso de envejecimiento. Tiene agujeros perforados en su tapa.

También hay un orificio en su costado para acomodar un tubo de plástico conectado a una junta tórica con agujeros. Configure el recipiente para que el aire burbujee a través de varios litros de petróleo crudo fresco. Durante el proceso de envejecimiento, controle el peso del aceite para conocer el porcentaje de pérdida de peso a lo largo del tiempo.

Deténgase cuando se alcance el valor deseado, lo que puede llevar varios días. La emulsificación del petróleo crudo requiere una mesa vibratoria giratoria. Primero, agite vigorosamente 900 mililitros de la mezcla deseada de petróleo crudo y agua durante uno o dos minutos.

A continuación, coloque la botella en la mesa giratoria para agitar a temperatura ambiente. El Aparato de Inflamabilidad del Petróleo Crudo o COFA está debajo de una campana de escape. Es una cuenca de agua metálica con una entrada y un desagüe.

Para la prueba, prepare un cilindro de vidrio. Debe tener cinco centímetros de alto y unos 16 centímetros de diámetro. Monte el cilindro en un soporte y coloque el soporte y el cilindro en el centro del recipiente.

Proceda llenando el recipiente con agua dulce. Deténgase cuando el agua esté un centímetro por debajo del borde del cilindro de vidrio. Monte una hélice en la pared del lavabo para mirar directamente hacia el cilindro de vidrio y ajustar su altura.

Ajusta su altura y velocidad para que las olas generadas sean apenas observables en el agua dentro del cilindro. Apague la hélice y prepare el aceite. Vierta el aceite con cuidado sobre la superficie del agua dentro del cilindro de vidrio.

A continuación, agregue agua lentamente al recipiente y deténgase cuando la superficie de la mancha de aceite esté de uno a dos milímetros por debajo del borde del cilindro. Encienda la hélice y prepárese para cronometrar la combustión. Use un soplete manual de butano para encender el petróleo crudo.

Registre el tiempo desde la ignición hasta la extinción. Cuando el fuego se haya extinguido, use almohadillas de absorción hidrofóbica para recoger el aceite restante. Sacuda el agua acumulada antes de pesar las almohadillas para determinar la eficiencia de combustión.

Tenga una configuración diferente lista debajo de un capó para estudiar la inflamabilidad. Use un calentador de cono equipado con persianas y un encendedor de chispa. Este calentador también cuenta con un soporte de muestras hecho a medida.

Este esquema resalta las características cuando se juntan los dos. El calentador de cono se encuentra a 23 milímetros por encima de una mancha de aceite que se encuentra en un soporte de metal. Las válvulas regulan el agua de refrigeración que fluye por debajo del aceite.

Este esquema proporciona una idea de los elementos más allá del calentador y el portamuestras. Hay una unidad de control para la temperatura del cono y el encendedor de chispa. Se revela el sistema de agua completo, así como la presencia de un analizador de gases que toma muestras de los gases de escape.

Comience calentando el cono para que haya un flujo de calor de tres a 50 kilovatios por metro cuadrado en la superficie del aceite. Además, enfríe el depósito a una temperatura previamente determinada. Cuando todo esté listo, conecte los tubos de agua al portamuestras y haga que el agua fluya a través del sistema.

Agite el portamuestras para eliminar el aire atrapado. Cuando las temperaturas del cono y del portamuestras se estabilicen, detenga la bomba. Cierre las válvulas a ambos lados del portamuestras y, a continuación, desconecte los tubos.

Lleve el portamuestras a una báscula de carga y tara la báscula. Agregue aceite a temperatura ambiente al portamuestras equivalente a un espesor de mancha de 10 milímetros. Cuando haya terminado, vuelva a conectar el portamuestras, abra las válvulas y reinicie el flujo de agua.

Después de iniciar la adquisición de datos, coloque con cuidado el portamuestras debajo del cono. Prepare dos cronómetros y mueva el encendedor de chispa sobre la muestra. A continuación, abra los obturadores del cono y ponga en marcha el primer cronómetro.

Cuando el aceite se encienda, detenga el primer cronómetro y encienda el segundo, luego mueva el encendedor a su posición neutral. Espere a que el fuego se extinga para detener el segundo cronómetro. Cierre las persianas y detenga la adquisición de datos.

A continuación, detenga el flujo de agua en el portamuestras, cierre las válvulas y desconecte los tubos. Coloque el portamuestras en una báscula tarada y registre su peso con los residuos de quemaduras. Limpie el soporte con un disolvente volátil y no polar.

Vuelva a pesarlo para determinar el peso del residuo y, por lo tanto, la eficiencia de combustión. Regreso al COFA. Coloque un cilindro de vidrio en un soporte en el centro del aparato.

A continuación, coloque dos calentadores infrarrojos refrigerados por agua sobre bases ajustables en su posición a cada lado del cilindro. Colóquelos de uno a cinco centímetros del borde exterior del cilindro. Llene el aparato de inflamabilidad del petróleo crudo con agua.

El nivel del agua debe estar un centímetro por debajo del borde del cilindro de vidrio. Coloque una hélice frente al cilindro a la altura previamente determinada. Ahora, prepare los termopares para el cilindro.

Monte tres termopares tipo K de un milímetro de espesor en un marco, suspenda este marco sobre el cilindro. Oriente el marco de modo que los termopares estén a lo largo del radio, de uno a dos milímetros por debajo del borde del cilindro. Agregue lentamente agua al recipiente y verifique que el agua toque cada termopar al mismo tiempo que prueba su colocación.

Para continuar, drene el agua para que su nivel vuelva a estar un centímetro por debajo del borde del cilindro. Asegúrese de que un encendedor de chispa pueda moverse fácilmente entre una posición neutral y el centro del cilindro. Enciéndalo en la posición neutra.

Vierta petróleo crudo equivalente a una mancha de cinco milímetros de espesor sobre el agua dentro del cilindro de vidrio. Agregue agua hasta que el aceite entre en contacto con los termopares. Mueva el encendedor de chispa a su posición sobre el aceite.

Inicie la adquisición de datos y un cronómetro simultáneamente. Encienda el capó de escape, la hélice y el encendedor de chispa. Encienda los calentadores infrarrojos a su potencia predeterminada.

Al encender el aceite, detenga el cronómetro. Apague el encendedor y muévalo a su posición neutral. Detenga la adquisición de datos y apague los calentadores y la hélice.

Luego, retire los termopares y extinga el fuego con una cubierta incombustible. Estos datos corresponden al tiempo de retardo de encendido en función del flujo de calor incidente del cono. Hay datos sobre el petróleo crudo pesado fresco y el petróleo crudo pesado que ha sufrido evaporación.

Las asíntotas verticales muestran los flujos de calor críticos. Este gráfico representa la tasa de liberación de calor en función del tiempo para el petróleo crudo ligero fresco. Tiene un perfil regular de tasa de liberación de calor.

Compare esto con los datos de un petróleo crudo ligero emulsionado que tuvo un desbordamiento al final de la combustión. Tenga en cuenta que las escalas son diferentes. Aquí está la eficiencia de combustión en función del flujo de calor incidente para dos tipos de petróleo, crudo ligero fresco y crudo pesado evaporado.

Los datos se obtuvieron con la configuración del cono. Los datos de la configuración también permiten un gráfico de la velocidad de combustión para los dos tipos de aceite. Este es un ejemplo de la temperatura superficial en función del tiempo de dos termopares en el aparato de inflamabilidad del petróleo crudo.

La espiga indica el momento de ignición. Después de ver este video, debería tener una buena comprensión de cómo estudiar la inflamabilidad y la eficiencia de combustión de los aceites crudos en condiciones que simulan incendios de petróleo crudo a escala operativa en el agua. Una vez dominados, los diversos procedimientos experimentales se pueden realizar en 20 a 60 minutos por experimento si se realizan correctamente.

Al intentar este procedimiento, es importante recordar que, aunque las configuraciones experimentales están diseñadas para simular condiciones a escala operativa, los experimentos aún se realizan en un entorno de laboratorio controlado y, por lo tanto, los resultados deben interpretarse en consecuencia. Siguiendo este procedimiento, se pueden añadir a las configuraciones experimentales otros parámetros que influyen en el problema, como el viento y las olas, para mejorar aún más la representatividad de estos experimentos en comparación con las operaciones reales de quema in situ. No olvide que trabajar con fuego y petróleo crudo puede ser extremadamente peligroso y siempre se deben tomar precauciones, como elementos de protección personal, una campana extractora adecuada y la protección de materiales combustibles, al realizar este procedimiento.