התהליך הניסיוני במחקרי מעבדה של בחיי עיר בוער: דליקות והיעילות צריבה של נפט גולמי
1 במאי 2018
כאן, אנו מציגים פרוטוקול ללמוד בו זמנית דליקות ויעילות הבוער של הנפט הגולמי בליה ורענן בתנאים המדמים בחיי עיר צריבה פעולות על הים.
המטרה הכוללת של הליך ניסיוני זה היא לכמת ולשפר את ההבנה של דרישות ההצתה ויעילות השריפה הנובעת מכך של נפט גולמי שנשפך על מים למטרות תגובה לדליפת נפט. פרוטוקול זה יכול לעזור לענות על שאלות מפתח לשריפה באתרה של דליפות נפט גולמי, כגון החוזק וזמן החשיפה הדרושים למקור ההצתה. היתרון העיקרי של ניסויי מעבדה אלה הוא שניתן לחקור את הדליקות ויעילות השריפה של נפט גולמי בו זמנית בתנאים המייצגים שריפות נפט גולמי בקנה מידה מבצעי.
התחל להכין דגימות שמן לניסויים. השתמש במיכל פלסטיק זה לתהליך הבליה. יש לו חורים שנקדחו במכסה שלו.
יש גם חור בצדו כדי להכיל צינור פלסטיק המחובר לטבעת O עם חורים. הגדר את המיכל לבעבע אוויר דרך כמה ליטרים של נפט גולמי טרי. במהלך תהליך הבליה, עקוב אחר משקל השמן כדי לדעת את אחוז הירידה במשקל לאורך זמן.
עצור כאשר הערך הרצוי מושג, מה שיכול להימשך מספר ימים. תחליב של נפט גולמי דורש שולחן טלטול סיבובי. ראשית, יש לנער במרץ 900 מיליליטר מתערובת הנפט הגולמי והמים הרצויה למשך דקה עד שתיים.
לאחר מכן הניחו את הבקבוק על שולחן הניעור הסיבובי כדי לערבב בטמפרטורת החדר. מנגנון דליקות הנפט הגולמי או COFA נמצא מתחת למכסה המנוע. זהו אגן מים ממתכת עם כניסה וניקוז.
לבדיקה הכינו גליל זכוכית. גובהו צריך להיות חמישה סנטימטרים וקוטרו כ -16 סנטימטרים. הרכיבו את הגליל על מעמד והניחו את המעמד והצילינדר במרכז האגן.
המשך על ידי מילוי האגן במים מתוקים. עצור כאשר המים נמצאים סנטימטר אחד מתחת לקצה גליל הזכוכית. התקן מדחף על קיר האגן כדי לפנות ישירות לגליל הזכוכית ולהתאים את גובהו.
הגדר את גובהו ומהירותו כך שהגלים הנוצרים בקושי נראים במים שבתוך הגליל. כבה את המדחף והכן את השמן. יוצקים את השמן בזהירות על פני המים שבתוך גליל הזכוכית.
לאחר מכן, הוסיפו לאט לאט מים לאגן ועצרו כאשר פני השטח של כתם השמן נמצאים מילימטר עד שניים מתחת לקצה הגליל. הפעל את המדחף והתכונן לתזמן את הצריבה. השתמש בלפיד יד בוטאן כדי להצית את הנפט הגולמי.
רשום את הזמן מההצתה ועד ההכחדה. לאחר כיבוי האש, השתמש ברפידות ספיגה הידרופוביות כדי לאסוף את השמן שנותר. יש לנער את כל המים שנאספו לפני שקילת הרפידות כדי לקבוע את יעילות הצריבה.
הכינו מערך אחר מתחת למכסה המנוע כדי לחקור דליקות. השתמש בתנור חרוט המצויד בתריסים ובמצת ניצוץ. תנור חימום זה כולל גם מחזיק מדגם בהתאמה אישית.
סכימה זו מדגישה את התכונות כאשר מחברים את השניים יחד. תנור החרוט יושב 23 מילימטרים מעל כתם שמן שנמצא במחזיק מתכת. שסתומים מווסתים את מי הקירור הזורמים מתחת לשמן.
סכימה זו מספקת תחושה של האלמנטים מעבר לתנור החימום ומחזיק המדגם. יש יחידת בקרה לטמפרטורת החרוט ולמצת הניצוץ. מערכת המים השלמה נחשפת, וכך גם נוכחותו של מנתח גז הדוגם את גזי הפליטה.
התחל בחימום החרוט כך שיהיה שטף חום של שלושה עד 50 קילוואט למ"ר על פני השמן. כמו כן, יש לקרר את המאגר לטמפרטורה שנקבעה בעבר. כשהכל מוכן, חבר את צינורות המים למחזיק הדגימה וקבל מים זורמים דרך המערכת.
נער את מחזיק הדגימה כדי להסיר אוויר כלוא. כאשר טמפרטורות החרוט ומחזיק הדגימה מתייצבות, עצור את המשאבה. סגור את השסתומים משני צידי מחזיק הדגימה ואז נתק את הצינורות.
קח את מחזיק המדגם לסולם עומס וטרס את המשקל. הוסף שמן בטמפרטורת החדר למחזיק הדגימה השווה לעובי חלקלק של 10 מילימטר. בסיום, חבר מחדש את מחזיק המדגם, פתח את השסתומים והפעל מחדש את זרימת המים.
לאחר תחילת רכישת הנתונים, הנח בזהירות את מחזיק המדגם מתחת לקונוס. הכן שני שעוני עצר והעבר את מצת הניצוץ מעל הדגימה. לאחר מכן, פתח את תריסי החרוט והפעל את שעון העצר הראשון.
כאשר השמן נדלק, עצור את שעון העצר הראשון והפעל את השני, ולאחר מכן העבר את המצת למצבו הנייטרלי. המתן לכיבוי האש כדי לעצור את שעון העצר השני. סגור את התריסים ועצור את איסוף הנתונים.
לאחר מכן, עצור את זרימת המים במחזיק המדגם, סגור את השסתומים ונתק את הצינורות. הנח את מחזיק הדגימה על משקל מזופת ורשום את משקלו עם שאריות צריבה. נקה את המחזיק עם ממס נדיף ולא קוטבי.
שקלו אותו שוב כדי לקבוע את משקל השאריות ובכך את יעילות הצריבה. נחזור ל-COFA. הנח גליל זכוכית על מעמד במרכז המכשיר.
לאחר מכן, הניחו שני תנורי אינפרא אדום מקוררים במים על רגליים מתכווננות למקומם משני צידי הגליל. מקם אותם במרחק של סנטימטר עד חמישה סנטימטרים מהקצה החיצוני של הגליל. מלאו את מנגנון דליקות הנפט הגולמי במים.
מפלס המים צריך להיות סנטימטר אחד מתחת לקצה גליל הזכוכית. הנח מדחף הפונה לצילינדר בגובה שנקבע קודם לכן. כעת, הכינו צמדים תרמיים לצילינדר.
הרכיב שלושה צמדים תרמיים מסוג K בעובי מילימטר על מסגרת, תלה את המסגרת הזו מעל הגליל. כוון את המסגרת כך שהצמדים התרמיים יהיו לאורך הרדיוס, מילימטר עד שניים מתחת לקצה הצילינדר. הוסיפו לאט לאט מים לאגן ובדקו שהמים נוגעים בכל צמד תרמי במקביל לבדיקת מיקומם.
כדי להמשיך, יש לנקז את המים כך שמפלסם יהיה שוב סנטימטר אחד מתחת לקצה הגליל. ודא שמצת ניצוץ יכול לנוע בקלות בין מצב ניטרלי למרכז הצילינדר. התחל אותו במצב ניטרלי.
יוצקים נפט גולמי שווה ערך לכתם בעובי חמישה מילימטרים על המים שבתוך גליל הזכוכית. מוסיפים מים עד שהשמן פשוט בא במגע עם הצמדים התרמיים. הזז את מצת הניצוץ למקומו מעל השמן.
התחל איסוף נתונים ושעון עצר בו זמנית. הפעל את מכסה המנוע, המדחף ומצת הניצוץ. הפעל את תנורי האינפרא אדום בעוצמתם שנקבעה מראש.
עם הצתת השמן, עצור את שעון העצר. כבה את המצת והעבר אותו למקומו הנייטרלי. הפסק את איסוף הנתונים וכבה את תנורי החימום והמדחף.
לאחר מכן, הסר את הצמדים התרמיים וכבה את האש באמצעות מכסה שאינו דליק. נתונים אלה מתייחסים לזמן עיכוב ההצתה כפונקציה של שטף החום המתרחש מהחרוט. ישנם נתונים על נפט גולמי כבד טרי ונפט גולמי כבד שעבר אידוי.
האסימפטוטות האנכיות מראות את שטפי החום הקריטיים. תרשים זה הוא של קצב שחרור החום כפונקציה של זמן לנפט גולמי קל טרי. יש לו פרופיל קצב שחרור חום רגיל.
השווה זאת לנתונים של נפט גולמי קל מתחלב שהיה לו רתיחה בסוף השריפה. שימו לב שהמאזניים שונים. להלן יעילות השריפה כפונקציה של שטף החום המתרחש עבור שני סוגי נפט, גולמי קל טרי ונפט גולמי כבד מתאדה.
הנתונים התקבלו עם מערך החרוט. הנתונים מהמערך מאפשרים גם תרשים של קצב השריפה עבור שני סוגי הנפט. זוהי דוגמה לטמפרטורת פני השטח כפונקציה של זמן משני צמדים תרמיים במנגנון דליקות הנפט הגולמי.
הדוקרן מציין את רגע ההצתה. לאחר צפייה בסרטון זה, אתה אמור להבין היטב כיצד ללמוד את הדליקות ויעילות השריפה של נפט גולמי בתנאים המדמים שריפות נפט גולמי בקנה מידה תפעולי על מים. לאחר שליטה, ניתן לבצע את הליכי הניסוי השונים תוך 20 עד 60 דקות לכל ניסוי אם הם מבוצעים כראוי.
בעת ניסיון הליך זה, חשוב לזכור שלמרות שמערכי הניסוי נועדו לדמות תנאים בקנה מידה מבצעי, הניסויים עדיין נערכים בסביבת מעבדה מבוקרת ולכן יש לפרש את התוצאות בהתאם. בעקבות הליך זה, ניתן להוסיף למערכי הניסוי פרמטרים נוספים המשפיעים על הבעיה כגון רוח וגלים כדי לשפר עוד יותר את הייצוגיות של ניסויים אלה בהשוואה לפעולות שריפה אמיתיות באתרן. אל תשכח שעבודה עם אש ונפט גולמי עלולה להיות מסוכנת ביותר ותמיד יש לנקוט באמצעי זהירות, כגון פריטי הגנה אישיים, מכסה מנוע תקין ושמירה על חומרים דליקים, בעת ביצוע הליך זה.
צפו בתמליל המלא וקבלו גישה לאלפי סרטונים מדעיים
סקירה כללית
מאמר זה מציג פרוטוקול לבחינת הדליקות ויעילות השריפה של נפט גולמי תחת תנאי שריפה במקום (in situ) מדומים. הדגש הוא הן על נפט גולמי טרי והן על נפט שעבר בליה, וזאת כדי לשפר את ההבנה של תגובות למקרי דליפת נפט.
מרכיבי מפתח של המחקר
תחום מדעי
- מדעי הסביבה
- מענה לדליפות נפט
- כימיה של בעירה
רקע
- הבנת דרישות ההצתה עבור נפט גולמי.
- חשיבות יעילות הבעירה בתרחישים של דליפות נפט.
- סימולציה של תנאי שריפה בקנה מידה תפעולי במעבדה.
- תהליך התבליות (Weathering) משפיע על תכונות הנפט.
מטרת המחקר
- לכימות דרישות ההצתה עבור דליפות נפט גולמי.
- לשיפור ההבנה של יעילות הבעירה.
- לספק תובנות עבור אסטרטגיות יעילות למענה לדליפות נפט.
שיטות שנעשה בהן שימוש
- הכנת דגימות שמן לניתוח ניסויי.
- שימוש במכל שתוכנן במיוחד עבור תהליכי בליאה (weathering).
- בחינה סימולטנית של דליקות ויעילות בעירה.
- ניסויים מעבדתיים מבוקרים לסימולציה של תנאי העולם האמיתי.
תוצאות עיקריות
- זיהוי עוצמות של מקורות הצתה מרכזיים.
- קביעת זמני החשיפה הדרושים להצתה.
- השוואה בין יעילויות הבערה של שמנים טריים ושמנים שעברו בליה.
- תובנות לגבי תנאי בעירה בקנה מידה תפעולי.
מסקנות
- הפרוטוקול מסייע בהבנת תהליך הבעירה של נפט גולמי.
- הממצאים עשויים לתרום לשיפור נהלי התגובה לדליפות נפט.
- ניתוח סימולטני משפר את מהימנות הנתונים.
שאלות נפוצות
רלוונטיות תעשייתית מרכזית
שיטה זו מאפשרת הערכה מעבדתית מבוקרת של דליקות נפט גולמי ויעילות בעירה בתנאי בעירה in situ מדומים, ובכך תומכת בפיתוח אסטרטגיה למענה לדליפות נפט. על ידי כימות דרישות ההצתה והתנהגות הבעירה של נפט טרי ונפט שעבר בלייה (weathered), היא מספקת נתונים להערכת עוצמת מקור ההצתה וזמני החשיפה הנדרשים לצמצום יעיל של השפעות הדליפה. גישה זו משפרת את רמת הוודאות החיזויית בתכנון המענה לדליפות על ידי גישור בין תצפיות בקנה מידה מעבדתי לבין דינמיקת אש בקנה מידה מבצעי.
יישומים אסטרטגיים במו"פ של ביו-פארמה
גילוי מוקדם ותיקוף מטרה
- ערך מדעי: מאפשר בחינה של היפותזות בעירה על ידי מדידת שטף חום קריטי וזמן השהיה בהצתה כפונקציות של שטף חום פוגע.
- ערך תפעולי: מספק פרוטוקולים סטנדרטיים וניתנים לשחזור להערכת נקודות קצה של דליקות עבור סוגי שמן ומצבי התבלאות שונים.
סריקה ופיתוח בדיקה (Assay)
- ערך מדעי: מייצר נתונים כמותיים על יעילות השריפה וקצב שחרור החום לצורך סריקה השוואתית של וריאנטים של נפט גולמי.
- ערך תפעולי: תומך בסטנדרטיזציה של הבדיקה באמצעות קירור מים מבוקר, שטף חום חיצוני והכנה מדויקת של עובי שכבת הנפט.
מחקר תרגומי ופרה-קליני
- ערך מדעי: מספק אנלוגים של מערכות רלוונטיות למחלה על ידי סימולציה של תנאי שריפה מהעולם האמיתי על פני מים, ובכך משפר את הרצף התרגומי מהמעבדה לשטח.
- ערך תפעולי: מקל על קבלת החלטות בנוגע להתקדמות מותאמת סיכונים באמצעות זיהוי תנאים המשפיעים על שלמות השריפה ועל היווצרות השאריות.
שילוב תהליכי עבודה וצינורות עיבוד
השיטה משתלבת בתהליכי גילוי מוקדמים על ידי אספקת נתונים לגבי דליקות ויעילות בעירה, המשמשים להערכת סיכונים ולתכנון תגובה עבור חומרים מבוססי פחמימנים.
- ביולוגיה של הגילוי: תומך בהפחתת סיכונים מכניסטיים על ידי הבהרת הקשר בין שטף חום חיצוני, טמפרטורת פני השטח ועיתוי ההצתה במערכות פחמימנים.
- סריקה: מאפשר כימות הדיר שחזור של יעילות הבעירה באמצעות מדידות מסת שמן לפני ואחרי הבעירה באמצעות רפידות ספיגה הידרופוביות.
- אנליטיקה: מספק פרופילים של קצב שחרור חום וטמפרטורת פני השטח ברזולוציה של זמן באמצעות שילוב של תרמוקופל ומנתח גזים לצורך ניתוח תנאים השוואתיים.
- מחקר תרגומי: מקשר בין התנהגות בעירה בקנה מידה מעבדתי לבין דינמיקת אש בקנה מידה תפעולי באמצעות סימולציה של קירור במים ומשוב חום קרינתי, ובכך תומך בהסברה לתרחישי דליפה ממשיים.
- שימוש חוזר ארגוני: מבסס פלטפורמה לשימוש חוזר להערכת תכונות הצתה ובעירה של חומרי פחמימנים מגוונים תחת תנאים מבוקרים וניתנים להרחבה.
השפעה תפעולית וארגונית
- ערך מדעי: מפחית עמימות מכניסטית בבעירה של פחמימנים על ידי קישור בין השהיית ההצתה, שטף החום הקריטי ויעילות הבעירה תחת משתנים מבוקרים.
- ערך תפעולי: מבטיח הדירות באמצעות הכנה סטנדרטית של דגימות, בקרת זרימת מים ופרוטוקולים לסנכרון תזמון ההצתה.
- ערך אסטרטגי: משפר קבלת החלטות מסוג go/no-go בתכנון מענה לדליפות על ידי הגדרת דרישות העוצמה ומשך הזמן של מקור ההצתה להנעה מוצלחת של הבעירה.
- השפעה על תיק הפעילות: מאפשר תעדוף של אסטרטגיות מענה מבוסס סיכון על ידי השוואת יעילות הבעירה והיווצרות שאריות בין פרופילים של שמן טרי לשמן שעבר בקרה (weathered).
שיקולי יישום
- דורש מומחיות במדעי הבעירה, טיפול בתרמוקפל ובפרוטוקולי בטיחות של פחמימנים.
- תלוי במחמם קוני, גיבס מקורר במים, בקרת זרימה מונעת מדחף ומכשור לניתוח גזים.
- מחייב סטנדרטיזציה בין-צוותית של בקרת בליה של שמן, אמולסיפיקציה והכנת עובי השכבה לצורך קבלת תוצאות עקביות.
- כולל שיקולי התאמה בעת הרחבה לסמיכויות שמן שונות, מצבי אמולסיפיקציה או משנים סביבתיים כמו רוח וגלים.
- מגבלות מעשיות כוללות כימות חלקי של השפעות קירור המים על יעילות הבעירה בשטפי חום משתנים, כפי שצוין במקור.
שאלות נפוצות בביו-פארמה
Chapters in this video
0:04
Title
0:45
Preparing Oil Samples by Evaporative Weathering and Emulsification
1:52
Reference In Situ Burning Experiments in the Crude Oil Flammability Apparatus (COFA): Calibration of the Water Cooling in the Cone Setup
3:48
Flammability Experiments of Crude Oil in the Cone Setup
7:08
Surface Temperature Upon Ignition Experiments of Crude Oil in the Crude Oil Flammability Apparatus Setup
9:50
Results: Characterization of the Flammability and Burning Efficiency of Fresh, Evaporated, and Emulsified Crude Oil
11:15
Conclusion
